Wykład 1

Spotkanie z promieniotwórczością - Podstawowe pojęcia fizyki jądrowej
Model atomu według Nielsa Bohr’a
Energia emitowana jest wtedy, gdy elektron przechodzi z orbity o większym promieniu (większej energii)
na orbitę o mniejszym promieniu (mniejszej energii). Częstotliwość emitowanego światła spełnia związek:
E = h v (gdzie: E - różnica energii elektronów na obu orbitach, v - częstotliwość, h - stała Plancka)
Bohr wyjaśnił genezę promieni X: powstają przy przejściu elektronów z powłok zewnętrznych
na orbity położone blisko jądra.
Zdolność jądra atomu do emitowania promieniowania nazywamy promieniotwórczością
Pierwiastki promieniotwórcze emitują 3 rodzaje promieniowania:
alfa, beta i gamma
alfa: dodatni ładunek elektryczny, jądra helu (dwa protony + dwa neutrony) (cząstki alfa)
[krótki zasięg, pochłaniane przez kartkę papieru]
beta: ujemny ładunek, elektrony
[pochłaniane przez folię aluminiową]
(cząstki beta)
gamma: bez ładunku, (częstotliwość > (2.42 Ehz***)) (fale elektromagnetyczne)
[wnikają na kilka cm w płyty ołowiane]
Mimo podobnych częstotliwości gamma różni się od promieniowania X
***Ehz - exahertz (1018 Hz)
H - 1 proton
He - 2 protony
Li - 3 protony
Izotopy
Każdy następny pierwiastek w układzie okresowym ma o 1 proton więcej
Liczba atomowa: liczba protonów w jądrze
Liczba neutronów w jądrze danego pierwiastka może się zmieniać!
Chlor: 17 protonów, 17 elektronów, 20 / 18 neutronów
Atomy mające tę samą liczbę protonów ale różniące się liczbą neutronów nazywamy izotopami
Przykłady:
Liczba masowa (A) - całkowita liczba nukleonów (protony + neutrony) w jądrze.
Liczba atomowa (Z) - liczba protonów w jądrze
Naturalna promieniotwórczość - przyczyny
Gdy zwiększa się liczba nukleonów w jądrze, to siły odpychania kolumbowskiego (pomiędzy protonami)
zaczynają przeważać nad przyciągającymi siłami jądrowymi. Jądro takie jest niestabilne i rozpada się.
Niestabilne jądro emituje cząstkę alfa lub beta zamieniając się w inne jądro. Oznaczmy jako A i Z
liczbę masową i atomową atomu przed rozpadem. Jeżeli rozpadający atom emituje cząstkę alfa to
liczba masowa atomu pochodnego wyniesie A-4, a liczba atomowa Z-2.
Przemiana alfa
A
Z
X →
A−4
Z −2
Y +
4
2
He
Cząstki alfa zderzają się z innymi atomami ośrodka i jonizują je. W końcu ulegają zobojętnieniu
i przechodzą w atom helu.
Przemiana beta
A
Z
X→
Y+ e
A
Z +1
0
−1
Jądro emituje elektron! Skąd w jądrze elektron?
W czasie przemiany beta jeden z neutronów zmienia się w proton, elektron i antyneutrino.
Dlaczego atomy są promieniotwórcze?
Dodatnio naładowane i ciasno upakowane protony w jądrze odpychają się ogromnymi siłami elektrycznymi.
[siły elektryczne są dalekozasięgowe]
Działają pomiędzy nimi jeszcze silniejsze siły jądrowe (między wszystkimi protonami i neutronami
w jądrze) - jest to tzw. „oddziaływanie silne” („kolorowa” siła działająca między kwarkami, utrzymując
je blisko siebie poprzez wymianę „gluonów”). Zasięg działania sił jądrowych jest bardzo mały,
rzędu 10-15 metra [siły bliskozasięgowe]
Kwarki górne: +2/3 ładunku protonu
Kwarki dolne: -1/3 ładunku protonu
Proton składa się z 3 kwarków: dwóch górnych i jednego dolnego
Neutron zawiera jeden kwark górny i dwa dolne.
Gdy protony znajdują się blisko siebie to siły przyciągania jądrowego przeważają nad odpychaniem
elektrycznym, przy większych odległościach przyciąganie może być słabsze od odpychania. Dlatego
jądra większe są mniej stabilne od małych.
