Dane INFORMACYJNE

2. Dane INFORMACYJNE • Nazwa szkoły: Zespół Szkół Ponadgimnazjalnych im. Eugeniusza Kwiatkowskiego w Grodzisku Wielkopolskim • ID grupy: 97/52 MF G1 • Opiekun: Lidia Baum • Kompetencja: matematyczno - fizyczna • Temat projektowy: Pierwiastki promieniotwórcze wokół nas • Semestr/rok szkolny: V letni 2011/12

3. PIERWIASTKI PROMIENIOTWÓRCZE WOKÓŁ NAS

4. SPIS TREŚCI Okres połowicznego rozpadu Prawo rozpadu promieniotwórczego Doświadczenie Dawki promieniowania Promieniowanie jest wszędzie Zastosowanie promieniowania Ochrona radiologiczna Palenie tytoniu Deficyt masy Ćwiczenie 3 Energia wiązania Ćwiczenie 4 Zamiast zakończenia Źródła Uczestnicy • Budowa atomu • Promieniotwórczość • Jądro stabilne i niestabilne • Promieniowanie a • Promieniowanie b • Promieniowanie g • Przenikliwość promieniotwórcza • Promieniowanie w polu magnetycznym • Wpływ pola elektrycznego na promieniowanie • Ćwiczenie 1 • Ćwiczenie 2 • Promieniotwórczość naturalna • Wykrywanie promieniowania • Aktywność promieniotwórcza

5. Budowa atomu • Cała materia wszechświata złożona jest z małych cząsteczek, będącymi zespołami atomów, z grec. „atomos” – „niepodzielny”. Atomy mają bardzo małe rozmiary – przeciętnie jest to około 1 Å (tzn. jednej dziesięciomiliardowej metra). Atom złożony jest z jądra obdarzonego dodatnim ładunkiem oraz z elektronów o ujemnym ładunku. Ładunki poszczególnych komponentów atomu sumują się w wyniku, czego atom jest cząstką elektrycznie obojętną. Jądro atomu złożone jest z neutronów bez ładunku oraz z protonów mających ładunek dodatni. Zarówno neutrony jak i protony są to zespoły kwarków. Liczba elektronów oraz budowa jądra jest cechą charakterystyczną dla danego pierwiastka. Budowa materii jest przedstawiona na rysunku.

6. Promień atomu wynosi około 10-10 m, jądra około 10 -15 m. Wielkość atomu można przyrównać do boiska do gry w piłkę nożną. W tych rozmiarach jądro atomowe umieszczone na środku boiska ma wielkość główki od szpilki.

7. promieniotwórczość • Zazwyczaj atomy materii są stabilnymi cząstkami, choć znane są atomy, a dokładniej mówiąc ich jądra mające zdolność do spontanicznego rozpadu, podczas którego następuje uwolnienie energii jako promieniowanie. Proces ten jest to tzw. promieniotwórczość lub radioaktywność.

8. JĄDRO STABILNE Atomy składają się z trzech rodzajów cząstek: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony upakowane są w jądrze, które zajmuje w atomie pozycję centralną, elektrony zaś krążą wokół niego. W przyrodzie występują pierwiastki zawierające w jądrze od jednego protonu (wodór) do 92 (uran) (śladowo w rudzie uranowej występuje jeszcze 93 neptun i 94 pluton). Cięższe pierwiastki otrzymujemy sztucznie. Istnieje tylko około 270 jąder stabilnych czyli nierozpadających się. Najcięższym takim jądrem jest bizmut o liczbie atomowej 83 i masowej 209. Bizmut

9. Jądro niestabilne Niektóre jądra są niestabilne, to znaczy że się rozpadają. Rozpady te są całkowicie przypadkowe, dlatego dla próbki złożonej z wielu atomów można określić średni czas życia. Jest to czas, po którym połowa jąder danego typu rozpada się na mniejsze. Produkty rozpadu mogą też być niestabilne. Istnieją trzy rodzaje rozpadów: alfa, beta minus i beta plus.

