Dane INFORMACYJNE Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych w Kłodawie ID grupy: 97_92_mf_g1 Opiekun: mgr Aleksandra Arkuszewska Kompetencja: metematyczno – fizyczne Temat projektowy: RADIOAKTYWNOŚĆ Semestr/rok szkolny: IV/2011/2012

„Niczego w życiu nie należy się bać, należy to tylko zrozumieć” „Niczego w życiu nie należy się bać, należy to tylko zrozumieć”. Maria Skłodowska - Curie

Radioaktywność

RADIOAKTYWNOŚĆ = PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ

Radioaktywność Radioaktywność to inaczej promieniotwórczość Zdolność jąder atomowych do rozpadu promieniotwórczego, który najczęściej jest związany z emisją cząstek alfa, cząstek beta oraz promieniowania gamma.

Odkrycie naturalnej promieniotwórczości wywołało prawdziwą rewolucję w nauce oraz przełom w pojmowaniu Wszechświata i ewolucji wiedzy. Ze względu na swe liczne zastosowania, to niezwykłe odkrycie wywarło duży wpływ na historię i życie ludzkości.

Jak to się zaczęło? W marcu 1896 roku Henri Becquerel odkrył niewidzialne, przenikliwe promieniowanie emitowane samorzutnie przez uran. Wykazał on, że to „uranowe” promienie zostawiają na płytach fotograficznych obraz obiektu przez który przenikają i jonizują powietrze.

Piotr i Maria Curie – odkryć ciąg dalszy Małżeństwo Curie odkryli dwa inne pierwiastki emitujące podobne promieniowanie. Pierwszy z nich nazwali polonem (lipiec 1898r), a drugi radem (grudzień 1989r.). Opisali oni zjawisko powstawania promieniowania i nazwali je radioaktywnością (promieniotwórczością). Ich odkrycie mówiło o tym, że określona ilość radu, który jest najaktywniejszy spośród wszystkich „radiopierwiastków” – emituje 1,4 miliona razy więcej promieniowania niż taka sama ilość uranu.

To jeszcze nie koniec odkryć W 1902 roku w Montrealu dwóch fizyków brytyjskich, Ernest Rutherford i Frederick Soddy wykazali, że emisji promieniowania towarzyszy spontanicznie przeobrażenie się jednego pierwiastka chemicznego w drugi. TAK WIĘC, ATOM NIE BYŁ ANI NIEZMIENNY, ANI NIEPODZIELNY! To czy rad jest faktycznie takim samym pierwiastkiem chemicznym jak inne miało się jeszcze okazać. Maria Curie dokonała tego wyodrębniając go z kilku ton minerałów i określając jego ciężar atomowy.

Co to jest promieniotwórczość? Atomy tworzące materię są w większości stabilne, lecz niektóre z nich samorzutnie przeobrażają się, uwalniając energię w postaci promieniowania. Zjawisko to nazywane jest promieniotwórczością (radioaktywnością).

Atom Podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym. Atomy mają rozmiary rzędu 10−10 m i masę rzędu 10−26 kg. Można je obserwować jedynie przy użyciu specjalnych urządzeń, takich jak skaningowy mikroskop tunelowy. Ponad 99,9% masy atomu jest zawarte w jego jądrze.

Atom - budowa Każdy atom składa się z jądra atomowego i chmury elektronów wokół niego. Natomiast jądro atomowe tworzą nukleony tj. protony i neutrony. Rysunek zamieszczony obok obrazuje w bardzo przystępny sposób rozmiary atomu i jądra atomowego. Gdybyśmy wyobrazili sobie jądro atomowe jako piłkę to cały atom byłby wtedy wielkości stadionu.

Struktura materii

Izotopy Izotopy – odmiany pierwiastka chemicznego różniące się liczbą neutronów w jądrze atomu (z definicji atomy tego samego pierwiastka mają tę samą liczbę protonów w jądrze). Izotopy tego samego pierwiastka różnią się liczbą masową (łączną liczbą neutronów i protonów w jądrze), ale mają tę samą liczbę atomową (liczbę protonów w jądrze).

Izotopy wodoru

Promieniowanie jonizujące Szczególnym rodzajem promieniowania jest promieniowanie jonizujące. Może mieć ono postać promieniowania korpuskularnego albo elektromagnetycznego. Promieniowanie jonizujące nie oddziałuje na nasze zmysły, natomiast przenikając przez materię wywołuje w obojętnych elektrycznie atomach i cząstkach – zmiany ich ładunków elektrycznych, czyli tzw. jonizację.