Para „neutron-proton” jest silniej związana niż para „proton-proton” oraz „neutron-neutron”
Jądro doświadcza „wielkiego konfliktu” zachodzącego pomiędzy dwoma największymi
siłami natury: silnym oddziaływaniem jądrowym oraz elektromagnetycznym, więc nie powinno
zaskakiwać występowanie niestabilnych izotopów, które podlegają rozpadowi.
Intense conflict
W obrębie każdej pary protonów istnieje odpychanie, ale nie dla każdej pary istnieje znacząca
siła przyciągająca. Każdy proton w jądrze uranu odpycha pozostałe 91 protonów, zarówno te
bliskie, jak i bardziej odległe od niego. Silne przyciąganie istnieje tylko między tymi protonami
(i neutronami), które w danej chwili są blisko siebie.
Wszystkie jądra mające więcej niż 82 protony są nietrwałe i ulegają rozpadowi alfa i beta.
Nucleus of U-235:
protons in red,
neutrons in grey.
(Art by Blake Stacey.)
proton
neutron
Rozpad Alfa
238
92
U→
234
90
Th + 24 He
2+
Przyczyną rozpadu alfa jest nadmierna liczba protonów w jądrze, które się odpychają. Emisja jądra helu
zmniejsza to odpychanie. Cząstka alfa jest ekstremalnie stabilna - cechuje się ekstremalnie dużą energią
wiązania.
Chmura prawdopodobieństwa odpowiadająca cząstce alfa rozciąga się nieznacznie poza obszar jądra,
co oznacza, że istnieje szansa znalezienia się tej cząstki poza jądrem.
Cząstki alfa z uwagi na dużą masę oraz ładunek elektryczny mają bardzo krótki zasięg.
W ciele człowieka mają zasięg rzędu dziesiątych części milimetra!
Rozpad Beta
Rozpad beta zachodzi wtedy gdy proporcja miedzy liczbą neutronów a liczba protonów jest zbyt duża,
co prowadzi do niestabilności jądra. Neutron rozpada się na proton, elektron oraz antyneutrino.
Elektron emitowany w przemianie beta nie istnieje przedtem w jądrze, tworzy się
dopiero w chwili przemiany neutronu w proton.
Rozpad Gamma
W jądrze istnieją poziomy energii, podobne do poziomów odpowiadających orbitom elektronowym,
Przejścia elektronów na niższe orbity powodują emisję fotonów światła, natomiast przejścia miedzy
orbitami jądrowymi związane jest z emisją promieni gamma.
Różni się od promieni X tym, że pochodzi z jądra atomowego. Jądro podlegające rozpadowi gamma
jest w stanie wzbudzonym, który towarzyszy najczęściej rozpadowi alfa lub beta. Jądro przechodzi
w podstawowy poziom energetyczny (o najniższej energii) emitując foton.
Po przemianie alfa lub beta jądro jest najczęściej
w stanie wzbudzenia (nastąpiła zmiana liczby
atomowej!). W trakcie rozpadu gamma liczba
atomowa pozostaje bez zmian.
Promieniowanie gamma jest przenikliwe.
Posiada nieco wyższą energię niż promienie X
Wykorzystuje się w radioterapii.
Niebezpieczne dla zdrowia.
Rodzajów rozpadów radioaktywnych - podsumowanie
Americium 241 is a familiar example, commonly found in household smoke detectors.
Ameryk 241 jest przykładem izotopu cechującego się rozpadem alfa - znajduje zastosowanie w
detektorach dymu
Carbon-14 (C-14) is a radioisotope of carbon, which undergoes beta decay and may be familiar
for its use to establish the age of ancient artifacts ("carbon dating").
Węgiel 14C podlega rozpadowi beta - wykorzystywany jest do datowania
Zmianie liczby protonów w jądrze towarzyszy rekonstrukcja ich ułożenia w jądrze
z czym wiąże się emisja pr. gamma
Okres połowicznego rozpadu
Podczas rozpadu pierwiastków związanego z emisją cząstek tworzą się inne pierwiastki.
Szybkość rozpadu określona jest przez wielkość zwaną okresem połowicznego rozpadu.
Okres ten równy jest czasowi, po którym rozpadowi uległa połowa pierwotnej ilości
izotopu promieniotwórczego.
Decay of 226Ra
Rozpad Radonu 226
Spadkowi koncentracji danego izotopu towarzyszy wzrost koncentracji
innego izotopu, w który zamienia się izotop macierzysty
wzrost
spadek
http://www.colorado.edu/physics/2000/isotopes/radioactive_decay3.html
Okres połowicznego rozpadu to szybkość zaniku substancji promieniotwórczej.
