Budowa atomu - model Rutherforda

Transkrypt

1 Budowa atomu - model Rutherforda

2 Struktura atomu i jego składników

3 Elementarne składniki materii kwarki Nukleony, czyli proton i neutron, są przykładem tzw. hadronów (ściślej barionów). Zbudowane są z kwarków wiercących się w ich wnętrzu (proton uud, neutron udd). Kwarki oddziałują silnie wymieniając między sobą tzw. gluony. leptony Elektrony są przykładem tzw. leptonów, które w przeciwieństwie do hadronów są niepodzielne. Oddziałują siłami elektromagnetycznymi wymieniając między sobą fotony. Według aktualnego stanu wiedzy kwarki i leptony są najmniejszymi niepodzielnymi cegiełkami materii.

4 oddziaływania Nośnik oddziaływania Rodzaj oddziaływania Zasięg Względne natężenie grawiton (hipotetyczny) grawitacyjne nieskończony W + bozony pośredniczące W - Z 0 słabe m 10-5 foton elektromagnetyczne nieskończony gluonów silne m 1

5 grawitacyjne Występuje między wszystkimi obiektami materialnymi; hipotetycznymi nośnikami pola są grawitony; do zaniedbania w przypadku obiektów o małej masie (np..nukleony). słabe Występują pomiędzy leptonami i hadronami; nośnikami pola są bozony pośredniczące W, Z 0 ; są odpowiedzialne za rozpad hadronów - odgrywają istotną rolę m.in. przy rozpadzie. elektromagnetyczne Występują między cząstkami naładowanymi; nośnikami pola są fotony; są źródłem silnego odpychania (rzędu kilkuset N) między protonami w jądrze. W latach 50-tych Sheldon Glasgow, Abdus Salam i Steven Weinberg wymyślili schemat, w ramach którego połączyli teorie oddziaływań elektromagnetycznych i słabych tzw. oddziaływanie elektrosłabe. silne Występuje w czystej postaci między kwarkami oraz jako tzw. silne szczątkowe między hadronami; nośnikami pola są generalnie gluony, ale w przypadku oddziaływań między nukleonami w jądrze efektywnymi nośnikami pola są mezony zbudowane z pary kwarkantykwark; wewnątrz jądra powodują, że pojedyncze nukleony przyciągają się siłą rzędu kilku tysięcy N.

6 średnica nukleonów rzędu 2,5 fm zasięg oddziaływań silnych rzędu 2,5 3 fm

7 jądro atomowe A Z X

8 Jądro atomowe podstawowe oznaczenia i nazewnictwo A Z X X symbol nazwy pierwiastka (92/114/ ) Z N tzw. liczba porządkowa, czyli ilość protonów w jądrze (identyfikuje pierwiastek) liczba neutronów w jądrze A = Z + N tzw. liczba masowa, czyli ilość nukleonów w jądrze

9 izotopy Z 1 =Z 2 N 1 N 2 A 1 A 2 izotony Z 1 Z 2 N 1 =N 2 A 1 A 2 izobary Z 1 Z 2 N 1 N 2 A 1 =A 2 izomery Z 1 =Z 2 N 1 =N 2 A 1 =A 2 m j1 m j2 Jądro izomeryczne (izomer) to jądro znajdujące się w stanie wzbudzonym metatrwałym, o wyższej energii a zatem i masie. Oznacza się je dopisując gwiazdkę przy symbolu pierwiastka: A Z X * to izomer jądra A Z X

10 Spośród znanych obecnie ponad 2000 izotopów zaledwie 272 to izotopy trwałe pozostałe podlegają rozmaitym rozpadom samorzutnym.

11

12 Jądro atomowe podstawowe własności rozmiary R ~ 10 5 R j a R j 3 R 0 A R0 (1,2 1,7) m Atom niczym stadion piłkarski z jądrem w środku powiększonym do rozmiarów ziarnka grochu/soczewicy.

13 Jądro atomowe podstawowe własności masa m j m a m n 1, kg m p 1, kg 1u = 1, kg m e m n

14 Jądro atomowe podstawowe własności gęstość materii j ~ g / cm a 3 Szklanka materii jądrowej ma masę przewyższającą masę średnich rocznych opadów zebranych z całej Polski. 2 wiadra materii jądrowej odpowiadają masowo całej wodzie zgromadzonej w Bałtyku. Wewnątrz jądra gęstość materii jest prawie stała, przy powierzchni następuje szybki spadek opisywany rozkładem Fermiego (R promień jądra).

