ZJAWISKO PROMIENIOTWÓRCZOŚCI

Zjawisko
promieniotwórczośc
i
WPROWADZENIE
TROCHĘ HISTORII
PROMIENIOWANIE
JONIZUJĄCE
IZOTOPY
ROZPADY
PROMIENIOTWÓRCZE
1
ZJAWISKO PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
- WPROWADZENIE
Naturalna promieniotwórczość jest częścią Wszechświata od
momentu jego powstania. Jest obecna na Ziemi, wewnątrz materii
nieożywionej i żywych organizmów.
Atomy wielu pierwiastków ulegają przemianom, którym towarzyszy
promieniowanie. O tym czy atom jest promieniotwórczy decyduje
między innymi liczba neutronów. W stabilnym jądrze protony i
neutrony powiązane są ze sobą przez siły jądrowe tak mocno, że żadna z
cząstek nie zdoła się odłączyć, a jądro pozostanie zrównoważone i
spokojne. Jeśli jednak liczba neutronów nie jest zrównoważona, to jądro
ma nadmiar energii, którą wcześniej czy później wyemituje. Takie atomy
samorzutnie (niezależnie od jakichkolwiek czynników zewnętrznych)
rozpadają się uwalniając energię w postaci fal elektromagnetycznych
i/lub strumieni cząstek, którą nazywamy promieniowaniem. Samo
zjawisko nazywamy promieniotwórczością (radioaktywnością).
2
TROCHĘ HISTORII
W roku 1896 francuski fizyk Henri Becquerel zauważył, że próbka soli
uranylowej wysyła niewidzialne promieniowanie działające na klisze
fotograficzne podobnie jak światło. Okazało się wkrótce, że również uran
metaliczny jest źródłem takiego promieniowania. Odkrycie to nie wywołało
jednak większego zainteresowania wśród fizyków zafascynowanych wówczas
promieniami X odkrytymi w 1895 r. przez niemieckiego fizyka Wilhelma
Konrada Roentgena.
W 1895 roku Roentgen
zaobserwował, że lampa
katodowa powoduje na
odległość świecenie papieru
pokrytego związkiem baru.
Lampa wysyłała nieznane
wówczas promieniowanie,
które było przyczyną
świecenia. Roentgen
nazwał "promieniami X".
Jego odkrycie, za które
Wilhelm Roentgen został wyróżniony w 1901
(1845-1923) roku Nagrodą Nobla,
Antoine Henri Becquerel (1852-1908)
zrewolucjonizowało
Za badania zjawiska promieniotwórczości
medycynę, umożliwiając
otrzymał w 1903 r. wraz ze swoimi
"spojrzenie" do wnętrza
współpracownikami Piotrem Curie i Marią
ludzkiego ciała.
3
Skłodowską-Curie Nagrodę Nobla.
Promieniotwórczość naturalna
Nie wiadomo, jak by się dalej potoczyła historia fizyki, gdyby nie Maria SkłodowskaCurie i jej mąż Piotr Curie, którzy rozpoczęli systematyczne badania nad
promieniotwórczością uranu. W 1898 r. odkryli dwa inne pierwiastki emitujące podobne
promieniowanie, które nazwali polonem i radem. Opisali oni zjawisko powstawania
promieniowania i nazwali je radioaktywnością (promieniotwórczością). Podobne badania
rozpoczął w Anglii fizyk nowozelandzki Ernest Rutherford.
Fizyk francuski. Mąż Marii
Maria Skłodowska – Curie
urodziła się w Warszawie.
Studiowała na Sorbonie, gdzie w
1906r. objęła po swoim mężu,
katedrę. Była pierwszą kobietą,
która otrzymała tytuł profesora.
Prowadziła szerokie badania
zjawiska promieniotwórczości badała i mierzyła promieniowanie
uranu, przebadała wszystkie
znane wówczas pierwiastki ze
względu na promieniotwórczość,
odkryła i wydzieliła polon i rad.
Otrzymała Nagrodę Nobla w
dziedzinie fizyki w 1903r. i w
dziedzinie chemii w 1911r.
Zmarła na białaczkę
spowodowaną nadmiernym
napromieniowaniem.