Im krótszy okres, tym większa aktywność substancji.
Parent Isotope
Stable Daughter
Product
Half-Life Values
Uranium-238
Lead-206
4.5 billion years
Uranium-235
Thorium-232
Rubidium-87
Lead-207
Lead-208
Strontium-87
704 million years
14.0 billion years
48.8 billion years
Potassium-40
Argon-40
1.25 billion years
Samarium-147
Neodymium-143
106 billion years
Naturalne przemiany pierwiastków
W wyniku emisji cząstki alfa lub beta powstaje jądro innego pierwiastka.
Następuje przemiana jednego pierwiastka w drugi.
Serie rozpadów promieniotwórczych uranu,
toru i plutonu
Skład izotopowy
wypalonego paliwa
jądrowego (+ czasy
połowicznego
rozpadu)
Wpływ promieniowania jonizującego na organizm ludzki
Cząstki Alfa - stanowią zagrożenie gdy radionuklidy
dostaną się do wnętrza organizmu (oddychanie, jedzenie
lub rany w skórze), bezpośrednio do komórek, tkanek.
Duża gęstość jonizacji.
Cząstki Beta - rozrywają cząsteczki, produkują jony
i wolne rodniki. Jony i wolne rodniki mogą zrywać
wiązania w innych cząsteczkach lub tworzyć nowe
silne wiązania. Powstają nowe cząsteczki, które są
bezużyteczne lub szkodliwe dla komórki.
Promieniowanie Beta wnika do ok. 1 cm w tkankę,
więc niszczy jedynie zewnętrzne tkanki, a nie organy
wewnętrzne, dopóki nie dostanie się do wnętrza
organizmu.
Promienie Gamma - jonizuje, odrywa elektrony, które przemieszczają się wzdłuż
tkanki i oddziałują podobnie. Stanowi największe zagrożenie dla życia.
Fotony gamma i cząstki beta o dużej energii wnikają głęboko w materię, cząstki alfa wywołują uszkodzenia
na krótszych odcinkach. Energia zdeponowana w tkankach rozprasza się jako ciepło. Promieniowanie
niszczy strukturę DNA w jądrze komórki (bezpośrednio lub poprzez wytworzone rodniki OH).
Jednostki dawki pochłoniętej
Dawka pochłonięta - ilość energii zdeponowanej przez promieniowanie jonizujące w jednostce masy ciała.
Gray (Gy); 1Gy = 1 J / kg, 1 mGy = 0.001 Gy [ jednostka US: Rad, 1 Rad = 0.01 Gy ]
Równoważnik dawki - dawka pochłonięta przemnożona przez
współczynnik (q) jakości promieniowania charakteryzujący sposób
w jaki dany rodzaj promieniowania deponuje energię w tkankach.
Ta miara jest proporcjonalna do stopnia biologicznej szkodliwości
promieniowania.
1 Gy związany z cząstkami alfa jest bardziej szkodliwy w
porównaniu z 1 Gy zdeponowanym przez cząstki beta (większa
masa, ładunek, duża gęstość jonizacji)
Sievert (Sv), 1 mSv = 0.001 Sv [ jednostka US: Rem,
1 Rem = 0.01 Sv ]
Promieniowanie gamma (q=1), cząstki beta - współczynnik q = 11.7, dla cząstek alfa, q = 20.
Dawka efektywna - równoważnik dawki przemnożony
przez współczynnik charakteryzujący ryzyko
uszkodzenia danej tkanki, danego organu
wewnętrznego.
Jednostki radioaktywności
Becquerel - radioaktywność 1 Bq oznacza, że w danym materiale promieniotwórczym
średnio co 1 sekundę następuje rozpad 1 jądra izotopu (1 kBq = 1000 Bq)
[stara jednostka US: 1 Curie (1 Ci) = 3.7 x 1010 Bq]
Przykłady:
Mikołajki: przed awarią w Czarnobylu - 0.1 Bq / m3, po awarii - 571 Bq / m3 powietrza
Radioaktywność K-40 w glebie wynosi 35-1100 Bq / kg (w Polsce maks. 560)
Typowa radioaktywność gleby na północy Polski: 50 Bq / kg
Typowa radioaktywność gleby na południu Polski: 75-750 Bq / kg
Dane dla Warszawy
Trawa: przed awarią - 223 Bq / kg, po awarii ( 1 V 1986r) - 28328 Bq / kg
Warzywa zielone: przed awarią - 132 Bq / kg, po awarii - 19505 Bq / kg
Powietrze: przed awarią - 0.1 Bq / m3, po awarii - 3.9 Bq / m3
Gleba: przed awarią - 481 Bq / kg, po awarii - 2198 Bq / kg
Jednostki ekspozycji
Dawka ekspozycyjna oznacza ilość ładunku elektrycznego indukowanego w materii
(w jednostkowej masie powietrza) przez promieniowanie jonizujące.