15 Jądro atomowe podstawowe własności ładunek Całkowity ładunek jądra równa się sumie ładunków jego protonów! Q j Z ( e)

16 Jądro atomowe podstawowe własności defekt masy Dokładne pomiary mas jąder atomowych wykonane za pomocą spektrometru masowego pokazują, że masa jądra jest mniejsza od sumy mas protonów i neutronów wchodzących w jego skład!!! m Z m p ( A Z) m M ( A, Z n ) 0 Wielkość m jest nazywana defektem masy.

17 Jądro atomowe podstawowe własności energia wiązania Biorąc pod uwagę równanie Einsteina E=mc 2 można stwierdzić, iż w procesie wiązania się nukleonów w jądro (nuklid) dochodzi do obniżenia się energii układu nukleonów czemu odpowiada relatywistyczne zmniejszenie masy. Defekt masy zapisany w jednostkach energetycznych jest równoważny energii wiązania jądra m c 2 = E = E w defekt masy energia wiązania Wielkością umożliwiającą łatwe porównanie energii wiązania różnych jąder jest średnia energia wiązania przypadająca na jeden nukleon czyli E w /A.

18 Średnia energia wiązania nukleonu w funkcji liczby masowej, A. Dla średnich i dużych wartości liczb masowych energia wiązania jednego nukleonu niewiele się zmienia, co oznacza, że energia wiązania jądra jako całości jest w przybliżeniu proporcjonalna do liczby masowej. Warto zapamiętać kształt tej krzywej, bowiem zawiera się w nim zarówno podstawa energetyki i broni jądrowej jak i reakcji termojądrowych zachodzących na Słońcu.

19 Spontaniczne przemiany jądrowe pierwsze obserwacje: Becquerel (1896) małżonkowie Curie (1898) Emisja jądrowa Rozszczepienie jądrowe rozpad jądra na dwie lub więcej części Warunkiem koniecznym każdej przemiany jest wydzielenie się w niej pewnej ilości energii masa produktów przemiany < masy układu wyjściowego

20 Przemiany zachodzące samorzutnie nazywamy naturalnymi (spontanicznymi) przemianami jądrowymi, a izotopy jądrowe ulegające przemianom naturalnym nazywamy promieniotwórczymi. Izotopy promieniotwórcze dzielimy na: naturalne i sztuczne (otrzymywane w reakcjach jądrowych). Spośród znanych obecnie ponad 2000 izotopów zaledwie 272 to izotopy trwałe. Pozostałe podlegają rozmaitym rozpadom samorzutnym.

21 Emisja jądrowa Ra Rn 2He U Th 4 2 He

22 Emisja jądrowa minus i plus

23 Emisja jądrowa wychwyt elektronu

24 Emisja jądrowa

25

26 Emisja jądrowa konwersja wewnętrzna Konwersja wewnętrzna jest procesem jądrowym, w którym energia wzbudzenia jądra atomowego zostaje przekazana bezpośrednio jednemu z elektronów orbitalnych atomu. Następuje tym samym emisja (wyrzucenie) elektronu przez atom. Proces ten jest konkurencyjnym dla emisji promieniowania gamma i zachodzi głównie w atomach o dużych liczbach atomowych, przy stosunkowo małych energiach wzbudzenia jąder, rzędu (10-100) kev.

27 Samorzutne rozszczepienie jądrowe Możliwe dla bardzo ciężkich jąder np.: mendelew, lorens, rutherford, pluton, kaliforn. Np. dla próbki kalifornu na 100 przemian samorzutnych mniej więcej 3 z nich to rozszczepienia samorzutne. Proces polega na podziale jądra na mniejsze fragmenty z równoczesnym uwolnieniem pewnej liczby neutronów (w odróżnieniu od rozszczepienia wymuszonego nie jest tu potrzebny inicjujący rozszczepienie neutron!!! ) Radionuklidy podatne na rozszczepienie samorzutne wykorzystuje się jako źródła neutronów np. do prześwietlania bagaży w celu wykrycia materiałów wybuchowych.

