Nuklearna fizika

1. Nuklearna fizika Predavanje 3 Radioaktivni raspadi dr.sc. Nikola Godinović

2. Sadržaj • Što je Radioaktivnost • Alfa raspad • Doze zračenja

3. Radioaktivnost • U prirodi postoji samo 92 kemijska elementa + (još 12 umjetno proizvedenih) a poznato je oko 1500 različitih nuklida od kojih je 350 prirodnih a 1100 umjetnih. Većina nuklida je nestabilna (oko 1200) - radioaktivna • Pogodna kombinacija protona i neutrona čini jezgru stabilnom, čim je drugačije jezgra se nastoji izbacivanjem nukleona približiti stabilnoj konfiguraciji. • 1896 Becquerel je slučajno otkrio radioaktivnost u spojevima koji sadrže uran. Nakon niza eksperimenata zaključio je da se to zračenje spontano emitira, da je prodorno, da zacrnjuje fotografsku emulziju i da ionizira plin. Takva spontana emisija zračenja nazvana je radioaktivnost. • Marie i Pierre Curie sustavno izučavali radioaktivnosti, te otkrili dva do tada nepoznata elementa, oba radioaktivna, nazvana polonij i radij. • Sustavna eksperimentalna istraživanja radioaktivnosti zajedno s Rutherfordovim raspršenjem alfa čestica ukazala su da je radioaktivnost rezultat raspada nestabilne jezgre • Utvrđeno je da postoje tri tipa radioaktivnosti: • alfa raspad – jezgra spontano emitira jezgru helija • beta raspad –jezgra spontano emitira elektron ili pozitron (antielektron) • gama raspad – jezgra spontano emitira gama zraku – foton visoke energije • Uhvat elektrona (p+e->n)

4. Radioaktivnost • Alfa raspad • Beta raspadi • Gama raspad

5. Uvod • Ne čini svaka kombinacija neutrona i protona jezgru stabilnom. • Brojne jezgre su radioaktivne. • Energijske razine u jezgri se popunjavaju kako bi se dostigla konfiguracije minimalne energije tj. maksimalne stabilnosti http://www.nucleonica.net/Applet/Decay/radioactive_decay.asp

6. Karta nuklida i radioaktivnost • Slika lijevo prikazuje defekt mase u ovisnosti o broju protona i neutrona u jezgri za lagane jezgre. • Dolina u slici lijevo je područje stabilnih jezgri. • Jezgre bogate protonima emisijom -čestica “spuštaju se u dolinu“ • Jezgre s viškom neutrona “spuštaju se u dolinu” emisijom elektrona – beta raspad Defekt mase m

7. Radioaktivni elementi u prirodi • Neki radioaktivni elementi koje nalazimo u prirodi

8. Svako radioaktivno zračenje je ionizirajuće zračenje kao i rendgensko i gornji dio UV zračenja jer je energija već od praga za ionizaciju tkiva koja iznosi oko 10 eV.

9. Radioaktivnost u ljudskom tijelu Radioaktivni elementi u ljudskom tijelu

10. Radioaktivnost - uvod • Radioaktivnost je bila misterija • uzorak radioaktivnog materijala spontano emitira energiju (narušenje zakona očuvanja energije) • Energije -čestice koju emitira radioaktivni uzorak su 4 do 6 puta manje od Coulombove barijere • Ogroman raspon u vremenu poluživota od 10-5 do 1020 sekundi? • Objašnjenje: • Specijalna teorija relativnosti (ekvivalencija mase i energije) • Kvantna mehanika (tunel efekt) Energija vezanja -čestice je 28,3 MeV

11. Neki alfa emiteri i vremena poluživota

12. Detecting radiation • A Geiger counter • Radiation ionizes (removes electrons) atoms in the counter Leaves negative electrons and positive ions. Ions attracted to anode/cathode, current flow is measured

