Odkrycie jądra atomowego - doświadczenie Rutherforda 1909 r. 1
Budowa jądra atomowego Liczba atomowa =Z+N Liczba masowa Liczba neutronów Izotopy Jądra o jednakowej liczbie protonów, różniące się liczbą neutronów 2
Mapa nuklidów Fragment mapy nuklidów w obszarze otrzymywanych sztucznie ciężkich jąder o krótkim czasie życia Energia wiązania E W 2 ( mc ) = Mc 2 masa jądra masy nukleonów E WN E = Energia wiązania nukleonu W Siły jądrowe są konsekwencją oddziaływania silnego 3
Stabilność jąder atomowych Najsilniej związane (a zatem STBILNE) są jądra atomowe o dużym odchyleniu (defekcie) masy (m-)c 2, gdzie m - masa atomu w atomowych jednostkach masy u, liczba masowa, kwadrat prędkości światła - c 2 =931,5 MeV/u Rozpad promieniotwórczy Stała rozpadu [1/s] ktywność promieniotwórcza dn R = dt = λn Liczba jąder Początkowa liczba jąder Średni czas życia Czas połowicznego rozpadu (zaniku) Liczba jąder N i aktywność R maleją do połowy wartości początkowej Rozpad ma charakter statystyczny prawdopodobieństwo jest takie samo dla każdego z jąder znajdujących się w próbce 4
Oddziaływanie cząstek naładowanych z materią Strata energii cząstki naładowanej na jednostkowej drodze w ośrodku w zależności od energii cząstki Zasięg protonów w powietrzu w zależności od ich energii Strata energii na jednostkowej drodze cząstki α o energii początkowej 5.3 MeV w zależności od odległości przebytej w powietrzu Zależność liczby zliczeń cząstek naładowanych od grubości warstwy pochłaniającej Oddziaływanie z materią kwantów γ fotonów o dużej energii µ całkowity współczynnik absorpcji µ f wkład od efektu fotoelektrycznego µ c wkład od efektu Comptona µ p tworzenie par elektron-pozyton Liniowy współczynnik absorpcji promieniowania γ w ołowiu w zależności od energii fotonów 5
Ochrona przed promieniowaniem - dawki Dawka pochłonięta D - stosunek energii pochłoniętej przez daną masę ciała do wartości tej masy. 1 grej [Gy=1J kg -1 ] Równoważnik dawki uwzględnia skutek biologiczny danego rodzaju promieniowania 1 sivert [Sv=1J kg -1 ] Efektywny równoważnik dawki Ochrona przed promieniowaniem osłony radiacyjne Grubość warstwy pochłaniającej promieniowanie β o danej energii maksymalnej 6
Rozpad α Masa produktów rozpadu < M 238 U Energia rozpadu 4,25 MeV =4,5 10 9 lat Z X Y Z 4 4 2 + 2α 7
Rozpad alfa Energia potencjalna cząstki α w jądrze atomowym. Cząstka α może opuścić jądro tylko na drodze tunelowania przez barierę potencjału utworzoną przez przyciąganie elektrostatyczne między jądrem a cząstką α. Zdjęcie w komorze mgłowej śladów cząstek α z rozpadu jąder polonu 214 Po. Cząstki mają ten sam zasięg w gazie, czyli mają równe energie (jeden dłuższy ślad odpowiada rozpadowi jądra wzbudzonego większa energia). Związek między czasem połowicznego rozpadu a energią cząstek α emitowanych przez jądra radioaktywne. Czas półrozpadu szybko maleje ze wzrostem energii cząstek α, bo prawdopodobieństwo tunelowania przez barierę potencjału szybko rośnie, gdy zmniejsza się bariera potencjału. Rozpad β Z Z X Z 0 + 1Y + 1e +ν X Z 1Y + + 0 1 e +ν 8
Przemiana γ Jądro wzbudzone emituje kwant promieniowania elektromagnetycznego foton o dużej energii ( rzędu 1 MeV) kwant gamma Łańcuch promieniotwórczy uranowo-radowy =4k+2, 16 nuklidów =4,5 x 10 9 lat 9
Łańcuch promieniotwórczy uranowo-aktynowy, =4k+3, 14 nuklidów =7,0 x 10 8 lat Łańcuch promieniotwórczy torowy, =4k, 12 nuklidów =1,4 x 10 10 lat 10
Łańcuch promieniotwórczy neptunowy, =4k+1, 11 nuklidów =2,14 x 10 6 lat Datowanie szczątków organicznych izotopem 14 C Radioaktywny izotop węgla 14 C jest wytwarzany w górnych warstwach atmosfery Ziemi przez neutrony z promieniowania kosmicznego n+ 14 N 14 C+ 1 H i ulega rozpadowi β - 14 C 14 N+e - +ν z czasem połowicznego rozpadu =5730 lat. Obecnie w atmosferze ziemskiej stosunek liczby atomów 14 C do wszystkich atomów węgla ( 12 C i 13 C) jest 1,35 10-12. Rośliny przyswajają węgiel z CO 2 w atmosferze z taką zawartością 14 C. Po ustaniu wymiany węgla z atmosferą zawartość izotopu 14 C w szczątkach organicznych maleje zgodnie z prawem rozpadu promieniotwórczego. Wyznaczenie stosunku 14 C/ 12 C w próbce pozwala określić czas, jaki upłynął od śmierci organizmu. Metodę opracował Willard Libby w 1949 roku, otrzymał nagrodę Nobla z chemii w 1960 roku. Współcześnie do oznaczania stosunku zawartości izotopów 14 C/ 12 C w próbce stosuje się spektroskopię masową z wykorzystaniem akceleratorów. 11
Krzywa kalibracji datowania radiowęglowego Stosunek zawartości 14 C/ 12 C w atmosferze ziemskiej nie jest stały, wpływają nań: aktywność Słońca, wybuchy supernowych, rozbłyski gamma, etc. Oznaczanie wieku skał metodami izotopowymi Datowanie rubidowo-strontowe naturalny izotop promieniotwórczy 87 Rb ulega rozpadowi β - do trwałego izotopu 87 Sr z czasem połowicznego rozpadu =4,75 10 10 lat. Izotop 87 Sr pochodzi nie tylko z rozpadu 87 Rb ale również z syntezy jądrowej w gwiazdach. Zawartość rubidu jest różna w ziarnach różnych minerałów w skale. Bezwzględne datowanie jest możliwe na podstawie pomiaru stosunku zawartości dwu izotopów strontu 87 Sr/ 86 Sr=y oraz zawartości rubidu względem strontu 87 Rb/ 86 Sr=x. Na wykresie y(x) tych dwu wielkości, które zmierzono dla różnych ziaren krystalicznych minerałów tworzących skałę, punkty układają się na prostej zwanej izochromą, której współczynnik kierunkowy pozwala obliczyć wiek skały. 12
Znaczniki radioaktywne Wykorzystanie znacznika do badania aktywności mózgu znacznik 11 C W odpowiedzi na atak roślina wycofuje zasoby odżywcze do korzenia użyty znacznik 11 C Brookhaven National Laboratory Model kroplowy jądra atomowego M B a a a a ( Z, ) = Zm p + ( Z ) mn B( Z, ) ( ) 2 / 3 2 1/ 3 2 1 1/ 2 Z, = a a a Z a ( a 2Z ) + a V S C V = 15,7 MeV = 17,5 MeV = 0,72 MeV = 23,2 MeV S C = 0 a = + 11,5 MeV parzysto- parzyste a a P P P parzysto - nieparzyste = 11,5 MeV nieparzysto - nieparzyste P 13