28 Przemiana (rozpad) He Y X A Z A Z Przemiana (rozpad) e A Z A Z e Y X ~ e A Z A Z e Y X e A Z pow at A Z Y e X Przemiana X X A Z A Z * e X e X A Z pow at A Z *

29 Prawo rozpadu promieniotwórczego Rozważmy próbkę złożoną z bardzo dużej liczby jąder podlegających rozpadom. Rozpad/przemiana promieniotwórcza jest procesem o charakterze statystycznym, co oznacza, iż nie można przewidzieć w której chwili dane jądro ulegnie rozpadowi, można natomiast określić prawdopodobieństwo tego rozpadu. Rozpady poszczególnych jąder następują niezależnie od siebie. Liczbę jąder pozostających w próbce po czasie t określa prawo rozpadu: N ( t) N 0 e t N t T ln 2 T ln 2

30 T czas połowicznego rozpadu

31 Aktywność próbki (A) liczba rozpadów zachodzących w jednostce czasu Jednostka: 1 Bq (bekerel) = 1 rozpad / s Historyczną jednostką aktywności jest kiur (Ci). 1 Ci stanowi aktywność 1g 226 Ra. 1 Ci = 3, Bq = 37 GBq Aktywność izotopów w ciele człowieka [Bq]: 14 C 40 K 220 Rn 222 Rn 238 U 232 Th ,1 Razem około 100 Bq na 1 kg masy ciała.

32 SUBSTANCJA PROMIENIOTWÓRCZA LUB ZAWIERAJĄCE JĄ CIAŁO aktywność 1 kg ciała człowieka 100 Bq 1 kg kawy 1 k Bq 1 kg granitu 1 k Bq 1 kg popiołu 2 k Bq 1 kg nawozu superfosfat 5 k Bq 1 domowy detektor przeciwpożarowy (z Am) 30 k Bq 1 kg odpadów nisko-aktywnych 1 M Bq 1 kg 50-letnich odpadów wysoko-radioaktywnych 10 G Bq Radon w 1 m 3 powietrza przy gruncie Radon w 1 m 3 powietrza w wietrzonym regularnie pokoju Radon w 1 m 3 powietrza w zamkniętym pokoju Radon w 1 m 3 powietrza w piwnicy radioizotopy do diagnostyki medycznej źródła radioizotopów do terapii medycznej 10 Bq 40 Bq 80 Bq 400 Bq 70 M Bq 100 G Bq

33 Przenikliwość promieniowania

34 Promieniowanie α (strumień szybko poruszających się jąder helu) Jest bardzo mało przenikliwe. W powietrzu jego maksymalny zasięg nie przekracza kilku centymetrów (do 10 cm), a w tkance ułamków milimetra. Z trudem przenika przez pojedynczą kartkę zwykłego papieru. Promieniowanie β (strumień szybko poruszających się elektronów/pozytonów) Składa się z cząstek mniejszych i mających mniejszy ładunek elektryczny niż cząstki α, więc ma słabsze niż one własności jonizujące. Jego zasięg jest dzięki temu znacznie większy w powietrzu blisko 60 razy większy niż promieniowania α o tej samej energii może dochodzić nawet do kilku metrów. Promieniowanie to może również przenikać przez kilkumilimetrową osłonę metalową. Promieniowanie γ (promieniowanie elektromagnetyczne) Jest bardzo przenikliwe i może przedostawać się nawet przez grube warstwy betonu czy stali. Tak więc trudno jest określić jego zasięg w materii. Dlatego zazwyczaj podaje się grubość warstwy materii, jaka jest potrzebna aby osłabić np. dwukrotnie natężenie tego promieniowania (tzw. warstwa połówkowa). Promieniowanie n (strumień szybko poruszających się neutronów) Jest bardzo bardzo przenikliwe gdyż neutrony jako cząstki materialne nienaładowane nie oddziałują praktycznie w ogóle z elektronami powłokowymi, a jedynie z jądrami (przekrój czynny na zderzenie z jądrem zależy tu dodatkowo od energii neutronu szybkie R j, wolne R j ).

35 jonizacja bezpośrednia poprzez oddziaływania coulombowskie pośrednia poprzez cząstki wtórne zdolne do oddziaływań coulombowskich neutrony

36

37 Prawo absorpcji promieniowania I( x) I0 e x

38 DOZYMETRIA

39 Dawka pochłonięta (D) energia promieniowania przenikliwego pochłonięta przez jednostkę masy danej materii Jednostka: 1 Gy (grej) = 1 J/kg Dawniej stosowano jednostkę 1 rad = 0,01 Gy Przekazana energia promieniowania jonizującego jest zużywana na jonizację, wzbudzenie, wzrost energii chemicznej lub energii sieci krystalicznej, itd., co ostatecznie daje efekt cieplny: wzrost energii wewnętrznej. Dawki pochłonięte powodujące śmierć 50% napromieniowanych organizmów w ciągu 30 dni. Organizm Wirusy Ameba Osa Wąż Ślimak Nietoperz Szczur Człowiek Pies Dawka [Gy] ,6