Kwant promieniowania gamma przekazuje swoją energię elektronowi Kwant promieniowania gamma przekazuje swoją energię elektronowi. Jeżeli ilość przekazanej energii jest większa niż siła oddziaływań jądro-elektron, następuje oderwanie elektronu od jądra atomu i rozdzielenie ładunków elektrycznych czyli jonizacja.

Przenikliwość promieniowania jonizującego

Rodzaje promieniowania jonizującego Promieniowanie gamma Promieniowanie beta Promieniowanie alfa Promieniowanie neutronowe

Promieniowanie gamma Promieniowanie gamma (γ) to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 10 keV, co odpowiada częstotliwości większej od 2,42 EHz, a długości fali mniejszej od 124 pm. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego.

Promieniowanie gamma - rysunek

Źródła promieniowania gamma Reakcja jądrowa – jądra atomowe izotopów promieniotwórczych po rozpadzie znajdują się wstanie wzbudzonym. Powrót do stanu podstawowego, o niższej energii, powoduje emisję fotonu gamma. Nukleosynteza – dwa jądra atomowe zderzają się, tworząc nowe jądro w stanie wzbudzonym. Jego przejściu do stanu podstawowego może towarzyszyć emisja jednego lub wielu kwantów gamma.

Źródła promieniowania gamma Anihilacja – zderzenie cząstki i antycząstki, np. elektronu i pozytonu, powoduje zniknięcie obu tych cząstek i emisję co najmniej dwóch fotonów gamma. Rozpady cząstek elementarnych – fotony gamma mogą być produktami rozpadu wielu nietrwałych cząstek elementarnych, np. neutralny pion rozpada się najczęściej na dwa fotony.

Źródła promieniowania gamma Promieniowanie hamowania i promieniowanie synchrotronowe – wysokoenergetyczne cząstki naładowane (najczęściej elektrony) poruszające się w silnym polu elektrycznym, np. jąder atomowych, lub polu magnetycznym mogą emitować fotony promieniowania gamma. Odwrotne rozpraszanie Comptona – wysokoenergetyczne elektrony mogą zderzać się z niskoenergetycznymi fotonami (np. promieniowania tła) i przekazywać im energię, zmieniając je w kwanty gamma.

Oddziaływanie z materią Promieniowanie gamma przechodząc przez materię jest pochłaniane. Za pochłanianie promieniowania gamma odpowiadają następujące zjawiska: Wewnętrzny efekt fotoelektryczny (Photo), rozpraszanie komptonowskie (Compton), kreacja par elektron-pozyton (Pair), reakcje fotojądrowe,

Wewnętrzny efekt fotoelektryczny W efekcie fotoelektrycznym wewnętrznym energia fotonu też jest całkowicie pochłaniana przez elektron. Ale elektron nie jest uwalniany, jak to ma miejsce w zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym, przenosi się do pasma przewodnictwa zmieniając tym samym własności elektryczne materiału (Fotoprzewodnictwo). Zjawisko to zachodzi tylko wówczas, gdy energia fotonu jest większa, niż wynosi szerokość pasma wzbronionego (odległość energetyczna między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa).

Rozpraszanie komptonowskie Zjawisko Comptona, rozpraszanie komptonowskie - zjawisko rozpraszania fotonów promieni X, czyli kwantów promieniowania o dużej energii, na swobodnych lub słabo związanych elektronach w wyniku którego promieniowanie elektromagnetyczne zwiększa długość fali (traci energię). Istnieje także jądrowe zjawisko Comptona, ale mówiąc o rozpraszaniu Comptona ma się na myśli rozpraszanie na elektronach.

Kreacja par Kreacja par (tworzenie par) – proces powstania pary cząstka-antycząstka z energii fotonu (lub innego neutralnego bozonu), jest procesem odwrotnym do anihilacji. Wyróżnia się dwie odmiany kreacji par: trwałą i wirtualną.

Trwała kreacja cząsteczek Kreacja pary cząstka-antycząstka jest trwała, czyli powstałe cząstki istnieją po akcie kreacji dowolnie długo. W procesie takiej kreacji spełniona jest zasada zachowania energii, pędu i inne zasady zachowania. Zdarzenia takie można obserwować w procesach, w których oddziałujące cząstki mają dostatecznie wysoką energię, czyli np. w oddziaływaniu promieniowania kosmicznego z cząstkami atmosfery czy w akceleratorach.

