Elementy fizyki jądrowej Prezentacja do wykładu 7. dr Dorota Wierzuchowska

Pierwiastek chemiczny-atom Pierwiastek jest to substancja prosta, której nie da się metodami chemicznymi rozdzielić na składniki. Atom jest to najmniejsza cząstka pierwiastka chemicznego. Atomy składają się z jądra i otaczających to jądro elektronów. Pierwiastek często jest definiowany jako substancja zbudowana z atomów o jednakowej liczbie protonów w jądrze.

Układ okresowy pierwiastków http://pomocedlaszkol. isu. pl/

http://pl.wikipedia.org/wiki/Uk%C5%82ad_okresowy_pierwiastk%C3%B3w Tablica Mendelejewa w wersji anglojęzycznej, wykonana ściśle na wzór 5. edycji przygotowanej przez samego Mendelejewa w 1891 r

Fizyka atomowa - dział fizyki zajmujący się stanami elektronowymi w atomie, a więc wszystkim co określa własności chemiczne ciał. Fizyka jądrowa - dział fizyki zajmujący się jądrami atomów, bada budowę i stabilność jąder.

Odkrycie jądra atomowego W roku 1911 Rutherford, angielski fizyk i chemik wykonał eksperyment potwierdzający istnienie jadra atomowego. Cząstki alfa przepuścił przez bardzo cienką złotą folię. Rozkład kątowy rozproszonych cząstek skłonił Rutherforda do wysnucia wniosku, że cała masa oraz dodatni ładunek atomu skupiony jest w bardzo niewielkiej objętości. W ten sposób potwierdził on eksperymentalnie istnienie jądra atomowego.

Eksperyment Rutherforda http://physics.nad.ru/Physics/English/el.htm

Jądro atomowe to centralna część atomu zbudowana z jednego lub więcej protonów i neutronów, zwanych nukleonami. Jądra mają rozmiary rzędu 10-14 – 10-15 m, co stanowi około 1/100000 rozmiaru i ponad 99,9% masy atomu. 1cm3 materii jądrowej ma masę około 108 ton http://pl.wikipedia.org/wiki/Atom.

Jądro atomowe Jest układem nukleonów- protonów i neutronów. Liczba protonów określa ładunek elektryczny jądra, decyduje o tym jakiego pierwiastka chemicznego jest to atom i o przebiegu reakcji chemicznych. Liczba neutronów ma pewien wpływ na przebieg reakcji chemicznych poprzez tzw. efekt izotopowy, różne izotopy tego samego pierwiastka mają nieco inne własności chemiczne i fizyczne.

Jądro atomowe zX A –liczba nukleonów w jądrze Z –liczba protonów w jądrze

Tabela nuklidów przedstawia graficznie wszystkie znane nuklidy (jądra atomowe) o określonej liczbie protonów i neutronów. Izotopy-atomy danego pierwiastka różniące się liczbami masowymi. Izobary-atomy o tej samej liczbie masowej Izotony-atomy o tej samej liczbie neutronów Izomery-o identycznej liczbie protonów i neutronów, jednakże różniące się stanem kwantowym.

Jednostki Jednostka masy atomowej u została zdefiniowana jako 1/12 masy atomu węgla 12C u=1,6605387313x10-27kg wyrażona w elektronowoltach u=931,48 MeV Ładunek elementarny e (ładunek elektronu) e=1,602 176 53(14)x10-19C

Elektronowolt 1eV=1e · 1V ≈ 1,602 176 53 ×10-19 J Elektronowolt (eV) – jednostka energii stosowana w fizyce jądrowej. Jeden elektronowolt jest to energia, jaką uzyskuje elektron będąc przyspieszonym różnicą potencjałów równą 1 woltowi: 1eV=1e · 1V ≈ 1,602 176 53 ×10-19 J 1 J ≈ 6,241 509 47(53) ×1018 eV

Proton Przyjmuje się, że proton posiada elementarny, dodatni ładunek elektryczny i masę atomową równą 1, zapisywany jako +p1 lub H+. Masa spoczynkowa: mp = 1,67262171(29) x 10 -27 kg = 938,272029(80) MeV/c² = 1,00727646688 u Spin: 1/2 Samotny proton to jądro 1H, proton związany z neutronem to jądro deuteru - ²H (deuteron). Liczba protonów w jądrze danego atomu to jego liczba atomowa.

