Elementy fizyki jądrowej

1. Elementy fizyki jądrowej Wykład 2. dr Dorota Wierzuchowska, dw7@onet.eu

2. Promieniotwórczość Zdolność jąder atomowych do ulegania przemianom jądrowym nazywamy promieniotwórczością (radioaktywnośćią). • Reakcje jądrowe spontaniczne- promieniotwórczość naturalna • Reakcje jądrowe wymuszone- promieniotwórczość „sztuczna”

3. Promieniowanie alfa Rozpad alfa (przemiana α) - przemiana jądrowa, w której emitowana jest cząstka α (jądro helu42He2+). Strumień emitowanych przez rozpadające się jądra cząstek alfa to promieniowanie alfa. W wyniku tej reakcji powstające jądro ma liczbę atomową mniejszą o 2, a liczbę masową mniejszą o 4 od rozpadającego się jądra.

4. Promieniowanie beta Rozpad beta to przemiana nukleonu w inny nukleon, zachodząca pod wpływem oddziaływania słabego. Wyróżniamy następujące rodzaje tego rozpadu: rozpad β − (beta minus) rozpad β + (beta plus) wychwyt K.

5. Promieniowanie beta minus Rozpad β-- polega na przemianie neutronu w proton z emisją elektronu i antyneutrina elektronowego według schematu:

6. Promieniowanie beta plus Rozpad β − polega na przemianie w jądrze atomu protonu w neutron z emisją pozytonu i neutrina elektronowego według schematu:

7. Wychwyt K Wychwyt elektronu - przemiana jądrowa, w której jeden z elektronów atomu jest przechwytywany przez proton z jądra atomowego, w wyniku czego powstaje neutron (pozostający w jądrze) i neutrino elektronowe, które jest emitowane.

8. Promieniowanie gamma Promieniowanie gamma to wysokoenergetyczna forma promieniowania elektromagnetycznego powstające w wyniku przemian jądrowych, o energii kwantu większej od 10 keV, co odpowiada częstotliwości większej od 2,42EHz (eksaherc 1018 herca), a długości fali mniejszej od 124 pm, jonizujące i przenikliwe.

9. Rozpad promieniotwórczy tak jak wiele procesów w przyrodzie, np. pochłanianie promieniowania w materii, zanik aktywności promieniotwórczej, spadek amplitudy drgań tłumionych, spadek natężenia prądu (przyrost ładunku) przy ładowaniu kondensatora, proces ostygania, opisany jest funkcją eksponencjalną. Funkcja eksponencjalna y=e-lt Liczba e=2.71828183 jest podstawą logarytmów naturalnych. Jeżeli x = ey to ln(x) = y

10. Prawo rozpadu promieniotwórczego • Dla każdego jądra promieniotwórczego istnieje określone prawdopodobieństwo l, że ulegnie ono przemianie promieniotwórczej w danym czasie. • Liczba atomów dN, które rozpadną się w ciągu krótkiego czasu dt wynosi: dN=- Nl dt • Jeżeli No to liczba atomów w chwili t=0, to po czasie t pozostanie N(t) atomów jakie się nie rozpadły N(t)= Noe- lt

11. Okres połowicznego rozpadu Jest to czas T po jakim rozpadnie się połowa jąder istniejących w chwili czasu t=0. No/2= Noe- lT 2= elT skąd T=ln2/l= 0.693/l T zawiera się w granicach od 3x10-7s do 1,4x1027 lat

12. Aktywność A Aktywność jest to liczba przemian jądrowych DN zachodzących w czasie Dt A=DN/Dt Jednostką aktywności w układzie SI jest 1bekerel -Bq. Aktywność 1Bq ma preparat w którym zachodzi w czasie 1s jeden rozpad. • Aktywność próbki maleje w czasie t zgodnie z równaniem: A(t)= Aoe- lt = Aoe- 0,693t/T

13. Statystyczny charakter zjawiska rozpadu promieniotwórczego Ilość obserwowanych w czasie rozpadów promieniotwórczych (zliczeń licznika) podlega przypadkowym zmianom. Obserwujemy fluktuacje ich liczby wokół pewnej wartości średniej. Własności niektórych zjawisk fizycznych np. rozpadów promieniotwórczych, możemy badać na podstawie częstości ich występowania.

