Prawo rozpadu promieniotwórczego. Metoda datowania izotopowego.

Transkrypt

1 Prawo rozpadu promieniotwórczego. Metoda datowania izotopowego.

2 Prawo rozpadu promieniotwórczego. Rodzaje promieniowania PROMIENIOWANIE ŁADUNEK ELEKTRYCZNY MASA CECHY CHARAKTERYSTYCZNE alfa +2e 4u beta -1e 1/1840u Jądra atomów helu, poruszają się z prędkością około km/s, promieniowanie mało przenikliwe. Strumień szybkich elektronów o prędkości km/s, promieniowanie bardziej przenikliwe niż α. gamma 0 0 Promieniowanie elektromagnetyczne o dużej przenikliwości i energii.

3 Prawo rozpadu promieniotwórczego. Rozpad promieniotwórczy A Z X A Z 4 Y He Rozpad alfa A X A Y e Rozpad beta - Z Z1 A X A Y e Rozpad beta + Z Z1

4 Rozpady są przypadkowe Jeżeli dana substancja zawiera atomy izotopu promieniotwórczego, to wraz z upływem czasu coraz więcej jąder tego izotopu ulega rozpadowi. Badania doświadczalne wykazały, że proces rozpadu promieniotwórczego jest zjawiskiem przypadkowym, podlegającym prawom rachunku prawdopodobieństwa. Oznacza to, że dla każdego nietrwałego jądra promieniotwórczego radioaktywnego) istnieje określone prawdopodobieństwo, że ulegnie ono rozpadowi w określonym czasie.

5 Prawo rozpadu promieniotwórczego opisuje ile jąder promieniotwórczych danego izotopu pozostanie w próbce w zależności od przebytego czasu. N N t T N ilość jąder promieniotwórczych która pozostała w próbce N 0 ilość jąder promieniotwórczych która była początkowo t czas który upłynął T czas połowicznego rozpadu

6 Wykres obrazujący prawo połowicznego rozpadu

7 Czas połowicznego rozpadu jest to taki czas, po upływie którego ulegnie rozpadowi połowa jąder izotopu nietrwałego istniejących w chwili początkowej. Oznacza się ten czas również symbolami:

8 Przykładowe wartości czasów połowicznego rozpadu:

9 Przykład K Ar okres połowicznego rozpadu wynosi 1,3 miliarda lat Podczas wybuchu wulkanu wyrzucona z niego roztopiona skała traci argon powstały wcześniej z zawartego w niej potasu. W miarę obniżania się temperatury lawa zastyga, a wolny od argonu potas zaczyna na nowo go wytwarzać. Zegar potasowo-argonowy zostaje zatem nastawiony na zero, wobec czego wiek każdej rzeczy, która została pogrzebana podczas wybuchu wulkanu, można określić badając otaczający ją popiół. 0 1 e

10 Prawo rozpadu promieniotwórczego. Datowanie izotopowe metodą 14 C Promieniowanie kosmiczne powoduje syntezę promieniotwórczego izotopu węgla 14 C w atmosferze. Stosunek zawartości węgla 14 C / 12 C w CO 2 jest stały i wynosi 1, Węgiel wskutek fotosyntezy jest przyswajany przez rośliny, które są częścią łańcucha pokarmowego zwierząt więc stosunek zawartości tych izotopów w żywych organizmach jest identyczna jak w atmosferze. Kiedy organizm umiera brak jest wymiany węgla z atmosferą, i stosunek 14 C/ 12 C maleje z czasem wskutek rozpadu promieniotwórczego: 14 C 14 N + e + n e natomiast T 1/2 14 C wynosi 5730 lat. Metoda ta pozwala na datowanie w zakresie od 1000 do lat.

11 Jeżeli natomiast chcemy obliczyć masę po czasie t, wówczas wygodnie jest skorzystać ze wzoru: t m = m 0. (0,5) T 0,5 gdzie: m - masa po czasie t m 0 - masa początkowa t czas rozpadu T 0,5 czas połowicznego rozpadu

12 Wykrywanie promieniowania jądrowego Promieniowanie jądrowe każdego rodzaju alfa, beta, gamma jest promieniowaniem jonizującym. Promieniowanie nazywamy jonizującym wtedy, gdy ma wystarczająco dużo energii, aby częściowo pozbawić atomy elektronów, pozostawiając naładowane cząstki jony.

