Promieniowanie jonizujące

Transkrypt

1 Promieniowanie jonizujące Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Budowa materii Uniwersytet Rzeszowski, 4 października 2017 Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 1 / 1

2 Uwagi wstępne 15 h wykładu + 15 h ćwiczeń naprzemiennie wykład przy pomocy transparencji na końcu każdego wykładu zestaw zadań obecność na wykładzie i ćwiczeniach obowiązkowa można opuścić jeden wykład i ćwiczenia bez usprawiedliwienia zaliczenie ćwiczeń na ocenę - aktywność 40% oceny, test końcowy 60% zaliczenie wykładów na podstawie obecności wykłady i problemy do rozwiązania na stronie: Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 2 / 1

3 Cel wykładu Zapoznanie się z fizycznymi podstawami opisu promieniowania jonizującego i jego oddziaływania z materią. W szczególności celem wykładu jest: A. pogłębienie wiedzy dotyczącej jądra atomowego i reakcji jądrowych B. dostarczenie wiedzy koniecznej do bezpiecznej pracy z pierwiastkami promieniotwórczymi i promieniowaniem jonizującym C. przedstawienie praktycznych zastosowań materiałów radioaktywnych we współczesnym świecie i roli promieniowania jonizującego w środowisku D. nabycie umiejętności rozwiązywania problemów poprzez stosowanie właściwych wzorów i relacji w obliczniach rachunkowych. Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 3 / 1

4 Literatura Piotr Jaracz, Promieniowanie jonizujące w środowisku, Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego, 2001 Tadeusz Niewiadomski, O promieniowaniu jonizującym popularnie, Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich, 1991 Andrzej Hrynkiewicz, Dawki i działanie biologiczne promieniowania jonizującego, Państwowa Agencja Atomistyki, 1993 Andrzej Strzałkowski, Wstęp do fizyki jądra atomowego, PWN, 1979 Ewa Skrzypczak, Zygmunt Szefliński, Wstęp do fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych, PWN, Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 4 / 1

5 Promieniowanie jonizujące - szkic historyczny Promieniowanie jonizujące istnieje we Wszechświecie od początku jego istnienia. Zostało jednak odkryte dopiero w XIX wieku. Zrozumienie jego pochodzenia i oddziaływania z materią jest związane ze zrozumieniem struktury materii - atomów, jąder atomowych i cząstek elementarnych. Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 5 / 1

6 Wilhelm Roentgen ( ) bombardując płytkę metalową szybkimi elektronami zauważył powstawanie przenikliwego promieniowania X. Wilhelm Reoentgen Ręka Pani Roentgen Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 6 / 1

7 Henri Becquerel ( ) sole uranu (w szufladzie) zaczerniły kliszę fotograficzną - odkrycie naturalnej radioaktywności. Henri Becquerel Zaczerniona klisza Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 7 / 1

8 Maria Skłodowska ( ) i Piotr Curie ( ) ruda uranowa wysyła więcej promieniowania niż wynikałoby to z ilości uranu => odkrycie radioaktywnego polonu oraz radu. Piotr i Maria Curie Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 8 / 1

9 Ernest Rutherford ( ) promieniowanie radu rozdziela się w polu elektrycznym na trzy wiązki o ładunku dodatnim, ujemnym i obojętnym (α, β, γ). Odkrywca promieniowania α, β, γ jądra atomowego protonu reakcji jądrowych Ernest Rutherford Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 9 / 1

10 Victor Hess ( ) I podczas lotów balonowych promieniowanie zwiększa się - odkrycie promieniowania kosmicznego. Victor Hess Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 10 / 1

11 Budowa atomu - historia odkrycia Materia składa się z elektrycznie obojętnych atomów. Doświadczenia J.J.Thomsona (1897) pokazały, że ujemnie naładowane elektrony są składnikami atomów. Doświadczenia Roberta Milikana ( ) pozwoliły zmierzyć ładunek elektronu i wykazały jego dyskretność. Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 11 / 1

12 Odkrycie elektronu - doświadczenie Thomsona (1897) Elektrony emitowane przez katodę przechodzą przez obszar prostopadłych do siebie pól elektrycznego E i magnetycznego B W polu B elektron porusza się po okręgu o promieniu R, który mierzymy mv 2 R = evb => e m = v RB Siła od pola E równoważy siłę od pola B, stąd prędkość v ee = evb => v = E B => e m = C/kg Pomiary dla różnych materiałów katody dały ten sam wynik. Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 12 / 1

13 Pomiar ładunku elektronu - doświadczenie Milikana ( ) Pomiar prędkości opadania naładowanej kropli w polu grawitacyjnym i równoważącym go polu elektrycznym kwantowanie ładunku: Q = N e ładunek elektronu: e = C masa elektronu: m e = kg Z doświadczeń Thomsona masa protonu (jonu atomu wodoru) m p = 1837 m e = kg Rozmiar atomu złota Au można oszacować na podstawie gęstości złota m Au 197 m H => R Au = m Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 13 / 1