Przykład powstania pary mion-antymion w wyniku zderzenia elektron-pozyton: Pojawiający się w tej reakcji foton nie jest rzeczywistą cząstką – jest wirtualny, ponieważ przenosi pęd nie spełniający zasady zachowania pędu, co jest jednak zgodne z elektrodynamiką kwantową. Pary cząstek mogą powstawać nie tylko z fotonów, ale również z bozonów Z0, jednak jest to proces występujący znacznie rzadziej. Gluony mogą również kreować pary, jednak w tym przypadku możliwa jest tylko kreacja par kwark-antykwark, z uwagi na niezerowy ładunek kolorowy niesiony przez gluony.

Schemat kreacji par elektron pozyton W praktyce kreacja par przez rzeczywiste fotony zachodzi zwykle w silnym zewnętrznym polu elektrycznym, najczęściej w polu jądra atomowego. Jądro (ogólniej źródło pola zewnętrznego) jest wówczas obiektem przejmującym nadmiar pędu. Przekrój czynny na taki proces rośnie szybko z ładunkiem elektrycznym jądra, czyli najłatwiej zachodzi on w ośrodku materialnym zawierającym duże ilości pierwiastków ciężkich.

Reakcje fotojądrowe Reakcję fotojądrową (fotorozpad jądrowy) wywołuje pochłonięcie przez jądro kwantu promieniowania elektromagnetycznego o znacznej energii (do 1000 MeV).

PRZENIKANIE PROMIENIOWANIA GAMMA - RYSUNEK Promieniowanie gamma charakteryzuje się dużą przenikalnością. Zatrzymuje je dopiero gruba, betonowa płyta.

Zastosowanie promieniowania gamma Promienie gamma mogą służyć do: sterylizacji sprzętu medycznego, jak również produktów spożywczych, W medycynie używa się ich w radioterapii do leczenia raka, oraz w diagnostyce, w przemyśle oraz nauce, w badaniach procesów przemysłowych. Promieniowanie γ ma zastosowanie w badaniach z dziedziny chemii radiacyjnej.

Zastosowanie promieniowania gamma w medycynie - rysunek

Promieniowanie beta Promieniowanie beta (β) to rodzaj promieniowania jonizującego wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas przemiany jądrowej. Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Ładunek elektryczny cząstki jest równy -1, masa spoczynkowa jest równa masie elektronu, czyli 1/1840u.

Promieniowanie beta – przemiana

Przykład przemiany promieniowania beta Przykład przemiany, w której następuje emisja promieniowania beta: 227Ac→227Th+-1e+v-e

PRZENIKANIE PROMIENIOWANIA BETA Promieniowanie beta jest bardziej przenikliwe od promieniowania alfa. Zatrzymuje je dopiero gruba, ołowiana płyta.

Maksymalny zasięg promieniowania beta w zależności od źródła i substancji pochłaniającej Nuklid Energia Powietrze Plexiglas Szkło 3H 19 keV 8 cm - 14C 156 keV 65 cm 35S 167 keV 70 cm 131I 600 keV 250 cm 2,6 mm 32P 1,710 MeV 710 cm 7,2 mm 4 mm

Promieniowanie alfa Promieniowanie alfa (α) to rodzaj promieniowania jonizującego cechującego się małą przenikalnością. Promieniowanie alfa jest to strumień jąder helu. Cząstka alfa składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ma ładunek dodatni i jest identyczna z jądrem atomu izotopu 4He, więc często oznacza się ją jako He2+. Nazwa pochodzi od greckiej litery α.

Promieniowanie alfa - przemiana

Przykładowa reakcja rozpadu alfa 223Ra→219Rn+4He2+

Prawo przesunięć Prawo przesunięć, inaczej prawo lub reguła Soddy'ego i Fajansa, określa w jaki sposób określony typ przemiany pierwiastka promieniotwórczego wpływa na rodzaj wytworzonego nuklidu.

Prawo przesunięcia – przykład I W przypadku rozpadu α (przemiany α) powstaje pierwiastek o liczbie atomowej mniejszej o 2 oraz liczbie masowej mniejszej o 4 (przesunięcie w układzie okresowym o 2 miejsca w lewo), np.:

Prawo przesunięcia – przykład II W przypadku rozpadu β- (przemiany β-) powstaje – nuklid izobaryczny – jądro pierwiastka o liczbie atomowej większej o 1 oraz tej samej liczbie masowej (przesunięcie w układzie okresowym o 1 miejsce w prawo), np.

