Dane informacyjne Nazwa szkoły: I Liceum Ogólnokształcące im. Marii Skłodowskiej-Curie w Pile II Liceum Ogólnokształcące im. Kamila Cypriana Norwida w Stargardzie Szczecińskim ID grupy: - 97/40-MF-G1 - 97/70_MF_G1 Kompetencja: - Matematyczno-fizyczna Temat: -Pierwiastki promieniotwórcze wokół nas Semestr: - letni 2011/2012

Jak odkryto cząstki elementarne ? Starożytni Grecy W poszukiwaniu arche - pierwszej przyczyny wszystkiego co jest Anaksymander VI w p n e Apeiron- bezgraniczna nieskończona pramateria Empedokles V w p n e Cztery żywioły : ziemia ; woda ; powietrze ; ogień Demokryt V –IV w p n e Atomy – niepodzielne cząsteczki

Atom według Thomsona Joseph Johon Thomson badając przepływ prądu elektrycznego przez gazy rozrzedzone odkrył w 1897 roku elektron i tym samym odprowadził do upadku poglądu o niepodzielności atomu

Ernest Rutherforad Badania prowadzone przez Rutherforda doprowadziły do odkrycia w 1911 roku dodatnio naładowanego jądra atomowego co stanowiło podstawę uznania protonów i elektronów za cząstki elementarne podstawę uznania protonów i elektronów za cząstki elementarne

Budowa atomu Atom Rutherforda Rutherford po słynnym doświadczeniu z cząstkami α wprowadził do atomu maleńkie ciężkie jądro Atom Bohra Bohr stwierdził , że elektrony w atomach muszą „krążyć „ po orbitach o ściśle określonej energii Atom Schrodingera Nie ma już orbitali w atomie; są tylko funkcje gęstości prawdopodobieństwa elektronu w danym miejscu .

Budowa atomu Atom zbudowany jest z jądra atomowego i krążących wokół niego elektronów Jądro atomowe zbudowane jest z nukleonów czyli protonów i neutronów Atom ma wielkość około 10-10m (1 angstrem) Jądro wodoru ma wielkość 10-15m ( 1 femtometr )

Budowa atomu Jądro atomowe znajduję się w centrum atomu i jest złożone z dwu rodzajów cząstek protonów i neutronów Protony obdarzone są elektrycznym ładunkiem dodatnim ;natomiast neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego O rodzaju atomu decyduje ilość i rozmieszczenie elektronów Ilość elektronów = ilości protonów (atom jako całość musi być elektrycznie obojętny ) Różne rodzaje atomów różnią się między sobą właśnie ilością protonów , które zawierają ich jądra

Pozostałe cząstki elementarne W roku 1932 James Chadwick odkrył kolejną cząstkę elementarną – neutron . W ten sposób skompletowano listę składników , z których zbudowana jest otaczająca nas stabilna materia W 1929 roku angielski fizyk Paul Dirac na podstawie rozważań teoretycznych przewidział zjawisko tworzenia par cząstek. Kosztem energii E =hf fotonu gamma miałyby się pojawiać przeciwnie naładowane cząstki: ujemny elektron i nieznana dotąd cząstka dodatnia – pozyton. Po raz pierwszy pozytony zarejestrowano w roku 1032 podczas badań nad promieniowaniem kosmicznym .Pozyton to antycząstka elektronu , czyli cząstka o takiej samej masie i dodatnim ładunku Analizując wyniki doświadczeń nad rozpraszaniem elektronów na protonach ,Richard Feynman przyjął, że nukleony (protony i neutrony) składają się z drobniejszych części ,które od angielskiego słowa part (część) nazwał partonami. Okazało się jednak ,że istnienie takich cząstek przewidzieli już wcześniej fizycy – teoretycy Murray Gell-Mann i Georg Zweig nadając im nazwę –kwarki Tak więc na początku lat sześćdziesiątych zaakceptowano istnienie nowych cząstek występujących tylko w stanach związanych ( dotąd odkryto sześć rodzajów kwarków)

Budowa atomu Różne pierwiastki mają różne ilości protonów w jądrze Atom wodoru (najprostszy z atomów) ma jądro w którym jest pojedynczy proton Atom helu posiada w swoim jądrze dwa protony , zaś atom uranu aż dziewięćdziesiąt dwa

Budowa atomu Atomy tego samego pierwiastka mogą zawierać różne ilości neutronów np.: wodór występuje w trzech odmianach bez ; z jednym i z dwoma neutronami. Najbardziej rozpowszechniona jest odmiana bez Odmiany tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów to izotopy