14 Budowa atomu - historia odkrycia Doświadczenia Ernesta Rutherforda (1911) pokazały, że ładunek dodatni w atomie, jest skoncentrowany w jądrze o promieniu 10 tysięcy razy mniejszym niż wymiar atomu. Niels Bohr w 1913 roku sformułował model najprostszego atomu - wodoru, w którym elektron krąży po orbicie wokół dodatniego jądra - protonu. Proton został odkryty eksperymentalnie przez Rutherforda w 1919 r. James Chadwick w 1932 r. roku odkrył neutralny elektrycznie składnik jądra - neutron. Pełne zrozumienie budowy atomu dostarczyła mechanika kwantowa, sformułowana w latach przez Wernera Heisenberga, Erwina Schroedingera i Paula Diraca. Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 14 / 1

15 Jądro atomowe - doświadczenie Rutherforda (1911) Rozpraszanie dodatnio naładowanych cząstek alfa na atomach złota. Model ciasta z rodzynkami Thomsona: elektrony atomu zanurzone w ciągłym rozkładzie ładunku dodatniego. Eksperyment: rozpraszanie cząstek alfa do tyłu - ładunek dodatni jest skoncentrowany w małej objętości - jądrze. Jak blisko jąder złota docierają cząstki alfa? m αv 2 α 2 = k (2e)(Ze) R => R = m 10 fm (femtometr) Jądro atomu złota jest 10 4 razy mniejsze niż wymiar atomu! Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 15 / 1

16 Składniki jądra W jądrach znajdują się neutrony, elektrycznie obojętne cząstki o masie trochę większej niż masa protonu (James Chadwick 1932). m n = kg > m p = kg Protony i neutrony wiąże krótkozasięgowe oddziaływanie jądrowe stabilizujące jądro, znacznie silniejsze od odpychającego oddziaływania elektromagnetycznego między protonami. Protony i neutrony nazywamy nukleonami, a jądra nuklidami. Każde jądro jest scharakteryzowane liczbą protonów Z (liczba atomowa) i liczbą neutronów N. Ich suma to liczba masowa: A = Z + N Pierwiastki chemiczne X są określone przez liczbą atomową Z A Z X : 1 1H, 4 2He, U Liczbą atomową Z można opuścić w notacji: 1 H, 4 He, 238 U Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 16 / 1

17 Układ okresowy pierwiastków Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 17 / 1

18 Izotopy pierwiastków Izotopy - odmiany pierwiastka różniące się liczbą neutronów N w jądrze, a tym samym liczbą atomową A 1 1H, 2 1H, 3 1H wodór, deuter, tryt Pierwiastki występujące w przyrodzie są mieszaniną izotopów, np. uran U (99, 3%), U (0.7%), U (< 0.01%) Izotopy dzielą się na trwałe i nietrwałe izotopy promieniotwórcze. Izotopy promieniotwórcze są źródłem promieniowania jonizującego. Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 18 / 1

19 Atom wodoru Dozwolone orbity elektronu w modelu Bohra L = mvr = n => E n = 13.6 n 2 ev n = 1, 2,... Stan podstawowy: E 1 = 13.6 ev. Energia jonizacji: E E 1 = 13.6 ev. Emisja lub absorbcja fotonu o energii hν = E n E m. Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 19 / 1

20 Linie Fraunhofera Każdy pierwiastek ma swój charakterystyczny zbiór linii widmowych. Widmo promieniowania słonecznego w zakresie widzialnym Ciemne linie są związane z pochłanianiem (absorbcją) odpowiednich długości fali elektromagnetycznej przez pierwiastki w koronie słonecznej, a także przez tlen cząsteczkowy w atmosferze ziemskiej Ca + K, H, Ca G, Fe d, b 3, c, G, E 2, Hg e Mg b 4, H h, F, C Na D 1,2, O 2 a, B, A Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 20 / 1

21 Struktura materii Skale energetyczne: Skale przestrzenne: I I I atomowa jądrowa m - 10 nukleonowa nanometr/10 I 1 ev elektonowolt 6 m I 1 MeV = 10 ev Mega ev m I 1 GeV = 109 ev Giga ev femtometr Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 21 / 1

22 Podsumowanie Materia jest zbudowana z atomów składających się z dodatnio naładowanego jądra i ujemnie naładowanych elektronów. Jądro atomowe składa się z Z dodatnio naładowanych protonów i (A Z) obojętnych elektrycznie neutronów. Izotopy to odmiany pierwiastków o różnych liczbach neutronów w jądrze. Źródłem promieniowania jonizującego są przede wszystkim nietrwałe jądra atomowe - izotopy promieniotwórcze. Atom niezjonizowany: liczba elektronów jest równa liczbie protonów Z. Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 22 / 1