13. Zakon radioaktivnog raspada 1/ - srednje vrijeme života jezgre • Radioaktivni raspad je statističke prirode, ne možemo predvidjeti kad će se određena jezgra raspasti, ali možemo izračunati vjerojatnost da se proces dogodi. • Brzina kojom se radioaktivni uzorak raspada (-dN/dt) proporcionalan je broju radioaktivnih jezgri u uzorku dN/dt=-N, - konstanta raspada (vjerojatnost da jezgra jedinici vremena emitira alfa, beta, gama česticu) koja određuje brzinu raspada radioaktivne jezgre i ovisi o tipu nuklida. • Broj neraspadnutih jezgri u nekom radioaktivnom uzorku nakon t vremena ako je početni broj jezgri bio Noje: • Vrijeme poluživota T1/2 je vremenski interval unutar kojeg se raspadne polovina jezgri. • Aktivnost – broj raspada u jedinici vremena, jedinica za aktivnost je 1Ci=3,7x1010 raspada/s, odnosno 1 Bq= 1 raspad/s

14. Visina Coulombove barijere -procjena • Alfa čestica emitirana je iz 212Po, procijenite Coulombovu barijeru na površini jezgre. • Energija alfa čestice je 8,9 MeV < 30 MeV ???

15. DEsep≈6MeV per nucleon for heavy nuclei DEbind(42a)=28.3 MeV > 4*6MeV a-raspad Protons Alphas Neutrons

17. Kvantno- mehanički opis alfa raspada

18. Kvantno- mehanički opis alfa raspada • Model oblika potencijalne jame za -česticu energije 8,78 MeV koju emitira 212Po s vremenom poluživota od 0,3 s (eksperimentalni podatak). Kad se uzme u račun da se širina i visina barijere mijenjaju

19. Kvantno- mehanički opis alfa raspada

20. Tunel efekt

21. 1018 T1/2 (s) 10-6 4 9 Energija  (MeV) Usporedba računa i eskperimenta Jako dobro slaganje izmjerenih vremena poluživota i izračunatih za gotovo sve alfa emitere. o-eksperimenta račun

22. Radioaktivni nizovi • Većina radionuklida koju nalazimo u prirodi su članovi jednog od 4 radioaktivna niza. A=4n A=4n+3

23. Radioaktivni nizovi A=4n+2 A=4n+1

24. Jedinice u radioaktivnosti 1 curie = amount of material that will produce 3.7 x 1010 nuclear decays per second. 1 becquerel = amount of material which will produce 1 nuclear decay per second. 1 Cuirie = 3.7 x 1010 The rad is defined as an absorbed dose of 0.01 joules of energy per kilogram of tissue. The grayis defined as 1joule of deposited energy per kilogram of tissu assess the risk of radiation, the absorbed dose is multiplied by the relative biological effectiveness of the radiation to get the biological dose equivalent in rems orsieverts.

25. Dozimetrija • Alfa čestice – jezgre helija jedva prolaze kroz list papira • Beta čestice – elektroni (pozitroni) prolaz kroz nekoliko milimetra aluminija • Gama čestice – fotoni prolaze kroz nekoliko centimetara olova • Utjecaj zračenja na ljude se iskazuje preko: • Apsorbirana doza – apsorbirana energija po jedinici mase (Gy-gray), stara jedinica je rad, 1Gy=1 J/kg=100 rad. Uobičajneo je izjava: “ Doza gama zračenja od 3 Gy koju primi čitavo tijelo u kratkom vremenskom intervalu uzrokovat će smrt u 50 % slučajeva”. Srednja doza koju primi čovjek u godini dana od prirodnih i umjetnih radioaktivnih izvora je oko 2 mGy. • Ekvivaletnna doza – različiti tipovi zračenja mogu isporučiti istu dozu ( energiju po jedinici mase) ali ne uzrokuju iste biološke efekte. Ekvivalentna doza zračenja izražava biološki utjecaj apsorbirane doze tako da apsorbiranu dozu množi s numeričkim faktorom RBE-relativni biološki utjecaj. RBE=1 za X-zrake i elektrone, RBE=5 za spore neutrone, RBE=20 za alfa zrake. • SI jedinica ekvivalentne doze je 1 sivert (Sv). Preporuka je da neprofesionalna osoba ne primi ekvivalentnu dozu zračenju veći od 5 mSv u godini dana. • Prilikom leta avionom ljudi su izloženiji kozmičkom zračenju. U 900 sati leta u godini dana ekvivalentna doza iznosi oko 5,4 mSv, što prelazi dopuštenu granicu od 5 mSv u godini dana.