14. Zjawiska podlegające rozkładowi Poissona spełniają nast. warunki: • Liczba zdarzeń określonego rodzaju obserwowanych w jednostce czasu może przyjmować tylko wartości dyskretne (zmienna nieciągła). • Badane zdarzenia zachodzą w czasie (lub przestrzeni) niezależnie od pozostałych zdarzeń • Prawdopodobieństwo danego zdarzenia rośnie ze wzrostem czasu obserwacji (pola obserwacji).

15. Rozkład Poissona Jeżeli średnia ilość obserwowanych rozpadów jest niewielka, to prawdopodobieństwo, że w czasie t zajdzie n zdarzeń wynosi: P(n,t) = e-ltN ltN jest równejest średniej liczbie zdarzeń w czasie t

16. Własności rozkładu Poissona • -średnia ilość zdarzeń jest jedynym parametrem charakteryzującym rozkład Poissona. • Niepewność jest równa i jednoznacznie określa rozrzut (fluktuacje) liczby zdarzeń wokół wartości średniej. • Rozkład Poissona jest rozkładem wyraźnie asymetrycznym dla <10 Dla dużych wartości średniej rozkład Poissona staje się rozkładem symetrycznym, a jego własności są bliskie własnościom rozkładu Gaussa.

17. Rozkład Poissona

18. Rozkład Gaussa p(m)=

19. Własności przypadkowych niepewności pomiarów • prawdopodobieństwo uzyskania wyniku xi większego od wartości rzeczywistej o mi jest takie samo jak prawdopodobieństwo uzyskania wyniku mniejszego o taką samą wartość, • prawdopodobieństwo wystąpienia niepewności o wartości m maleje wraz ze wzrostem wartości m, prawdopodobieństwo to maleje do zera wraz ze wzrostem m do nieskończoności, • największe jest prawdopodobieństwo wystąpienia niepewności m = 0.

20. Odchylenie standardowe Parametr s ma sens odchylenia standardowego, które charakteryzuje wielkość rozrzutu wyników pomiarów xi wokół wartości rzeczywistej xrz. s=

21. Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią • Jonizacja • Wzbudzenie optyczne (fluorescencja i fosforescencja) • wtórne rentgenowskie promieniowanie charakterystyczne • Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne • Zjawisko Comptona • Rozpraszanie • Tworzenie par

22. Oddziaływanie promieniowania g z materią • zjawisko fotoelektryczne, • rozpraszanie: efekt Comptona, rozpraszanie Rayleigha, • tworzenie par elektron – pozyton.

23. W wyniku absorpcji kwantu przez atom ośrodka znika on, przekazując całą swą energię jednemu z elektronów powłoki leżącej w sąsiedztwie jądra. Powstaje fotoelektron o energii kinetycznej Ek, a także zjonizowany atom. Zachodzi ono z największym prawdopodobieństwem dla elektronów znajdujących się na powłoce K, natomiast nie zachodzi dla elektronów swobodnych. Zjawisko (efekt) fotoelektryczne

24. Rozproszony foton zmienia kierunek i energię Efekt Comptona polega na sprężystym rozpraszaniu kwantów (g i X) na elektronach swobodnych lub słabo związanych w atomie (gdy energie kwantów promieniowania znacznie przekraczają energie wiązania elektronów). Energia rozpraszanych kwantów zależna jest od kąta rozproszenia a. Rozpraszanie g na elektronach swobodnych

25. Rozpraszanie g na elektronach związanych W przypadku, gdy energia rozpraszanych fotonów jest znacznie mniejsza od energii wiązania elektronów, rozpraszanie zachodzi na całym atomie i mamy do czynienia z tzw. rozproszeniem Rayleigha. Energia wzbudzenia wypromieniowana jest w postaci kwantu o nie zmienionej częstości. Zmianie ulega tylko jego kierunek. Prawdopodobieństwo rozproszenia pod danym kątem zależne jest od energii kwantu.

