Promieniotwórczość naturalna Wyk. Agata Niezgoda Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Prezentacja na temat: "Promieniotwórczość naturalna Wyk. Agata Niezgoda Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego."— Zapis prezentacji:

1 Promieniotwórczość naturalna Wyk. Agata Niezgoda Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Rys historyczny Wilhelm Roentgen w 1895 roku zauważył, że w wyniku wyładowań zachodzących w rurze Crookesa powstaje promieniowanie, które Przenika przez wiele materiałów, naświetla klisze fotograficzne i nie oddziałuje z polami elektrycznym i magnetycznym. Promieniowanie to, na cześć odkrywcy nazwano promieniowaniem Roentgena. W 1901 roku Roentgen za swoje odkrycie otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Schemat rury Crookesa http://madzia_1985.webpark.pl/wypra cowania/promieniowanie/image002.jp g Pierwsze zdjęcie zrobione przez Roentgena obrazujące dłoń jego żony z pierścieniem (22.12.1895r) http://madzia_1985.webpark.pl/wypracowania/promieniowanie/image003.jpg

3 Badania W. Roentgena przyczyniły się do poszukiwań przez innych naukowców materiałów, które byłyby źródłem tajemniczych promieni X. W 1896r. Antoine Henri Becquerel zainteresował się rudą uranową. Badał jej wpływ na kliszę fotograficzną. Po wykonaniu wielu doświadczeń w różnych warunkach ustalił, że zaczernia ona kliszę. Odkryte przez Becquerela promieniowanie miało jednak inną naturę niż promienie X, m.in. oddziaływało z polem magnetycznym. Antoine Henri Becquerel http://archiwum.wiz.pl/images/duze/1998/ 04/98042404.JPG

4 Odkrycie polonu i radu W 1897r. Maria Skłodowska-Curie zajęła się badaniem promieniowania uranu. W przeciwieństwie jednak do Becqurela i innych badaczy nie używała do tego kliszy fotograficznej ale precyzyjnego i czułego elektrometru. Badała również dostępne minerały, skały i inne substancje. Odkryła, że natężenie promieniowania w różnych minerałach zawierających uran nie jest proporcjonalna do zawartości tego pierwiastka. Maria Skłodowska-Curie i jej mąż Piotr Curie w laboratorium http://archiwum.wiz.pl/images/duze/199 8/04/98042402.JPG

5 Odkrycie polonu i radu W wyniku badań Maria Skłodowska-Curie odkryła promieniotwórczość toru. Wyniki jej badań nad promieniotwórczością okazały się tak ciekawe, że Piotr Curie, jej mąż, odstąpił od swoich badań i dołączył do żony. Bardzo ciężka i mozolna praca doprowadziła ich do wydzielenia z blendy smolistej substancji promieniotwórczej, która znajdowała się w niej w śladowych ilościach. Odkryty metal, który właściwościami chemicznymi przypominał bizmut, nazwali na cześć Marii, od nazwy jej ojczyzny, „polonem”. Małżonkowie Curie wraz z Gustavem Bemontem w 1898 r. wyodrębnili, również z blendy smolistej jeszcze jeden silnie promieniotwórczy pierwiastek, i nazwali go radem.

6 Odkrycia promieniotwórczych pierwiastków przez państwa Curie sprawiły, że wielu fizyków uznało promieniotwórczość za bardzo fascynujący temat. Liczba prac na temat promieniotwórczości zaczęła szybko rosnąć. W 1900 r. Ernest Rutherford doniósł o odkryciu emanacji toru, a następnie wraz z Frederickiem Soddym opracował pierwszą teorię przemian promieniotwórczych. Ernest Rutherford http://archiwum.wiz.pl/images/duze/199 8/04/98042407.JPG

7 W 1903 r. małżonkowie Maria i Piotr Curie oraz Ernest Rutherford za swoje odkrycia otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki. Po śmierci Piotra Curie, Maria kontynuowała samodzielnie badania, a w 1911r. została uhonorowana drugą Nagrodą Nobla, tym razem z chemii. http://archiwum.wiz.pl/images/duze/1998/0 4/98042410.JPG Dyplomy Nagrody Nobla małżonków Curie oraz Marii Skłodowskiej Curie

8 Promieniotwórczość naturalna to samorzutna przemiana jąder atomowych w inne z towarzyszącą temu emisją promieniowania. Odkryto trzy rodzaje promieniowania: α, β,γ.