13 Detektory promieniowania jonizującego używane w ochronie radiologicznej Klisza fotograficzna używana w indywidualnych dozymetrach zaczernienie kliszy informuje o wielkości dawki. Komora jonizacyjna naładowany kondensator rozładowuje się pod wpływem promieniowania jonizującego. Odczyt aktualnego napięcia jest natychmiastowym odczytem wielkości dawki. Scyntylatory kryształy, które mają własności termoluminescencji. Służą do długotrwałego, np. przez kilka miesięcy pomiaru mocy dawki w pomieszczeniu. Licznik Geigera Mullera w przenośnych przyrządach dozymetrycznych. Szybka informacja o fakcie, że w pobliżu znajduje się źródło promieniowania jonizującego.

14 Licznik Geigera-Müllera Promieniowanie jonizujące być wykrywane za pomocą licznika Geigera Müllera. Urządzenie to jest bardzo czułe, umożliwia wykrywanie i liczenie cząstek dzięki jonizacji gazu wywołanej przejściem promieniowania.

15 Budowa licznika GM W rurze metalowej lub szklanej, jest odizolowany od rury drucik stalowy lub wolframowy. Rurę z obu końców zamyka się szczelnie. Licznik napełnia się licznik mieszaniną argonu i pary alkoholu.

16 Działanie licznika Do rurki i drucika podłącza się napięcie wynoszące około 500V, a w obwód włącza się opornik. Wpadająca do licznika cząstka wywołuje jonizację gazu co doje impuls prądu

17 Detektorem jest cylindryczny kondensator o przewodzących ściankach, wypełniony gazem np. gazem szlachetnym. Wzdłuż osi cylindra napięty jest drut. Między drutem (+) a ścianką (-) przyłożone jest napięcie ~500 V. Powstające na skutek jonizacji elektrony poruszają się w kierunku drutu czyli dodatnio naładowanej elektrody. Po drodze same uzyskują zdolność jonizacji. Wszystkie elektrody powstałe na skutek jonizacji pierwotnej i wtórnej docierają do elektrody.

18 Rejestrujemy impuls elektryczny czyli fakt, że w liczniku nastąpiła jonizacja. Rejestrujemy tylko fakt przejścia cząstki; nie rozróżniamy rodzaju promieniowania i nie mierzymy jego energii. Wydajność: do 100% dla promieniowania beta (rejestrujemy wszystkie cząstki, które przeniknęły przez ściankę licznika) około 1% dla promieniowania gamma (rejestrujemy tylko te kwanty, których przejście wywołało powstanie elektronu w ściance lub w gazie wypełniającym licznik)

19 Smartlab Geiger miniaturowy licznik opracowany w Korei dołączany do smartfona (cena ok. 30$)

20 Dozymetria wielkości określające absorpcję promieniowania jonizującego Aktywność źródła charakteryzuje źródło 1Bq (bekerel) = 1 rozpad/s Dawka pochłonięta (energetyczna) promieniowania jonizującego miara energii niesionej przez promieniowanie i pochłoniętej przez jednostkę masy substancji 1 Gy (grej) = 1J/kg Moc dawki - dawka pochłonięta w ciągu jednostki czasu np. Gy/a (grej na rok), mgy/h (miligrej na godzinę)

21 Aktywności promieniotwórcze najważniejszych radionuklidów Nuklid Półokres Aktywność (g -1 s -1 ) 14 C 5715 a 165 GBq 40 K 1, a 262 kbq 90 Sr 29,2 a 5032 GBq 131 I 8,070 d 4569 TBq 137 Cs 30,0 a 3219 GBq 222 Rn 3,823 d 5692 TBq 226 Ra 1599 a kbq 238 U 4, a Bq 244 Pu 8, a 678 kbq

22 Miara biologicznych skutków promieniowania jonizującego Skuteczność biologiczna różnego rodzaju promieniowania jest różna. Wynika to z różnej gęstości jonizacji różnych rodzajów promieniowania. Równoważnik dawki dawka równoważna Wprowadza się współczynnik skuteczności biologicznej. Z definicji = 1 dla elektronów. Również równy jest 1 dla promieniowania b i g. Dla neutronów i ciężkich cząstek naładowanych zależy od ich energii i wynosi Dla cząstek a = 20 Dawka równoważna równa jest iloczynowi dawki pochłoniętej i współczynnika skuteczności biologicznej promieniowania. Dawkę równoważną wyraża się w Siwertach 1Sv (siwert) = 1Gy * współczynnik skuteczności.

23 Typowe wartości równowaznika dawki Dawka od źródeł naturalnych dla każdego z nas: około 2 msv rocznie Dla pracowników odsługujących urządzenia z promieniowaniem: Ograniczenie przepisami administracyjnymi 50 msv rocznie nie więcej niż 100mSv przez 5 lat

24 Zadania