40 Dawka równoważna (H T ) H w D T R T, R R dawka pochłonięta w danej tkance lub narządzie T z uwzględnieniem skutków wywoływanych przez różne rodzaje promieniowania D T,R oznacza dawkę promieniowania typu R pochłoniętą w tkance lub narządzie T w R oznacza współczynnik wagowy promieniowania R (jest to czynnik jakości promieniowania zależny od rodzaju i energii promieniowania; uwzględnia wielkość niszczącego wpływu na tkankę promieniowania określonego rodzaju) Wartości w R w zależności od rodzaju promieniowania i zakresów energii Fotony (promieniowanie X, promieniowanie γ) wszystkie energie 1 Elektrony (promieniowanie β) i miony wszystkie energie 1 Neutrony, energie < 10 kev 5 Neutrony, energie > 10 kev do 100 kev 10 Neutrony, energie > 100 kev do 2 MeV 20 Neutrony, energie > 2 MeV do 20 MeV 10 Neutrony, energie > 20 MeV 5 Protony, z wyłączeniem protonów odrzutu, energie > 2 MeV 5 Cząstki alfa, fragmenty rozszczepienia, ciężkie jądra (jony) 20

41 Promieniowanie w postaci cząstek powoduje większe uszkodzenia w tkance biologicznej, niż promieniowanie fal elektromagnetycznych w odniesieniu do takiej samej porcji energii zaabsorbowanej przez materiał biologiczny. Generalnie promieniowanie bardziej przenikliwe zwykle jest równocześnie mniej jonizujące, zatem zdolność do jonizacji rośnie, a przenikliwość maleje w szeregu γ, X, β, α (oczywiście dokładne zdolności co do jonizacji i przenikliwości będą też zależały od energii, jaką ze sobą niosą dane cząstki lub promieniowanie elektromagnetyczne). Wynika z tego, że promieniowanie alfa (jądra helu) chociaż mało przenikliwe (zatrzymywane przez kartkę papieru) będzie bardzo szkodliwe w przypadku dostania się do wnętrza organizmu lub ewentualnie bezpośrednio na skórę. UWAGA!!! Zupełnie oddzielnego potraktowania wymaga promieniowanie neutronowe (emitowane np. przez próbki zawierające jądra podlegające naturalnym rozszczepieniom). Jest ono najbardziej przenikliwe ze wszystkich rodzajów promieniowania, jednakże ze względu na zdolność wywoływania sztucznych rozszczepień jądrowych i tym samym uwalniania wysokoenergetycznych produktów potrafiących jonizować materię (jonizacja wtórna) wiązki neutronowe potrafią bardzo silnie namieszać w ośrodku (szczególnie neutrony o średnich energiach).

42 Dawka skuteczna (E H ) E H T w T H T dawka od wszystkich działających z różną efektywnością rodzajów promieniowania pochłonięta przez organizm z uwzględnieniem zróżnicowanej wrażliwości poszczególnych jego części w T współczynnik wagowy tkanki wyrażający stosunek ryzyka wystąpienia nowotworu wywołanego napromieniowaniem narządu lub tkanki do ryzyka nowotworu po równomiernym napromieniowaniu całego ciała taką samą wartością dawki Wartości wagowego czynnika w T dla różnych tkanek gonady 0,20 płuca 0,12 jelito grube 0,12 szpik czerwony 0,12 żołądek 0,12 wątroba 0,05 tarczyca 0,05 przełyk 0,05 pęcherz moczowy 0,05 gruczoły sutkowe 0,05 skóra 0,01 powierzchnia kości 0,01 pozostałe 0,05 całe ciało 1,00

43 Jednostka dawki równoważnej H T i dawki skutecznej E H : 1 Sv (siwert) = 1 J/kg Dawniej stosowano jednostkę 1 rem = 0,01 Sv Dawki równoważne i odpowiadające im skutki wywołane przy jednorazowym napromieniowaniu całego ciała. Równoważnik dawki 0-0,25 Sv Brak objawów. Skutek biologiczny 0,25-0,50 Sv Zmiany obrazu morfologicznego krwi. 0,50-1,0 Sv Słabe objawy chorobowe, zmiany w krwi, możliwość wystąpienia skutków w późniejszym okresie. 1,0-2,0 Sv Objawy chorobowe, bóle głowy, mdłości, osłabienie. 2,0-3,0 Sv Ciężkie objawy kliniczne, śmiertelność w 25% przypadków. 3,0-5,0 Sv Choroba popromienna. Śmiertelność w 50% przypadków. 5,0-7,0 Sv Uszkodzenia szpiku i organów wewnętrznych. Śmiertelność 100% do kilkudziesięciu dni.

