Spotkanie z promieniotwórczością - - Podstawowe pojęcia fizyki jądrowej

Transkrypt

1 Spotkanie z promieniotwórczością - - Podstawowe pojęcia fizyki jądrowej

2 Model atomu według Nielsa Bohr a Energia emitowana jest wtedy, gdy elektron przechodzi z orbity o większym promieniu (większej energii) na orbitę o mniejszym promieniu (mniejszej energii). Częstotliwość emitowanego światła spełnia związek: E = h v (gdzie: E - różnica energii elektronów na obu orbitach, v - częstotliwość, h - stała Plancka) Bohr wyjaśnił genezę promieni X: powstają przy przejściu elektronów z powłok zewnętrznych na orbity położone blisko jądra.

3 Zdolność jądra atomu do emitowania promieniowania nazywamy promieniotwórczością Pierwiastki promieniotwórcze emitują 3 rodzaje promieniowania: alfa, beta i gamma alfa: dodatni ładunek elektryczny, jądra helu (dwa protony + dwa neutrony) (cząstki alfa) [krótki zasięg, pochłaniane przez kartkę papieru] beta: ujemny ładunek, elektrony [pochłaniane przez folię aluminiową] (cząstki beta) gamma: bez ładunku, (częstotliwość > (2.42 Ehz***)) (fale elektromagnetyczne) [wnikają na kilka cm w płyty ołowiane] Mimo podobnych częstotliwości gamma różni się od promieniowania X ***Ehz - exahertz (10 18 Hz)

4

5 H - 1 proton He - 2 protony Li - 3 protony Izotopy Każdy następny pierwiastek w układzie okresowym ma o 1 proton więcej Liczba atomowa: liczba protonów w jądrze

6 Liczba neutronów w jądrze danego pierwiastka może się zmieniać! Chlor: 17 protonów, 17 elektronów, 20 / 18 neutronów Atomy mające tę samą liczbę protonów ale różniące się liczbą neutronów nazywamy izotopami Przykłady:

7 Liczba masowa (A) - całkowita liczba nukleonów (protony + neutrony) w jądrze. Liczba atomowa (Z) - liczba protonów w jądrze

8 Naturalna promieniotwórczość - przyczyny Gdy zwiększa się liczba nukleonów w jądrze, to siły odpychania kolumbowskiego (pomiędzy protonami) zaczynają przeważać nad przyciągającymi siłami jądrowymi. Jądro takie jest niestabilne i rozpada się. Niestabilne jądro emituje cząstkę alfa lub beta zamieniając się w inne jądro. Oznaczmy jako A i Z liczbę masową i atomową atomu przed rozpadem. Jeżeli rozpadający atom emituje cząstkę alfa to liczba masowa atomu pochodnego wyniesie A-4, a liczba atomowa Z-2. Przemiana alfa A Z X A Z 4 Y He Cząstki alfa zderzają się z innymi atomami ośrodka i jonizują je. W końcu ulegają zobojętnieniu i przechodzą w atom helu. Przemiana beta A Z X Z A Y + + e Jądro emituje elektron! Skąd w jądrze elektron? W czasie przemiany beta jeden z neutronów zmienia się w proton, elektron i antyneutrino.

9 Dlaczego atomy są promieniotwórcze? Dodatnio naładowane i ciasno upakowane protony w jądrze odpychają się ogromnymi siłami elektrycznymi. [siły elektryczne są dalekozasięgowe] Działają pomiędzy nimi jeszcze silniejsze siły jądrowe (między wszystkimi protonami i neutronami w jądrze) - jest to tzw. oddziaływanie silne ( kolorowa siła działająca między kwarkami, utrzymując je blisko siebie poprzez wymianę gluonów ). Zasięg działania sił jądrowych jest bardzo mały, rzędu metra [siły bliskozasięgowe] Kwarki górne: +2/3 ładunku protonu Kwarki dolne: -1/3 ładunku protonu Proton składa się z 3 kwarków: dwóch górnych i jednego dolnego Neutron zawiera jeden kwark górny i dwa dolne. Gdy protony znajdują się blisko siebie to siły przyciągania jądrowego przeważają nad odpychaniem elektrycznym, przy większych odległościach przyciąganie może być słabsze od odpychania. Dlatego jądra większe są mniej stabilne od małych.

