Atoom- en kernfysica

Atoom- en kernfysica Cursus Stralingsveiligheid niveau 3 2012-2013 L. Niesen

Opbouw van het atoom • Atoom bestaat uit: • positieve kern met daarin positieve protonen en neutrale neutronen • Er omheen “cirkelen” negatieve elektronen • Aantal protonen: Z (bepaalt het element) aantal neutronen: N • aantal nucleonen: A = Z+N • Nuclide: bepaalde combinatie van Z en N (of Z en A) notatie: AZX • Isotopen: nucliden met dezelfde Z en verschillende N • Isobaren: nucliden met dezelfde A • Isomeren: nucliden met dezelfde Z en N, maar in verschillende energieniveaus

Periodiek systeem van de elementen, geordend op atoomnummer Z

Atoommassa’s • Atomaire massa eenheid u = m (12C)/12 • 1 u = 1,66054 10-27 kg = 1,66054 10-24 g • Proton: mp=1,0073 u neutron: mn = 1,0087 u Atoommassa van nuclide: ongeveer A.u (maar niet precies!) • Atoommassa van element A.u: gewogen gemiddelde van de atoommassa’s van zijn stabiele isotopen • In ma gram van dit element zitten A/(A.u) = 1/u = 6,022 1023 atomen: getal van Avogadro NA • 1 mol van een chemische stof = Am gram, met Am de molecuulmassa (som van de massa's van de atomen in het molecuul)

Elektronenstructuur van het atoom • De elektronenwolk rond de kern is ongeveer 104 keer zo groot als de kern. De positie van de electronen is onbepaald,maar de energie is scherp bepaald. • Laagste energie: K-schil, maximaal 2 electronen • Volgende schil: L-schil (LI, LII, LIII), maximaal 8 electronen • In volgorde van oplopende energie: M-, N-, O-schil, etc. • In neutraal atoom zitten Z electronen, die van onderop de beschikbare toestanden bezetten. • Electronen in de hoogste energietoestanden bepalen de chemische eigenschappen van het atoom (element)

Energieniveaus en bindingsenergie Energieniveaus van het waterstofatoom (in eV) 1eV = 1,602 10-19 J 13,6 (ionisatie) Eio 12,75 De bindingsenergie Bi is de energie nodig om een electron vanuit niveau Ei buiten het atoom te krijgen (te ioniseren) Dus: Bi = Eio – Ei en Bi - Bj = Ej - Ei E3 12,1 B2 E2 10,2 B1 E1 0

Excitatie Ionisatie en excitatieschema van een Na atoom

Wat gebeurt er als er een electron in een laag energieniveau weg is (gat in binnenschil) Röntgen (X-ray) emissie dominant bij hoge Z Auger proces dominant bij lage Z Auger electron e- E3 E3 E2 E2 e- X-ray e- E1 E1 hhc / E2 - E1 = B1 – B2 EA = E2 – E1 – B3 = B1 - B2 - B3

LIII LII LI Kα2 Kα1 K Binnenschillen en Röntgenemissie Relatieve waarschijnlijkheid voor Röntgenemissie

ELF VLF radio magnetron IR UV röntgen gamma niet ioniserend ioniserend 101 103 105 107 109 1011 1013 1015 1017 1019 1021 1023 frequentie (Hz) golflengte (m) 10-13 107 105 103 101 10-1 10-3 10-5 10-7 10-9 10-11 10-15 Het electromagnetisch spectrum Golfkarakter neemt af, en deeltjeskarakter neemt toe naarmate de frequentie groter wordt

Bindingsenergie van nucleon in kern Bindingsenergie correspondeert met massaverlaging Einstein: E = mc2 1u = 931,6 MeV Massa’s van kernen vergelijken is dus energieën vergelijken!

Excitatieenergieën van kernen

Begin van nuclidenkaart Zie http:// atom.kaeri.re.kr

Radioaktiviteit • Radioaktiviteit: • atoomkern kan spontaan energie verliezen door het uitzenden van deeltjes en/of electromagnetische straling (fotonen). • Langs de baan van de deeltjes (incl. fotonen) worden atomen geioniseerd en soms van hun plaats gestoten. Dit geeft aanleiding tot schade, bijvoorbeeld in weefsel.