44 dawka skuteczna pochłonięta przez cały organizm DOZYMETRIA aaaw pigułce dawka promieniowania typu R pochłonięta przez tkankę/narząd T dawka równoważna pochłonięta przez tkankę/narząd T związana ze wszystkimi rodzajami promieniowania [ ] [ ] E H w H w T T T T T R w R D T, R [Sv]=[J/kg] siwert [Sv]=[J/kg] siwert [Gy]=[J/kg] grej współczynnik wagowy wrażliwości tkanki/narządu współczynnik wagowy rodzaju promieniowania Sumowanie przeprowadza się po wszystkich rodzajach R pochłoniętego promieniowania oraz wszystkich napromieniowanych tkankach/narządach T.

45 Tło promieniowania promieniowanie kosmiczne radon w budynkach medycyna przemysł technika jądrowa opad popromienny promieniotwórczość gleby, roślin, skał... promieniowanie radionuklidów w organizmie

46 Wartości średnich rocznych dawek skutecznych w roku 1992 Składowe promieniowania Średnie dawki msv/rok na osobę Udział procentowy % promieniowanie kosmiczne 0,29 8,0 promieniowanie gamma z podłoża 0,04 1,1 promieniowanie radonu-220 i radonu- 222 oraz ich pochodnych na wolnym 0,08 2,2 powietrzu opad promieniotwórczy po wybuchach jądrowych i po katastrofie czernobylskiej 0,021 0,6 promieniowanie gamma w budynkach 0,38 10,6 promieniowanie radonu-220 i radonu- 222 oraz ich pochodnych, w powietrzu wewnątrz budynków radionuklidy inkorporowane (bez radonu) diagnostyka rentgenowska i badania in vivo 1,58 43,9 0,409 11,4 0,78 21,7 zagrożenia zawodowe w górnictwie 0,016 0,4 inne (przedmioty powszechnego użytku) 0,005 0,1 razem 3, ,0

47

48 3,35 msv / rok Jak widać największy udział w rocznej dawce ma radon, gaz promieniotwórczy pochodzący z rozpadu uranu znajdującego się w skałach, glebie, materiałach budowlanych. Najwięcej znajdziemy go w zamkniętych, nie wietrzonych pomieszczeniach (np. piwnice).

49

50 Polska ok. 2,5 msv / rok Finlandia ok. 7,5 msv / rok Kerala (Indie) do 35 msv /rok Guarapari (Brazylia) do 35 msv /rok Ramsar (Iran) 260 msv/rok jedna mammografia tomografia komputerowa klatki piersiowej 114 tys. ewakuowanych mieszkańców okolic Czernobyla przyjęło średnio 0,4 msv 7 msv 31 msv praca w elektrowni jądrowej palenie tytoniu 1,9 msv rocznie 13 msv rocznie

