Promieniowanie w środowisku

Promieniowanie
jonizujące w środowisku
(1)
Promieniowanie Słońca
– wszystko co powstaje podczas reakcji zachodzących
wewnątrz Słońca i dociera do górnych warstw atmosfery




promieniowanie widzialne
promieniowanie podczerwone i
ultrafioletowe
wiatr słoneczny
promieniowanie radiowe
Promieniowanie to nie ma własności jonizacji atmosfery
Promieniowanie Słońca
Widmo promiemiowania słonecznego
E = hc / l
E(eV) = 1.24 / l [ mm ]
4eV
1eV
2eV
Maksimum natężenia promieniowania słonecznego
odpowiada energii około 2eV a cały rozkład kończy
się przy energii około 4eV
Energia jonizacji
Energia, jaką musi mieć promieniowanie, aby
móc zjonizować materię (od neutralnych atomów
oderwać elektron lub więcej elektronów i zamienić
je w dodatnio naładowane jony).
Energia jonizacji atomu wodoru: 13.6 eV
Energia wiązania elektronów przez jądra
różnych pierwiastków zależy od liczby atomowej
pierwiastka Z (czyli od ładunku elektrycznego
jądra atomowego i od miejsca (stanu elektronu)
na kolejnych orbitach (orbity K L M ...) w atomie.
Energie wiązania elektronów
w atomach kilku pierwiastków
w elektronowoltach (eV)
K
H
O
Fe
Pb
13.6
543.1
7 112
88 005
L-I
41.6
844.6
15 861
M-I
N-IV
O-IV
91.3
3 851
434
20.7
Średnia energia jonizacji


Energie potrzebne do oderwania
elektronów związanych w atomach na
różnych powłokach są różne
Dla atomów każdego pierwiastka
wyliczone zostały średnie energie jonizacji
Przykłady średniej energii jonizacji:
Powietrze – 85eV
Grafit – 78eV
Aluminium – 164eV
Ołów – 812eV
Jednostki energii w fizyce
atomowej i jądrowej


1 eV – typowa energia dla atomów
1 MeV = 1 000 000 eV
- typowa energia dla jąder atomowych
Promieniowanie jonizujące
to promieniowanie o energii (energia
pojedynczego fotonu lub pojedynczej cząstki)
przekraczających energię wiązania elektronów w
atomach.


Promieniowanie elektromagnetyczne
o dużej energii (promieniowanie X znane
też jako promieniowanie rentgenowskie)
Promieniowanie emitowane przez jądra
atomowe: a, b, g
Widmo promieniowania elektromagnetycznego
Widmo promieniowania
elektromagnetycznego
Jednostki: częstotliwość [Hz]
długość fali [m]
energia [eV]
l=c/n
E=hn
Promieniowanie elektromagnetyczne ma
własność jonizowania materii wtedy, gdy
energia kwantu promieniowania przekroczy
energię około 10 elektronowoltów.
Jest to obszar promieniowania X czyli
promieniowania rentgenowskiego i
promieniowania gamma.
Promieniowanie elektromagnetyczne
Promieniowanie elektromagnetyczne powstaje np..gdy na
poruszający się ładunek elektryczny działa siła powodująca
zmianę prędkości tego ładunku. W szczególności
promieniowanie X powstaje gdy elektrony przyspieszone do
energii kilkudziesięciu keV zderzają się z jądrami atomów
Źródła jonizującego promieniowania
elektromagnetycznego :



Lampa rentgenowska (elektrony o E~50keV hamują)
Synchrotron (elektrony o E~2GeV poruszają się po
łuku)
Kineskop w starych telewizorach (elektrony o E~3keV
hamują uderzając w ekran kineskopu)
Lampa rentgenowska
K – katoda, A – anoda, C – chłodzenie, W - woda
Promieniowanie X
Lampa rentgenowska:
Elektrony z katody przyspieszane są do
energii około 50 keV. Gwałtownie
hamują i emitują promieniowanie.
Powstaje promieniowanie hamowania i
promieniowanie charakterystyczne
Promieniowanie jąder atomowych