Neutron Neutron (z łac neuter "obojętny") jest obojętny elektrycznie. masa spoczynkowa wynosi ok. 1,00866491578 u, czyli 1,6749272 x 10-27 kg (jest nieco większa od masy protonu). Spin: 1/2 Neutrony występujące poza jądrem nie są stabilne, ale rozpadają się bardzo wolno (jak na cząstkę subatomową), jego średni czas życia to 885,7 s (ok. 15 min.): Według tego schematu zachodzi rozpad promieniotwórczy b-.

Siły jądrowe Oddziaływania silne wiążą nukleony w jądrze Mają krótki zasięg, do 2x10-15m, dla odległości mniejszych niż 10-15m są siłami odpychającymi, powyżej-przyciągającymi. Nie są centralne, zależą również od orientacji spinów Mają właściwość „wysycania” Wielkość tych sił prawie nie zależy od ładunku

Modele jądrowe Kroplowy-jądra są kuliste jak krople cieczy, nukleony w jądrze zachowują się jak cząsteczki w cieczy. Powłokowy-nukleony wewnątrz jądra mogą przyjmować tylko stany energetyczne zgodne z energiami kolejnych powłok. Kolektywny-nukleony łączą się w grupy tworząc nowe cząstki wewnątrz jądra.

ΔE= Δmc2={[Zmp + (A-Z)mn]-mj}c2 Deficyt masy Deficyt masy (niedobór masy, defekt masy) - różnica Δm między sumą mas nukleonów wchodzących w skład jądra atomowego, a masą jądra. Iloczyn niedoboru masy i kwadratu prędkości światła w próżni jest równy energii wiązania jądra ΔE= Δmc2={[Zmp + (A-Z)mn]-mj}c2 gdzie: nuklid zawierający N neutronów i Z protonów (N+Z = A) mp=1,00727 - masa protonu w jednostkach masy atomowej mn=1,00866 - masa neutronu mj - masa jądra nuklidu c = 3·108 m/s - prędkość światła w próżni

Energia wiązania

Reakcje jądrowe Reakcje w których skutkiem zderzeń jąder atomowych i cząstek powstają inne jądra np. reakcja fuzji termojądrowej, jądra deuteru i trytu łączą się, powstaje jądro helu, neutron i wydzielana jest energia.

Promieniotwórczość Przemiana jądra atomowego w inne, której zwykle towarzyszy emisja promieniowania jądrowego. Reakcje jądrowe spontaniczne- promieniotwórczość naturalna Reakcje jądrowe wymuszone- promieniotwórczość „sztuczna”

Prawo rozpadu promieniotwórczego Dla każdego jądra promieniotwórczego istnieje określone prawdopodobieństwo l, że ulegnie ono przemianie promieniotwórczej w jednostce czasu. Liczba atomów dN, które rozpadną się w ciągu krótkiego czasu dt wynosi: dN= - Nl dt Jeżeli No to liczba atomów w chwili t=0, to po czasie t pozostanie N atomów jakie się nie rozpadły N(t)= Noe- lt

Funkcja eksponencjalna y=e-lt Rozpad promieniotwórczy tak jak wiele procesów w przyrodzie, np. pochłanianie promieniowania w materii, zanik aktywności promieniotwórczej, spadek amplitudy drgań tłumionych, spadek natężenia prądu (przyrost ładunku) przy ładowaniu kondensatora, proces ostygania, opisany jest funkcją eksponencjalną. Liczba e=2.71828183 jest podstawą logarytmów naturalnych. Jeżeli x = ey to ln(x) = y

