promieniotworczość

Promieniotwórczość NATURALNA
Nazywam się Henry Becquerel.
To ja w roku 1896 odkryłem
zjawisko promieniotwórczości
naturalnej.
Badając świecenie różnych substancji, zauważyłem,
że wszystkie związki uranu wysyłają
promieniowanie przenikające przez czarny papier i
inne osłony oraz powodują naświetlenie kliszy
fotograficznej. Uznałem więc, że to promieniowanie
dotychczas nieznane.
Maria i Piotr Curie
To ja, Maria Skłodowska-Curie, fizyczka i
chemiczka polska, odkryłam, że w rudzie uranu
znajduje się nieznany jeszcze silnie
promieniotwórczy pierwiastek.
Prowadząc badania, razem ze swym mężem Piotrem Curie, po długiej i
mozolnej pracy odkryłam, dwa promieniotwórcze pierwiastki: polon oraz
rad, za które otrzymałam Nagrodę Nobla.
Promieniowanie ALFA
Rozpad jądra atomowego z emisją
cząstki alfa.
Po tym rozpadzie powstaje jądro
atomowe o liczbie masowej (A)
Rozpadowi alfa ulegają najczęściej ciężkie
mniejszej o 4 i liczbie atomowej (Z)
mniejszej o 2 względem tych liczb dla pierwiastki promieniotwórcze oraz niektóre
izotopy promieniotwórcze pierwiastków ziem
jądra pierwotnego.
rzadkich (pierwiastków z rodziny
lantanowców).
A
Z
X
U
(pierwiastek ulegający
rozpadowi)
232
92
A- 4
Y+
Th +
Z-2
(jądro nowopowstałego
pierwiastka)
228
90
α
α
4
2
(cząsteczka ALFA)
4
2
Rozpad 

241Am
Cząstka alfa przechodząc przez ośrodek
silnie oddziaływuje z jego atomami,
powodując jego jonizację, dzięki czemu
traci swoją energię wystarczy niewielka
przeszkoda aby wyhamować całkowicie
cząstę alfa
237Np
•Masa nowego jądra i cząstki alfa jest mniejsza
od masy jądra, które uległo rozpadowi.
•Różnica mas jest równoważna wydzielającej
się energii, którą przejmuje cząsteczka alfa i
nowe utworzone jądro.
Promieniowanie BETA
Jest to rozpad jądra promieniotwórczego, w wyniku którego z jądra emitowany jest (w
przypadku rozpadu beta minus) elektron (negaton) i antyneutrino elektronowe lub (w
przypadku rozpadu beta plus) pozyton i neutrino elektronowe.
Rozpad ßZ jądra atomu zostaje wyemitowany elektron, który nazywamy czastką ß -.
Cząstka ß- powstaje w jądrze na skutek przeistoczenia się neutronu w proton i
elektron:
1
o
n
neutron
1
1
o
-1
p + e +v
elektron Antyneutrina
proton
elektronowa
Rozpad ß- ilustruje poniższa reakcja, będąca zapisem ogólnym tego rodzaju
rozpadu:
A
Z
X
A
Z+1
o
-1
Y+ e + v
-
Rozpad ß+
Z jądra zostaje wyemitowana cząsteczka ß+ (pozyton).
Cząstka ß+ powstaje podczas przeistoczenia się protonu w neutron.
1
0
X
A
Z-1
p
A
Z
1
o
1
1
n + e +v
o
+1 +
Y+ e + v
Podczas rozpadu ß+ wydziela się energia, którą otrzymuje nowo powstałe
jądro, elektron (lub proton) i antyneutrino (neutrino). Cząstki ß w ośrodku
powodują jonizację atomów tracą przy tym swoją energię.
Rozpady 
e-


64
29Cu
 6430Zn + e + e
64Cu
+
64
29Cu

64
28Ni
64Zn
e
e+
+ e + e
+
64Cu
64Ni
e
Promieniowanie GAMMA
to fala elektromagnetyczna
lub inaczej strumień
Towarzyszy ono emisji
wysokoenergetycznych
cząsteczek α lub β, gdy
fotonów.
Promieniowanie
gamma jest bardzo
przenikliwe, bardzo
szkodliwe i nie ma
dość dobrych osłon,
które mogłyby je w
całości pochłonąć.
powstające jądro jest w
stanie wzbudzonym. Promieniowanie to nie jest
obdarzone ładunkiem, dlatego
nie odchyla się w polu
elektrycznym i magnetycznym.
Ma małą
zdolność do
jonizacji.
Promieniowanie gamma
charakteryzuje się dużą
przenikalnością, np. może
przenikać przez ołów na
głębokości 150 mm.
Przemiana 
Jądro wzbudzone przechodzi do stanu podstawowego pozbywając się
energii wzbudzenia.
przemiana 
A
Z
X   ZA X  

