Krzysztof Kucab Instytut Fizyki pokój 119 kkucab@univ.rzeszow.pl http://if.univ.rzeszow.pl/~kkucab/dydaktyka.html

Wykład I Wiadomości podstawowe Podstawy Fizyki Wykład I Wiadomości podstawowe Rzeszów, 2011r.

Zalecana literatura A. Strzałkowski, Wstęp do fizyki jądra atomowego, PWN, Warszawa 1979; R. Eisberg, R. Resnick, Fizyka kwantowa, PWN Warszawa 1983; Ch. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN, Warszawa 1999; dowolny podręcznik nt. fizyki jądrowej, teorii ciała stałego i mechaniki kwantowej na poziomie wyższym; Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 18 I 2005r. w sprawie dawek granicznych promieniowania jonizującego.

Plan wykładu 1. Przedmiot i metodologia fizyki: czym jest fizyka; wielkości fizyczne i ich jednostki; układ jednostek SI. 2. Promieniowanie jonizujące: atom – wiadomości podstawowe; promieniowanie a, b, g ; rozpad promieniotwórczy; biologiczne działanie promieniowania (jednostki promieniowania).

Czym jest fizyka? „Fizyka jest podstawową nauką przyrodniczą zajmującą się badaniem najbardziej fundamentalnych i uniwersalnych właściwości materii i zjawisk w otaczającym nas świecie. Właściwości te wynikają z wzajemnych oddziaływań fundamentalnych między elementarnymi składnikami materii.” A.K. Wróblewski

„Fizyka (z gr. φύσις physis - "natura") –nauka o przyrodzie w najszerszym znaczeniu tego słowa. Fizycy badają właściwości i przemiany materii i energii oraz oddziaływanie między nimi.” Wikipedia „Fizyka (gr. physik ‘przyrodoznawstwo’ < phýsis ‘natura’, ‘przyroda’), nauka o budowie oraz właściwościach materii i działających na nią siłach.” Encyklopedia PWN

Fizyka jest nauką ścisłą i ilościową ponieważ posługuje się pojęciem wielkości fizycznych, które można ujmować ilościowo, a wyniki badań podaje w postaci liczb i praw wyrażonych matematycznie. Cechą praw fizycznych jest ich uniwersalność i niezmienniczość.

Prawa fizyki są identyczne dla wszystkich obserwatorów, tzn Prawa fizyki są identyczne dla wszystkich obserwatorów, tzn. we wszystkich układach odniesienia. Jest to treść ogólnej zasady względności podanej przez A. Einsteina w 1916 r.

Oddziaływania fundamentalne 1. Oddziaływanie grawitacyjne (podstawowe znaczenie w ruchach ciał niebieskich, czy przy opisie ruchu ciał na Ziemi) występuje pomiędzy ciałami obdarzonymi masą; 2. Oddziaływanie elektromagnetyczne (emisja i absorpcja promieniowania elektromagnetycznego, tarcie, sprężystość). Występuje ono pomiędzy ładunkami elektrycznymi i momentami magnetycznymi.

3. Oddziaływanie słabe (spontaniczna przemiana  jąder atomowych, rozpad wielu cząstek elementarnych, np. mionu czy cząstek dziwnych); 4. Oddziaływanie silne (jądrowe) [związanie nukleonów w trwałe układy, reakcje między cząstkami elementarnymi (np. kwarki, antykwarki i gluony) oraz ich rozpady].

Układy jednostek W 1960 r. na XI Generalnej Konferencji Miar i Wag w Paryżu wprowadzono międzynarodowy układ jednostek SI (Systéme International). Układ SI został przyjęty jako obowiązujący w Polsce w 1966 r.

Wielkości podstawowe SI i ich jednostki: długość – metr [m], masa – kilogram [kg], czas – sekunda [s], natężenie prądu – amper [A], temperatura – kelwin [K], natężenie światła – kandela [cd], ilość materii – mol [mol]. Dodatkowe dwie jednostki uzupełniające: 8. miara kąta płaskiego – radian [rad], 9. miara kąta bryłowego – steradian [sr].