Okres połowicznego rozpadu Jest to czas T po jakim rozpadnie się połowa jąder istniejących w chwili czasu t=0. No/2= Noe- lT T=ln2/l= 0.693/l T zawiera się w granicach od 3x10-7s do 1,4x1027 lat

Aktywność A Aktywność jest to liczba przemian jądrowych DN zachodzących w czasie Dt A=DN/Dt Jednostką aktywności w układzie SI jest 1bekerel -Bq. Aktywność 1Bq ma preparat w którym zachodzi w czasie 1s jeden rozpad. Aktywność próbki maleje w czasie t zgodnie z równaniem: A(t)= Aoe- lt = Aoe- 0,693t/T

Rozpad alfa Rozpad alfa (przemiana α) - przemiana jądrowa, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu 42He2+). Strumień emitowanych cząstek alfa przez rozpadające się jądra to promieniowanie alfa. W wyniku tej reakcji powstające jądro ma liczbę atomową mniejszą o 2, a liczbę masową o 4 od rozpadającego się jądra.

Rozpad beta Rozpad beta to przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżniamy następujące rodzaje tego rozpadu: rozpad β- (beta minus) rozpad β+ (beta plus) wychwyt K.

Rozpad beta minus Rozpad β- − polega na przemianie neutronu w proton z emisją elektronu i antyneutrina elektronowego według schematu:

Rozpad beta plus Rozpad β+ − polega na przemianie protonu w neutron z emisją pozytonu i neutrina elektronowego według schematu:

Wychwyt K Wychwyt elektronu - przemiana jądrowa, w której jeden z elektronów atomu jest przechwytywany przez proton z jądra atomowego, w wyniku czego powstaje neutron (pozostający w jądrze) i neutrino elektronowe, które jest emitowane.

Promieniowanie gamma Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego powstające w wyniku przemian jądrowych, o energii kwantu większej od 10 keV, co odpowiada częstotliwości większej od 2,42EHz (eksaherc 1018 herca), a długości fali mniejszej od 124 pm, jonizujące i przenikliwe. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego.

Przenikliwość promieniowania b g gggg

Promieniowanie jonizujące wszystkie rodzaje promieniowania, które wywołują jonizację ośrodka materialnego, tj. oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej. Promieniowania alfa, beta, gamma oraz promieniowanie elektromagnetyczne o energii większej od energii światła widzialnego.

Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią Jonizacja Wzbudzenie optyczne (fluorescencja i fosforescencja) wtórne rentgenowskie promieniowanie charakterystyczne Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne Zjawisko Comptona Rozpraszanie Tworzenie par

Oddziaływanie promieniowania g z materią zjawisko fotoelektryczne, rozpraszanie: efekt Comptona, rozpraszanie Rayleigha, tworzenie par elektron – pozyton.

Zjawisko (efekt) fotoelektryczne W wyniku absorpcji kwantu przez atom ośrodka znika on, przekazując całą swą energię jednemu z elektronów powłoki leżącej w sąsiedztwie jądra. Powstaje fotoelektron o energii kinetycznej Ek, a także zjonizowany atom. Zachodzi ono z największym prawdopodobieństwem dla elektronów znajdujących się na powłoce K, natomiast nie zachodzi dla elektronów swobodnych.

Rozpraszanie g na elektronach swobodnych Efekt Comptona polega na sprężystym rozpraszaniu kwantów (g i X) na elektronach swobodnych lub słabo związanych w atomie (gdy energie kwantów promieniowania znacznie przekraczają energie wiązania elektronów). Energia rozpraszanych kwantów zależna jest od kąta rozproszenia a. Rozproszony foton zmienia kierunek i energię

Rozpraszanie g na elektronach związanych W przypadku, gdy energia rozpraszanych fotonów jest znacznie mniejsza od energii wiązania elektronów, rozpraszanie zachodzi na całym atomie i mamy do czynienia z tzw. rozproszeniem Rayleigha. Energia wzbudzenia wypromieniowana jest w postaci kwantu o nie zmienionej częstości. Zmianie ulega tylko jego kierunek. Prawdopodobieństwo rozproszenia pod danym kątem zależne jest od energii kwantu.