10 Para neutron-proton jest silniej związana niż para proton-proton oraz neutron-neutron Jądro doświadcza wielkiego konfliktu zachodzącego pomiędzy dwoma największymi siłami natury: silnym oddziaływaniem jądrowym oraz elektromagnetycznym, więc nie powinno zaskakiwać występowanie niestabilnych izotopów, które podlegają rozpadowi. Intense conflict

11 W obrębie każdej pary protonów istnieje odpychanie, ale nie dla każdej pary istnieje znacząca siła przyciągająca. Każdy proton w jądrze uranu odpycha pozostałe 91 protonów, zarówno te bliskie, jak i bardziej odległe od niego. Silne przyciąganie istnieje tylko między tymi protonami (i neutronami), które w danej chwili są blisko siebie. Wszystkie jądra mające więcej niż 82 protony są nietrwałe i ulegają rozpadowi alfa i beta. Nucleus of U-235: protons in red, neutrons in grey. (Art by Blake Stacey.) proton neutron

12 Rozpad Alfa U 90 Th + 2 He Przyczyną rozpadu alfa jest nadmierna liczba protonów w jądrze, które się odpychają. Emisja jądra helu zmniejsza to odpychanie. Cząstka alfa jest ekstremalnie stabilna - cechuje się ekstremalnie dużą energią wiązania. Chmura prawdopodobieństwa odpowiadająca cząstce alfa rozciąga się nieznacznie poza obszar jądra, co oznacza, że istnieje szansa znalezienia się tej cząstki poza jądrem.

13 Cząstki alfa z uwagi na dużą masę oraz ładunek elektryczny mają bardzo krótki zasięg. W ciele człowieka mają zasięg rzędu dziesiątych części milimetra!

14 Rozpad Beta Rozpad beta zachodzi wtedy gdy proporcja miedzy liczbą neutronów a liczba protonów jest zbyt duża, co prowadzi do niestabilności jądra. Neutron rozpada się na proton, elektron oraz antyneutrino. Elektron emitowany w przemianie beta nie istnieje przedtem w jądrze, tworzy się dopiero w chwili przemiany neutronu w proton.

15 Rozpad Gamma W jądrze istnieją poziomy energii, podobne do poziomów odpowiadających orbitom elektronowym, Przejścia elektronów na niższe orbity powodują emisję fotonów światła, natomiast przejścia miedzy orbitami jądrowymi związane jest z emisją promieni gamma. Różni się od promieni X tym, że pochodzi z jądra atomowego. Jądro podlegające rozpadowi gamma jest w stanie wzbudzonym, który towarzyszy najczęściej rozpadowi alfa lub beta. Jądro przechodzi w podstawowy poziom energetyczny (o najniższej energii) emitując foton. Po przemianie alfa lub beta jądro jest najczęściej w stanie wzbudzenia (nastąpiła zmiana liczby atomowej!). W trakcie rozpadu gamma liczba atomowa pozostaje bez zmian. Promieniowanie gamma jest przenikliwe. Posiada nieco wyższą energię niż promienie X Wykorzystuje się w radioterapii. Niebezpieczne dla zdrowia.

16 Rodzajów rozpadów radioaktywnych - podsumowanie Americium 241 is a familiar example, commonly found in household smoke detectors. Ameryk 241 jest przykładem izotopu cechującego się rozpadem alfa - znajduje zastosowanie w detektorach dymu

17 Carbon-14 (C-14) is a radioisotope of carbon, which undergoes beta decay and may be familiar for its use to establish the age of ancient artifacts ("carbon dating"). Węgiel 14 C podlega rozpadowi beta - wykorzystywany jest do datowania

18 Zmianie liczby protonów w jądrze towarzyszy rekonstrukcja ich ułożenia w jądrze z czym wiąże się emisja pr. gamma

19 Okres połowicznego rozpadu Podczas rozpadu pierwiastków związanego z emisją cząstek tworzą się inne pierwiastki. Szybkość rozpadu określona jest przez wielkość zwaną okresem połowicznego rozpadu. Okres ten równy jest czasowi, po którym rozpadowi uległa połowa pierwotnej ilości izotopu promieniotwórczego.

