Fizyka promieniowania jonizującego. Zygmunt Szefliński

Transkrypt

1 Fizyka promieniowania jonizującego Zygmunt Szefliński 1

2 Wykład 3 Ogólne własności jąder atomowych (masy ładunki, izotopy, izobary, izotony izomery). 2

3 Liczba atomowa i masowa Liczba nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze to liczba masowa (A), która jest liczbą całkowitą, zbliżoną do masy atomowej pierwiastka. Liczba atomowa, decydująca o właściwościach chemicznych pierwiastka, to liczba protonów w jądrze, decyduje ona o ładunku jądra i jednocześnie o liczbie elektronów w powłoce atomowej, a jest oznaczana symbolem Z. Liczba neutronów jest oznaczana symbolem N. Liczba masowa, A=N+Z wskazuje ile razy atom cięższy jest od atomu wodoru. Tylko nieliczne substancje chemiczne składają się tylko z jednego rodzaju atomów. 3

4 Budowa jader (A, Z) 12 C He 4

5 Odkrycie jądra atomowego 5

6 Odkrycie jądra atomowego Przykładowe bezwzględne wartości promieni jader atomowych to: R (He)=2 fm, R(Mg)= 4 fm,, R( U ) = 7,5 fm, fm=10-15 m). 6

7 Przedstawienie modelowe r 15 jadra 410 m r 11 atomu 510 m Mała moneta, d=1cm Wysoka wieża, h=10 4 cm = 100m 7

8 Rozmiary atomów i jąder 2 ~ 10 m ~ m ~ 10 2 m ~ m 8

9 Przykładowe atomy -schemat Atom wegla Atom helu 9

10 Składniki jądra protony i neutrony A Z X nuklid - jądro o określonej liczbie masowej (A) i ładunku (Ze ) a symbol X określa atom pierwiastka chemicznego o liczbie atomowej Z. Jednocześnie Z określa liczbę protonów w nuklidzie, A - liczbę nukleonów (protonów i neutronów). Wszędzie, gdzie nie budzi to nieporozumień, terminu nuklid będziemy używać zarówno dla określenia atomu, jak i odpowiedniego jądra. W przypadku, gdy rozważania mają charakter ilościowy, wymagający uwzględnienia mas, przez masę nuklidu będziemy rozumieć masę neutralnego atomu. 10

11 Masy nuklidów Praktycznie masę atomową Aw danego pierwiastka wyraża liczba określająca, ile razy masa atomu jest większa od 1/12 masy nuklidu 12 C Z podanej zależności wynika, że znając masę atomową pierwiastka można obliczyć masę jego atomu wyrażoną w kg. ma(kg) = Aw*1,6605*10-27 Przykład obliczenia masy atomu wapnia mca = 40,08*1,6605*10-27 = 6,65*10-26 kg Wartości mas atomowych Aw wyrażone w jednostkach mas atomowych (u) odczytujemy z układu okresowego pierwiastków Przykład dla helu (He) Hel(He) - 4,003u. 11

12 Pojęcia fizyki jądrowej izotopy to nuklidy o tym samym Z, lecz różnej liczbie neutronów, a zatem o różnej liczbie masowej A izobary -nuklidy o tej samej liczbie masowej A, lecz różnych liczbach atomowych, Z izotony - nuklidy o tej samej liczbie neutronów (A-Z), lecz różnych wartościach A i Z, H, 1H, 1H, 14 6 C, N, O He, 3Li, 4Be, 9 5 B izomery - nuklidy o tej samej liczbie masowej A i atomowej, Z, lecz różniące się masą (energią) jądra. Są to stosunkowo długo żyjące stany wzbudzone nuklidów A Z X * 12

13 Rozmiary i kształty jąder ( r) ( )/ e r 1 c a 13

14 Rozkłady ładunku 1/ R r 0 A 3 Gdzie r 0 jest parametrem o przybliżonej wartości ok 1.2 fm. Sn R 1,2 5 fm fm 14

15 Przykład rozmiarów 15

16 Wykład 4. Ogólne własności jąder atomowych (masy ładunki, izotopy, izobary, izotony izomery). 16

17 Kształty jąder Jądra, zwane magicznymi są sferyczne Liczby nukleonów tworzące zamknięte powłoki nazywamy liczbami magicznymi. Liczby magiczne są różne dla protonów i neutronów, a liczby definiujące zamknięte powłoki protonowe i neutronowe to: 2, 8, 20 (28)., 50, 82, 126, (184) dla neutronów, 2, 8, 20 (28)., 50, 82, (114) dla protonów. Jądra, dalekie od liczb magicznymi są niesferycne Sn, O, Ca 17

18 Identifikacja izotopów Atom Elektrony Jądro 18

19 Energia wiązania jąder Pomiary mas jąder M (Z,A) prowadzą do stwierdzenia, że różnica między sumą mas składników a masą złożonego z nich jądra jest wielkością różną od zera, dodatnią, różną dla różnych jąder. B m N m Z M Z, n p A Energię wiązania można określić jako ilość energii, koniecznej do pełnego rozbicia jądra na wszystkie jego składniki. Np. energia wiązania deuteronu (jądra ) wynosi MeV 2 H 1 p n Energia wiązania cząstki alfa (jądra He) wynosi około 27 MeV. 19