Tworzenie pary elektron-pozyton Energia kwantu g jest większa od sumy energii spoczynkowych elektronu i pozytonu (E≥0,511MeV + 0,511 MeV) Obecna jest jeszcze jedna cząstka, aby mogła być spełniona zasada zachowania pędu oraz energii. Do absorpcji kwantu i kreacji pary elektron-pozyton może dojść gdy spełnione są następujące warunki:

Pierwsza fotografia kreacji pary elektron - pozyton Ślady w komorze Wilsona. Komora umieszczona jest w polu magnetycznym, które powoduje odchylenie elektronu i pozytonu w przeciwne strony. Kwant gamma, z którego para powstała, nadleciał z dołu. Fotografia F. Joliot, uzyskana około 1932 roku, a zinterpretowana poprawnie dopiero po odkryciu pozytonu przez C. Andersona.

Pochłanianie promieniowania Oddziaływanie z jądrami i elektronami ośrodka (absorpcja lub rozpraszanie) powoduje usuwanie kwantów z przechodzącej wiązki, a tym samym jej osłabienie: I = I0exp(-μx) gdzie: I -natężenie wiązki po przejściu przez ośrodek o grubości x, I0 –natężenie początkowe wiązki, μ -liniowy współczynnik osłabienia, zdefiniowanym jako prawdopodobieństwo usunięcia fotonu z wiązki przypadające na jednostkę przebytej drogi.

Oddziaływanie promieniowania korpuskularnego z materią Cząstki naładowane: Jonizacja bezpośrednia poprzez oddziaływania kulombowskie Wzbudzenie optyczne i rentgenowskie Cząstki nienaładowane: Jonizacja wtórna Powstawanie jonizujących jąder odrzutu Zapoczątkowanie reakcji rozszczepienia, rozpraszanie niesprężyste, wychwyt

Radiobiologia Badanie skutków działania promieniowania na organizmy żywe Skutki mogą być genetyczne- uszkodzenie DNA somatyczne- bezpośrednie uszkodzenie komórek

Napromieniowanie może nastąpić poprzez źródła: zewnętrzne- aparatura rentgenowska i izotopy wykorzystywane w medycynie, technice i przemyśle, zwiększona zawartość izotopów na niektórych terenach wewnętrzne- nuklidy które zostały wprowadzone do organizmu przypadkowo lub celowo przy wykonywaniu badań medycznych

Udział napromieniowania otrzymywanego z różnych źródeł

RADON Izotop radonu z szeregu uranowego jest izotopem alfa promieniotwórczym i z czasem półrozpadu równym 1600 lat przechodzi w radioaktywny izotop radonu (222Rn), który jako gaz jest szczególnie istotny ze względu na swój wysoki udział w dawce inhalacyjnej. Radon jest gazem szlachetnym - nie reaguje z innymi związkami. Jest niewidoczny, bez zapachu i smaku. Rozpada się z czasem półrozpadu T1/2=3,8 dnia, tworząc tzw. „szereg krótkożyciowych pochodnych rozpadu radonu” (Po-218, Pb-214, Bi-214, Po-214).

Źródła radonu w atmosferze Głównym źródłem radonu w atmosferze jest radon wydostający się z gleby, gdzie jego stężenia sięgają tysięcy bekereli na metr sześcienny (1 Bekerel to 1 rozpad promieniotwórczy w ciągu 1 sekundy). Po wydostaniu się z gleby do atmosfery następuje bardzo szybka ekspansja radonu i jego rozrzedzenie, co powoduje znaczny spadek jego stężenia. Średnie stężenie radonu w powietrzu atmosferycznym na terenie Polski utrzymuje się na poziomie do 10Bq/m3, natomiast koncentracje w budynkach mieszkalnych wynoszą od kilku do ponad 100 Bq/m3.