10. PROMIENIOWANIE α Promieniowanie a (alfa) jest bardzo silnie pochłaniane przez materię. Nawet kilka centymetrów powietrza stanowi całkowitą osłonę przed tym promieniowaniem. Podobnie kartka papieru, albo naskórek pochłania całkowicie promienie alfa. Jednak spożywanie pokarmów lub wdychanie powietrza zawierającego substancje wytwarzające promieniowanie alfa może być szkodliwe a nawet zabójcze. Kiedy już radioaktywny materiał znajdzie się w ciele człowieka, wytwarzane przez niego cząstki alfa bardzo silnie jonizują tkanki. Prowadzi to do poważnych uszkodzeń i choroby popromiennej. Bardzo silnym źródłem promieniowania alfa jest izotop polonu-210. Prędkość cząstek alfa wynosi około 15 tysięcy km/s

11. Rozpad alfa (przemiana α) – reakcja jądrowa rozpadu, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu 42He2+). Alfa cząstka: • jądro, • jądro z pomniejszoną o dwa liczbą protonów i neutronów, • cząsteczka alfa Autor: Dawid Tracz

12. Reakcja rozpadu jądra atomu uranu-238 (238U): • lub:

13. Promieniowanie α Ogólnie: W wyniku rozpadu alfa powstające jądro ma liczbę atomową mniejszą o 2, a liczbę masową o 4 od rozpadającego się jądra. • Rozpadowi alfa ulegają najczęściej ciężkie pierwiastki promieniotwórcze oraz niektóre izotopy promieniotwórcze pierwiastków ziem rzadkich.

14. Promieniowanie β Promieniowanie beta (promieniowanie β) - rodzaj promieniowania jonizującego wysyłanego przez promieniotwórcze jądra atomowe podczas przemiany jądrowej. Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektronów lub pozytonów poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła, jest ono silnie pochłaniane przez materię. Promieniowanie to jest zatrzymywane już przez miedzianą blachę. Przykład przemiany, w której następuje emisja promieniowania beta:

15. Promieniowanie b - Rozpad β −polega na przemianie jądrowej, w wyniku której neutron zostaje zastąpiony protonem. W rezultacie w wyniku rozpadu beta minus powstaje elektron i antyneutrino elektronowe.

16. Promieniowanie b - • Przykład: • Ogólnie: W wyniku tej przemiany liczba masowa pozostaje bez zmian a liczba atomowa wzrasta o 1. W czasie tej przemiany 1 neutron w jądrze rozpada się na 1 elektron, 1 proton i 1 antyneutrino elektronowe. Elektron i antyneutrino opuszczają jądro atomowe.

17. Promieniowanie b + Rozpad β +polega na przemianie protonu w neutron wewnątrz jądra W wyniku rozpadu beta plus powstaje pozyton oraz neutrino elektronowe.

18. Promieniowanieb + • Przykład: • Ogólnie: Podczas tej przemiany 1 proton przemienia się na 1 neutron, 1 pozyton (antyelektron) i 1 neutrino elektronowe. W wyniku tej przemiany liczba atomowa jądra maleje o 1, a liczba masowa pozostaje bez zmian.

19. Promieniowanie b Rozpad betaA,B,F - jądra pierwiastków chemicznych,C-- elektron, D - antyneutrino elektronowe, C+- pozyton, E - neutrino elektronowe. Przemiana beta minus to przemiana w wyniku której powstają elektron i antyneutrino elektronowe. W przemianie beta plus powstaje pozyton (elektron o ładunku dodatnim) i neutrino elektronowe. Autor: Dawid Tracz

20. Promieniowanie b Maksymalny zasięg promieniowania betaw zależności od źródła i substancji pochłaniającej

21. PROMIENIOWANIE g • Promieniowanie gamma (g) wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego. • Za promieniowanie gamma uznaje się promieniowanie o energii kwantu większej od 50 keV. Zakres ten częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. • Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych. • Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym.