20 B Energia wiązania He m N m Z M Z, n p A M p = 1,00728 u, M n = 1,00866 u, u = 931,494 MeV/c 2 M = u 2,0146+2,0173=4,0319 4,0319-4,0015=0,0304 0,0304*931,528 MeV 20

21 Energia wiązania nukleonu Często rozważa się wartość energii wiązania przypadającej - średnio - na jeden nukleon, B/A 21

22 Przebieg energii wiązania B/A Mimo pewnych nieregularności, można sformułować następujące wnioski z przebiegu zależności B/A w funkcji A: 1. fakt, że energie wiązania są dodatnie - (mimo odpychania kolumbowskiego między protonami) świadczy o istnieniu silnych oddziaływań przyciągających, działających między nukleonami, 2. dla małych liczb masowych wartość B/A rośnie szybko z liczbą nukleonów A (każdy "nowododany" nukleon wzmacnia wiązanie), 3. dla średnich liczb masowych wzrost staje się coraz wolniejszy aż do szerokiego maksimum (średnio ciężkie jądra z obszaru A~60, mają tę samą energię wiązania przypadającą na jeden nukleon). Świadczy to o krótkim zasięgu sił oddziaływania nukleon-nukleon (N-N) gdyż "nowo-dodane" nukleony nie oddziaływają już praktycznie z odległymi nukleonami w centrum. Efekt ten nazywamy "wysycaniem sił jądrowych", 4. dla ciężkich jąder wartość B/A powoli maleje, co świadczy o wzmagającej się roli kulombowskiego odpychania między coraz liczniejszymi protonami. 22

23 Energia separacji Energię niezbędną dla oderwania od jądra jednego nukleonu (neutron, proton), z reguły różniącą się od wielkości B/A, nazywamy energią separacji neutronu (Sn) czy protonu (Sp). Energię separacji definiuje się jako różnicę między sumą masy "odrywanej" cząstki i pozostałego jądra, a masą jądra początkowego. Energia separacji neutronu i protonu to: S n m n M ( Z, A 1) M Z, A S p m p M ( Z 1, A 1) M Z, A 23

24 Radioaktywność Radioaktywność to własność jąder atomowych Dzięki tej własności jądro może być niestabilne i podlegać przemianom jądrowym. Ten proces może być szybki (krótki czas życia) lub wolny (długi czas życia). Nigdy, czas przemiany nie może być przewidziany dla danego jądra to zdarzenie przypadkowe opisywane prawami statystycznymi. 24

25 Przemiany spontaniczne Spontanicznymi nazywamy procesy realizowane samorzutnie, w odróżnieniu od reakcji, dla których niezbędne jest oddziaływanie między "pociskiem" a "tarczą". Mówimy wówczas o przemianie spontanicznej, bądź o rozpadzie. Podstawową charakterystyką przemiany spontanicznej jest prawdopodobieństwo jej realizacji. Miarą jego jest stała zaniku, lub jej odwrotność, =1/, czyli średni czas życia. W fizyce jądrowej, rozważając przemiany promieniotwórcze, często używa się innej wielkości okres połowicznego zaniku, T 1/2 = ln 2. XI

26 Czas połowicznego zaniku T 1/2 Opisuje jak szybko zachodzi proces przemiany jadrowej T 1/2 to czas przemiany połowy materiału radioaktywnego (liczba rozpadów w jednostce czasu maleje do połowy) 26

27 Wykład 5 Promieniowanie elektromagnetyczne atomów promieniowanie X (widmo liniowe, promieniowanie charakterystyczne, układ okresowy pierwiastków). 27

28 Prawo rozpadu promieniotwórczego Rozpady obiektów nietrwałych podlegają statystycznemu prawu, które można zapisać w postaci; N Nt Rozwiązanie: dn dt N t N N 0 e Rozwiązanie po zlogarytmowaniu: ln N ln N0 t XI

29 Prawo rozpadu promieniotwórczego ln N ln N0 t Krzywa rozpadu promieniotwórczego w skali logarytmicznej XI

30 Czas zaniku wykres logarytmiczny 30

31 A(t) = A(0) exp(-t ln2 / t 1/2 ) A(t) aktywność w czasie t A(0) poczatkowa aktywność w czasie 0 t czas t 1/2 czas połowicznego zaniku 31

32 Aktywność źródła Aktywnością promieniotwórczej próbki nazywamy liczbę rozpadów, zachodzących w jednostce czasu. Jednostki aktywności to:1ci - 1 kiur 1 Ci= rozpadów na sekundę, oraz znacznie mniejsza jednostka: 1Bq = 1bekerel = 1 rozpad na sekundę. XI

33 Typy radioaktywności (rozpadów) Rozpad alfa (jądra Helu) - ciężka, ładunek +2e, silnie oddziałująca z materią Rozpad beta, promieniowanie beta (elektrony) lekkie cząstki, słabo oddziałująca z materią, skończony zasięg. Promieniowanie gamma (fotony) 33

34 Potencjały jonizacyjne 34