Powstaje przy przemianach jąder atomowych
zarówno tych wywołanych przez reakcje jądrowe
jak i przez spontaniczne (samorzutne) przemiany.
Przy przemianach jądrowych występuje energia
rzędu energii wiązania jednego nukleonu (neutronu
lub protonu) przez jądro atomowe
Jest to energia znacznie większa od energii
potrzebnej do zjonizowania jednego atomu.
Średnia energia wiązania neutronu.
8 000 000 eV = 8 MeV
Rozpad radioaktywnych jąder
Przemiana jednego jądra w inne zachodzi
spontanicznie bez udziału czynników zewnętrznych



alfa ( jądra atomu helu, 2 protony i 2 neutrony )
masa cząsteczki alfa A=4, ładunek Z=2
beta (elektrony, ale jest też promieniowanie beta
plus, które stanowią pozytony czyli cząstki
identyczne jak elektron ale z dodatnim ładunkiem
elektrycznym) masa 1840 razy mniejsza od
masy protonu ale A=0, ładunek elektryczny
Z= -1 lub +1
gamma ( o naturze fal elektromagnetycznych )
energie pojedynczych od ok. 10 keV do 5 MeV
Rozpad a
Rozpad beta - b-
Rozpad beta -b+
Rozpad beta - EC
Cząsteczki powstające w wywołanych
sztucznie lub zachodzących w naturze
reakcjach jądrowych
Przemiana jądrowa pod wpływem cząsteczki uderzającej w jądro

neutrony (cząsteczki o masie prawie takiej
samej jak masa protonów czyli A=1, ale bez
ładunku elektrycznego)

lekkie cząstki (protony, deuterony, jądra helu )

ciężkie jony

inne cząsteczki powstające przy zderzeniach o
jeszcze większych energiach (GeV)
Składniki jąder: protony i neutrony



Proton – cząstka o ładunku elektrycznym
(Z=+1)
Neutron – cząstka bez ładunku (Z=0)
Składniki te przyciągają się mimo że
protony mają ładunek elektryczny a
jednoimienne ładunki odpychają się.
Składniki jądra związane są siłami
jądrowymi
Liczba atomowa Z i liczba masowa A





Każde jądro scharakteryzowane jest przez
liczbę protonów i liczbę neutronów
znajdujących się w jądrze
Z – liczba protonów nazywa się liczbą atomową
N – liczba neutronów ( zwykle nie podaje się)
Z+N=A sumę liczb protonów i neutronów
nazywa się liczbą masową
Symbol pierwiastka automatycznie oznacza
liczbę atomową Z
Izotopy
Przykłady:
Jądra 12C i 14C to dwa izotopy węgla. Jądra
te zawierają po 6 protonów (węgiel to
kolejno szósty pierwiastek w układzie
okresowym) i odpowiednio 6 (6+6=12)i 8
(6+8=14) neutronów.
Jądra 235U i 238U oba zawierają 92 protony i
odpowiednio 143 i 146 neutronów.
Liczba protonów
Tablica izotopów
Liczba neutronów
Tablica izotopów cd.
Energia wiązania jąder


Masa każdego jądra jest mniejsza od masy
sumy wszystkich składników jądra
Najsilniej związane są jądra o odpowiednim
stosunku liczby protonów do liczby
neutronów

Gdy ten stosunek nie jest właściwy jądro
rozpada się na inne bardziej stabilne

Są stabilne i radioaktywne izotopy
Energia wiązania nukleonów w
jądrach
Ścieżka stabilności
sposoby przemian jądra w inne jądro



Rozpad beta to zamiana jądra słabiej związanego
w jądro silniej związane poprzez zamianę jednego
z neutronów w proton (gdy w jądrze jest za dużo
neutronów) lub jednego protonu w neutron (gdy
w jądrze jest za dużo protonów).
Rozpad alfa: Ciężkie jądra, zawierające ponad
200 składników łatwiej potrafią zamienić się
w jądro silniej związane poprzez pozbycie się
równocześnie połączonych razem dwóch protonów
i dwóch neutronów czyli cząstki alfa.
Rozpad gamma: Po rozpadzie beta jądro często
emituje promieniowanie elektromagnetyczne.
Okres połowicznego rozpadu jądra


Czas w ciągu którego połowa jąder ulega
rozpadowi. ( T1/2 )
Czas połowicznego zaniku zmienia się od jądra
do jądra i może wynosić ułamki sekundy aż do
miliardów lat
Jądro
3H
7Be
14C
T1/2
Jądro
12 lat
53 dni
5730 lat
238U
235U
232Th
T1/2
4.47 mld lat
0.71 mld lat
14.1 mld lat
Zanikanie radioaktywności
Długożyciowe jądra promieniotwórcze
znajdujące się w środowisku



Jądra o T1/2 około 1 miliarda lat, rozpadające się
na jądra stabilne:
40K, 87Rb i kilkanaście innych
Jądra o T1/2 , które rozpadają się na jądra
niestabilne i które tworzą szeregi
promieniotwórcze:
232Th, 238U i 235U i kolejne produkty rozpadu
tych długożyciowych jąder
3. Jądra, które powstają podczas zderzeń
stabilnych jąder (głównie tlenu i azotu)
z promieniowaniem kosmicznym:
3H, 14C, 7Be i kilkanaście innych