Poziom nieco zaawansowany Wykład 2

Poziom nieco zaawansowany Wykład 2 Witold Bekas SGGW

Promieniotwórczość Henri Becquerel - 1896, Paryż, Sorbona badania nad solami uranu, odkrycie promieniotwórczości Maria Skłodowska-Curie, Piotr Curie - 1898 odkrycie polonu 84Po i radu 88Ra Henri Becquerel, Maria Skłodowska-Curie, Piotr Curie - 1903 nagroda Nobla z fizyki Maria Skłodowska-Curie - 1906 38-letnia MS-C profesorem Sorbony, pierwsze wykłady Maria Skłodowska-Curie - 1911 nagroda Nobla z chemii

Witold Bekas SGGW

alfa - jądra helu 4 He 2+ β - beta - - strumienie elektronów e ɣ gamma - promieniowanie elektromagnetyczne (o b.małej długości fali lambda ℷgamma < ℷ pr.rentgena)

Promieniowanie elektromagnetyczne (fala elektromagnetyczna) rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego. Składowa elektryczna i magnetyczna fali indukują się wzajemnie zmieniające się pole elektryczne wytwarza zmieniające się pole magnetyczne, a z kolei zmieniające się pole magnetyczne wytwarza zmienne pole elektryczne. Właściwości fal elektromagnetycznych zależą od długości fali. Promieniowaniem elektromagnetycznym o różnej długości fali są fale radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma. W opisie kwantowym promieniowanie elektromagnetyczne jest traktowane jako strumień nieposiadających masy cząstek elementarnych zwanych fotonami. Energia każdego fotonu zależy od długości fali. Źródło: Wikipedia

v = s t ℷ c = = T ℷx = const. prędkość = droga czas v [m/s, km/h ] 1 T = 1 s = Hz ℷ lambda długość fali [m] ni częstotliwość [Hz] c = 3x10 8 m/s = 300 000 km/s

Promieniotwórczość naturalna samorzutny rozpad jąder atomowych i zjawiska temu rozpadowi towarzyszące (,β, ɣ, energia ) dlaczego i kiedy jądra atomowe ulegają rozpadowi? Kryteria trwałości jąder atomowych: wielkość jądra - gdy A>210 nietrwałe stosunek n do p - gdy n/p > 1,6 nietrwałe energia wiązania jądra Ew trwałych jąder = 8,7 MeV/A parzystość liczby p i n (2, 8, 20, 50, 82,126) porównanie Z i A z liczbami magicznymi

Liczby trwałych nuklidów w przypadku parzystych oraz nieparzystych liczb protonów i neutronów.

Przykłady przemian promieniotwórczych: przemiana 238 92U przemiana zwiększa stosunek n / p przemiana β - 4 2+ 234 + Th + ɣ 2 90 gamma 234 90 Th 0 234 β + Pa -1 91 + neutrina przemiana β - zmniejsza stosunek n / p 1 n 0 e + 1 p 0-1 1

Reguła przesunięć Fajansa-Soody`ego Jeśli z jądra atomowego pierwiastka E zostanie wyrzucona cząstka alfa α, to nowopowstałe jądro atomowe będzie miało liczbę atomową Z mniejszą o 2, zaś liczbę masową A mniejszą o 4, czyli w układzie okresowym nowo powstały pierwiastek będzie przesunięty o 2 miejsca w lewo. A ZE 4 2+ 2 + A-4 E Z-2 Jeśli z jądra atomowego pierwiastka E zostanie wyrzucona cząstka beta β -, to nowopowstałe jądro atomowe będzie miało liczbę atomową Z większą o 1, przy nie zmienionej liczbie masowej A, czyli w układzie okresowym nowo powstały pierwiastek będzie przesunięty o 1 miejsce w prawo. A ZE 0-1 β + A E Z+1

szereg przemian promieniotwórczych

inne przemiany promieniotwórcze: gdy w jądrze niedobór neutronów przemiana β + β + (pozyton) to antycząstka β - (elektronu - negatonu) 11 6C 0 β + 1 + 11 5B 1 p 0 e + + 1 n 1 1 0

