ScienceBits

Sugárzó bizmut

KÖZÉPISKOLAI KÉMIAI LAPOK, SZAKMAI

Bizmut kristály

A tudomány hosszú ideig a bizmutnak a természetben előforduló egyetlen, 209-es izotópját tartotta a legnagyobb tömegszámú stabil atommagnak. 2003-ban ez a kitüntető cím azonban az ólom 208-ra szállt át, mert a jelenlegi csúcstechnológiát képviselő műszerekkel sikerült kimutatni, hogy a ²⁰⁹Bi valójában nagyon lassú radioaktív alfa-bomláson megy át. A detektálás fő nehézsége az volt, hogy a bomlások nagyon ritkák, ezért a hagyományos módszerekkel nem mutathatók ki. A siker kulcsa egy újonnan készített eszköz, a szcintillációs bolométer volt. Ez két, egy évszázadnál is régebben ismert eszközt egyesít.

A szcintillációs detektorokat radioaktív részecskék kimutatására használják. Néhány szilárd anyagban a töltéssel rendelkező, nagy energiájú részecskék elnyelődése apró felvillanásokat okoz. A felvillanások megszámlálásával a radioaktív sugárzás intenzitása megbecsülhető. Ilyen elven működött Ernest Rutherford (1871-1934) híres kísérletében az aranyfólián áthaladó alfa-részecskék kimutatására használt cink-szulfid-ernyő.

A bolométer elektromágneses sugárzás energiájának mérésére alkamas eszköz, Samuel Pierpont Langley (1834-1906) csillagász találta fel. Működésének lényege, hogy egy abszolút nulla fok közelébe hűtött szilárd testben (az abszorberben) az elnyelődő sugárzás által okozott hőmérsékletemelkedést mérik. Természetesen ez csak egy nagyon költséges hűtőrendszer üzemeltetésével lehetséges, ezért a legtöbb esetben a bolométert ritkán használják, és akkor is csak olyan hullámhossztartományú (200 μm – 1 mm) sugárzás intenzitásának mérésére, amelyre nem ismeretes érzékenyebb detektor.

E két eszközt egyesítették mintegy 20 éve nagyon ritka radioaktív bomlások tanulmányozására. A ²⁰⁹Bi alfa-bomlásának kimutatását az a felismerés tette lehetővé, hogy a Bi₄Ge₃O₁₂ kettős oxid kristályai jól szcintillálnak, és bolométeranyagnak is alkalmasok. Egy ilyen bolométer fényképét és elvi sémáját mutatja be az 1. ábra. Az eszköz átmérője és magassága egyaránt 20 mm, s egy fényvisszaverő ezüstbevonattal ellátott kamrában van, amelyet egy 0,020 K hőmérsékletű speciális hűtőbe helyeznek. Az elvi ábrán bal oldalon lévő, 25 mm átmérőjű és 0,10 mm vastag Ge-lemezben a ráeső fény fotoáramot kelt, így segítségével a felvillanásokat észlelni lehet. A jobb oldalon lévő, speciálisan adalékolt Ge-darab ellenállásán keresztül a hőmérsékletre lehet következtetni. Így aztán az eszközzel a benne elnyelődő ionizáló részecskék számát és energiáját is meg lehet határozni. A szcintillációs bolométert minden külső hatástól a lehető legjobban el kell szigetelni, hogy a természetes háttérsugárzás a lehető legkevésbé zavarja a méréseket. A ²⁰⁹Bi a kristály anyagában van, ezért radioaktív bomlásai magában a kristályban történnek, és a szcintillációs detektálás nagy hatékonysága biztosítja azt is, hogy egyetlen egy bizmutatom sem bomolhat el észrevétlenül. A kísérlet során azt tapasztalták, hogy kb. öt nap alatt több tucat, külső hatásokkal nem értelmezhető bomlás történt, amelyeknél az ionizáló részecske energiája 503 fJ (5,03∙10^-13 J) volt.

A bizmut-209 radioaktivitásának kimutatására
használt szcintillációs bolométer fényképe és
elvi sémája

Hogyan lehet ellenőrizni, hogy ez lehet a Bi-209 alfa-bomlásának következménye? Tömegspektrométerrel egyes izotópok relatív atomtömegét igen nagy pontossággal meg lehet határozni: a ²⁰⁹Bi-é 208,980374, a ²⁰⁵Tl-é 204,974401, a ⁴He-é pedig 4,00260324. Ha a Bi-209 valóban alfa-bomláson megy át, akkor ennek egyenlete:

²⁰⁹Bi → ²⁰⁵Tl + ⁴He

A keletkező ²⁰⁵Tl és ⁴He tömegének összege 208,9770042, vagyis kisebb, mint a kiindulási ²⁰⁹Bi tömege. A különbséget (Δm = 0,003370) tömeghiánynak nevezik, és az Einstein-féle tömeg-energia ekvivalenciaelv segítségével kiszámolható belőle, hogy mennyi energia szabadult fel:

Vagyis a várt bomláshoz tartozó energifelaszabadulás éppen megegyezik a kísérletileg tapasztalttal. A ²⁰⁹Bi felezési idejét is ki lehetett számolni a mért adatok alapján. A 45,7 g tömegű Bi₄Ge₃O₁₂ bolométerben 100 óra alatt 41 bomlást regisztráltak. A kristályban lévő Bi-209 atomok száma:

A bomlási állandó ilyen körülmények között kiszámolható az elbomlott atomok hányada és az eltelt idő osztásával:

A felezési idő pedig:

A francia kutatócsoport készített egy másik, 91,2 g tömegű szcintillációs bolométert is. Ebben 114 óra alatt 77 bomlást detektáltak. Az összes adatot együtt kiértékelve a ²⁰⁹Bi felezési idejére (1,9 ± 0,02)∙10¹⁹ év adódott. Ez a felezési idő a világegyetem ma ismert koránál kilenc nagyságrenddel nagyobb, vagyis annak egymilliárdszorosa. Azt gondolhatnánk, hogy hosszabbat már elvileg is lehetetlen mérni. Azonban ez sem teljesen így van. Az 1. táblázat a ma ismert, kivételesen hosszú (10¹⁵ évnél nagyobb) felezési idejű izotópokat tünteti fel. Látható, hogy a ¹²⁸Te a csúcstartó, felezési ideje még kb. 5 nagyságrenddel nagyobb, mint a ²⁰⁹Bi-é. A természetes tellúrban a ¹²⁸Te gyakorisága csak 31,7%, így a radioaktivitás felfedezése óta eltelt bő egy évszázad alatt egy nagynak elképzelt, 1 kg tömegű, tiszta tellúrból álló mintában nagyjából 50 db ¹²⁸Te-bomlás történt volna. Hogyan lehet hát meghatározni a felezési idejét? Az eljárás kulcsa az, hogy a kísérletet nem kell feltétlenül tudósoknak elkezdeniük: néhány szerencsés esetben a természet maga gondoskodott erről. A ¹³⁰Te β^--bomláson megy át, amelynek közvetlen terméke a ¹³⁰I, amely gyorsan, 12 óra felezési idővel stabil ¹³⁰Xe-á alakul. Ismeretes néhány tellúrt nagy mennyiségben tartalmazó ásvány, pl. a tellurobizmutit (Bi₂Te₃), amelyben a gázzárványok összetételét tömegspektrometriás módszerrel elemezni lehet.

Ismeretes, hogy bizonyos körülmények között ezen kőzetbe zárt gázok még földtörténeti korok alatt sem távoznak el. Egy ilyen típusú kőzetből származó, 210 mg tömegű Bi₂Te₃ minta zárványaiban 29,8 amol ¹³⁰Xe (1 amol = 1 attomol = 10^-18 mol) és 56,9 amol ¹³²Xe volt. A minta közelében talált, tellúrt nem tartalmazó kvarcminta 38,2 mg-jában a ¹³²Xe anyagmennyisége 51,5 amol, a ¹³⁰Xe-é pedig 7,81 amol volt. A kvarcban csak a kristályosodás kezdetekor belezárt levegő miatt van Xe, izotópjainak aránya jól egyezik a mai levegőben mérhető ¹³²Xe:¹³⁰Xe = 6,6:1 aránnyal. A Bi₂Te₃ mintában a ¹³⁰Xe két forrásból származik: a bezárt levegőből és a ¹³⁰Te bomlásából. A levegőből származó mennyiségnek 56,9∙7,81/51,5 = 8,63 amol-nak kell lennie, így a radioaktív bomlás során 29,8 - 8,63 = 21,2 amol keletkezett. A 210 mg Bi₂Te₃ mintában összesen 787 μmol Te van, a ¹³⁰Te gyakorisága pedig 34,08 %, vagyis a ¹³⁰Te anyagmennyisége 268 μmol. Most már csak az ásványok keletkezésének idejét kellene ismerni a ¹³⁰Te felezési idejének a meghatározásához. Ehhez egy másik nemesgáz, az Ar kőzetekben mért mennyiségét lehet felhasználni. A vizsgált kőzetben találtak biotit nevű, K(Mg,Fe)₃AlSi₃O₁₀(F,OH)₂ általános képletű ásványt is. A 40K izotópból 1,3∙10⁹ év felezési idővel, β⁺-bomlással 40Ar keletkezik. Így az Ar-zárványok mérése alapján meg lehetett határozni, hogy az ásvány 93 millió éve keletkezett. Tehát a ¹³⁰Te felezési ideje:

Az 1. táblázatban megadott szám több hasonló kísérlet átlagából származik, és a ma legmegbízhatóbbnak tekintett adatot jelenti. A ¹²⁸Te felezési idejét pedig hasonló gázzárványokban lévő ¹²⁸Xe és ¹³⁰Xe mennyisége alapján számították ki.

2009.01.07.