Czynniki warunkujące stężenie radonu w pomieszczeniach Poziom stężenia radonu wewnątrz budynku istotnie zależy od Struktury geologicznej terenu i rodzaju podłoża na jakim budynek jest posadowiony. Konstrukcji budynku- pęknięcia i szczeliny wylewki betonowej, stanowiącej podłoże budynku, luki i szpary konstrukcyjne, pęknięcia w ścianach i nieszczelności wokół rur kanalizacyjnych stanowią drogi wnikania radonu do wnętrza budynku Przewietrzania pomieszczeń, które powoduje dość radykalny spadek stężenia radonu.

RADON A ZDROWIE Radon jako gaz szlachetny nie wpływa bezpośrednio na nasz organizm. Rozpada się, poprzez rozpad alfa, na krótkożyciowe pochodne (izotopy polonu: Po-218 i Po-214, i ołów Pb-210), które następnie łączą się z aerozolami i wnikają do układu oddechowego. Pochodne te, będąc w układzie oddechowym rozpadają się poprzez rozpad alfa oraz beta. Ten proces może stanowić wzrost zagrożenia zdrowotnego przy występowaniu wyższych stężeń radonu w pomieszczeniach, w których spędzamy większość czasu.

Normy stężenia radonu Obecnie w Polsce nie ma przepisów określających dopuszczalne stężenia radonu w budynkach. Do niedawna obowiązywało zarządzenie mówiące, że średnie roczne stężenie radonu w budynku nie powinno przekraczać 400 Bq/m3 (budynki wybudowane przed 1998r.) i 200 Bq/m3 (budynki budowane po 1998r.). W różnych krajach rekomendowane są różne stężenia dopuszczalne radonu i jego pochodnych . Zalecenia europejskiej organizacji ICRP (International Commission on Radiological Protection) proponują konieczność podjęcia działań zaradczych, jeżeli stężenie radonu przekracza 600 Bq/m3. Światowa Organizacja Zdrowia zaleca podjęcie działań obniżających stężenie Rn-222 w budynkach, gdy pomiary kontrolne wykazują stężenie powyżej 100 Bq/m3.

Działanie promieniowania na organizmy żywe Bezpośrednie- uszkodzenie cząsteczek i struktur np. zmiana kodu DNA, rozerwanie łańcucha polimerów. Pośrednie- radioliza wody, produkcja wolnych rodników i wody utlenionej, utlenianie nienasyconych kwasów tłuszczowych, reakcje prowadzące do rozpadu białek, zakłócenie czynności życiowych, śmierć.

Wrażliwość narządów na promieniowania jonizujące Grupa I Gonady i szpik czerwony Grupa II Mięśnie, tkanka tłuszczowa, wątroba, śledziona, nerki, przewód pokarmowy, płuca Grupa III Kości, tarczyca, skóra Grupa IV Ręce, przedramiona, stopy

Zastosowania w medycynie, biologii i ochronie środowiska W terapii nowotworów napromieniowanie zewnętrzne (bomba kobaltowa) i wewnętrzne (igły radowe) Badanie struktury i funkcji narządów za pomocą substancji znakowanych Metody badawcze: metoda rozcieńczeniowa i analiza aktywacyjna

Ochrona przed skutkami działania promieniowania Stosowanie osłon Zachowanie bezpiecznej odległości od źródeł Skrócenie czasu pracy ze źródłami promieniowania Dozymetria Badania okresowe

SPIN Spin jest to własny, nie wynikający z ruchu danej cząstki względem innych cząstek, lecz tylko z samej natury tej cząstki, moment pędu w układzie, w którym ona spoczywa. Dla elektronu, protonu czy neutronu liczba ta jest oznaczana symbolem "s" i może przyjmować wartość ułamkową ½.

