ODKRYCIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI PROMIENIOWANIE JĄDROWE I JEGO WŁAŚCIWOŚCI
Wilhelm Roentgen 1896
Stan wiedzy na rok 1911 1. Elektron masa i ładunek znikomy ułamek masy atomu 2. Niektóre atomy samorzutnie emitują promieniowanie, które zaczernia klisze, jonizuje powietrze itp.. Becquerel, Curie, Skłodowska-Curie badali to promieniowanie. 3.Odkrycie pierwiastków promieniotwórczych: polon, rad.
Henri Becquerel - 1896
Trzech noblistów Cztery nagrody
Źródła promieniowania 1. Około 60 pierwiastków promieniotwórczych: Uran, polon, rad, radon, tor, aktyn węgiel, potas 2. Skały, gleba, woda morska, woda pitna, ciało człowieka 3. Kosmos
Licznik Geigera - Mullera
Rodzaje promieniowania Alfa α dodatnio naładowane cząstki (2e+), masa 7000 razy większa od e Jądra helu
Rodzaje promieniowania Beta β elektrony o dużej szybkości (bliskiej c), energia kilka MeV, bardziej przenikliwe, mniej pochłaniane przez materię
Rodzaje promieniowania Gamma γ elektromagnetyczne, wysyłane przez wzbudzone jadra atomowe lub jako wynik anihilacji, bardzo przenikliwe, przechodzi przez grube warstwy
Rodzaje promieniowania
Zasięg promieniowania zależy od energii α w powietrzu kilka cm, kartka papieru, skóra człowieka, silnie jonizuje cząstki β mogą przeniknąć przez kilka kartek, deskę γ bardzo przenikliwe, przechodzi przez grube warstwy blachy
Jednostka energii Aby opisać skutki trzeba podać rodzaj promieniowania i energię 1 elektronowolt 1 ev 1eV = 1,6 *10^-19 J 1keV = 10^3 ev = 1,6*10^-16 1MeV = 10^3 kev = 1,6*10^-13
Dawka pochłonięta Miara promieniowania pochłoniętego przez 1kg materii 1 Gy (grej) - 1J pochłonięty przez 1 kg Im większa dawka pochłonięta tym większe powoduje zmiany
Dawka skuteczna Uwzględnia rodzaj promieniowania i rodzaj tkanki 1 Sv - siwert http://mineraly.pg.gda.pl/promieniotworczosc/dozymetria_jednostki.html http://www.paa.gov.pl/?frame=10.4
Zasady ochrony radiologicznej 1. Przebywać jak najkrócej w pobliżu źródła 2. Przebywać jak najdalej 3.Stosować osłony
atom.edu.pl Komitet Naukowy Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Skutków Promieniowania Atomowego (UNSCEAR) ogłosił, iż po pochłonięciu przez ludzi dawek promieniowania jonizującego poniżej 100 msv nie należy spodziewać się zwiększenia zapadalności na nowotwory ponad tą, która występuje naturalnie, również z przyczyn innych niż promieniowanie jonizujące.
Ponadto, według wielu poważnych prac naukowych, pochłonięcie kilkunastu czy kilkudziesięciu msv może być dla ludzkiego zdrowia korzystne, co UNSCEAR zauważył już w swoim raporcie z 1994 roku.
Odkrycie i budowa jądra atomowego Ernest Rutherford
Odkrycie i budowa jądra atomowego Doświadczenie Rutherforda 1911
Odkrycie i budowa jądra atomowego Doświadczenie Rutherforda 1911
1911 odkrycie jądra atomu Ernest Rutherford
BUDOWA ATOMU 1. Model Thomsona ciastko z rodzynkami 2. Model Bohra jądro + elektron 1mm jądro 100m - atom
1932 odkrycie neutronu James Chadwick Masa podobna do protonu i brak ładunku Cząstka α 2 protony i 2 neutrony
Zapis używany w fizyce jądrowej Liczba porządkowa lub atomowa Z Liczba masowa A
Izotopy
Siły jądrowe Przyciągające Krótkozasięgowe Działają między nukleonami Bardzo silne
PRAWO ROZPADU PROMIENIOTWÓRCZEGO
Gamma γ Zmiana stanu energetycznego jądra Stan wzbudzony stan podstawowy
Alfa α Dla A>83 siły jądrowe nie równoważą odpychania elektrostatycznego Jądra takie są niestabilne
Beta β rozpad neutronu Oddziaływanie jądrowe słabe
Zadanie 238 U 92 Pb 214 82
Układ okresowy
Rozwiązanie 238 4 U 92 2 234 0 Th 90 1 234 4 Pa 91 2 234 90 234 91 Th 230 89 Pa Ac
214 Rozwiązanie 0 Pb 82 1 214 4 Bi 83 2 210 0 Tl 81 1 214 83 210 81 210 82 Bi Tl Pb
Szeregi promieniotwórcze
Aktywność promieniotwórcza Aktywność N A t 1Bq 1rozpad s N ~ N ~ N ~ N m n t t t
Aktywności substancji promieniotwórczych Prawo rozpadu N t 1 T ( t) N 2 0 T czas połowicznego rozpadu
Prawo rozpadu
Czas połowicznego rozpadu
Datowane metodą radiowęglową izotop 14 6 C R 1,2*10 12
Datowane metodą radiowęglową 1 n + 14 N 14 C + 1 H rozchodzi się równomiernie w atmosferze, i pod postacią dwutlenku węgla wchodzi do organicznego obiegu pierwiastków 14C T1/2 wynosi 5720±30 lat
DEFICYT MASY W FIZYCE JĄDROWEJ ENERGIA WIĄZANIA
Deficyt masy - m Masa układu związanego jest mniejsza od sumy mas nieoddziaływujących składników. m m m 1 2 M u
Energia spoczynkowa mc 2 0 E Dla dowolnych oddziaływań energia spoczynkowa układu związanego jest mniejsza od sumy energii spoczynkowych nieoddziaływujących składników. Różnica ta to energia wiązania.