przemiana β + 43 22Ti 0 β + 1 + 43 21Sc 15 8O 0 β + 1 + 15 7N 1 p 0 e + + 1 n 1 1 0

inne przemiany promieniotwórcze: gdy w jądrze niedobór neutronów wychwyt K - ściągnięcie przez jądro atomowe elektronu z powłoki K 44 22Ti 4Be 7 + -1 0 e K + -1 0 e K 44 21Sc 7 3Li 1 p 0 + e 1 n 1-1 K 0

przykłady naturalnych przemian promieniotwórczych:

Promieniotwórczość sztuczna zmiana budowy jąder atomowych w wyniku ich bombardowania innymi cząstkami (np., β, n, p) i zjawiska tym przemianom towarzyszące (inne jądra, energia oraz cząstki np.,β, n, p, ɣ Rutherford 1919 podobny proces w gwiazdach

doświadczenia Ireny Joliot-Curie i Fryderyka Joliot 1934 30 15P + 1 n 0 13Al 27 + 2 4 α 30 14Si + 1 p 1 13Al 27 ( 4 α, p ) 2 11 30 14Si

przykłady sztucznych przemian promieniotwórczych:

rozpady dużych jąder atomowych:

wykorzystanie energii jądrowej??? Witold Bekas SGGW

synteza jądrowa jest źródłem wielkich ilości energii: D + D 3 He + n D + D T + p D = 2 H deuter T = 3 H tryt D + T 4 He + n D + 3 He 4 He + p sumarycznie 6 D 2 4 He + 2 p + 2 n 1 g zużytego deuteru daje 300 000 000 kj energii

Szybkość rozpadu promieniotwórczego v jest to stosunek liczby jąder atomowych n rozpadających się w danym czasie do tego czasu. v = n t = dn dt v [rozpadów / s] Czas połowicznego rozpadu T½ to czas, w którym połowa obserwowanych jąder atomowych ulegnie przemianie promieniotwórczej. Im krótszy T½ tym większa szybkość rozpadu promieniotwórczego.

przykładowe T½ = t½

Kinetyka rozpadu promieniotwórczego ν = N t ν = dn dt ν - szybkość rozpadu N - liczba rozpadających się jąder atomowych t - czas rozpadu k - inaczej ℷ = stała rozpadu szybkość przemian promieniotwórczych zależy od liczby jąder atomowych, które mogą ulec rozpadowi dn dt = k N - przed gdyż w trakcie rozpadu maleje szybkość rozpadu promieniotwórczego

dn dt = k N N t N 0 dn N = 0 k dt N 0 - początkowa liczba jąder atomowych N - liczba jąder po czasie t ( lnn lnn 0 ) = k t ln N N 0 = k t

ln N N 0 = k t ln N 0 N = k t t = 1 k ln N 0 N lne log10 e = 2,718 zamiana ln na log mnożę x 2,303 t = 2,303 k lg N 0 N t = 2,303 k lg m 0 m

t = 2,303 lg m 0 k m jeśli m = m 0 2 to t = T 1/2 T 1/2 = ln2 k T 1/2 = 0,693 k

Podstawowe ujęcie ilościowe dotyczące promieniotwórczości:

50 twarzy

Rem (ang. roentgen equivalent in man) jednostka równoważnika dawki promieniowania jonizującego pochłoniętego przez organizm. 1 rem jest odpowiednikiem dawki równoważnej równej 0,01 Sv (0,01 Gy dawki pochłoniętej promieniowania gamma) pod względem działania biologicznego. Siwert, Sv, jednostka dawki równoważnej. Dla promieniowania gamma 1 Sv = 1 Gy (grej), dla innych rodzajów promieniowania współczynnikiem przeliczeniowym między dawką wyrażoną w grejach a dawką wyrażoną w siwertach jest tzw. czynnik jakości (QF, współczynnik skuteczności biologicznej). 1 Sv = 100 rem.

Witold Bekas SGGW

Dziękuję za uwagę, zapraszam na kolejny wykład!