22. Promieniowanie g Emisja gamma jest to przemiana jądrowa, podczas której emitowane jest tylko promieniowanie gamma, a nie są emitowane inne cząstki. Przykładem takiej przemiany jest drugi etap opisanego niżej rozpadu kobaltu-60. Najpierw 60Co przekształca się w 60Ni w wyniku przemiany beta: Powstałe jądro niklu jest wzbudzone, czyli ma energię większą od energii takiego jądra w stanie podstawowym. Po pewnym czasie jądro przechodzi do stanu podstawowego emitując dwa fotony o dużej energii (1,17 i 1,33 MeV), będące kwantami promieniowania gamma: Do emisji gamma dochodzi jeżeli energia wzbudzenia jądra atomowego jest mniejsza od energii wiązania ostatniego nukleonu. W przypadku gdy energia wzbudzenia jądra jest znacznie większa od energii wiązania ostatniego nukleonu, większość rozpadów jądra następuje poprzez emisję nukleonu (lub nukleonów).

23. Przenikliwość promieniowania

24. Promieniowanie w polu magnetycznym

25. Wpływ pola elektrycznego na promieniowanie g a + - b

26. Ćwiczenie 1 Na przykładzie pierwiastka ołowiu określ: • liczbę elektronów: • liczbę protonów: • liczbę neutronów: • liczbę nukleonów:

27. rozwiązanie • liczba elektronów: 82 • liczba protonów: 82 • c) liczba neutronów: 125 • d) liczba nukleonów: 207

28. Ćwiczenie 2 • Uzupełnij brakujące wartości w równaniu: • 14N + a → 9F → 8O + 1p • 10Ne + a → 23Mg + 1n + g • 30P → 14Si + b + n

29. rozwiązanie • 14N + a → 9F → 8O + 1p • 10Ne + a → 23Mg + 1n + g • 30P → 14Si + b + n

30. PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA • Promieniotwórczość naturalna – to promieniowanie jonizujące pochodzące wyłącznie ze źródeł naturalnych, stanowiące źródło dawki naturalnej. Promieniotwórczość naturalna pochodzi z naturalnych pierwiastków radioaktywnych obecnych w glebie, skałach, powietrzu i wodzie: obecnych w minerałach, przyswajanych przez rośliny i zwierzęta, a także używanych jako materiały konstrukcyjne, syntezowanych w atmosferze (i przenikających do hydrosfery) wskutek reakcji składników atmosfery z promieniowaniem kosmicznym.

32. Wykrywanie promieniowania Jedną z metod wykrywania i pomiaru promieniowania jest pomiar za pomocą licznika Geigera-Müllera. Licznik tworzy szklana bańka, wewnątrz której znajduje się metalowa rurka będącą elektrodą ujemną oraz drucik – elektroda dodatnia. Bańkę wypełnia rozrzedzony gaz. Do elektrod jest stale przyłożone napięcie. Gdy do szklanej bańki wpadnie cząstka promieniowania, jonizuje atomy wypełniającego ją gazu, umożliwiając wyładowanie – przepływ prądu pomiędzy elektrodami. Zliczając wyładowania jesteśmy w stanie zmierzyć liczbę cząsteczek naładowanych trafiających w licznik, czyli ocenić, jak silne jest promieniowanie.