51 0-1 µsv 0 µsv - używanie telefonu komórkowego, 0.05 µsv - spanie obok innej osoby, 0.10 µsv - spożycie banana, 0.11 µsv - przebywanie przez rok w promieniu 100 km od elektrowni atomowej, 0.38 µsv - przebywanie przez rok w promieniu 100 km od elektrowni węglowej, 1 µsv - prześwietlenie ręki, 1 µsv - używanie monitora CRT przez rok, 1-10 µsv 1.2 µsv - przebywanie przez jeden dzień na obszarze o podwyższonym poziomie promieniowania naturalnego np. Wyżyna Kolorado, 5 µsv - prześwietlenie zęba, 10 µsv - dawka promieniowania naturalnego, jaką przyjmuje przeciętny człowiek podczas jednego dnia, µsv 40 µsv - lot z Nowego Jorku do Los Angeles, 70 µsv - życie w betonowym budynku przez rok, 80 µsv - średnia dawka promieniowania pochłonięta przez osobę przebywającą w odległości 15 km od elektrowni Three Mile Island podczas wypadku z 28 marca 1979 r., 100 µsv - prześwietlenie klatki piersiowej, µsv 250 µsv - roczny dopuszczalny limit emisji promieniotwórczości dla elektrowni atomowej (EPA), 390 µsv - roczna dawka pochodząca z naturalnego potasu w organizmie człowieka, 1000 µsv lub 1 msv - dopuszczalna bezpieczna roczna dawka promieniowania na jedną osobę (EPA), 1-10 msv 3 msv - mammografia, 5.8 msv - tomografia klatki piersiowej, 6 msv - przebywanie przez godzinę na obszarze Czarnobyla (pomiar uśredniony - dane na rok. 2010), 10 msv - tomografia całego ciała, msv 20 msv - dopuszczalna roczna dawka promieniowania dla pracownika mającego styczność z promieniowaniem w Polsce, 50 msv - dopuszczalna roczna dawka promieniowania dla pracownika elektrowni atomowej w Stanach Zjednoczonych, 100 msv - roczna dawka promieniowania, która wyraźnie podnosi ryzyko zachorowania na raka, 100 msv - dawka graniczna dla pracowników radiologicznych i służb ratowniczych w sytuacjach wyjątkowych, msv 250 msv - dawka graniczna dla pracowników radiologicznych i służb ratowniczych podczas operacji ratowania życia w Stanach Zjednoczonych, 400 msv - dawka wywołująca chorobę popromienną o ile została przyjęta w krótkim czasie, 420 msv - roczna dawka dla kosmonauty na orbicie, 500 msv - dawka graniczna w wyjątkowych sytuacjach dla osób uczestniczących w działaniach interwencyjnych, przy ratowaniu życia ludzkiego, (dopuszczona przez Polskie prawo na mocy prawa międzynarodowego), 500 msv - zmniejszenie liczby krwinek powodujące obniżenie zdolności obronnych organizmu, powrót do pełnego zdrowia po kilku dniach. Znaczący wzrost ryzyka zachorowania na raka, 1000 msv lub 1 Sv - choroba popromienna, nudności, zmniejszenie lub całkowity zanik liczby krwinek powodujące obniżenie zdolności obronnych ustroju i wystąpienie w wyniku tego ciężkich zakażeń, obniżenie lub nawet zanik krzepliwości krwi, niedotlenienie tkanek, powstanie wylewów i krwawych wybroczyn w narządach i tkankach, stwarzających niebezpieczeństwo dla życia, 1-10 Sv 2 Sv - poważna choroba popromienna, nudności i wymioty, w niektórych przypadkach może skutkować śmiercią, 4 Sv - bardzo poważna choroba popromienna, szansa na przeżycie tylko przy odpowiednim i długotrwałym leczeniu, 5 Sv - bardzo poważna choroba popromienna, wysoka śmiertelność, 8 Sv - dawka śmiertelna bez względu na sposób leczenia, Sv 30 Sv - śmierć po 2-3 tygodniach, 50 Sv - przebywanie przez 10 minut w pobliżu rdzenia reaktora w Czarnobylu po jego stopieniu, 100 Sv - nagłe wymioty, śpiączka, śmierć w ciągu kilku godzin.

52 liniowy model bezprogowy Każdy akt jonizacji, który niszczy DNA prowadzi do zwiększonego prawdopodobieństwa przerodzenia się komórki w komórkę nowotworową ryzyko jest wprost proporcjonalne do dawki. Do pewnej wartości dawki nie są obserwowane żadne efekty oddziaływania, natomiast powyżej obserwowana jest zależność liniowa między dawką a efektem oddziaływania promieniowania jonizującego. Pojedyncze uszkodzenia nici DNA prowadzą (w obszarze małych dawek) do stymulowania komórkowych mechanizmów naprawczych dzięki temu zmniejszenie zapadalności na nowotwory i choroby o podłożu genetycznym.

53 ref.pdf

54 Reakcje jądrowe Reakcje jądrowe, to procesy zachodzące z bezpośrednim udziałem jąder atomowych. Procesy te następują zwykle wskutek zderzania się jąder bądź cząstek z jądrami. W wyniku zderzeń tworzone są inne jądra i cząstki, produkowane są nowe cząstki, wydzielana jest energia w postaci energii kinetycznej produktów reakcji itp. Najprostsze reakcje jądrowe zapisujemy schematycznie w postaci: A a B b bombardowane jądro tarcza cząstka bombardująca pocisk jądro końcowe powstałe w wyniku reakcji cząstka powstała w wyniku reakcji Ten tradycyjny zapis może być rozumiany obecnie bardziej szeroko, bowiem w reakcjach zachodzących przy wysokich energiach produkowana jest zwykle bardzo wielka liczba nowych cząstek, a jądra zderzające się ulegają rozbiciu na wiele fragmentów jądrowych. W związku z tym pod symbolami B oraz b można rozumieć nie tylko pojedyncze jądra lub cząstki, ale ich grupy emitowane w wyniku reakcji. Inny sposób zapisu reakcji jądrowej: A ( a, b) B

55 Przykłady reakcji jądrowych: 1919 Ernest Rutherford pierwsza sztuczna przemiana jądrowa 14 7 N 4 2 He 17 8 O 1 1 p lub inaczej zapisując 14 7 N α,p 17 8 O Enrico Fermi zastosowanie neutronów, wyprodukowanie nieznanych wcześniej izotopów różnych pierwiastków, np. : Ag 1 0 n Ag 0 0 γ Ag n, γ Ag 1939 F.Strassmann, O.Hahn rozszczepienie jądrowe (wcześniej przeprowadzane, ale nie zauważone, przez Fermiego) * n 92U 92U 56Ba 36Kr 3 0 n 200MeV