Energia wiązania mc 2 0 E E m c 2 2 E w mc w
Energia wiązania, a energia spoczynkowa Ziemia Słońce Ew razy mniejsza od Eo Cząsteczki i atomy Ew razy mniejsza od Eo (ev) 18 10 8 10 Jądra atomowe Ew 100 razy mniejsza od Eo (MeV)
Energia wiązania
Najważniejszy wykres świata energia wiązania na nukleon E w A rozszczepienie synteza
Reakcje jądrowe Samorzutne rozpady promieniotwórcze Przemiany jader następujące w wyniku zderzeń Zasady zachowania - liczby nukleonów - ładunku elektrycznego - pędu - energii
Historyczne przykłady 1919 Rutherford 14 4 17 N O 7 2 8 1 1 H Irene i Frederic Juliot-Curie 9 4 2 12 6 Be O 4? 1932 Chedwick odkrył cząstkę 9 4 12 Be O 4 2 6 1 0 n
Promieniotwórczość sztuczna trwałe w nietrwałe 27 4 30 Al P 13 2 15 1 0 n 30 15 P 30 16 S 0 e 1 Inne przykłady sztucznych izotopów 238 Ne 93 241 Pu 240 Am 285 Cn 94 95 112
Reakcja rozszczepienia 235 1 0 93 36 140 56 U n Kr Ba n 92 3 0 2
Reakcja rozszczepienia
Reakcja rozszczepienia 235 1 0 93 36 140 56 U n Kr Ba n 92 3 0 2 Jest to reakcja egzoenergetyczna
Reakcja łańcuchowa W zależności na co rozpadnie się jądro uranu powstaje od 0 do 8 neutronów Średnio 2,5 Jeśli n>1 zainicjuje nowa reakcję to ilość reakcji będzie rosła
Reakcja łańcuchowa
Reakcja łańcuchowa Warunki reakcji łańcuchowej: -liczba jąder rozpadających się musi być dostatecznie duża -masa próbki musi być większa od tzw. masy krytycznej
Bomba jądrowa
Bomba jądrowa
ENERGETYKA JĄDROWA
Kontrolowana reakcja rozszczepienia
235U 240Pu musimy użyć neutronów termicznych E= 6,5MeV ruda uranu zawiera 0,7% izotopu 235U, pozostałe to 238U Ruda uranowa
Wzbogacanie KONWERSJA Najpierw uran łączy się z fluorem w sześciofluorek uranu UF 6, który jest gazem WZBOGACANIE Następnie przeprowadza się właściwy proces wzbogacania, najczęściej metodą dyfuzyjną lub wirówkową 235U
Paliwo jądrowe 235U
Energia i liczba neutronów powstające neutrony mają zbyt dużą energię aby podtrzymać reakcje dlatego używamy tzw. moderatora który spowalnia neutrony, ale nie pochłania ich. Stosowane są: Woda, ciężka woda, beryl, węgiel(grafit) Moderator oddziela pręty lub pastylki z paliwem jądrowym
Energia i liczba neutronów Do pochłaniania neutronów czyli do sterowania ilością reakcji jądrowych służą pręty sterujące wykonywane z kadmu lub boru Są one wsuwane lub wysuwane w rdzeniu reaktora
Reaktor jądrowy
Rdzeń reaktora
RMBK - Reaktor Bolszoj Moszcznosti Kanalnyj
PWR wodno-ciśnieniowy
BWR wodny wrzący
Paliwo jądrowe 235U
Odpady - produkty rozszczepienia - ciężkie jądra jak pluton, ameryk
Naturalny reaktor jądrowy Gabon Afryka Zach. Zawartość 235U 0,44% T ½ = 700 mln lat 238U T ½ = 4 470 mln lat Czyli przed 2mld lat Zawartość 235U 3,8%
Energetyka jądrowa w Europie
Energetyka jądrowa w Europie
Energetyka jądrowa w Polsce http://atom.edu.pl
SYNTEZA JĄDROWA Temperatura powierzchni 5800 K Temperatura we wnętrzu 15,7 mln K
p + p = 2 H + e + +ν e (1,442 MeV)
2 H + p = 3 He + γ (5,494 MeV)
3 He + 3 He = 4 He + 2p + γ (12,860 MeV)