26. Do absorpcji kwantu i kreacji pary elektron-pozyton może dojść gdy spełnione są następujące warunki: Energia kwantu g jest większa od sumy energii spoczynkowych elektronu i pozytonu (E≥0,511MeV + 0,511 MeV) Obecna jest jeszcze jedna cząstka, aby mogła być spełniona zasada zachowania pędu oraz energii. Tworzenie pary elektron-pozyton

27. Ślady w komorze Wilsona. Komora umieszczona jest w polu magnetycznym, które powoduje odchylenie elektronu i pozytonu w przeciwne strony. Kwant gamma, z którego para powstała, nadleciał z dołu. Fotografia F. Joliot, uzyskana około 1932 roku, a zinterpretowana poprawnie dopiero po odkryciu pozytonu przez C. Andersona. Pierwsza fotografia kreacji pary elektron - pozyton

28. Oddziaływanie promieniowania korpuskularnego z materią Cząstki naładowane: • Jonizacja bezpośrednia poprzez oddziaływania kulombowskie • Wzbudzenie optyczne i rentgenowskie Cząstki nienaładowane: • Jonizacja wtórna • Powstawanie jonizujących jąder odrzutu • Zapoczątkowanie reakcji rozszczepienia, rozpraszanie niesprężyste, wychwyt

29. Pochłanianie promieniowania Oddziaływanie z jądrami i elektronami ośrodka (absorpcja lub rozpraszanie) powoduje usuwanie kwantów z przechodzącej wiązki, a tym samym jej osłabienie: I = I0exp(-μx) gdzie: I -natężenie wiązki po przejściu przez ośrodek o grubości x, I0 –natężenie początkowe wiązki, μ -liniowy współczynnik osłabienia, zdefiniowanym jako prawdopodobieństwo usunięcia fotonu z wiązki przypadające na jednostkę przebytej drogi.

30. Wyprowadzenie prawa absorpcji Jeśli przez dI oznaczymy ubytek cząstek po przejściu drogi o grubości dx, to jest on wprost proporcjonalny do dx i ilości cząstek padających I: dI=­Imdx co można zapisać: dI/I=­mdx

31. Całkowanie równania różniczkowego Otrzymane równanie całkujemy obustronnie w granicach: lewa strona- od Io do I, prawa- od 0 do x: ln(I)-ln(Io)=ln(I/Io)= -mx ln(I0/I)= mx z definicji logarytmu: emx =Io/I

32. Liniowy współczynnik pochłaniania Po zlogarytmowaniu równania stronami otrzymujemy zależność: ln(Io/I)=y=-mx Wykresem jest linia prosta przechodząca przez punkt (0,0), początek układu współrzędnych. Współczynnik kierunkowy m jest równy liniowemu współczynnikowi pochłaniania

33. Działanie promieniowania na organizmy żywe • Bezpośrednie- uszkodzenie cząsteczek i struktur np. zmiana kodu DNA, rozerwanie łańcucha polimerów. • Pośrednie- radioliza wody, produkcja wolnych rodników i wody utlenionej, utlenianie nienasyconych kwasów tłuszczowych, reakcje prowadzące do rozpadu białek, zakłócenie czynności życiowych, śmierć.

34. Radiobiologia Badanie skutków działania promieniowania na organizmy żywe Skutki mogą być • genetyczne- uszkodzenie DNA • somatyczne- bezpośrednie uszkodzenie komórek

35. Napromieniowanie organizmu może nastąpić poprzez źródła: • zewnętrzne- aparatura rentgenowska i izotopy wykorzystywane w medycynie, technice i przemyśle, zwiększona zawartość izotopów na niektórych terenach, promieniowanie kosmiczne • wewnętrzne- nuklidy które zostały wprowadzone do organizmu przypadkowo lub celowo przy wykonywaniu badań medycznych

36. Wrażliwość narządów na promieniowania jonizujące

37. Udział napromieniowania otrzymywanego z różnych źródeł

38. Ochrona przed skutkami działania promieniowania • Stosowanie osłon • Zachowanie bezpiecznej odległości od źródeł • Skrócenie czasu pracy ze źródłami promieniowania • Dozymetria • Badania okresowe

39. Detekcja promieniowania Detekcja opiera się na fakcie, że przy przechodzeniu cząstki naładowanej przez materię następują różnorodne oddziaływania i straty energii. Wzdłuż trajektorii cząstki powstaje wiele par elektron-jon i cząstek w stanie wzbudzonym. Odczytanie informacji w tym zawartej stanowi zadanie detektora.

