Promieniowanie jonizujące Wykład I Budowa materii Fizyka MU, semestr 2 Uniwersytet Rzeszowski, 22 lutego 2017 Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 1 / 30
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: http://www.ifj.edu.pl/~golec/index.php?page=teaching Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 2 / 30
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 Budowa materii Promieniowanie jonizujące 3 / 30
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, 2012. Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 4 / 30
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 Budowa materii Promieniowanie jonizujące 5 / 30
Wilhelm Roentgen (1845-1923) 1895 - bombardując płytkę metalową szybkimi elektronami zauważył powstawanie przenikliwego promieniowania X. Wilhelm Reoentgen Ręka Pani Roentgen Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 6 / 30
Henri Becquerel (1852-1908) 1896 - sole uranu (w szufladzie) zaczerniły kliszę fotograficzną - odkrycie naturalnej radioaktywności. Henri Becquerel Zaczerniona klisza Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 7 / 30
Maria Skłodowska (1867-1934) i Piotr Curie (1859-1906) 1898 - ruda uranowa wysyła więcej promieniowania niż wynikałoby to z ilości uranu => odkrycie radioaktywnego polonu oraz radu. Piotr i Maria Curie Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 8 / 30
Ernest Rutherford (1871-1937) 1903 - 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 Budowa materii Promieniowanie jonizujące 9 / 30
Victor Hess (1883-1964) I 1898 - podczas lotów balonowych promieniowanie zwiększa się - odkrycie promieniowania kosmicznego. Victor Hess Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 10 / 30
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 (1909-11) pozwoliły zmierzyć ładunek elektronu i wykazały jego dyskretność. Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 11 / 30
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 = 1.7 1011 C/kg Pomiary dla różnych materiałów katody dały ten sam wynik. Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 12 / 30
Pomiar ładunku elektronu - doświadczenie Milikana (1909-11) Pomiar prędkości opadania naładowanej kropli w polu grawitacyjnym i równoważącym go polu elektrycznym kwantowanie ładunku: Q = N e ładunek elementarny: e = 1.6022 10 19 C masa elektronu: m e = 9.1093 10 31 kg Z doświadczeń Thomsona masa jonu atomu wodoru - protonu m p = 1837 m e = 1.672 10 27 kg Rozmiar atomu złota Au można oszacować na podstawie gęstości złota m Au 197 m H => R = 2.6 10 10 m Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 13 / 30
Budowa atomu - historia odkrycia Doświadczenia Ernesta Rutherforda (1911) pokazały, że ładunek dodatni w atomie, jest skoncentrowany w małej objętości - jądrze o promieniu 10 4 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. Pełne zrozumienie budowy atomu dostarczyła mechanika kwantowa, sformułowana w latach 1925-27 przez Wernera Heisenberga, Erwina Schroedingera i Paula Diraca. Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 14 / 30
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 = 2.4 10 14 m Jądro atomu złota jest 10 4 razy mniejsze niż wymiar atomu! Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 15 / 30
Dlaczego jadro jest stabilne? W jądrach znajdują się neutrony, elektrycznie obojętne cząstki o masie trochę większej niż masa protonu (James Chadwick 1932). m n = 1.6749 10 27 kg > m p = 1.6726 10 27 kg Protony i neutrony wiąże krótkozasięgowe oddziaływanie jądrowe, znacznie silniejsze od oddziaływania elektromagnetycznego, które stabilizuje jądro. Każde jądro jest scharakteryzowane liczbą protonów Z (liczba atomowa) i liczbą neutronów N. Ich suma to liczba masowa: A = Z + N. Oznaczenie A Z X Protony i neutrony nazywamy nukleonami, a jądra nuklidami. Pierwiastki chemiczne są określone przez liczbą atomową Z, na przykład 1 1H, 4 2He, 238 92 U Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 16 / 30
Układ okresowy pierwiastków Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 17 / 30
Izotopy pierwiastków Izotopy - odmiany pierwiastka różniące się liczbą neutronów N w jądrze 1 1H, 2 1H, 3 1H wodór, deuter, tryt Liczba elektronów nie zmienia się i jest równa liczbie protonów Z. Izotopy dzielą się na trwałe i nietrwałe - izotopy promieniotwórcze. Izotopy promieniotwórcze są źródłem promieniowania jonizującego. Pierwiastki występujące w przyrodzie są mieszaniną izotopów, np. uran 238 92 U (99, 3%), 235 92 U (0.7%), 234 92 U (< 0.01%) Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 18 / 30
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. To samo w MK. Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 19 / 30
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 Budowa materii Promieniowanie jonizujące 20 / 30
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 Budowa materii Promieniowanie jonizujące 21 / 30
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 Budowa materii Promieniowanie jonizujące 22 / 30
Struktura materii Skale energetyczne: Skale przestrzenne: I I I atomowa jądrowa - 10 10 m - 10 nukleonowa - 10 14 15 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 Budowa materii Promieniowanie jonizujące 23 / 30
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 Budowa materii Promieniowanie jonizujące 24 / 30
Materiały do ćwiczeń Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 25 / 30
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 Budowa materii Promieniowanie jonizujące 26 / 30
Przedrostki Przedrostek Oznaczenie Mnożnik Przedrostek Oznaczenie Mnożnik 10 0 = 1 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 10 12 piko p 10 12 peta P 10 15 femto f 10 15 eksa E 10 18 atto a 10 18 zeta Z 10 21 zepto z 10 21 yota Y 10 24 jokto y 10 24 np. GW, mv, MJ, kplz, TeV, µa, fm Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 27 / 30
Masa atomowa Jednostka masy atomowej u to 1/12 masy atomu węgla 12 6C 1 u = 1.6605 10 27 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 = 55.85. Stąd masa atomu m Fe = 55.85 (1.6605 10 27 kg) = 9.274 10 26 kg Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 28 / 30
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 = (1.6 10 19 C) V = 1.6 10 19 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 (1.6 10 19 J) (3 10 8 m/s) 2 1.78 10 30 kg Stąd masy elektronu i protonu w [MeV /c 2 ] 9.11 10 31 MeV 1.78 10 30 c 2 0.511 MeV 1.67 10 27 MeV, m c 2 p = 1.78 10 30 c 2 938 MeV c 2 Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 29 / 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 = 299 792 458 m/s. Gęstość złota to 1.93 10 4 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 2.09 10 7 m/s przed zderzeniem z jądrem złota 197 79Au. Obliczyć odległość na jaką α zbliży się do jądra. (Stała k = 8.987 10 9 Nm 2 /C 2 ). Obliczyć długość fali elektromagnetycznej przy przejściu pomiędzy poziomami n = 2, 3 w atomie wodoru. Stała Plancka h = 6.626 10 34 J s. Wykład I Budowa materii Promieniowanie jonizujące 30 / 30