33. Aktywność promieniotwórcza Wszystkie pierwiastki o liczbie atomowej większej od 82, tzn. znajdujące się poza ołowiem w układzie okresowym, są radioaktywne. Ich jądra wysyłają promieniowanie, przekształcając się równocześnie w jądra innych pierwiastków. Promieniowanie i przekształcanie się jąder tych pierwiastków zachodzi bez żadnych zewnętrznych przyczyn, dlatego zjawisko to określa się jako spontaniczny rozpad jąder lub rozpad radioaktywny. Aktywność promieniotwórcza oznacza, jaka liczba jąder rozpada się w jednostce czasu.Jednostką aktywności jest bekerel (Bq). Substancja posiada aktywność promieniotwórczą równą jednemu bekerelowi, jeżeli w każdej sekundzie rozpada się jedno jądro.Bardzo dużą aktywność wykazuje rad. Jeden gram radu ma aktywność 3,7·1010 Bq. Oznacza to, że w każdej sekundzie rozpada się 37 000 000 000 jego jąder.

34. Promieniowanie przenika do środowiska wskutek działalności przemysłowej człowieka (wydobycie rud uranu, spalanie węgla zawierającego pierwiastki promieniotwórcze). Źródeł tego promieniowania nie da się uniknąć – są obecne m.in. w ścianach domów, w pokarmie, wodzie, czy w powietrzu. Przykłady naturalnych źródeł promieniowania w bekerelach:

35. OKRES POŁOWICZNEGO ROZPADU Miarą tempa rozpadu jest okres połowicznego rozpadu, a więc czas po upływie którego połowa niestabilnych jąder w pewnej ilości materiału ulegnie rozpadowi. Okres połowicznego rozpadu jest charakterystyczny i niezmienny dla każdego nuklidu promieniotwórczego. Czas połowicznego rozpadu dla różnych izotopów: Polon- 214 - 0,162 ms Tlen -15 - 2 minuty Radon -222 - 91 godzin Jod-131 - 8 dni Kobalt-60 - 5,3 roku Stront-90 - 28 lat Rad-226 - 1600 lat Węgiel-14 - 5730 lat Pluton-239 - 24110 lat Potas-40 - 1,42 mld lat Uran-238 - 4,5 mld lat

36. Prawo rozpadu promieniotwórczego • Podstawowe prawo rozpadu promieniotwórczego stwierdza, że liczba jąder izotopów promieniotwórczych rozpadająca się w jednostce czasu, jest proporcjonalna do całkowitej liczby istniejących jąder. Matematycznie prawo to możemy przedstawić w postaci: dN = - N dt • znak „-” określa ubytek jąder atomów izotopu promieniotwórczego. Po scałkowaniu tej zależności otrzymamy: gdzie: N - liczba jąder w chwili t, No - liczba jąder w chwili t = 0,  - stała rozpadu. • Istnieje taki czas t = T po upływie którego liczba jąder danego izotopu promieniotwórczego zmniejsza się o połowę. Stan ten przedstawia równanie:

37. Wykres rozkładu promieniotwórczego

38. doświadczenie • Jeżeli chcesz lepiej wyobrazić sobie przypadkową naturę rozpadu jader, proponujemy ci następującą zabawę. Zgromadź 100 monet i rzuć je na rozłożony na stole koc. Jeżeli wypadła resztka, znaczy że moneta „rozpadła się” . Odrzuć resztki, zanotuj, liczbę orłów. Wykonaj te czynności około 8 razy. • Następnie powtórz zabawę 10-krotnie. Oblicz, jaka była średnia liczba orłów po jednym rzucie, po dwóch rzutach itp. Sporządź wykres przedstawiający zależność średniej liczby orłów od liczby rzutów.