Budowa atomu Dla umożliwienia rozpoznania z jakim izotopem (jakim jądrem ) danego pierwiastka mamy do czynienia , przy literze będącej symbolem pierwiastka dopisujemy liczby , z których można zorientować się o ilości neutronów i protonów w danym jądrze gdzie: X- symbol pierwiastka A- liczba masowa (określa liczbę nukleonów w jądrze ) Z – liczba atomowa (określa liczbę protonów ) N = A – Z – liczba neutronów

Budowa atomu Przykłady użycia liczb atomowej i masowej w przypadku różnych atomów

Izotopy Izotopy nie różnią się własnościami chemicznymi Izotopy różnią się własnościami fizycznymi ( masą , gęstością ) Wszystkie pierwiastki posiadają izotopy Na obrazku dwa (z dwunastu ) najciekawsze izotopy węgla

Izotopy helu Hel ma 6 izotopów : dwa stabilne i cztery Promieniotwórcze Podstawowym stabilnym izotopem jest 42 He oraz występujący w śladowych ilościach ( 0.0001% ) 32He

Historia promieniotwórczości W 1896 r. BECQUEREL odkrył zjawisko promieniotwórczości rudy uranowej. Ruda uranowa wysyła samorzutnie pewne rodzaje promieni, które wywołują zjawiska jonizacji powietrza, czernienia kliszy fotograficznej, wzbudzenia fluorescencji niektórych substancji itp. Promieniowanie to jest niezależne od wpływu warunków zewnętrznych. Nie można go żadnymi czynnikami osłabić ani wzmocnić. W roku 1898 MARIA SKŁODOWSKA-CURIE I PIOTR CURIE, założyli, że promieniowanie to pochodzi od małych ilości nowych, dotąd nieznanych pierwiastków, odkryli i wydzielili z rudy uranowej dwa nowe pierwiastki, które nazwali polonem i radem. Pierwiastki te, o liczbach atomowych Z = 84 i Z = 88, znalazły miejsce w VI i w II rodzinie głównej układu okresowego.

Promieniotwórczość naturalna Najstabilniejszym jądrem jest jądro węgla Duże jądra samorzutnie ulegają rozpadowi W wyniku rozpadu wydziela się energia , ponieważ energia jąder pochodnych jest mniejsza od energii jądra , które uległo rozpadowi Wydzielanie energii widoczne jest jako ubytek masy układu

Promieniotwórczość naturalna Promieniotwórczość naturalna polega na wyrzucaniu z niestabilnych jąder cząstek lub energii w postaci fal elektromagnetycznych Wyrzucenie tych cząstek przebudowuje jądro, nadaje mu korzystniejszy stan energetyczny i pozwala zbliżyć się do stabilnych jąder (lub nawet stać się jądrem stabilnym ) Z niestabilnych jąder wyrzucane są cząstki alfa (jadra helu ), cząstki beta (elektrony lub pozytony ) i kwanty energii w postaci promieniowania e-m

Rozpad α β γ Promieniowanie α-to emisja z jądra atomu cząstki alfa składającej się z dwóch protonów i dwóch neutronów Promieniowanie β - to emisja z jądra atomu elektronów lub pozytonów promieniowanie γ - to emisja z jądra atomu kwantu promieniowania elektromagnetycznego

Cząstki w polu Promieniowanie wychodzące z jader atomowych można rozdzielić wykorzystując pole magnetyczne i elektryczne Wyniki pozwalają na określenie masy i ładunku cząstki

Promieniotwórczość naturalna Promieniowanie jądrowe ma różne własności Cząstki alfa zatrzymywane są przez kartkę papieru Dla zatrzymania promieniowania beta potrzebna jest aluminiowa płyta Dla zatrzymania promieniowania gama potrzebna jest gruba płyta ołowiana lub gruba warstwa betonu

Czy można uniknąć kontaktu z promieniowaniem jonizującym Kontaktu z substancjami promieniotwórczymi (α β γ) nie da się uniknąć. Liczne badania wykazały ,że małe dawki promieniowania mogą oddziaływać korzystnie na organizm . Zaobserwowano ,że małe dawki promieniowania poprawiają kiełkowanie roślin, powodują przyspieszenie ich wzrostu , zwiększają plony oraz odporność roślin na infekcje. Podobny korzystny wpływ małych dawek promieniowania jonizującego zaobserwowano w przypadku organizmów zwierzęcych. Dane dotyczące wpływu małych dawek promieniowania na człowieka pochodzą głównie z badania ludności ,zamieszkującej stale tereny o podwyższonym poziomie naturalnej promieniotwórczości. Promieniowanie jonizujące nie działa na nasze zmysły .Pochodzi z przestrzeni kosmicznej , ze skał ,gleby i powietrza .a także może być wytwarzane. Ta część promieniowania , która pochodzi ze źródeł naturalnych była obecna gdy powstawało życie i jest obecna teraz. Organizmy żywe wykazują w pewnych granicach zdolność do naprawiania niepożądanych zmian. Bez owego mechanizmu naprawczego i odnawiania życie ni byłoby możliwe. Miarą ryzyka wystąpienia szkody biologicznej jest dawka promieniowania jaką otrzymuje tkanka.