Prawo przesunięcia – przykład III W przypadku rozpadu β+ (przemiany β+) powstaje – nuklid izobaryczny – jądro pierwiastka o liczbie atomowej mniejszej o 1 oraz tej samej liczbie masowej (przesunięcie w układzie okresowym o 1 miejsce w lewo), np.

PRZENIKANIE PROMIENIOWANIA ALFA Promieniowanie alfa jest bardzo silnie pochłaniane. Nawet kilka centymetrów powietrza stanowi całkowitą osłonę przed tym promieniowaniem. Podobnie kartka papieru, albo naskórek pochłania całkowicie promienie alfa. Jednak w przypadku pokarmów lub wdychanego powietrza promieniowanie alfa może być zabójcze. Kiedy już radioaktywny materiał znajdzie się w ciele człowieka wytwarzane przez niego cząstki alfa bardzo silnie jonizują tkanki. Prowadzi to do poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej.

Przenikliwość promieniowania porównanie

Promieniowanie neutronowe Promieniowanie neutronowe - część składowa promieniowania przenikliwego powstającego podczas wybuchu jądrowego. Są wówczas emitowane dwa rodzaje neutronów: neutrony natychmiastowe, neutrony opóźnione.

Naturalna promieniotwórczość jest częścią Wszechświata od momentu jego powstania. Jest obecna na Ziemi, wewnątrz materii nieożywionej, a nawet w żywych organizmach. Emitowane promieniowanie jest niewidoczne, ale można je mierzyć z dużą dokładnością.

Naturalna promieniotwórczość Promieniotwórczość naturalna (inaczej promieniowanie naturalne) - promieniowanie jonizujące pochodzące wyłącznie ze źródeł naturalnych, stanowiące źródło dawki naturalnej.

Promieniotwórczość naturalna Promieniotwórczość naturalna pochodzi z naturalnych pierwiastków radioaktywnych obecnych w glebie, skałach, powietrzu i wodzie: obecnych w minerałach, przyswajanych przez rośliny i zwierzęta, a także używanych jako materiały konstrukcyjne, syntezowanych w atmosferze (i przenikających do hydrosfery) wskutek reakcji składników atmosfery z promieniowaniem kosmicznym, promieniowanie przenikłe do środowiska wskutek działalności przemysłowej człowieka (wydobycie rud uranu, spalanie węgla zawierającego pierwiastki promieniotwórcze).

Przykłady naturalnego źródła promieniowania Źródło aktywność promieniotwórcza banan 125 Bq/kg mleko 50 Bq/l superfosfat 500 Bq/kg woda morska 12 Bq/l granit 7 000 Bq/kg popiół węglowy 2 000 Bq/kg 5-letnie dziecko 600 Bq dorosła osoba (70kg) 10 000 Bq

Zastosowanie różnego rodzaju promieniowania 1. Promieniowanie X wykorzystywane jest w otrzymywaniu zdjęć rentgenowskich. 2. Promieniowanie IR wykorzystywane jest do leczenia klinicznego, ogrzewania ciała, opalania, różnych badań lekarskich, suszenia włosów. 3. Promieniowanie jonizujące wykorzystywane jest do zwalczania szkodników w rolnictwie. Powoduje wysterylizowanie samców. Po kopulacji samice nie wydają potomstwa, co doprowadza do wyniszczenia populacji szkodników na określonym terenie. 4. Promieniowania mikrofalowego wykorzystywane jest w mikrofalowych kuchenkach. Stosujemy lampę elektronową, która generuje mikrofale z częstotliwością 2,4 GHz. Promieniowanie działa na cząstki wody, które drgają w wyniku jego działania i wytwarzają ciepła. Promieniowania mikrofalowe używane jest także do transmisji danych. Nie ulega pochłonięciu przez atmosferę.

Bibliografia www.wikipedia.pl www.bryk.pl www.portalwiedzy.onet.pl www.chemia.viii-lo.krakow.pl www.fizar.up.lublin.pl www.radioaktywnosc.umcs.lublin.pl

Prezentację przygotowali: Ada Kołodziejska Marta Kruszyna Maja Kasiorek Małgorzata Szubska Maciej Markowski Patrycja Kurpik Karol Frydrych Tomasz Makowski Michał Kołodziejski Magdalena Koralewska mgr Aleksandra Arkuszewska