1 Promieniowanie jonizujące w środowisku(1)

2 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

3 Promieniowanie Słońca Widmo promiemiowania słonecznegoE = 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

4 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: 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.

5 Energie wiązania elektronów w atomach kilku pierwiastków w elektronowoltach (eV)K L-I M-I N-IV O-IV H O Fe Pb

6 Średnia energia jonizacjiEnergie 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

7 Jednostki energii w fizyce atomowej i jądrowej1 eV – typowa energia dla atomów 1 MeV = eV - typowa energia dla jąder atomowych

8 Promieniowanie jonizująceto 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

9 Widmo promieniowania elektromagnetycznego

10 Widmo promieniowania elektromagnetycznegoJednostki: 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.

11 Promieniowanie elektromagnetycznePromieniowanie 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)

12 Lampa rentgenowska K – katoda, A – anoda, C – chłodzenie, W - woda

13 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

14 Promieniowanie jąder atomowychPowstaje 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. eV = 8 MeV

15 Rozpad radioaktywnych jąderPrzemiana 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

16 Rozpad a

17 Rozpad beta - b-

18 Rozpad beta -b+

19 Rozpad beta - EC

20 Przemiana jądrowa pod wpływem cząsteczki uderzającej w jądroCząsteczki 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)

21 Składniki jąder: protony i neutronyProton – 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

22 Liczba atomowa Z i liczba masowa AKażde 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

23 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.

24 Tablica izotopów Liczba protonów Liczba neutronów

25 Tablica izotopów cd.

26 Energia wiązania jąderMasa 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

27 Energia wiązania nukleonów w jądrach

28 Ścieżka stabilności sposoby przemian jądra w inne jądroRozpad 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.

29 Okres połowicznego rozpadu jądraCzas 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 T1/ Jądro T1/2 3H lat U mld lat 7Be dni U mld lat 14C lat Th mld lat

30 Zanikanie radioaktywności

31 Długożyciowe jądra promieniotwórcze znajdujące się w środowiskuJądra 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