20 Decay of 226 Ra Rozpad Radonu 226

21 Spadkowi koncentracji danego izotopu towarzyszy wzrost koncentracji innego izotopu, w który zamienia się izotop macierzysty wzrost spadek

22 Okres połowicznego rozpadu to szybkość zaniku substancji promieniotwórczej. Im krótszy okres, tym większa aktywność substancji. Parent Isotope Uranium-238 Uranium-235 Stable Daughter Product Lead-206 Lead-207 Half-Life Values 4.5 billion years 704 million years Thorium-232 Rubidium-87 Lead-208 Strontium billion years 48.8 billion years Potassium-40 Samarium-147 Argon-40 Neodymium billion years 106 billion years

23 W wyniku emisji cząstki alfa lub beta powstaje jądro innego pierwiastka. Następuje przemiana jednego pierwiastka w drugi. Naturalne przemiany pierwiastków

24

25 Serie rozpadów promieniotwórczych uranu, toru i plutonu

26 Skład izotopowy wypalonego paliwa jądrowego (+ czasy połowicznego rozpadu)

27 Wpływ promieniowania jonizującego na organizm ludzki Cząstki Alfa - stanowią zagrożenie gdy radionuklidy dostaną się do wnętrza organizmu (oddychanie, jedzenie lub rany w skórze), bezpośrednio do komórek, tkanek. Duża gęstość jonizacji. Cząstki Beta - rozrywają cząsteczki, produkują jony i wolne rodniki. Jony i wolne rodniki mogą zrywać wiązania w innych cząsteczkach lub tworzyć nowe silne wiązania. Powstają nowe cząsteczki, które są bezużyteczne lub szkodliwe dla komórki. Promieniowanie Beta wnika do ok. 1 cm w tkankę, więc niszczy jedynie zewnętrzne tkanki, a nie organy wewnętrzne, dopóki nie dostanie się do wnętrza organizmu. Promienie Gamma - jonizuje, odrywa elektrony, które przemieszczają się wzdłuż tkanki i oddziałują podobnie. Stanowi największe zagrożenie dla życia. Fotony gamma i cząstki beta o dużej energii wnikają głęboko w materię, cząstki alfa wywołują uszkodzenia na krótszych odcinkach. Energia zdeponowana w tkankach rozprasza się jako ciepło. Promieniowanie niszczy strukturę DNA w jądrze komórki (bezpośrednio lub poprzez wytworzone rodniki OH).

28 Jednostki dawki pochłoniętej Dawka pochłonięta - ilość energii zdeponowanej przez promieniowanie jonizujące w jednostce masy ciała. Gray (Gy); 1Gy = 1 J / kg, 1 mgy = Gy [ jednostka US: Rad, 1 Rad = 0.01 Gy ] Równoważnik dawki - dawka pochłonięta przemnożona przez współczynnik (q) jakości promieniowania charakteryzujący sposób w jaki dany rodzaj promieniowania deponuje energię w tkankach. Ta miara jest proporcjonalna do stopnia biologicznej szkodliwości promieniowania. 1 Gy związany z cząstkami alfa jest bardziej szkodliwy w porównaniu z 1 Gy zdeponowanym przez cząstki beta (większa masa, ładunek, duża gęstość jonizacji) Sievert (Sv), 1 msv = Sv [ jednostka US: Rem, 1 Rem = 0.01 Sv ] Promieniowanie gamma (q=1), cząstki beta - współczynnik q = 1-1.7, dla cząstek alfa, q = 20. Dawka efektywna - równoważnik dawki przemnożony przez współczynnik charakteryzujący ryzyko uszkodzenia danej tkanki, danego organu wewnętrznego.

29 Jednostki radioaktywności Becquerel - radioaktywność 1 Bq oznacza, że w danym materiale promieniotwórczym średnio co 1 sekundę następuje rozpad 1 jądra izotopu (1 kbq = 1000 Bq) [stara jednostka US: 1 Curie (1 Ci) = 3.7 x Bq] Przykłady: Mikołajki: przed awarią w Czarnobylu Bq / m 3, po awarii Bq / m 3 powietrza Radioaktywność K-40 w glebie wynosi Bq / kg (w Polsce maks. 560) Typowa radioaktywność gleby na północy Polski: 50 Bq / kg Typowa radioaktywność gleby na południu Polski: Bq / kg Dane dla Warszawy Trawa: przed awarią Bq / kg, po awarii ( 1 V 1986r) Bq / kg Warzywa zielone: przed awarią Bq / kg, po awarii Bq / kg Powietrze: przed awarią Bq / m 3, po awarii Bq / m 3 Gleba: przed awarią Bq / kg, po awarii Bq / kg