Maria
Skłodowska-Curie
(1867-1934)
Piotr Curie
(1859 - 1906)
Skłodowskiej-Curie. Od 1904 r.
profesor Sorbony. Od 1905 r.
członek Francuskiej Akademii
Nauk. Prowadził badania
dotyczące fizyki kryształów,
magnetyzmu, promieniotwórczości.
piezoelektrryczne. Badał zależność
magnetycznych własności ciał od
temperatury (prawo Curie,
podatność magnetyczna; punkt
Curie). Od 1897 r. Curie zajmował
się badaniem promieniotwórczości:
w 1898 r., wraz z żoną, odkrył dwa
nowe pierwiastki promieniotwórcze
- polon i rad. Wprowadził pojęcie
okresu połowicznego rozpadu, badał
działanie promieniowania na
organizmy żywe. Za prace nad
promieniotwórczością w 1903 r.
wraz z żoną otrzymał Nagrodę
4
Nobla.
Sztuczna promieniotwórczość
W 1934 r. Frederic Joliot i Irene Joliot-Curie zaobserwowali, że w wyniku
bombardowania cząstkami α folii aluminiowej zaczyna ona emitować cząstki
wtórnie jonizujące powietrze. Strumień tych cząstek nie zanikał od razu, lecz
zmniejszał się wykładniczo, z okresem połowicznego rozpadu. Wkrótce potem
stwierdzono, że był to strumień pozytonów odkrytych dwa lata wcześniej w
promieniowaniu kosmicznym przez Carla D. Andersona. Fakty te świadczyły, że
w glinie, bombardowanym cząstkami α, tworzy się izotop promieniotwórczy.
Jean Frederic Joliot
(1900-1958)
Irene Joliot-Curie
(1897-1956)
5
PROMIENIOWANIE JONIZUJĄCE
Promieniowanie jonizujące jest szczególnym rodzajem promieniowania. Może
mieć ono postać promieniowania korpuskularnego (cząstki α, β, neutrony) albo
elektromagnetycznego (promieniowanie X i γ). 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 γ 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.
6
Izotopy
Wszystkie atomy, których jądra mają jednakową liczbę protonów tworzą
określony pierwiastek chemiczny. Atomy tego samego pierwiastka mają taką
samą liczbę protonów i elektronów, ale mogą się różnić liczbą neutronów.
Mówimy wtedy o różnych izotopach tego samego pierwiastka. A więc izotop
danego pierwiastka jest określony przez całkowitą liczbę jego nukleonów, tj. sumę
protonów i neutronów.
Przykład izotopów wodoru
7
Przenikliwość promieniowania jonizującego
Promieniowanie wykazuje różny stopień przenikliwości przez materię.
Do pochłonięcia promieniowania α wystarczy cienka warstwa materiału np. kartka
papieru, ponieważ cząstki α są dużo cięższe niż pozostałe nośniki promieniowania i
dużo bardziej energetyczne. Te własności pozwalają cząstkom α silnie oddziaływać z
napotkaną materią, nawet z powietrzem, wywołując jonizację na bardzo małych
dystansach. Cząstki α przebywają w powietrzu drogę nie dłuższą niż kilka
centymetrów. Promieniowanie β pochłaniają grubsze materiały np. folia aluminiowa,
a do pochłonięcia promieniowania γ należy użyć grubszych osłon z ołowiu. Do ich
pochłonięcia neutronów stosuje się natomiast osłony wodne tak jak w przypadku
reaktorów jądrowych. Najbardziej przenikliwe są neutrina, ponieważ przenikają
przez każdą materię i niezmiernie rzadko oddziałują z materią. Powoduje to bardzo
poważne problemy przy próbach ich detekcji.
Przenikliwość promieniowania jonizującego
8
Rozpady promieniotwórcze
Jądro atomowe może znajdować się w stanie podstawowym tj. w stanie, w którym
ma najniższą energię całkowitą (a więc i najmniejszą masę), lub w stanie
wzbudzonym.