26. Dozimetrija • Alfa čestice – jezgre helija jedva prolaze kroz list papira • Beta čestice – elektroni (pozitroni) prolaz kroz nekoliko milimetra aluminija • Gama čestice – fotoni prolaze kroz nekoliko centimetara olova • Utjecaj zračenja na ljude se iskazuje preko: • Apsorbirana doza – apsorbirana energija po jedinici mase (Gy-gray), stara jedinica je rad, 1Gy=1 J/kg=100 rad. Uobičajena je izjava: “ Doza gama zračenja od 3 Gy koju primi čitavo tijelo u kratkom vremenskom intervalu uzrokovat će smrt u 50 % slučajeva”. Srednja doza koju primi čovjek u godini dana od prirodnih i umjetnih radioaktivnih izvora je oko 2 mGy. • Ekvivaletnna doza – različiti tipovi zračenja mogu isporučiti istu dozu ( energiju po jedinici mase) ali ne uzrokuju iste biološke efekte. Ekvivalentna doza zračenja izražava biološki utjecaj apsorbirane doze tako da apsorbiranu dozu množi s numeričkim faktorom RBE-relativni biološki utjecaj. RBE=1 za X-zrake i elektrone, RBE=5 za spore neutrone, RBE=10 za alfa zrake. • SI jedinica ekvivalentne doze je 1 sivert (Sv). Preporuka je da neprofesionalna osoba ne primi ekvivalentnu dozu zračenju veći od 5 mSv u godini dana. • Prilikom leta avionom ljudi su izloženiji kozmičkom zračenju. U 900 sati leta u godini dana ekvivalentna doza iznosi oko 5,4 mSv, što prelazi dopuštenu granicu od 5 mSv u godini dana.

27. Relativni biološki efekt (RBE) • Studije pokazuje da biološka oštećenja izazvana zračenjem jako ovise o tipu zračenja. • Ista doza alfa zračenja uzrokuje više oštećenja nego jednak doza protona, a a više nego ista doza elektrona ili gama zraka. • Ekvivalentna doza se dobije množenjem apsorbirane doze (rad ili Gray) s kvalitativnim faktorom relativne biološke efikasnosti. • Rem=kvalitativni faktor (RBE) x rad • Sievert (Sv)= kvalitativni faktor (RBE) x Gray

28. Efektivna ekvivalentna doza • Uz kvalitativni faktor kojim se iskazuje relativna biološka efikasnost pojedinih tipova zračenja, potrebno je uzeti u račun i faktor rizika kojim se iskazuje da su neki organi osjetljivi na zračenje. • Tako su najosjetljiviji organi, jajnici i testisi. • Kad se ekvivalentna doza pomnoži s faktorom rizika za pojedine organe dobije se efektivna ekvivalentna doza. Preuzeto iz: Radiation-Doses, Effects Risk, United nations Enviroment Programe. Prevod, Nolit, Beograd

29. Primjer - radioaktivnost • Gama doza od 3 Gy je letalna doza – 50% ljudi koji prime ovu dozu umre. Ako se ekvivalentna doza primi u obliku topline, koliki je porast temperature. Za specifični toplinski kapacitet ljudskog tijela uzmite vrijednost specifičnog toplinskog kapaciteta vode c=4180 J/kgK. • Očito oštećenja izazvana zračenjem nemaju nikakve veze s zagrijavanjem tijela. Oštećenja nastaju na razini DNA i tako utječu na promjene u biološkim i kemijskim procesima. Alfa zrake zaustavlja list papira i jedva prodire kroz vanjske slojeve epitela na koži. 1-2 cm živog tkiva