Do scharakteryzowania właściwości promieniotwórczych określonej masy substancji używa się wielkości zwanej aktywnością : aktywność informuję nas , ile rozpadów jąder promieniotwórczych następuje w jednostce czasu A=ΔN /Δt gdzie Δ jest ubytkiem liczby N jąder promieniotwórczych Jednostką aktywności jest 1 bekerel – 1 Bq 1Bq = 1 rozpad/s Przykłady aktywności cez Cs w mleku :od 0,2 do 10 Bq/kg nawóz superfosfat: 500 Bq/kg popiół ze spalenia węgla : 2000 Bq/kg dopuszczalna aktywność radonu w pomieszczeniach : 200 Bq/kg

Rozpad promieniotwórczy W miarę upływu czasu liczba N jąder promieniotwórczych w badanej próbce maleje, więc maleje także jej aktywność. Czas po którym z początkowej liczby jąder promieniotwórczych pozostaje połowa nazywamy czasem połowicznego rozpadu i oznaczamy literą T Czas połowicznego rozpadu dla izotopów różnych pierwiastków jest różny i waha się od 4,5 miliarda lat ( dla uranu ) do ułamków mikrosekund Prawo rozpadu promieniotwórczego przedstawia zależność

Zadania Zad.1 Pierwiastek promieniotwórczy ma czas połowicznego rozpadu T. W jakim czasie rozpadnie się 7/8 początkowej liczby jąder tego pierwiastka ? dane: N0 ; N=1/8 N0 1/8N0 = N0(1/2)t/t szukane: t wzór : N = N0(1/2)t/T 1/8 = (1/2)t/T (1/2)3=(1/2)t/T 3=t/T t=3T Odp: 7/8 początkowej liczby jąder danego pierwiastka rozpadnie się po czasie 3T Zad.2 W ciągu 12 godzin uległo rozpadowi 75% początkowej liczby jąder izotopu promieniotwórczego .Oblicz czas połowicznego rozpadu tego pierwiastka. dane: N0 N= ¼ N0 t=12h szukane: T 1/4N0 =N0(1/2)t/T wzór: N = N0(1/2)t/T 1/4 = (1/2 )t/T (1/2)2=(1/2)t/T 2 = t/T T = t/2 T = 6 h Odp: czas połowicznego rozpadu wynosi 6 h.

Zadania Zad.3 W ciągu 4h rozpadło się 75% początkowej liczby jąder pewnego pierwiastka promieniotwórczego. Oblicz czas połowicznego rozpadu tego pierwiastka. Dane: t = 4h N0 N = ¼ N0 Szukane : T Wzór: N = N0 e-λt Po czasie t=4h uległo rozpadowi pN0 jader, czyli pozostało (1 –p)N0 jąder Można więc zapisać (1-p)N0 = N0 e-λt (1-p ) = e-λt lln(1-p) = -λt λ =- ln(1-p)/t T=ln2/λ T=(-ln2/ln(1-p))*t T=(-ln2/ ln1/4 )*4 T=2h Odp: czas zaniku tego izotopu wynosi 2h.

Zadania Zad.4 W jakim czasie rozpadnie się 75%polonu o średnim czasie życia τ=200dni. Rozwiązanie: W czasie t rozpadło się 75% jader polonu ;pozostało więc 25% początkowej liczby jąder czyli ¼ N0 Liczba jąder maleje dwukrotnie po czasie t =T ; a czterokrotnie po czasie t = 2T Okres połowicznego rozpadu związany jest ze stała rozpadu równaniem λ = ln2 / T Stała rozpadu jest odwrotnością średniego życia jądra promieniotwórczego λ = 1/τ Można zapisać 1/τ = ln2 / T stąd T = τ * ln2 T = 200*0,693 = 277,2 dni Odp: Po 277 dniach rozpadnie się 75% początkowej liczby jąder polonu