Radioactief verval • Activiteit: A(t) = -dN/dt = N tmet N(t) het aantal radioactieve atomen • Oplossing: A (t) = A (0) e –t heet vervalconstante (in s-1) • Levensduur: Activiteit in Becquerel (Bq) = s-1

Massa dragervrije radioactieve stof als activiteit bekend is: N (t) = A (t) , m = N (t). atoommassa. u = N (t) . atoommassa / NA Specifieke activiteit: A / m = λ NA / atoommassa (in Bq / kg) (dragervrij) Halveringstijd T1/2 : A (0) / 2 = A (T1/2) = A (0) exp { - T1/2 } Hieruit volgt: T1/2 = ln (2) of T1/2 = ln (2) .  = 0,693.  Alternatieve schrijfwijze verval: e -t = exp { ln (2) (- t / ln (2) } = 2 –t /T1/2 Oude eenheid van activiteit: 1 Curie (Ci) is de activiteit van 1 gram radium. 1 Ci= 3,7 1010 Bq. Grootteorde activiteit van een standaardbronnetje: 100 kBq (3 Ci)

-verval • Zware kernen kunnen soms energie winnen door een -deeltje uit te zenden: • AZ X A-4Z-2Y +42He • De energiewinst is in de meeste gevallen 5-8 MeV. • Vanwege impulsbehoud neemt de nieuwe kern een fractie 4/A van de vervalsenergie mee als terugstootenergie (100 keV). • Dit zorgt voor een verplaatsing van 30 nm in een vaste stof.

Voorbeeld α- verval Door de korte dracht is α- straling alleen gevaarlijk bij inwendige besmetting. Maar dan is het juist extra gevaarlijk doordat er in een klein volume veel energie vrijkomt.

Radioactieve vervalswijzen: - verval Algemeen: AZ X AZ+1Y + e- +  Antineutrino is massaloos en heeft geen lading; vliegt vrijwel overal doorheen. Neemt wel een deel van de energie mee! Voor elektron geldt: Egem ≈ 1/3 Emax Elektron energieën uit het- verval van210 Bi

Voorbeelden van- verval Q = {m(14C) – m(14N)} c2 waarbij m(14C) de massa van het 14C atoom is - verval: verschuiving naar linksboven in de nuclidenkaart. A blijft gelijk!

+ verval en electronvangst • Electronvangst (Electron Capture): p + e-n +  • Of algemeen: AZ X + e-AZ-1Y +  • Electron komt uit een binnenschil en wordt gevolgd door Röntgen of Auger emissie. • Alternatief heet + verval: pn + e+ +  • Of algemeen: AZ X AZ-1Y + e+ + 

Voorbeeld electronvangst Voorbeeld positronemissie Q = {m(Z) – m(Z-1)} c2 Beschikbare kinetische energie voor positron en neutrino samen: {m(11C) – m(11B) – 2me} c2 (Atoommassa's, geen kernmassa's) Beide typen verval leiden tot een verschuiving naar rechtsonder op de nuclidenkaart

Voorbeeld van positron spectrum bij 13N verval <Eb> = 0,4 Eb,max Het positrone+ is het antideeltje van het electron en annihileert daarmee: e+ + e-h met h= mec2 = 0,511 MeV

-verval • Kernen hebben net als electronen verschillende energieniveaus.Het radioactief verval gaat in het algemeen naar een aangeslagen (hogere energie) toestand en daarna via electromagnetische straling naar de grondtoestand. Dit heet -verval. Typerende energie: 1MeV. 57Co 270 d 57Fe 136 keV 122 keV 14,4 keV Een aangeslagen kerntoestand die voldoende lang leeft noemen we een isomeer (vb:99mTc (6h) en 99Tc (2,1 105 j) )

Gammastraling en interne conversie Gammastraling is elektromagnetische straling met korte golflengte Conversie: elektron uit binnenschil neemt overgangsenergie mee.

Inwendige (interne) conversie • In plaats van een uitzenden kan een kern ook energie kwijtraken door het over te dragen aan een electron in een binnenschil (K, L), wat dan uit het atoom verdwijnt. • Dit proces heet interne conversie (K-conversie,L-conversie). • Gaat (uiteraard) gepaard met Röntgen- en/of Auger emissie. • Conversiecoefficient: Nce / N • Partiele conversiecoefficient K , L, etc. • Fractie gammaverval bij de-excitatie: 1/ (1+) • Energie K-conversie electron: EK = E - BK

Isobaren Bij elke vorm van beta radioaktiviteit blijft het massagetal A constant. Dwz: beta aktiviteit gebeurt tussen isobaren. Oneven A: altijd 1 stabiele isobaar Even A: vaak twee stabiele isobaren Reden: protonen en neutronen zijn graag samen in paren

Moeder-dochter relatie 3 compartimenten systeem

Speciale gevallen Lang levende moeder. Dochter groeit in met karakteristieke tijd t2= λ2-1 Kort levende moeder. Ingroei dochter bepaald door λ1, verval bepaald door λ2

Atoom- en kernfysica