23 Materiały do ćwiczeń Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 23 / 1

24 Słownik pojęć podstawowych Nukleony - protony i neutrony. Nuklidy - jądra atomowe o określonej liczbie nukleonów. Izotopy - odmiany pierwiastków różniące się liczbą neutronów w jądrze. Jonizacja - wybicie jednego lub kilku elektronów z atomu, cząsteczki lub struktury krystalicznej. Promieniowanie jonizujące - promieniowanie wywołujące jonizację. Promieniotwórczość - zdolność substancji do emitowania promieniowania jonizującego. Radionuklidy - pierwiastki promieniotwórcze. Radioizotopy - izotopy pierwiastków promieniotwórczych. Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 24 / 1

25 Przedrostki Przedrostek Oznaczenie Mnożnik Przedrostek Oznaczenie Mnożnik 10 0 = = 1 deka da 10 1 decy d 10 1 hekto h 10 2 centy c 10 2 kilo k 10 3 mili m 10 3 mega M 10 6 mikro µ 10 6 giga G 10 9 nano n 10 9 tera T piko p peta P femto f eksa E atto a zeta Z zepto z yota Y jokto y np. GW, mv, MJ, kplz, TeV, µa, fm Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 25 / 1

26 Masa atomowa Jednostka masy atomowej u to 1/12 masy atomu węgla 12 6C 1 u = kg Masa atomowa M A to wielokrotność jednostki masy atomowej. Wtedy masa atomu m A [kg] = M A u M A jest jednostką niemianowaną (liczbą). Przykładowo, masa atomowa żelaza M Fe = Stąd masa atomu m Fe = ( kg) = kg Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 26 / 1

27 Jednostki energii i masy W układzie SI jednostki masy i energii to kilogram [kg] oraz dżul [J] m e = 1 J = 1 kg m2 s 2 W fizyce jądrowej używa się jako jednostki energii elektronowolt [ev ] i jego wielokrotności 1 ev = ( C) V = J, 1 MeV = 10 6 ev Jako jednostki masy używa się [ev /c 2 ] zgodnie z relacją E = mc 2 1 MeV c 2 = 106 ( J) ( m/s) kg Stąd masy elektronu i protonu w [MeV /c 2 ] MeV c MeV MeV, m c 2 p = c MeV c 2 Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 27 / 1

28 Struktura elektronowa atomu Stan elektronu w atomie jest dany przez liczby kwantowe n, l, m, m s > n = 1, 2,..., l = 0, 1,..., (n 1) m = l,..., 0,..., l, m s = ± 1 2 Orbital - stan o danym (n, l, m). Dla danego l maks. 2(2l + 1) elektronów. l Orbital 2(2l + 1) 0 s 2 1 p 6 2 d 10 3 f 14 Powłoka elektronowa stan o danym n. Maksymalnie 2n 2 elektronów. Orbitale są zajmowane przez elektrony zgodnie zakazem Pauliego. W atomach - maks. n = 7, l = 3. Na powłoce walencyjnej maksymalnie 8 elektronów (z wyjątkami dla niektórych lantanowców i aktynowców). Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 28 / 1

29 Struktura elektronowa atomu a układ okresowy Powłoki wraz z orbitalami z maksymalną liczbą elektronów 1s 2 }{{} n=1 2s 2, 2p 6 }{{} n=2 3s 2, 3p 6, 3d 10 }{{} n=3 4s 2, 4p 6, 4d 10, 4f 14 }{{} n=4... Układ okresowy z orbitalami Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 29 / 1

30 Problemy do rozwiązania 1 ev to energia jaką zyskuje elektron przyspieszony pomiędzy punktami o różnicy potencjałów 1 V. Wyrazić tę jednostkę w dżulach. Zgodnie z relacją Einsteina, E = mc 2, masę m można wyrazić w jednostkach [energia/c 2 ]. Obliczyć ile wynosi masa elektronu, protonu i neutronu w jednostkach [ev /c 2 ]. Prędkość światła c = m/s. Gęstość złota to kg/m 3. Obliczyć na tej podstawie wymiar atomu złota (w [m]). Cząstka alfa to jądro helu 4 2He. W doświadczeniu Rutherforda osiąga ona prędkość m/s przed zderzeniem z jądrem złota Au. Obliczyć odległość na jaką α zbliży się do jądra. (Stała k = Nm 2 /C 2 ). Obliczyć długość fali elektromagnetycznej przy przejściu pomiędzy poziomami n = 2, 3 w atomie wodoru. Stała Plancka h = J s. Wykład I Krzysztof Golec-Biernat Promieniowanie jonizujące 30 / 1