Przedrostki dla jednostek przedrostek mnożnik skrót eksa 1018 1 000 000 000 000 000 000 E peta 1015 1 000 000 000 000 000 P tera 1012 1 000 000 000 000 T giga 109 1 000 000 000 G mega 106 1 000 000 M kilo 103 1 000 k hekto 102 100 h deka 101 10 da 1 decy 10-1 0.1 d centy 10-2 0.01 c mili 10-3 0.001 m mikro 10-6 0.000 001  nano 10-9 0.000 000 001 n piko 10-12 0.000 000 000 001 p femto 10-15 0.000 000 000 000 001 f atto 10-18 0.000 000 000 000 000 001 a Przedrostki dla jednostek

Promieniowanie jonizujące Atom - najmniejsza cząstka pierwiastka chemicznego, która jeszcze posiada własności chemiczne tego pierwiastka. UWAGA! Przedstawiony rysunek jest znacznym uproszczeniem rzeczywistego modelu atomu (nie w skali) elektron proton neutron

Promieniowanie jonizujące Gdyby proton miał promień r=1m to promień „orbity” elektronu wynosiłby ok. 32km. Na rysunku: proton umieszczony w centrum Rzeszowa; okrąg – „orbita” elektronu.

Promieniowanie jonizujące Oznaczenia: X – symbol pierwiastka; Z – liczba atomowa – równa liczbie protonów w jądrze (własności chemiczne); A – liczba masowa – równa sumie liczb protonów i neutronów w jądrze (wł. fizyczne)

Promieniowanie jonizujące UWAGA! Atomy wielu pierwiastków istnieją w odmianach różniących się jedynie masą (mają różne liczby masowe). Są to tzw. izotopy danego pierwiastka. Niektóre izotopy: deuter tryt prot

Promieniowanie jonizujące Promieniotwórczość (radioaktywność) – zespół zjawisk towarzyszących występującym spontanicznie jądrowym przemianom promieniotwórczym. Zaobserwowana po raz pierwszy przez H. Becquerela, a następnie opisana i zbadana przez M. Skłodowską-Curie oraz P. Curie.

Promieniowanie jonizujące Przemiany promieniotwórcze – zachodzące spontanicznie procesy jądrowe, w wyniku których zmienia się skład nukleonowy jądra atomowego ulegającego przemianie, bądź też zmienia się stan energetyczny tego jądra. Nukleony – protony i neutrony.

Promieniowanie jonizujące W 1902r. E. Rutherford wykazał, że promieniowanie emitowane przez ciała promieniotwórcze może mieć trzy różne aspekty (promieniowanie a, b, g ): Reguła lewej dłoni (Fleminga)

Promieniowanie jonizujące Promieniowanie a - cząstki naładowane dodatnio – strumień jąder helu niosących dwa elementarne ładunki dodatnie - duża absorpcja (kartka papieru, kilka cm powietrza) - prędkości cząstek dochodzące do 22000km/s - wartości energii: 4 – 8 MeV

Promieniowanie jonizujące Przykłady rozpadów a

Promieniowanie jonizujące Promieniowanie b - cząstki naładowane ujemnie – strumień elektronów niosących elementarny ładunek ujemny - średnia absorpcja - prędkości cząstek dochodzące do c - wartości energii: 0.06 – 3.18 MeV UWAGA Powyższa dyskusja dotyczy promieniowania b -

Promieniowanie jonizujące Promieniowanie b rozpad b- jest możliwy dzięki przemianie:

Promieniowanie jonizujące Przykłady rozpadów b datowanie radiowęglowe I II

Promieniowanie jonizujące *Widmo energetyczne elektronów w rozpadzie UWAGA! Postulat istnienia neutrina *G.J. Neary, Proc. Phys. Soc. A175, 71 (1940)

Promieniowanie jonizujące Promieniowanie g - „cząstki” pozbawione ładunku – strumień wysokoenergetycznych fotonów (fala elektromagnetyczna) - bardzo przenikliwe wartości energii (dyskretne): ułamek - kilkanaście MeV

Promieniowanie jonizujące Przykład rozpadu g

Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące Przekrój czynny Promieniowanie jonizujące przechodząc przez materię oddziałuje z nią. centrum oddziaływania strumień cząstek padających (n0) strumień cząstek przechodzących (n) grubość warstwy (x)

Promieniowanie jonizujące gdzie: s – przekrój czynny [m2]; N – gęstość centrów oddziaływania. Użyteczna jednostka przekroju czynnego: barn (b) UWAGA! Model atomu Rutherforda

Promieniowanie jonizujące Prawo rozpadu promieniotwórczego Procesy rozpadu jąder zachodzą spontanicznie Zdolność promieniowania danego pierwiastka zmienia się według zależności gdzie l to tzw. stała zaniku promieniotwórczego (charakterystyczna dla danego pierwiastka).

