Promieniowanie jądrowe w środowisku człowieka

Transkrypt

1 Promieniowanie jądrowe w środowisku człowieka Prof. dr hab. ndrzej Płochocki (z wykorzystaniem elementów wykładu dr Piotra Jaracza) Cz. 1. Podstawowe własności jąder atomowych, jądra nietrwałe, elementy fizyki promieniowania jądrowego, oddziaływanie promieniowania jądrowego z materią, podstawy dozymetrii i ochrony radiologicznej (zasady i regulacje prawne), promieniowanie jądrowe w środowisku człowieka (promieniowanie naturalne, skażenia promieniotwórcze, energetyka jądrowa, broń jądrowa, terroryzm), zastosowanie promieniowania jądrowego w medycynie i przemyśle. Cz. 2. Ćwiczenia pomiarowe i pokazy (2) z podstaw detekcji promieniowania jądrowego, ochrony radiologicznej i skażeń promieniotwórczych.. Płochocki, akład Spektroskopii Jądrowej IFD Wydział Fizyki UW Pasteura 7, pok. 11, plohocki@fuw.edu.pl 1

2 Cz. 1. Wykłady: 1 termin w tygodniu (3 h) dla wszystkich studentów Kartkówki: na 3 (19 październik), 5 (2 listopad) i 7 (16 listopada) wykładzie Kartkówki są punktowane. Warunkiem zaliczenia wykładu jest uzyskanie 50 % maksymalnej możliwej do uzyskania liczby punktów (równoważność oceny "3"). Poprawianie Cz. 1 odbywa się kolokwium poprawkowym w 8-mym tygodniu wykładów ( 23 listopada). Warunkiem dopuszczenia do Cz. 2 jest zaliczenie wykładu (niezaliczenie wykładu oznacza niezaliczenie przedmiotu). 2

3 Cz. 2. Warsztaty w grupach: Obowiązuje wykonanie i zaliczenie dwóch ćwiczeń trwających 3 godziny. Ćwiczenia będą się odbywały we wtorki i środy w drugiej połowie semestru (od 8-mego tygodnia) w dwóch grupach (sale na Hożej i Pasteura). apisy na indywidualne terminy u dr hab.. Janasa Warunkiem zaliczenia całego przedmiotu jest zaliczenie obu jego części. Ostateczna ocena z przedmiotu jest proporcjonalna do sumy punktów uzyskanych za wykład i warsztaty. Poprawianie Cz. 2 odbywa się przez powtarzanie niezaliczonych ćwiczeń, w czasie sesji egzaminacyjnej. Przy powtarzaniu przedmiotu (powtarzanie lub zaliczenie warunkowe roku) uwzględnia się zaliczenie wykładu (Cz. 1). 3

4 Wyniki kartkówek, treść wykładów i inne informacje można znaleźć na stronie: -> Dla studentów -> ateriały dydaktyczne -> Pozostałe ->Promieniowania jądrowe w środowisku człowieka lub bezpośrednio: 4

5 Literatura 1. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker Podstawy Fizyki Tom 5 Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, P. Jaracz Promieniowanie jonizujące w środowisku człowieka. Fizyka, skutki radiologiczne, społeczeństwo Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa, Hrynkiewicz (edytor) Człowiek i promieniowanie jonizujące Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, B. Gostkowska Fizyczne podstawy ochrony radiologicznej CLOR, Warszawa, 1992 Jest po kilka do kilkunastu egzemplarzy każdej pozycji w bibliotece IFD, Hoża 69 5

6 Podstawowe własności jąder atomowych 1. Rozmiary tom Protony i neutrony (nukleony) Jądro atomowe - nuklid Promienie orbit elektronów r n n 2 [ m] Promień jądra atomowego R 1.3 1/ [ m] Dla złota 5 R / r 410 ilość nukleonów 6

7 2. Budowa jąder atomowych, formalizm oznaczeń, mapa nuklidów X N X nazwa pierwiastka liczba masowa (ilość nukleonów, = + N) liczba atomowa (ilość protonów) N liczba neutronów Najbardziej rozpowszechniony izotop cyny możemy oznaczyć jako 120 Sn le jest tu nadmiar informacji, wystarczy tylko tyle 120 Sn 7

8 Nazewnictwo Nuklid dowolne jądro atomowe Izotopy jądra o tym samym - czyli jednego pierwiastka, różniące liczbą neutronów N i liczbą masową Izobary jądra o tej samej liczbie masowej Izotony jądra o tej samej liczbie neutronów N 8

9 Dla mniejszych ścieżka stabilności przebiega przez nuklidy o N, dla większych przebiega przez obszar nuklidów o N > Table of Isotopes, Richard B. Firestone 9

10 50 N 10

11 3. asa - Energia m m (v/c) 2 Jednostki energii, jednostki masy E p mc mv 2 m c 0 2 T Naturalna jednostka energii ev (elektronowolt) energia nabyta przez jednostkowy ładunek e przyspieszany przez różnicę potencjałów 1V 1 ev = 1.60 x J 1 U (1/12 masy atomu węgla) = 1.66 x kg Będziemy równoważnie posługiwali się masą lub energią jakiegoś obiektu! E(1 U) = (1.66 x kg) x (3 x 10 8 m/s) 2 = 1.49 x J = ev asa neutronu ev, masa protonu ev, masa elektronu ev 11