9 Promieniowanie α Rozpadowi α ulegają jadra atomowe, których liczba masowa jest większa od 83. W wyniku tego rozpadu powstają dwa produkty: cząstka α i nowe jądro atomowe. Schemat rozpadu α: na przykład:

10 Promieniowanie α Liczba atomowa jądra powstałego w wyniku przemiany α jest mniejsza o 2, a masowa o 4 niż liczba atomowa i masowa jądra przed rozpadem. Cząstka α powstała podczas przemiany ma bardzo małą energię i ładunek. Z tych dwóch powodów cząstka α ma bardzo mały zasięg, zatrzymuje ją już kartka papieru. jądro przed rozpadem jądro helu (cząstka α) jądro po rozpadzie

11 Promieniowanie β Rozpad β może zachodzić na trzy sposoby: Pierwszy sposób – rozpad β + : W wyniku rozpadu jądra atomowego powstaje jądro o liczbie atomowej mniejszej o 1, pozyton i neutrino. Schemat reakcji rozpadu: gdzie: - pozyton, - neutrino przykład:

12 Drugi sposób – rozpad β - : W reakcji powstaje jądro atomowe o liczbie atomowej mniejszej o 1, elektron i antyneutrino.. Schemat reakcji: gdzie: - elektron, - antyneutrino Przykład: jądro przed rozpadem jądro po rozpadzie elektron antyneutrino

13 Trzeci sposób – wychwyt elektronu Wychwyt elektronu polega na absorpcji (pochłanianiu) przez jądra atomowe elektronu poruszającego się wokół jądra. W wyniku wchłonięcia elektronu liczba atomowa zmniejsza się o jeden i emitowane jest neutrino. Schemat wychwytu: gdzie: - elektron, - antyneutrino

14 Szeregi promieniotwórcze Rozpady α i β powodują zmianę składu jądra atomowego i dlatego pierwiastki mogą kolejno przechodzić z jednego w drugi, tworzą tak zwane rodziny izotopów promieniotwórczych. Odkryto cztery rodziny promieniotwórcze, czyli grupy pierwiastków, w których następujące kolejno po sobie rozpady α i β zmieniają jądro atomowe jednego pierwiastka w jądro innego pierwiastka:  Rodzina torowa – pierwszym jądrem rodziny jest jądro izotopu toru a ostatnim jądro izotopu ołowiu  Rodzina neptunowa – pierwszym jądrem w rodzinie jest jądro izotopu neptuna a ostatnim jądro izotopu bizmutu  Rodzina uranowo – radowa – pierwszym jądrem jest jądro izotopu uranu a ostatnim jądro izotopu ołowiu  Rodzina uranowo – aktynowa – pierwszym jądrem jest jądro izotopu uranu a ostatnim jądro izotopu ołowiu.

15 Rodziny promieniotwórcze – rodzin torowa

16 Rodzina neptunowa

17 Rodzina uranowo - radowa

18 Rodzina uranowo - aktynowa

19 Różne izotopy tego samego pierwiastka mają różne okresy połowicznego rozpadu, zatem również różne aktywności. Aktywnością średnią źródła promieniotwórczego nazywamy stosunek ilości jąder, które uległy rozpadowi do czasu, w którym nastąpił rozpad: gdzie: A – aktywność średnia źródła ΔN – liczba jąder, które uległy rozpadowi, Δt – czas, w którym nastąpił rozpad. Jednostką aktywności jest bekerel (1Bq). Aktywność równą 1 Bq ma źródło promieniowania, w którym następuje jeden rozpad w ciągu 1 s.

20 Aktywność źródła zależy od jego masy, czyli liczby jąder promieniotwórczych i maleje wraz z upływem czasu. Zapisujemy to w postaci prawa rozpadu promieniotwórczego: gdzie: ΔN – liczba jąder, które uległy rozpadowi, Δt – czas, w którym nastąpił rozpad N – liczba jąder przed rozpadem λ – stała rozpadu promieniotwórczego (stała proporcjonalności), która informuje, jaka część jąder danego izotopu promieniotwórczego ulega rozpadowi w jednostce czasu: Wartość stałej rozpadu promieniotwórczego jest stała dla danego izotopu.

21 Prócz aktywności izotop charakteryzuje również wielkość zwana czasem połowicznego rozpadu T 1/2 – jest to czas, po którym z początkowej liczby jąder zostanie połowa. Wówczas prawo rozpadu promieniotwórczego możemy zapisać w postaci: gdzie: N – liczba jąder izotopu po czasie t N 0 – początkowa liczba jąder izotopu T – czas trwania rozpadu T 1/2 – czas połowicznego rozpadu. Po wykonaniu odpowiednich przekształceń matematycznych można znaleźć związek międzyczasem połowicznego rozpadu i stałą rozpadu promieniotwórczego:

22 Wpływ promieniotwórczości na organizmy żywe Cząstki powstałe w wyniku przemian promieniotwórczych posiadają energię i mogą wykonywać pracę. Zatem jeśli cząstka tak napotka na swej drodze komórkę organizmu żywego może ją uszkodzić. Jednakże umiejętne wykorzystywanie promieniowania może przynieść również pozytywne jego skutki.

23 W celu zabezpieczenia się przed negatywnym wpływem promieniowania, trzeba znać miejsca jego występowania i określić jego natężenie. Do tego stosuje się urządzenia nazywane detektorami promieniowania. Najprostszym detektorem promieniowania jest klisza fotograficzna, promieniowanie powoduje jej zaczernienie (tą metodę stosował już Becquerel). W 1913 roku Hans Geiger i Walther Müller przedstawili swój detektor, który do dziś nazywany jest od ich nazwisk licznikiem Geigera - Müllera.

