150 likes | 949 Views
Atoom- en Kernfysica. Cursus Stralingsveiligheid niveau 4 2006 L. Niesen. Opbouw van het atoom. Atoom bestaat uit: positieve kern met daarin positieve protonen en neutrale neutronen Er omheen “cirkelen” negatieve elektronen
E N D
Atoom- en Kernfysica Cursus Stralingsveiligheid niveau 4 2006 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
Begin van nuclidenkaart Zie http:// atom.kaeri.re.kr
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 • Atoommasa van nuclide: ongeveer A.u (maar niet precies!) • Atoommassa van element ma u: gewogen gemiddelde van de atoommassa’s van zijn stabiele isotopen • In ma gram van dit element zitten ma/(ma u) = 1/u = 6,0023 1023 atomen: getal van Avogadro NA
Electronenstructuur van het atoom • De electronenwolk 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 = 1,60 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
Wat gebeurt er als er een electron in een laag energieniveau weg is (gat in binnenschil) Auger proces dominant bij lage Z Röntgen (X-ray) emissie dominant bij hoge Z Auger electron e- E3 E3 E2 E2 e- X-ray e- E1 E1 hn = hc / l = E2 - E1 = B1 – B2 EA = E2 – E1 – B3 = B1 - B2 - B3
Radioactief verval • Activiteit: A(t) = -dN/dt = lN (t) met N(t) het aantal radioactieve atomen • Oplossing: A (t) = A (0) e –lt l heet vervalconstante (in s-1) • Levensduur: t =1 / l Activiteit in Becquerel (Bq) = s-1 • Massa dragervrije radioactieve stof als activiteit bekend is: • N (t) = t A (t) , massa = N (t). atoommassa. u = N (t) . atoommassa / NA • Halveringstijd T1/2 : A (0) / 2 = A (T1/2) = A (0) exp { - lT1/2 } • Hieruit volgt: lT1/2 = ln (2) of T1/2 = ln (2) . t = 0,693. t • Alternatieve schrijfwijze verval: • e -lt = exp { ln (2) (- lt / ln (2) } = 2 –t /T1/2
Radioactieve vervalswijzen: b- verval Algemeen: AZ X ® AZ+1Y + e- + n Antineutrino is massaloos en heeft geen lading; vliegt vrijwel overal doorheen. Neemt wel een deel van de energie mee!
b+ verval en electronvangst • Electronvangst (Electron Capture): p + e-®n + n • Of algemeen: AZ X + e-® AZ-1Y + n • Electron komt uit een binnenschil en wordt gevolgd door Röntgen of Auger emissie. • Alternatief heet b+ verval: p®n + e+ + n • Of algemeen: AZ X ® AZ-1Y + e+ + n • Het positrone+ is het antideeltje van het electron en annihileert daarmee: e+ + e-® 2 hn • met hn = mec2 = 0,511 MeV Einstein!
a-verval • Zware kernen kunnen soms energie winnen door een a-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.
g-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 g-verval. Typerende energie: 1MeV. 57Co 270 d 57Fe EC 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) )
Inwendige (interne) conversie • In plaats van een g 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: a = Nce / Ng • Partiele conversiecoefficient aK , aL, etc. • Fractie gammaverval bij de-excitatie: 1/ (1+a) • Energie K-conversie electron: EK = Eg - BK
Kernsplijting • Zware kernen (bijvoorbeeld 235U en 239Pu) kunnen spontaan splijten wanneer ze een neutron invangen. • De brokstukken zijn niet altijd gelijk, met massaverdelingen rond 105 en 135. • Reden: nucleonen zijn veel sterker gebonden rond A=100 dan rond A=230, dus energiewinst.