12 Energia wiązania jądra (atomu) j p n B Więc wartość energii wiązania B p n j Dla atomu węgla -> 6p + 6n + 6e 6 x x x = ev asa wszystkich składników jądra i atomu 12 x = ev prawdziwa masa atomu węgla Różnica = 95 ev - energia wiązania Często przedstawiana jest wartość energii wiązania na jeden nukleon 95/12 = 7.9 ev/n 12

13 asa lub całkowita energia - jest najważniejszą własnością nuklidów. Od relacji między masami nuklidów przed i po rozpadzie lub reakcji jądrowej zależy czy dany proces będzie możliwy. Generalnie, dany proces jest może zachodzić jeżeli pocz końo Proszę zauważyć (rysunek obok), że jądra o średnich liczbach masowych mają największą energię wiązania na jeden nukleon. Oznacza to że energetycznie korzystne jest łączenie lekkich jąder i rozpad ciężkich. j p n B 13

14 Dlaczego energia całkowita i energia wiązania są tak ważne w opisie własności jąder? Każdy układ (mechaniczny, cząstek, nukleonów) dąży do uzyskania stanu o najniższej energii oddając otoczeniu / wypromieniowując nadwyżkę energii F = mg E = mgh Kulka utraciła swoją energię, jest związana w polu potencjału, aby ją uwolnić należy dostarczyć energii! 14

15 Dlaczego tylko niektóre jądra są trwałe? Ścieżka stabilności biegnie doliną najmniejszych mas, energia wiązania na jeden nukleon na sąsiednim rysunku jest wyliczona dla jąder na ścieżce stabilności. Pytanie czy wszystkie drogi osiągnięcia minimum są dozwolone? 15

16 50 N 16

17 ałóżmy że jądro X (nuklid) leży na ścieżce stabilności. by inne jądra znalazły się na ścieżce stabilności należy oderwać lub dodać zaznaczoną ilość nukleonów. N = const. - izotony - 2p - α ścieżka stabilności +n- p - p -p-n + n +p+n X + p N - n -n+p = const. izotopy + α W tym obszarze musielibyśmy dodawać nukleony! N = const. izobary 17

18 Definicje energii wiązania (B) i energii separacji (S) różnych składników jądra, B = S (= Q) B > 0, S < 0 proces może zachodzić, zyskujemy energię B < 0, S > 0 potrzebujemy energii S do oderwania jakiegoś elememtu jądra Oderwanie protonu: Oderwanie neutronu: Oderwanie cząstki alfa: końo pocz p m Y X ) ( ) ( 1 1 n m Y X ) ( ) ( 1 m Y X ) ( ) ( 4 2 Procesy przemiany jąder zachodzą gdy: p p p S B m Y X ) ( ) ( n n n S B m Y X ) ( ) ( 1 S B m Y X ) ( ) ( 4 2

19 Energie wiązania =50 S E n e rg ia (ke V ) Liczba masowa stabilne Sn Sp Salfa 19

20 Nukleony w polu potencjału jądrowego (potencjał jądrowy + elektrostatyczny) >> N U W pobliżu ścieżki stabilności U N >> U B Proton niezwiązany musi przeniknąć barierę potencjału, prawdopodobieństwo zależy od energii protonu i kształtu bariery. Podobnie dla cząstki alfa. Neutron niezwiązany odrywa się od jądra natychmiast 20

21 Oznacza to że spontaniczna emisja protonu, neutronu, cząstki alfa jest możliwa tylko dla jąder bardzo dalekich od ścieżki stabilności. Natomiast przemiana protonu w neutron i odwrotnie może być korzystna energetycznie większa energia wiązania neutronu niż protonu dla jąder leżących powyżej ścieżki stabilności i protonu niż neutronu dla jąder leżących poniżej ścieżki stabilności. Taki proces nazywamy przemianą (rozpadem) beta. Energia przemiany n p i p n (rozpadu beta) =50 Energia (kev) β + β - stabilne Qbeta Liczba masowa 21

22 Jak powstały pierwiastki stabilne: -lekkie fuzja termojądrowa -cięższe procesy wolnego ( s ) i szybkiego ( r ) przyłączania neutronów i protonów ( rp ) zachodzące w gwiazdach i przy wybuchach supernowych i konkurencji z następującymi rozpadami beta. Te procesy zachodziły ponad 5 miliardów lat temu (wiek układu słonecznego) i w ich wyniku powstały pierwiastki stabilne i pozostało kilka izotopów niestabilnych, których czas życia przewyższa wiek układu słonecznego 22

23 Jak tworzymy nuklidy niestabilne: Reakcje jądrowe X n+ Y m+ p,n + X - powstają nuklidy w pobliżu ścieżki stabilności Reakcje z ciężkimi jonami przy niskich energiach powstają nuklidy na ogół powyżej ścieżki stabilności Reakcje fragmentacji bardzo wysokie energie mogą powstawać dowolne nuklidy niestabilne 23 Rozszczepienie ciężkich jąder pod wpływem neutronów

24 Jak przyspieszamy cząstki naładowane kceleratory liniowe v 1 E v n źródło jonów tarcza Cyklotrony B! Pole magnetyczne nie zmienia energii ani długości wektora prędkości. mienia tylko jego kierunek. ~ v Siła Lorentza: F q( E v B) 24