Promieniotwórczość naturalna Bardzo często w przyrodzie procesy promieniotwórcze zachodzą w pewnym określonym porządku Serie przemian promieniotwórczych alfa i beta prowadzące do powstania izotopu stabilnego nazywamy szeregiem promieniotwórczym. Wyróżniamy cztery szeregi promieniotwórcze: uranowy torowy aktynowy neptunowy

Promieniotwórczość naturalna Prawo przesunięć promieniotwórczych czyli regułę przemieszczania się pierwiastków po ścieżce stabilności odkrył w 1912 roku polski fizyk Kazimierz Fajans ( niezależnie od Fredericka Soddyego , który zrobił to rok później )

Promieniotwórczość sztuczna Rozpad jądra atomowego można również wywołać bombardując je cząstkami lub promieniowaniem. Rysunki przedstawiają rozpad uranu 235 U po zderzeniu z neutronem. W wyniku zderzenia /rozpadu / powstają dwa jądra innych pierwiastków i trzy neutrony

Promieniotwórczość sztuczna Całkowita masa produktów rozszczepienia i wyemitowanych neutronów jest mniejsza niż masa jądra początkowego i neutronu Różnica mas przekształca się w energię zgodnie z równaniem E = mc² Obliczono , że rozszczepienie wszystkich jąder w 1 kg uranu daje tyle energii co spalenie 2500 ton węgla

Promieniotwórczość sztuczna Jeżeli każdy wyemitowany neutron trafi w kolejne jądro uranu i wywoła reakcję rozszczepienia to ilość wydzielanej energii będzie narastać w postępie geometrycznym – taką reakcję nazywamy reakcją lawinową/ łańcuchową/ Z reakcją lawinową mamy do czynienia w bombie atomowej Taką samą reakcje wykorzystuje się w reaktorze jądrowym dbając aby ilość rozszczepień była stała w czasie Następny slajd przedstawia schemat elektrowni jądrowej

Zadania Zadanie Neutron uderza w jądro uranu 23592 U i wywołuje reakcje rozszczepienia jadra na dwa fragmenty .Reakcja zachodzi według schematu 23592 U + 10 n = 23692U = 9842 Mo + 136 54Xe + 2 10n Oblicz ilość energii wydzielonej podczas tej reakcji. Masa atomu Mo=97,9055u Masa atomu U=235,0439u Masa atomu Xe=135,9073u Masa neutronu n=1,0087u u=1,6606*10-27kg c=3*108 m/s

Zadania-cd Masa przed reakcją M1=(235,0439+1,0087)u=236,0526u Masa fragmentów rozszczepienia M2=(97,9055+135,9073+2*1,0087)u=235,8302u Różnica mas Δm=(236,0526-235,8302)u=0,2224u=0,2224*1,6606*10-27kg=0,3693*10 -27kg E=Δm* c ² E=0,3693*10-27 kg*9*1016 (m/s) 2 E=3,3237*10-11J=207,7 MeV Odp; Podczas reakcji wydzieliło się 207,7 MeV energii

Największe naturalne źródło promieniowania radon

Co wiemy o radonie Radon powstaje w wyniku promieniotwórczego rozpadu atomów radu. Śladowe ilości radu (pochodnej uranu) znajdują się we wszystkich materiałach skorupy ziemskiej: glebie, skałach i wodach. Radon jest gazem bezbarwny , bezwonnym, niepalny , jednoatomowy. Nie można wykryć go za pomocą zmysłu węchu, smaku czy wzroku. Jest najcięższym znanym pierwiastkiem gazowym .Rozpuszcza się w wodzie i w rozpuszczalnikach organicznych. Podczas wyładowań w atmosferze rozrzedzonej świeci białym światłem. Oziębiony poniżej temperatury krzepnięcia świeci intensywnym brylantowo-niebieskim światłem. Został odkryty w 1900 roku przez Dorna Należy do gazów promieniotwórczych i jak każdy promieniotwórczy pierwiastek rozpada się w określonym charakterystycznym dla niego czasie. Okres połowicznego rozpadu radonu wynosi ok. 4 dni – procesowi towarzyszy emisja cząstek α Temperatura topnienia radonu wynosi 202K (-71ºC ) Temperatura wrzenia 211,4 K (- 61,7ºC ) Gęstość dla gazu ( w temperaturze 0º) 9,73 kg/m3 dla cieczy (w temp. wrzenia) 4400 kg/m3