56 synteza/fuzja jądrowa 3 1 H 2 1 H 4 2 He 1 0 n 17,6MeV

57 Reakcjami jądrowymi rządzą nastąpujące prawa: Zachowanie ładunku elektrycznego. Całkowita liczba protonów przed reakcją jest równa całkowitej liczbie protonów po reakcji. Zachowanie liczby nukleonów (protonów i neutronów). Całkowite liczby masowe przed i po reakcji są takie same. Zachowanie masy-energii. Dla danego układu izolowanego podlegającego przemianie jądrowej stała jest suma energii (masa związana jest z energią przez równanie Einsteina E=mc 2 ). Zachowanie pędu. Zachowanie momentu pędu.

58 Zasada zachowania energii w reakcjach jądrowych ( M A m a ) c 2 ( M B m b ) c 2 Q masy obiektów uczestniczących w reakcji energia reakcji Q > 0 - tzw. reakcja egzoenergetyczna więcej energii wydziela się w wyniku zajścia reakcji niż jest potrzebne na jej wywołanie mc 2 mc 2 Q < 0 - tzw. reakcja endoenergetyczna reakcje takie zachodzą tylko wówczas, gdy do układu zostaje dostarczona energia równa co najmniej pewnej tzw. energii progowej, przy czym ilość energii wydzielanej jest mniejsza niż tej dostarczanej w celu wywołania reakcji

59 Rozszczepienie uranu * n 92U 92U 56Ba 36Kr 3 0 n 200MeV

60 nie zawsze przebiega tak samo

61 Czy zawsze neutron nadlatujący w stronę jądra wywołuje jego rozszczepienie? Prawdopodobieństwo zajścia takiej reakcji zależy od: pierwiastka Ag 1 0 n Ag 0 0 γ 1 0 n U Ba Kr n izotopu n 92U 92U -1e 93Np -1e Pu prędkości neutronu

62 E b Q nuklid bombardowany neutronem wzbudzony nuklid pośredni ulegający rozpadowi energia wzbudzenia nuklidu pośredniego będąca efektem przyłączenia przez nuklid wyjściowy neutronu bombardującego [MeV] energia bariery potencjału (energia aktywacji procesu rozpadu) [MeV] 235 U 236 U 6,5 5,2 Tak rozszczepialność wyjściowego nuklidu przez neutrony termiczne 238 U 239 U 4,8 5,7 Nie 239 Pu 240 Pu 6,4 4,8 Tak 243 Am 244 Am 5,5 5,8 Nie

63 Wychwyt neutronów przez jądra uranu neutron Duża prędkość E k rzędu 1 MeV Wychwyt mało prawdopodobny Gdy się zdarzy prowadzi do rozszczepienia rodzaj jądra U U Wychwyt mało prawdopodobny Gdy się zdarzy zwykle prowadzi do rozszczepienia Średnia prędkość E k rzędu 5 ev Wychwyt bardzo prawdopodobny Powstaje beta-minus promieniotwórczy U-239 Wychwyt mało prawdopodobny Gdy się zdarzy zwykle prowadzi do rozszczepienia Mała prędkość - tzw. neutron termiczny E k rzędu 0,03 ev Wychwyt mało prawdopodobny Gdy się zdarzy prowadzi do powstania beta-minus promieniotwórczego U-239 Wychwyt bardzo prawdopodobny Prowadzi do rozszczepienia

64 U absorbuje neutrony Uran U-238 wychwytuje łatwo średnio szybkie neutrony przekształcając się w niestabilny uran U-239, który ulegając przemianie beta-minus przekształca się w neptun Np-239, a ten po kolejnej przemianie beta-minus zamienia się w pluton Pu U jest rozszczepiany przez neutrony Uran U-235 wychwytuje łatwo dopiero spowolnione, czyli tzw. termiczne neutrony. Powstaje wzbudzony niestabilny uran U- 239, który natychmiast ulega rozszczepieniu na dwa mniejsze fragmenty (proporcja liczb masowych ok. 2:3) z jednoczesnym uwolnieniem kilku (przeciętnie 2,5) neutronów oraz dużej ilości energii (ok. 200 MeV).