Promieniowanie jonizujące Prawo rozpadu promieniotwórczego Okres połowicznego rozpadu T1/2 – to czas, po którym z początkowej ilości atomów promieniotwórczych pozostanie połowa n0 n n0/2 n0/4 T1/2 2T1/2 3T1/2 4T1/2

Promieniowanie jonizujące Okresy połowicznego rozpadu niektórych izotopów: izotop symbol o.p.r. [lata] uwagi polon 210 210Po 138.4 dnia kobalt 60 60Co 5.2714 bomba kobaltowa tryt 3H (T) 12.33 wskaźnik izotopowy rad 226 226Ra 1599 węgiel 14 14C 5730 datowanie uran 235 235U 7.038108 energia atomowa uran 238 238U 4.468109

Promieniowanie jonizujące Rozpad promieniotwórczy izotopu węgla 14C: n/n0 t[lata] 0.089 datowanie radiowęglowe 5730

Promieniowanie jonizujące Biologiczne działanie promieniowania Symbol promieniowania jonizującego Ustawa Prawo atomowe z dnia 29 listopada 2000r.

Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące Promieniowanie jest przyczyną m.in. radiolizy wody. Radioliza wody prowadzi do powstawania cząstek takich jak: H+, H2, H2O-,H2O+,e-,e+,HO2,HO3-,H2O2, z których niektóre to bardzo aktywne wolne rodniki. Wolne rodniki mogą reagować z proteinami, a w szczególności dezaktywować enzymy, powodować uszkodzenia błony komórkowej i zmianę ich przepuszczalności.

Promieniowanie jonizujące Jednostki promieniowania Aktywność źródła Dawka promieniowania określające źródło promieniowania określające działanie promieniowania na otoczenie liczba spontanicznych przemian jądrowych zachodzących w źródle w jednostce czasu - dawka ekspozycyjna - dawka pochłonięta - równoważnik dawki

Promieniowanie jonizujące Aktywność źródła 1 bekerel (1Bq) to aktywność źródła promieniotwórczego, w którym w ciągu jednej sekundy następuje jeden rozpad. Równoważna jednostka: 1 kiur to aktywność 1g radu 226Ra.

Promieniowanie jonizujące Dawka ekspozycyjna to suma ładunków elektrycznych jonów jednego znaku wytworzonych w jednostce masy suchego powietrza w warunkach normalnych wskutek jonizacji wywołanej promieniowaniem X lub g. Jednostką dawki ekspozycyjnej jest C/kg.

Promieniowanie jonizujące Dawną jednostką dawki ekspozycyjnej był rentgen. 1 rentgen to taka wielkość promieniowania X lub g, które w 0,001293 g powietrza (1cm3 suchego powietrza w warunkach normalnych) wytwarza przez jonizację ładunek każdego znaku równy 1 j.e.s. (j.e.s. = jednostka elektrostatyczna ładunku).

Promieniowanie jonizujące Dawka pochłonięta to ilość energii promieniowania przenikliwego pochłonięta przez jednostkową masę materii. Jednostką dawki pochłoniętej jest grej: 1 Gy=1 J/kg.

Promieniowanie jonizujące Dawną jednostką dawki pochłoniętej był rad. 1 rad to dawka promieniowania odpowiadająca pochłonięciu w 1 g materii energii promieniowania równej 100 ergów (10-5J) (erg= jednostka energii w układzie CGS).

Promieniowanie jonizujące Dawkę pochłoniętą w jednostce czasu nazywa się mocą dawki. Jednostką mocy dawki jest Gy/s. Moc dawki na poziomie 2.4 mGy/rok jest typowa dla tła naturalnego. W terapii nowotworowej chora tkanka zabijana jest dawką (aplikowaną miejscowo) ok. 100Gy.

Promieniowanie jonizujące Równoważnik dawki jest to dawka pochłonięta w danej tkance lub narządzie T z uwzględnieniem skutków biologicznych wywołanych przez różne rodzaje promieniowania R Jednostką równoważnika dawki jest siwert: 1 Sv=1 J/kg.

Promieniowanie jonizujące Dawkę równoważną HT,R określamy wzorem: gdzie wR jest współczynnikiem wagowym promieniowania R, DT,R jest średnią dawką promieniowania R pochłoniętą w tkance lub narządzie T.

Promieniowanie jonizujące W przypadku pola promieniowania składającego się z różnych rodzajów promieniowania wprowadzamy całkowity równoważnik dawki HT:

Promieniowanie jonizujące Dawka skuteczna (efektywna) EH to suma wszystkich dawek równoważnych od napromieniowania zewnętrznego i wewnętrznego we wszystkich tkankach i narządach (patrz tabela na następnym slajdzie) z uwzględnieniem odpowiednich współczynników wagowych narządów lub tkanek, obrazująca narażenie całego ciała: gdzie wT jest współczynnikiem wagowym narządu lub tkanki T

Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące

Promieniowanie jonizujące

źródło: GUS, Mały rocznik statystyczny 2011, Warszawa