40. Detektory promieniowania • Detektory aktywne, w których informacja o cząstkach pojawia się natychmiast • Detektory pasywne, z których informacja podlega obróbce zanim zostanie odczytana.

41. Detektory promieniowania • Detektory gazowe: licznik Geigera-Mullera, liczniki proporcjonalne, komory jonizacyjne, komory iskrowe • Detektory śladowe: klisze rentgenowskie i jądrowe, • Detektory luminescencyjne • Detektory półprzewodnikowe

42. Detektory półprzewodnikowe Elementem czynnym jest złącze p–n spolaryzowane w kierunku zaporowym. W wyniku przejścia cząstki w krysztale półprzewodnika powstają swobodne nośniki prądu elektrycznego. Są one zbierane na elektrodach a powstający krótkotrwały (rzędu kilkudziesięciu ns) impuls prądu jest wzmacniany i rejestrowany.

43. Dodatni biegun dodatni źródła odciąga elektrony obszaru N od złącza, a biegun ujemny odciąga dziury obszaru P od złącza, wobec czego w strefie złącza jest bardzo mało nośników ładunku elektrycznego, pozostają tylko jony nie przenoszące ładunku. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym

44. Detektory luminescencyjne W detektory luminescencyjnych promieniowanie pochłonięte w substancji czynnej powoduje przeniesienie elektronów w cząsteczkach do metatrwałego stanu wzbudzonego. Pod wpływem pewnych czynników, np. ogrzania, elektrony powracają do stanu podstawowego emitując światło o natężeniu proporcjonalnym do pochłoniętej dawki promieniowania.

45. Liczniki scyntylacyjne Licznik scyntylacyjny składa się z scyntylatora, który pochłania energię promieniowania jonizującego, a następnie emituje światło widzialne. Często do scyntylatora podłącza się układ rejestrujący i wzmacniający, najczęściej fotopowielacz. Układ scyntylator – fotopowielacz jest bardzo czuły, pozwala rejestrować szybkie zmiany strumienia cząstek w funkcji czasu.

46. Fotopowielacz służy do detekcji kwantów promieniowania elektromagnetycznego. Jest to podłużna szklana bańka próżniowa, wewnątrz której znajdują się elektrody:- emitująca elektrony fotokatoda - elektrody powielające zwane dynodami Foton padając na fotokatodę fotopowielacza uwalnia z niej elektron przyśpieszany następnie w polu elektrycznym i przy pomocy specjalnych elektrod skupiających kierowany na pierwszą dynodę. Elektron, uderzając w powierzchnię dynody, wybija z niej pewną liczbę elektronów wtórnych zależną od przyłożonego napięcia i materiału, z którego została wykonana. Ten proces wtórnej emisji elektronów powtarza się na kolejnych dynodach. W ten sposób wzmocniony sygnał może zostać zarejestrowany. Zasada działania fotopowielacza

47. Kiedy naładowana cząstka przechodzi przez scyntylator traci energię E na jonizację oraz wzbudzenia cząsteczek scyntylatora. Część tej energii (10% - 40%) zostaje wypromieniowana we wszystkich kierunkach w postaci kwantów światła. Zebrany na anodzie fotopowielacza ładunek jest funkcją energii, masy i ładunku padającej cząstki Schemat licznika scyntylacyjnego http://belle2.ifj.edu.pl/belle/detektory/licznik_scyntylator.htm

48. Detektory śladowe

49. Detektory cząstek alfa

50. Wizualizacja śladów cząstek alfa w materiale detektora następuje na skutek obróbki chemicznej lub elektrochemicznej. Ilość śladów proporcjonalna jest do stężenia radioaktywnego izotopu radonu w powietrzu.