65

66 Masa krytyczna U 235 m.kryt. 52 kg gęst. 19 kg/dm 3 Pt 238/239 m.kryt. 10 kg gęst. 19,8 kg/dm 3

67 Uran występuje powszechnie w przyrodzie, jego zawartość w skorupie ziemskiej zawiera się w przedziale 2-4 ppm (0,0002-0,0004%). Jest przyswajany przez organizmy żywe (bakterie, porosty i rośliny jadalne), można go znaleźć także w ciele człowieka. Wg danych OECD z 2011 r. rozpoznane (ang. Known Recoverable Resources) światowe zasoby złóż uranu przy koszcie wydobycia do 130 USD/kgU wynoszą ogółem tu, co przy obecnym rocznym zapotrzebowaniu wynoszącym ok. 67 tys ton wystarczy na ok. 80 latponadto przewidywane światowe zasoby nierozpoznane (ang.undiscovered Resources), w tej samej kategorii cenowej wynoszą tu, co gwarantuje dostawy na kolejne ok. 100 lat.

68 Uran jest dość szeroko rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, jednak bardzo w niej rozproszonym. Jest on np. 500 razy bardziej rozpowszechniony niż złoto, 100 razy bardziej niż srebro, 25 razy bardziej niż rtęć; jest tak samo pospolity jak cynk czy ołów. Istotną różnicą jest jednak to, że prawie wszystkie zwykłe metale występują w stosunkowo dużych koncentracjach i dobrze zróżnicowanych rudach, natomiast znaczniejsze koncentracje uranu (podobnie jak i toru) tworzące pokłady nadające się do eksploatacji są zjawiskiem wyjątkowym. Przykładem mogą być bogate złoża rudy uranowej o rzadko spotykanej zawartości (do 15% czystego uranu) znajdujące się 450 m pod wodą jeziora Cigar Lakę w Kanadzie. Średnia zawartość uranu w skorupie ziemskiej wynosi 2,8 ppm, ale skały fosforytów, z których produkuje się np. nawozy, mogą zawierać ppm uranu. Zawartość uranu w litosferze i hydrosferze jest zróżnicowana w zależności od stopnia skupienia w nich minerałów zawierających uran lub związki uranu. Na ogół skały o dużej zawartości krzemu (kwaśne), jak np. granit, zawierają więcej niż średnie stężenie uranu. Natomiast skały zasadowe, jak bazalty, które stanowią podłoże kontynentów oraz dno oceanów, zawierają uran w ilości znacznie mniejszej od średniej. Skały osadowe z pewnymi wyjątkami (np. fosforyty pochodzenia morskiego) na ogół zawierają minimalne ilości uranu. Uran w małych stężeniach wykryto również w łupkach bitumicznych, szeroko rozpowszechnionych na wielu obszarach kuli ziemskiej. Woda morska, która zawiera w śladowej ilości niemal wszystkie pierwiastki występujące w przyrodzie, zawiera tym samym także uran w ilości 0,003 ppm, lecz koszt jego ekstrakcji byłby dziś 15 razy wyższy niż z rudy; rezerwy uranu zawarte w oceanach są tysiąckrotnie większe od rezerw, których istnienie stwierdzono w rudach dobrej jakości.

69 Uran naturalny i wzbogacony

70 Spowalnianie neutronów Rozpraszanie sprężyste Zmiana energii przy czołówce W W 2 1 A ( A 2 1 1) 2 Rozpraszanie sprężyste przebiega najefektywniej dla lekkich jąder rozpraszających np. dla wodoru (w cząstkach wody) przy zderzeniu czołowym następuje 2-krotne zmniejszenie energii neutronu. W przypadku zderzenia czołowego z ciężkim jądrem ołowiu obniżenie energii wynosi niecałe 2%. Z 1MeV do poziomu termicznego neutron zwalnia w większości ciał stałych na drodze kilku cm (cząstka lub potrzebowałaby krotnie mniejszej drogi). MODERATOR substancja używana do spowalniania neutronów, np.: woda zwykła lub ciężka, grafit, beryl, lit.

71

72

73

74

75 Synteza jądrowa + 3,5 MeV + 14,1 MeV Do zapoczątkowania reakcji wymagana jest temperatura rzędu kilkudziesięciu milionów kelwinów!!!

76 Porównanie wydajności paliw paliwo (1 kg) proces czas świecenia żarówki 100W woda spadek z 50 m 5 sekund węgiel spalanie 80 godzin wzbogacony uran 3% rozszczepienie w reaktorze 790 lat U-235 całkowite rozszczepienie 26 tys lat gorący gaz deuter/tryt całkowita synteza 130 tys lat materia i antymateria całkowita anihilacja 29 mln lat 1 kg U-235 = kg węgla