Przenikliwość promieniowania wysyłanego
przez izotopy radioaktywne
Typy rozpadów
Naturalne pierwiastki
promieniotwórcze
Początek trzech naturalnych
szeregów promieniotwórczych
Początek czwartego szeregu: 237Np (T1/2
=2,14∙106 < wiek Ziemi)
- nie występuje naturalnie
4 szeregi, bo tylko rozpad α zmienia liczbę
nukleonów (zmiana o 4 nukleony)
To rodziny nuklidów promieniotwórczych
kolejno przekształcających się jedne w
drugie na drodze sekwencyjnych rozpadów
alfa lub beta.
SZEREGI
NATURALNE
URANOWOAKTYNOWY
Rozpoczyna się rozpadem
alfa U-235, a kończy na
stabilnym Pb-207. Łącznie
ma 15 nuklidów
SZEREG
SZTUCZNY
TOROWY
Rozpoczyna się od rozpadu
alfa Th-232, a kończy na
stabilnym Pb-208. Łącznie
ma 12 nuklidów
URANOWORADOWY
Rozpoczyna się rozpadem alfa U-238,
a kończy na stabilnym Pb-206. Łącznie
ma 18 nuklidów.
Neptunowy, wywodzący się od
plutonu – izotopu ciężkiego od
uranu, nie występującego w
przyrodzie, lecz otrzymanego
sztucznie metodami fizyki jądrowej.
Szeregi promieniotwórcze
N
4.51·109 lat
238U
N
234Th
7.15·108
lat
235U
231Th

206Pb


Z
207Pb

Z
Łączna liczba trwałych nuklidów jest równa 272
Najcięższym trwałym nuklidem jest bizmut (20983Bi).
Jądra z Z > 83 nie są już trwałe (wszystkie pierwiastki za bizmutem mają tylko
izotopy promieniotwórcze).
Ciekawostka
Spośród 272 trwałych nuklidów 161 jest zbudowanych z parzystej liczby protonów i
parzystej liczby neutronów, 105 zawiera parzystą liczbę jednego z nukleonów,
natomiast jedynie w 6 przypadkach jądro jest zbudowane z nieparzystej liczby
protonów i nieparzystej liczby neutronów.
Szczególną trwałością charakteryzują się jądra o liczbach protonów lub neutronów
równych; 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 (są to tzw. liczby magiczne) nazywane
magicznymi jądrami; pośród nich najtrwalsze są jądra podwójne magicznie, np.
4 He, 16 O, 40 Ca, 208 Pb
2
8
20
82
Znanych jest około 2300 nuklidów promieniotwórczych, tylko kilkadziesiąt
spośród nich występuje w przyrodzie.
Naturalne pierwiastki promieniotwórcze to przede wszystkim nuklidy o
liczbie atomowej Z > 83.
Ze względu na pochodzenie izotopy radioaktywne możemy podzielić
na 4 kategorie:
A
Izotopy pierwotne, których czas półrozpadu ma wartość przekraczającą
0,5 mld lat,. Powstały wraz z materią tworzącą Ziemię.
Najbardziej rozpowszechnione to - :
40K, 238U, 232Th
B
Izotopy wtórne, powstałe w wyniku rozpadów promieniotwórczych
izotopów należących do pierwszej kategorii.
Najważniejsze to - 226Ra, 228Ra, 222Rn, 220Rn, 210Pb.
C
Izotopy kosmogeniczne, tworzące się pod wpływem promieniowania
kosmicznego, jak również w reakcjach jądrowych. Radionuklidy
kosmogeniczne 10Be, 26Al, 36Cl, 80Kr, 32Si, 39Ar, 22Na, 35S, 37Ar, 33P, 32P,
38Mg, 24Na, 38S, 31Si, 18F, 39Cl, 38Cl, 34mCl
D
Radioizotopy sztuczne
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.
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.
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.
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.
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
• Smartlab Geiger – miniaturowy licznik
opracowany w Korei dołączany do
smartfona (cena ok. 30$)
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)
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  i . Dla neutronów i ciężkich cząstek
naładowanych zależy od ich energii i wynosi 3-10. Dla cząstek  =
20
• Dawka równoważna równa jest iloczynowi dawki pochłoniętej i
współczynnika skuteczności biologicznej promieniowania. Dawkę
równoważną wyraża się w Siwertach
• 1Sv (siwert) = 1Gy * współczynnik skutecz.
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