30. Prirodni izvori radioaktivnosti • Prirodni izvori: Kozmičko zračenje, radioaktivni izotopi koje nalazimo u prirodi. • Uz ove izvore postoje još i izvori zračenja uzrokovani nuklearnim eksplozijama, izvorima koji se koriste u medicini i industriji. • Nešto manje od polovice čovjekove izloženosti prirodnom zračenju potječe od kozmičkog zračenja. • Kozmičko zračenje dolazi iz dubine međuzvjezdanog prostora i sa Sunca. • Čovjek na morskoj razini primi godišnje oko 300 mikroSv, a na 2000 m primi nekoliko puta veću dozu.

31. Prirodni izvori radioaktivnosti • Najzastupljeniji radioaktivni izotopi koje nalazimo u prirodi su: 40K i 87Rb. • U prosjeku dvije trećine doze zračenja koju ljudi primaju iz prirodnih izvora potječe od radioaktivnih tvari u zraku koje udišemo ili unosimo prehranom. Jedan dio potječe od kalija, koji tijelo apsorbira, skupa s neradioaktivnim izotopom (kalij je bitan za organizam). A veći dio potječe od elemenata koji nastaju raspadanjem 238U i 232Th. U ovim radioaktivnim nizovima nastaju olovo-210 i polonij-210 i uglavnom ulaze u tijelo prehranom, i jedan i drugi su skoncentrirani u ribi i rakovima (škampi & jastozi nisu baš najbolji za prehranu  !)

32. Prirodni izvori radioaktivnosti -radon • Tek nedavno je postalo jasno da je od svih prirodnih izvora zračenja, nevidljivi plin, bez okusa i mirisa, sedam i po puta teži od zraka, a koji se zove radon, najvažniji. 86Rn –radon (plemeniti plin), najstabilniji izotop radon-222 ima vrijeme poluživota od 3,8 dana. Radon se alfa raspadom raspada na polonij-218. • Procjenjuje se da na radon zajedno sa svojim radioaktivnim jezgrama kćerkama otpada 3/4 godišnje doze zračenja koju osoba primi iz zemaljskih prirodnih izvora i oko polovine doze iz svih prirodnih izvora. Većina ove doze se prima udisanjem u zatvorenim prostorima. • Postoje dva izotopa radona: radon-222 ( nastaje u radioaktivnom nizu urana-238) i radon 220 (nastaje u radioaktivnom nizu torija-232. • Radon-222 ima oko 20 puta jače djelovanje od radona 220. Mada u biti najveći dio zračenja potječe od radionuklida koji nastaju raspadanjem radona, a ne od samog plina radona. Radon najvećim dijelom izbija iz tla. • Ljudi su najviše izloženi radonu u zatvorenim prostorima,

33. Prirodni izvori radioaktivnosti -Radon • Građevinski materijalu sadrže torij i radij iz kojih nastaje radon. • U Švedskoj se nekoliko desetljeća koristio stipsni škriljac za proizvodnju betona, koji je uzidan u oko 500 000 kuća. A naknadno se pokazalo da je ovaj škriljac radioaktivan. • Radioaktivni građevinski materijali: fosforni gips, cigle od blata koji je nuspordukt u proizvodnji aluminija, šljaka iz visokih peći i lebdeći pepel od sagorijevanja ugljena. 222Rn+218Po