1C/kg = 1 Kulomb w 1 kg powietrza
1 Rentgen = 0.58 x 10-4 C/kg
Naturalna dawka promieniowania (roczne)
Ze źródeł zewnętrznych i wewnętrznych
Regiony geograficzne charakteryzujące się wysokim poziomem dawki naturalnej
.
Ramsar - Iran
[~280 mSv/rok; Rad-226; „paradoks radiacyjny”; najwyższe promieniowanie na Ziemi; dawki 1000 razy
większe od średniej]
Guarapari - Brazylia
[5-130 mikroSv/h; monazyt - zawiera tor; maks. 1100 mSv / rok;
dawki 100 razy większe od średniej; średnia 40 mSv/rok]
Kerala - Indie
[monazyt - zawiera tor; ok. 50 mSv / rok; dawki kilkadziesiąt razy większe od średniej; średnia 15 mSv/rok]
Flinders Ranges - Australia
[radon w wodach geotermalnych; radioaktywność ok. 11 000 Bq / m3]
Radioaktywność w metrze w Helsinkach
Ryzyko zachorowania na raka płuc
w zależności od koncentracji radonu:
> 400 Bq / m3 - ryzyko = 1,8.
(w porównaniu z zachorowalnością
w powietrzu pozbawionym radonu)
Koncentracja może wzrosnąć do 2000 Bq m-3
jeżeli pojawią się problemy z wentylacją metra
Naturalne źródła promieniowania
- promieniowanie kosmiczne
- skorupa ziemska
- wnętrze ciała człowieka
Sztuczne źródła promieniowania
W ciągu każdej sekundy w ciele człowieka następuje
około 4000 rozpadów potasu 40K pochodzącego
z zasobów naturalnych Ziemi.
Promieniowanie kosmiczne
(głównie protony i cząstki alfa)
Wskutek oddziaływania cząstek promieniowania kosmicznego w atmosferze Ziemi
powstają promieniotwórcze izotopy: 3H, 7Be, 10Be, 14C, 22Na, 32P, 33P, 35S, 39Cl
W każdej sekundzie przez ciało
człowieka przenika ok. 30 cząstek
promieniowania kosmicznego.
Dawka związana z GCR rośnie
dwukrotnie przy wzroście wysokości o
ok. 1800 m
Źródła promieniotwórcze w skorupie ziemskiej
Pierwiastki promieniotwórcze w skorupie ziemskiej:
40K, 50V, 87Rb, 115In, 138La, 144Nd, 147Sm, 176Lu, 187Re, 235U, 238U, 232Tr
Potas, uran i tor stanowią stałe składniki gleby i większości minerałów (najwięcej w fosforytach
oraz fosfatach). Produktami rozpadu uranu i toru są gazy szlachetne: radon i toron. Gazy te migrują
z gleby ku powierzchni Ziemi i dostają się do atmosfery. Przy powierzchni Ziemi jest warstwa
powietrza o zwiększonej zawartości tych gazów. Gazy te mogą kumulować się w nieodpowiednio
zbudowanych budynkach jak pod kloszem, stając się czasem źródłem istotnego zagrożenia. Wdychanie
do płuc powietrza zawierającego radon i toron powoduje napromieniowanie tkanki płucnej.
Średnio w ciągu sekundy w każdym metrze sześciennym powietrza następuje około 10 rozpadów
jąder radonu pochodzącego z naturalnych zasobów Ziemi.
Wyższe zagrożenie występuje na Pogórzu Sudeckim (skały granitowe)
W pomieszczeniach zamkniętych, gdzie spędzamy większość czasu stężenie radonu jest średnio
10 razy większe niż na zewnątrz.
Dawka progowa
~50 mSv /rok
Dawka progowa
~50 mSv /rok
Dawka śmiertelna: 3000 - 5000 mSv / godz
Hipotezy o wpływie promieniowania jonizującego na zdrowie człowieka
HORMEZA
LNT
Efekt Hormezy
Efekt Hormezy
Efekt Hormezy