Zdrowotne skutki obecności radonu Radioaktywność radonu i jego pochodnych sprawia ,że w otaczającym nas powietrzu znajdują się ciągle promieniotwórcze atomy ,które wnikają do naszych oskrzeli i płuc w procesie oddychania .Sam radon jako gaz szlachetny nie wchodzi w żadne reakcje chemiczne. Jest szybko wydychany i nie powoduje istotnych szkód w naszym układzie oddechowym. W oskrzelach i płucach osadzają się pochodne radonu. Tu też następuje dalszy proces ich rozpadu ,podczas którego emitowane są aktywne biologicznie cząstki α mogące wywołać w tkance oskrzeli i płuc zaburzenia , które niekiedy po latach ujawniają się w postaci raka płuc. Nasza wiedza n/t biologicznych skutków oddziaływania radonu na człowieka opiera się przede wszystkim na badaniach górników z kopalni uranowych i węgla kamiennego .Właśnie wśród górników tych kopalni zaobserwowano zwiększoną umieralność na raka płuc. Nie znamy natomiast – na podstawie bezpośrednich badań –zagrożeń zdrowia przeciętnego człowieka przebywającego w pomieszczeniach , gdzie stężenie radonu jest znacznie niższe niż w kopalni. Przypuszcza się , że zagrożenie to jest proporcjonalne do wartości stężenia radonu i czasu narażenia Przyjmuje się ,że 80% czasu spędzamy w pomieszczeniach (dom ,szkoła ,biuro ,teatr ,kino itp.) , a tylko 20% na otwartej przestrzeni. Stężenie radonu w pomieszczeniach jest kilkadziesiąt razy wyższe niż na „wolnym powietrzu”- stąd tak duże zainteresowanie radonem gromadzącym się w pomieszczeniach; ponadto na oddziaływanie radonu narażona jest cała populacja, a więc i dzieci

Radon w mieszkaniach Radon który powstaje w podłożu pod budynkiem przenika przez szczeliny w podłodze, otwory na instalacje i gromadzi się w zamkniętych pomieszczeniach. W ten sposób jego stężenie wewnątrz budynku jest wyższe niż na zewnątrz. Stężenie radonu uzależnione jest od struktury podłoża ,na którym postawiono dom, jakości izolacji mieszkania od podłoża i materiałów z których dom został zbudowany. Stężenie radonu w każdym pomieszczeniu naszego domu może być inne. Stężenie radonu można zmierzyć. Najczęściej używa się do tego celu specjalnego detektora Jest to niewielki pojemnik, w którym umieszcza się małą plastikową płytkę Radioaktywne atomy radonu ,zderzając się z płytką zostawiają ślady widoczne po obróbce chemicznej w laboratorium W Polsce pomiar stężenia radonu prowadzi m.in. Główny Instytut Górnictwa; Instytut Fizyki Jądrowej w Krakowie ;Akademia Medyczna w Białymstoku

Jak zmierzyć stężenie radonu

Zastosowanie promieniowania jonizującego

Promieniotwórczość w przemyśle Analiza aktywacyjna Aparatura izotopowa Defektoskopia przemysłowa Izotopowe czujniki dymu Radiografia Radiometryczna aparatura przemysłowa Techniki radiacyjne Zegarki świecące Znaczniki promieniotwórcze

Zastosowanie pierwiastków promieniotwórczych

Gry dydaktyczne

Rebusy - 1

Rebusy - 2

Rebusy - 3

Rozwiązania Elektrownia atomowa Promieniotwórczość Rentgenografia

„Memo” Polega na dobieraniu obrazków w pary. W trakcie gry gracze kolejno odkrywają po dwa obrazki. Jeżeli jest to para, to gracz ją zabiera, jeżeli nie obrazki trafiają na poprzednie miejsce. Gra znakomicie ćwiczy pamięć wzrokową. Bardzo dobre fotografie.

Symulator

Akcelerator elektronów

Tomograf komputerowy

Wypalone pręty paliwowe Reaktor Jądrowy „MARIA” Wypalone pręty paliwowe Rdzeń reaktora Bramka dozymetryczna

Mierniki stężenia radonu Instytut Chemii i Techniki Jądrowej Mierniki stężenia radonu (np. w kopalniach) Izotopowy miernik zapylenia powietrza

Stacja pobierania próbek powietrza Stanowisko wzorcowania mierników dozymetrycznych Stacja pobierania próbek powietrza Stacja monitoringu dozymetrycznego

Dziękujemy za uwagę i Pierwiastków promieniotwórczych nie należy się bać - tylko wiedzieć kiedy są niebezpieczne a kiedy użyteczne

Bibliografia Edu.pl/~kąkol/programy_pl.htm www.wtc.wat.edu http://radiacja.webpark.pl/ http://www.nuclear.pl/ http://www.iwiedza.net/materialy/m043.html