24 Licznik Geigera - Müllera Licznik ten składa się z 2 elektrod: drutu wolframowego biegnącego wzdłuż osi miedzianego lub aluminiowego cylindra, wypełnionego mieszaniną par alkoholu i szlachetnego gazu. Między elektrodami przykłada się różnicę potencjałów, tak aby cylinder miał potencjał niższy niż drut wolframowy. http://library.thinkquest.org/28383/grafika/1/ geiger-muller.gif

25 Licznik Geigera - Müllera Wysokoenergetyczna cząstka wpadając do licznika jonizuje gaz i powstałe w ten sposób swobodne elektrony przyspieszane są w polu elektrycznym. Zderzając się z atomami ośrodka wybijają kolejne elektrony. Zjawisko takie nazywamy wyładowaniem lawinowym. Wyładowanie to rejestruje się jako impuls elektryczny. Impuls ten, w zależności od rodzaju licznika, będzie rejestrowany jako trzask w głośniku, błysk neonówki lub jako wskazanie galwanometru. Licznik Geigera - Müllera http://www.if.pw.edu.pl/~pluta/pl/dyd/m fj/zal03/ sniecikowski/rys_329a.jpg

26 Liczniki scyntylacyjne Cząstki przechodzące przez substancje fluoryzujące powodują błyski świetlne, nazywane scyntylacjami. Fakt ten jest wykorzystywany w detektorach promieniowania nazywanych licznikami scyntylacyjnymi, w których błyski zamieniane są na impulsy elektryczne. Oprócz liczników scyntylacyjnych stosuje się również komory mgłowe i komory pęcherzykowe (zachęcam do zgłębienia wiedzy na ten temat w podręczniku P. Walczaka i G. F. Wojewody „Fizyka i astronomia 1”, zakres podstawowy. Zdjęcie z komory pęcherzykowej Wilsona http://www.particlephysics.ac.uk/news/pictu re-of-the-week/picture-archive/tracks-in-a- hydrogen-bubble- chamber/000329_med.jpg

27 Dawka pochłoniętej energii Miarą pochłoniętej energii promieniowania jest dawka promieniowania. Zdefiniowano ją jako stosunek pochłoniętej energii przez daną masę do masy tego ciała: gdzie: D – dawka promieniowania E – pochłonięta energia m – masa ciała pochłaniającego energię Jednostką dawki pochłoniętej jest grej (1 Gy):

28 Cząstki powstałe w wyniku przemian promieniotwórczych mają różne energie i wywołują różne skutki w organizmach. Dlatego wprowadzono wielkość zwaną równoważnikiem dawki: gdzie: H – równoważnik dawki D – dawka pochłonięta Q – liczba przypisana danemu rodzajowi promieniowania: Dla promieniowania α: Q = 20 Dla promieniowania γ: Q = 1. Jednostką równoważnika dawki jest siwert (1 Sv).

29 Roczna dopuszczalna dawka ma wartośc 5 Sv. Aby obliczyć całkowitą wartość dawki pochłoniętej trzeba dodać do siebie wszystkie równoważniki pochodzące od wszystkich źródeł promieniowania. Uwzględniając promieniowanie Ziemi, kosmiczne, rentgenowskie oraz promieniowanie powstałe wskutek przemian zachodzących na Ziemi dostajemy 2,9 Sv. W ciągu całego życia organizmy gromadzą w sobie pierwiastki promieniotwórcze, czego konsekwencje przedstawiono dalej.

30 Liczba atomowa węgla i azotu różni się o 1. Gdy neutron zderzy się z jądrem azotu znajdującym się w atmosferze, to spowoduje powstanie węgla i wodoru: Powstały węgiel jest niestabilnym izotopem. Ma zdolność łączenia się z tlenem i tworzenia dwutlenku węgla. Ponieważ dwutlenek węgla wykorzystywany jest do fotosyntezy więc węgiel znajduje się w roślinach. Rośliny te zjadane są przez zwierzęta, te przez inne zwierzęta zatem węgiel znajduje się niemal we wszystkich organizmach żywych. Z uwagi na to, że węgiel ulega rozpadowi β: ilość promieniotwórczego węgla się zmienia.

31 Datowanie Dzięki temu, że organizmy podczas życia wdychają dwutlenek węgla można oszacować czas, w którym żyły, np. na podstawie szczątków ich szkieletu, czy fragmentów roślin np. zatopionych w bursztynach. Aby tego dokonać wystarczy określić aktywność promieniotwórczą znaleziska i porównać je z aktywnością tego samego rodzaju substancjami w danej chwili. Proces ten nazywa się datowaniem. Przykład zadania polegającego na określeniu wieku próbki znajduje się w części: „Przykładowe rozwiązania zadań”

32 Bibliografia  D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki, cz. 5, wyd. PWN, Warszawa 2003  P. Walczak, G. F. Wojewoda, Fizyka i astronomia, zakres podstawowy, podręcznik, cz. 3, wyd. OPERON, Gdynia 2007

33 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ!!