Moment wyemitowania przez niestabilny atom nadmiaru energii nazywany jest
rozpadem promieniotwórczym. Jądra lekkie, posiadające kilka protonów i
neutronów, stają się stabilne po jednym rozpadzie. Kiedy ciężkie jądro, takie jak rad
lub uran ulegnie rozpadowi, może być nadal niestabilne, a stan równowagi osiągnie
dopiero po wielu rozpadach.
Na przykład uran-238, który ma 92 protony i 146 neutronów podczas każdego
rozpadu traci 2 protony i 2 neutrony. Liczba protonów pozostająca w jądrze po
rozpadzie uranu-238 wynosi 90. Jądro z 90 protonami to pierwiastek tor. Oznacza
to, że z jądra uranowego powstało jądro toru-234, które również jest niestabilne i
zmieni się w protaktyn przy kolejnym rozpadzie. Stabilne jądro - ołów - powstaje
dopiero po czternastu rozpadach.
U
92
238
92
U
4
234
2
90
He
238
234
Th
90
Th
+
He
4
2
9
Źródła promieniowania jonizującego dzieli się na naturalne i sztuczne
\
Promieniowanie jonizujące pochodzące ze źródeł naturalnych stale oddziałuje na
człowieka i jego środowisko. Przenika na Ziemię z kosmosu. Jego źródłem są
także naturalne substancje promieniotwórcze znajdujące się w skorupie
ziemskiej, materiałach budowlanych, wodzie, powietrzu, żywności, a także w
naszym organizmie.
Na człowieka oddziałuje również promieniowanie jonizujące ze źródeł
sztucznych. Należą do nich aparaty rentgenowskie (promieniowanie X), tzw.
bomby kobaltowe (promieniowanie γ), reaktory jądrowe (promieniowanie X, γ,
neutrony), akceleratory i sztuczne izotopy promieniotwórcze (promieniowanie α,
β, γ) wykorzystywane w medycynie i gospodarce lub uwalniane do środowiska w
wyniku prób jądrowych albo awarii jądrowych.
ROZPAD JĄDRA
spowodowany
bombardowaniem
neutronami.
10
Wyróżnia się kilka rodzajów promieniowania jonizującego:
- Promieniowanie
gamma ( ) - emisja kwantu γ ze wzbudzonego jądra:
Ten typ promieniowania jest falą elektromagnetyczną tak jak światło tylko, o
znacznie wyższej energii. Podobnie jak kwanty promieniowania widzialnego
kwanty γ nie posiadają masy ani ładunku. Podczas tej przemiany jest emitowany
kwant γ ze wzbudzonego jądra. Liczba protonów i neutronów pozostaje
niezmieniona.
-Promieniowanie beta ( ) - emisja elektronu (β-), pozytonu (β+), lub
wychwyt elektronu (wychwyt K)
Przemiana (β-):
Przemiana (β+):
Wychwyt K:
Rozpad β jest procesem, podczas którego z jądra radioaktywnego atomu następuje
emisja elektronu (β-) lub pozytonu (β+) w raz z jednoczesną emisją cząstki zwanej
antyneutrinem elektronowym lub neutrinem elektronowym. Neutrino i
antyneutrino są cząstkami praktycznie nie posiadającymi masy, ale podczas emisji
unoszą ze sobą część energii wyzwolonej podczas procesu rozpadu. Ponieważ
emitowany elektron powstaje z przemiany jądrowej, nazywamy go cząstką β dla
odróżnienia go od elektronu orbitującego wokół jądra.
11
- Promieniowanie alfa (
) - emisja cząstki alfa:
Podczas rozpadu α następuje emisja strumienia jąder atomów helu; cząstka α to
stabilna struktura składająca się z 2 protonów i 2 neutronów. Promieniowanie α
towarzyszy jedynie przemianom jąder ciężkich, takich jak: (U), (Th) i (Ra). Jądra
tych atomów są niezmiernie bogate w neutrony (posiadają ich dużo więcej niż
protonów).
- Promieniowanie neutronowe - polega na uwolnieniu energii z atomu w formie
neutralnych elektrycznie, choć obarczonych względnie sporą masą cząstek.