30 Jednostki ekspozycji Dawka ekspozycyjna oznacza ilość ładunku elektrycznego indukowanego w materii (w jednostkowej masie powietrza) przez promieniowanie jonizujące. 1C/kg = 1 Kulomb w 1 kg powietrza 1 Rentgen = 0.58 x 10-4 C/kg Naturalna dawka promieniowania (roczne) Ze źródeł zewnętrznych i wewnętrznych

31 Regiony geograficzne charakteryzujące się wysokim poziomem dawki naturalnej.

32 Ramsar - Iran [~280 msv/rok; Rad-226; paradoks radiacyjny ; najwyższe promieniowanie na Ziemi; dawki 1000 razy większe od średniej]

33

34 Guarapari - Brazylia [5-130 mikrosv/h; monazyt - zawiera tor; maks msv / rok; dawki 100 razy większe od średniej; średnia 40 msv/rok]

35 Kerala - Indie [monazyt - zawiera tor; ok. 50 msv / rok; dawki kilkadziesiąt razy większe od średniej; średnia 15 msv/rok]

36 Flinders Ranges - Australia [radon w wodach geotermalnych; radioaktywność ok Bq / m 3 ]

37 Radioaktywność w metrze w Helsinkach Ryzyko zachorowania na raka płuc w zależności od koncentracji radonu: > 400 Bq / m 3 - ryzyko = 1,8. (w porównaniu z zachorowalnością w powietrzu pozbawionym radonu) Koncentracja może wzrosnąć do 2000 Bq m -3 jeżeli pojawią się problemy z wentylacją metra

38 Naturalne źródła promieniowania - promieniowanie kosmiczne - skorupa ziemska - wnętrze ciała człowieka Sztuczne źródła promieniowania

39

40 W ciągu każdej sekundy w ciele człowieka następuje około 4000 rozpadów potasu 40 K pochodzącego z zasobów naturalnych Ziemi.

41 Promieniowanie kosmiczne (głównie protony i cząstki alfa) Wskutek oddziaływania cząstek promieniowania kosmicznego w atmosferze Ziemi powstają promieniotwórcze izotopy: 3 H, 7 Be, 10 Be, 14 C, 22 Na, 32 P, 33 P, 35 S, 39 Cl W każdej sekundzie przez ciało człowieka przenika ok. 30 cząstek promieniowania kosmicznego. Dawka związana z GCR rośnie dwukrotnie przy wzroście wysokości o ok m

42

43 Źródła promieniotwórcze w skorupie ziemskiej Pierwiastki promieniotwórcze w skorupie ziemskiej: 40 K, 50 V, 87 Rb, 115 In, 138 La, 144 Nd, 147 Sm, 176 Lu, 187 Re, 235 U, 238 U, 232 Tr Potas, uran i tor stanowią stałe składniki gleby i większości minerałów (najwięcej w fosforytach oraz fosfatach). Produktami rozpadu uranu i toru są gazy szlachetne: radon i toron. Gazy te migrują z gleby ku powierzchni Ziemi i dostają się do atmosfery. Przy powierzchni Ziemi jest warstwa powietrza o zwiększonej zawartości tych gazów. Gazy te mogą kumulować się w nieodpowiednio zbudowanych budynkach jak pod kloszem, stając się czasem źródłem istotnego zagrożenia. Wdychanie do płuc powietrza zawierającego radon i toron powoduje napromieniowanie tkanki płucnej. Średnio w ciągu sekundy w każdym metrze sześciennym powietrza następuje około 10 rozpadów jąder radonu pochodzącego z naturalnych zasobów Ziemi. Wyższe zagrożenie występuje na Pogórzu Sudeckim (skały granitowe) W pomieszczeniach zamkniętych, gdzie spędzamy większość czasu stężenie radonu jest średnio 10 razy większe niż na zewnątrz.

44 Dawka progowa ~50 msv /rok Dawka progowa ~50 msv /rok

45 Dawka śmiertelna: msv / godz

46

47 Hipotezy o wpływie promieniowania jonizującego na zdrowie człowieka

48 HORMEZA LNT

49

50

51

52

53 Efekt Hormezy

54

55

56

57 Efekt Hormezy

58 Efekt Hormezy