34. Radijacijska oštećenja-dozvoljene doze • Zakonska regulativa definira maksimalnu dopuštenu dozu od 2-5 mSv/godina, za profesionalce dozvoljena maksimalna godišnja doza je 50 mSv/godina. • Za dozu od 1 Sv 1 od 20 ljudi umre od raka, 1 od 20 000 umre od raka za dozu od 1 mSv. • Srednja doza koju primi čovjek od radioaktivnih izvora je oko 2,7 mSV, a najvći je doprinos radona od 1,3 mSv, radionulidi u stijenam, tlu, zgradama doprinose 0,4 mSV, kozmičko zračenje 0, 28 mSV, medicinska primjena 0,22 mSv, prehrana 0,2 mSv. (CT snimak 8 mSv !!) • Vrlo je teško definirati koja je maksimalna dozvoljena doza sigurna pogotovo kad su u pitanju male doze zračenja. • Prilikom korištenja rendgenskog snimanja svakako treba vrlo promišljen odvagnuti o štetnim i lošim učincima. • Termoelektrane na ugljen zbog ispušnih plinova su do 100 puta opasnije za zdravlje nego nuklearna elektrana istog kapaciteta koja pouzdano radi. • Naravno usporedba nije jednostavna, jer ozbiljan nuklearni akcident može uzrokovati znatno veća radioaktivna zagađenja. Radijacija poslije Černobil (1986) je uzrokovala smrt desetke tisuća ljudi i brojne genetske bolesti. Fallout iz Černobila sadržavao je 131I T1/2=8 dana, ali i dugoživuće izotope 137Cs (T1/2=29 godina), 90Sr (T1/2=29 godina), 93Zr(T1/2=1,1 milijun godina), 106Ru(T1/2=1 godina) i 60Co(T1/2=5,6 godina)

35. Primjena radioaktivnosti - Braggova krivulja • Ostavljen energija inozacijskog zračenja po dubini • Pažljivom fokusacijom i kontrolom energije snopa može se deponirati energija u “baš tom volumenu” tkiva.

36. Primjena radioaktivnosti • Slabi radioaktivni izvor 241Am (vrijeme poluživota 432 y) ionizira zrak u komori detektora. • Pri određenom naponu na detektoru teče stalna struja zbog ionizacije zraka u komori. • Kad se pojavi dim u zraku i uđe u komoru, ioni se vežu uz molekule dima, struja se smanji i detektor aktivira. • Radioaktivni alfa emiteri se koriste za napajanje srčanih pacemaker-a. i svemirskih letjelica.

37. Ispitivanje starosti materijala – datiranje ugljikom Raspad bilo koje radioaktivne jezgre ne ovisi o okolini. Omjer broja stabilnih jezgri kćerki i jezgri majki ovisi o vremenu, što je broj jezgri kćerki veći to je uzorak stariji. Radionuklid 14C ima vrijeme poluživota T1/2=5730 godina. Stalna je proizvodnja izotopa 14C u višim slojevima atmosfere, 1 atom 14C na 1013 atoma 12C. Formira se molekula ugljičnog dioksida CO2, jedna na 1013 sadrži 14C umjesto 12C. Kroz biološke procese, fotosinteza, disanje, CO2 ulazi u tkivo, uspostavi se dinamička ravnoteža tako da svako živo biće sadrži fiksnu količinu 14C u formi CO2. Kad prestanu biološki procesi, nema više izmjene radiougljika s atmosferom i količina 14C se smanjuje. Mjereći količinu 14C po gramu organskog tkiva može se odrediti koliko je vremena prošlo od trenutka smrti organizma. Datiranje pouzdano do 50 000 godina.

38. Primjer • Komad drveta na arheološkom nalazištu ima aktivnost 14C od 13 raspada u minuti po gramu. Aktivnost živog drveta je 16 raspada u minuti po gramu. Kad je drvo uginulo?

39. Geološko datiranje • Datiranje radioaktivnim ugljikom je ograničeno na 50 000 godina. Za starija, geološka datiranja nužno je koristiti radionuklide čija je vrijeme poluraspada znatno veće, reda nekoliko milijardi godina. • Najstarija stijena čija je starost oko 3,8 milijarde godina je nađena na Grenlandu. Metoda Jezgra majka Stabilna jezgra kćerka Vrije poluživota (milijarde godina) Kalij - Argon 40K 40Ar 1,3 Rubidij - Stroncij 87Rb 87Sr 45 Torij - Olovo 232Th 208Pb 13,9 Uran - Olovo 235U 207Pb 0,7 Uran - Olovo 238U206Pb 4,5