Neutrony mogą być emitowane podczas reakcji rozszczepienia jąder atomowych
oraz w procesie rozpadu niektórych radionuklidów. Ogromnym źródłem
naturalnego promieniowania neutronowego jest promieniowanie kosmiczne, jak i
jądra powstałe w procesach rozpadu alfa. Sztuczne źródło emisji neutronów to
przede wszystkim reaktory i akceleratory.
Akcelerator kołowy
12
Szeregi promieniotwórcze
Szeregi promieniotwórcze - grupy pierwiastków, z których kolejne rozpady alfa i
beta "przeprowadzają" jeden pierwiastek w drugi. Przemiana β nie zmienia liczby
masowej jądra a przemiana α zmienia tę liczbę o 4. Mogą istnieć cztery różne
rodziny promieniotwórcze, których jądra mają liczby masowe odpowiednio równe:
4n (szereg torowy), 4n+1 (szereg neptunowy), 4n +2 (szereg uranowo-radowy) i 4n+3
(szereg uranowo-aktynowy), gdzie n jest liczbą całkowitą.
Produktami końcowymi łańcucha przemian w szeregach promieniotwórczych są
pierwiastki trwałe izotopy ołowiu oraz - dla szeregu neptunowego izotop bizmutu.
Właśnie z tymi przemianami wiąże się obfite występowanie ołowiu w niektórych
złożach i rudach, w których stwierdzono promieniotwórczość.
13
Reaktory, akceleratory
Wytworzone sztucznie przez człowieka promieniowanie jest identyczne z tym
pochodzącym ze źródeł naturalnych. Różnica polega na tym, że jądra emitujące
promieniowanie powstają, m.in. w reaktorach i akceleratorach.
Reaktory
W Polsce pracuje jeden reaktor badawczy Maria w Instytucie Energii Atomowej w
Świerku. Moc maksymalna tego reaktora wynosi 33 MW. Wykorzystywany jest do
badań naukowych, produkcji izotopów na potrzeby przemysłu i medycyny.
Reaktor Maria
14
Akceleratory
Sztucznymi źródłami promieniowania są m.in. akceleratory. Wytwarzają one
wiązkę promieniowania np. elektronów, poprzez przyspieszanie naładowanych
cząstek w polu elektromagnetycznym. W Polsce akceleratory stosuje się w
szpitalach do leczenia nowotworów.
Do celów naukowych wykorzystywany jest cyklotron (rodzaj akceleratora), który
znajduje się w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów Uniwersytetu
Warszawskiego. Jest to najlepsze tego typu urządzenie w Europie
Środkowowschodniej. Cyklotron ma średnicę dwóch metrów i może przyspieszać
jony węgla do energii 10 MeV na jeden nukleon. Umożliwia to badanie reakcji
jądrowych przy średnich energiach. Może być również wykorzystywany do
produkcji izotopów niezbędnych w medycynie i przemyśle.
Jak sądzisz w jakiej odległości od Ciebie znajduje się do najbliższy akcelerator?
Odpowiedź: około 60-100 centymetrów! Tak, Twój monitor ma wbudowany
akcelerator elektronów, które przyspieszane napięciem ok 20000 woltów
uderzają w luminofor i w ten sposób tworzą obraz. Oczywiście dotyczy to
monitorów i telewizorów klasycznych tzn. nie LCD (ciekłokrystalicznych).
15
ZADANIA:
1. Oblicz po ile protonów, neutronów i elektronów znajduje się w atomach
następujących pierwiastków: 10 B, 14 N, 40 Ca.
2. Oblicz średnią masę atomową tlenu, jeżeli wiesz, że pierwiastek ten zawiera trzy
izotopy o liczbach masowych 16, 17 i 18, przy czym zawartość 16 O wynosi 99,76%,
17 O – 0,048%, a 18 O – 0,2%.
3. W miejsce liter X, Y, Z wpisz konkretne nuklidy:
a)
234
b)
14
92U
6C
α
Β-
X
Β-
Y
Z
4. Okres półtrwania promieniotwórczego izotopu platyny 193Pt wynosi 50 lat.
Oblicz masę tego izotopu, która pozostanie po 200 latach, jeżeli masa
początkowa próbki wyniosła 4 g.
5. Przedstaw w formie kilku zdań najważniejsze wydarzenia z życia Marii
Skłodowskiej – Curie.
16