39. Tabela wyników

40. Wykres zależności wyrzuconych orłów od ilości rzutów Ilość orłów Ilość rzutów

41. DAWKI promieniowania Ponieważ promieniowanie jonizujące może być szkodliwe dla naszych tkanek, jest bardzo ważną rzeczą umieć je wykryć. Detekcja tego promieniowania stanowi wiec istotną umiejętność w ochronie ludzi i środowiska przed niechcianym promieniowaniem. Ilość energii promieniowania przyjęta przez tkankę nazywa sie dawką pochłoniętą. W gruncie rzeczy jest to miara energii pochłoniętej przez tkankę, gdy energia promieniowania jonizującego, tracona na jonizacje atomów, może powodować uszkodzenie tkanki. Z powyższego wynika, że przede wszystkim musimy wiedzieć, jaką energię niesie samo promieniowanie. Możemy ją mierzyć na dwa sposoby i stosownie do tego wynikiem pomiaru będzie: • dawka, tj. ilość energii, która dociera do powierzchni danego obiektu w określonym przedziale czasu lub • średnia dawka pochłonięta, która oznacza energie promieniowania pochłoniętą przez jednostkę masy materii (tkanki), przez którą to promieniowanie przeszło. Jednostką dawki pochłoniętej jest grej (Gy).

42. Dawka pochłonięta nie jest jednakże wielkością, która mówi nam wszystko o możliwych skutkach napromieniowania, gdyż dla rożnych rodzajów promieniowania jonizującego efekty biologiczne mogą bywać – i w rzeczywistości są – rożne. Inaczej mówiąc, pochłonięcie odpowiedniej porcji energii promieniowania alfa wywołuje skutki odmienne od pochłonięcia takiej samej porcji energii promieniowania beta czy gamma. Dlatego też istotna dla ludzi jest nie tyle dawka pochłonięta, ile tzw. dawka równoważna która dotyczy jednakowych skutków rożnych rodzajów promieniowania.Dawkę równoważną mierzymy w siwertach (Sv). Skuteczność dawki zależy nie tylko od rodzaju użytego promieniowania, ale także i od rodzaju narządu, który pochłonął odpowiednią dawkę równoważną . Dlatego też o spodziewanym efekcie biologicznym mówi nam więcej wielkość nazywana dawką skuteczną. Jestto dawka zsumowana po rodzajach napromieniowanych tkanek, po pomnożeniu dawki równoważnej w danym narządzie przez współczynnik opisujący wpływ promieniowania na daną tkankę.

43. JEDNOSTKI PROMIENIOWANIA

44. TYPOWE DAWKI LUB ZAKRESY DAWEK(w milisiwertach) 0,1 – jednorazowy przelot Londyn - Nowy Jork - Londyn 0,3 – roczna dawka od radionuklidów we własnym ciele 2 - 4 – roczna dawka od tła naturalnego

45. TYPOWE DAWKI LUB ZAKRESY DAWEK(w milisiwertach) • 100 - 150 – roczne narażenie załóg stacji orbitalnych • 1 500 – prawdopodobne narażenie podczas 3-letniej wyprawy na Marsa • do 4 000 – dawki otrzymane przez osoby, które przeżyły wybuchy jądrowe w Hiroszimie i Nagasaki (1945 r.)

46. TYPOWE DAWKI LUB ZAKRESY DAWEK(w milisiwertach) Medycyna • 0,1 – zdjęcie klatki piersiowej • 3,2 – typowe badanie radiologiczne • 50 – zdjęcie kręgosłupa lędźwiowego

47. TYPOWE DAWKI LUB ZAKRESY DAWEK(w milisiwertach) Medycyna • 50 80 – tomografia komputerowa głowy; fluoroskopia przewodu pokarmowego • do 10000 – naświetlenie całego ciała przed operacją przeszczepu szpiku kostnego • od 20000 do 100000 – typowa dawka całkowita na guz nowotworowy

48. DAWKI GRANICZNE (w milisiwertach) • 1,0 – roczny limit dawki dla ogołu populacji • 50 – roczna dawka graniczna dla narażenia zawodowego (kat. A) • 500 – dawka graniczna dla uczestniczących w ratowaniu życia ludzkiego

49. Promieniowanie jest wszędzie • Promienie słoneczne mają swe źródło w reakcjach jądrowych, a w górach i morzach znajdują się znaczące ilości substancji promieniotwórczych. • Podczas aktywności wulkanicznej, do atmosfery zostają wyrzucone duże ilości materiałów promieniotwórczych.

50. PROMIENIOTWÓRCZOŚĆ NATURALNA W POLSCE