Spin jądrowy Niezerowy spin jądrowy posiadają atomy o nieparzystej liczbie nukleonów (np. wodór 1-H, węgiel 13-C, azot 15-N, tlen 17-O, fluor 19-F, sód 23-Na i fosfor 31-P). W uproszczeniu spin jądrowy zawiązany jest z rotowaniem jądra wokół własnej osi i z wewnętrznym momentem pędu jądra. Każde jądro jest obdarzone dodatnim ładunkiem elektrycznym, stąd jego spin generuje bardzo słabe pole magnetyczne i jest źródłem momentu magnetycznego μ.

Magnetyczny rezonans jądrowy Podstawą zjawiska MRJ jest oddziaływanie spinów jądrowych z polami magnetycznymi: stałym polem magnetycznym Bz, które jest wytwarzane magnesami, zmiennym polem magnetycznym Bxy, skierowanym prostopadle do osi z zmiennymi polami lokalnymi generowanymi przez sąsiednie jądra atomów oraz znajdujące się wokół nich chmury elektronowe.

Precesja momentów magnetycznych W polu magnetycznym Bz orientacja wektora momentu magnetycznego jądra podlega kwantyzacji przestrzennej, dozwolone są tylko pewne ustawienia względem kierunku pola. Związane są z tym dozwolone poziomy energetyczne Momenty magnetyczne wykonują precesję względem kierunku tego pola z częstością: w= gBz

Magnetyzacja Wypadkowy wektor magnetyzacji próbki jest złożeniem poszczególnych momentów magnetycznych jąder. Ma on kierunek osi z (zewnętrznego pola magnetycznego Bz).

Warunki rezonansu Po zadziałaniu impulsu prostopadłego do Bz zmiennego pola magnetycznego o częstości w= gBz następuje rezonansowe pochłanianie energii pola magnetycznego i przejścia jąder pomiędzy dozwolonymi stanami energetycznymi. Wektor magnetyzacji obraca się, maleje magnetyzacja wzdłuż osi z, pojawia się magnetyzacja prostopadła w płaszczyźnie xy

Relaksacja Następnie w wyniku tzw. procesów relaksacji następuje odnowienie magnetyzacji podłużnej (relaksacja podłużna) i zanik magnetyzacji poprzecznej (relaksacja poprzeczna).

Sygnał zaniku swobodnej precesji Rejestrowany jest tzw. sygnału zaniku swobodnej precesji (ang. Free Induction Decay, FID), który niesie w sobie informację m.in. o oddziaływaniach spinowych oraz o procesach relaksacji (pośrednio o dynamice molekularnej). Oddziaływania spinowe to przede wszystkim oddziaływania spinów jądrowych z dodatkowym polem magnetycznym, zmieniającym warunki rezonansowe w poszczególnych obszarach próbki. Dodatkowe pole, tzw. pole lokalne, wytworzone jest przez obsadzone orbitale elektronowe

Obrazowanie MRJ Podstawą obrazowania jest wykorzystanie gradientów pola magnetycznego, które różnicują pole wewnątrz obrazowanego obiektu. Pozwala to na spełnienie selektywnych warunków rezonansowych i rejestrację sygnału z wybranych fragmentów obiektu. MRI jest dzisiaj podstawową metodą diagnostyczną.

NMR Zjawisko Magnetycznego Rezonansu Jądrowego znalazło zastosowanie: do badania struktury i funkcji organizmów (tomografia NMR) do badania związków chemicznych (spektroskopia NMR)

Tomograf MRI

Obrazowanie MRJ Animowana sekwencja przekrojów strzałkowych ludzkiego mózgu

Obrazowanie MRJ Angiografia MR. Skan fMRI mózgu

Serce myszy – projekcja czterojamowa