Download
1 / 56
570 likes | 776 Views
Kjarneðlisfræði. Geislun og geislavirkni. Upphafið. Árið 1895 uppgötvar Wilhelm Röntgen röntgengeislun (X-geislun) – orkumikla rafsegulgeislun sem myndaðist við afhleðslu rafeinda.
E N D
Kjarneðlisfræði Geislun og geislavirkni
Upphafið Árið 1895 uppgötvar Wilhelm Röntgen röntgengeislun (X-geislun) – orkumikla rafsegulgeislun sem myndaðist við afhleðslu rafeinda. Árið 1896 uppgötvar H.Becquerel áður óþekkta geislun sem kom frá kristal sem innihélt Úraníum. Efnið sjálft gaf frá sér geislunina
Árið 1897 uppgötvar Marie Curie ásamt manni sínum Pierre Curie ný geislavirk efni (Th, Po og Ra). Geislunin var óháð hitastigi, þrýstingi og fasa efnisins en geislavirk efni losuðu orku. Árið 1911 gerir E. Rutherford sér grein fyrir að geislunin kemur frá kjarna atómsins.
Atómið Atómið hefur róteindir og nifteindir í kjarna en rafeindir á braut umhverfis. Kjarninn er afar lítill, þvermálið er ~10-14 m en þvermál atóms er ekki minna en ~10-11m Nær allur massi atómsins er í kjarnanum. Massi rafeindar er aðeins 1/1836 af massa róteindar.
Agnir atómsins Sérhver ögn atómsins hefur tákn sem er fyrsti bókstafurinn í ensku heiti agnanna: róteind = proton nifteind = neutron rafeind = electron Nifteindin er óhlaðin en róteind og rafeind hafa jafnstórar en gagnstæðar hleðslur (frumhleðslur). Því er: hleðsla p = +e = +1,602 · 10-19 C hleðsla e = -e = -1,602 · 10-19 C
Massi agnanna er mældur í atómsmassa-einingum sem er táknaður með u. Við getum sagt að massi róteinda og nifteinda sé um 1 u en massi rafeindar er minni, nálægt 0 u. Það er þó nálgun sem við sjáum af sjáum við af: mp = 1,672 · 10-27 kg = 1,007825 u mn = 1,675 · 10-27 kg = 1,008665 u me = 9,109 · 10-31 kg = 0,000548 u Þar sem: u = 1,661 · 10-27 kg
Við getum dregið helstu atriði um agnir atómsins saman í eftir farandi töflu:
Táknmál Við setjum upp heiti frumefnanna (A) með sætistölu (Z) og massatölu (M) á eftirfarandi hátt: Sætistalan er fjöldi róteinda í kjarna. Massatalan er samanlagður fjöldi róteinda og nifteinda í kjarna
Samsætur efna Samsætur kallast ólíkar gerðir sama frumefnis. Munurinn felst í ólíkum fjölda nifteinda í kjarna og þar með er massi samsætanna ekki sá sami.
Stöðugleiki kjarnans Kjarnar eru misjafnlega stöðugir. Sumir er mjög stöðugir og haldast alltaf óbreyttir. Aðrir eru óstöðugir og brotna upp eftir einhvern tíma. Hvort kjarni er stöðugur eða óstöðugur ræðst af hlutfalli p og n í kjarnanum.
Fjöldi róteinda og nifteinda ræður því hvort kjarni er stöðugur eða ekki. Þeir verða frekar stöðugir ef fjöldinn er slétt tala.
Fyrir léttari kjarna gildir að þeir eru stöðugir ef fjöldi nifteinda er sá sami og fjöldi róteinda. Fyrir þyngri kjarna þurfa nifteindirnar að vera fleiri. Engir stöðugir kjarnar eru með hærri sætistölu en 83.
Bindiorka Massi róteindar er mp = 1,672 · 10-27 kg. Massi rafeindar er mn = 1,675 · 10-27 kg. Samanlagður massi tveggja róteinda og tveggja nifteinda er þá m = 6,694 · 10-27 kg. Massi He-kjarna er m = 4,0026 u = 6,648 · 10-27 kg. Mismunurinn er m = 4,57 · 10-29 kg.
Mismunur á massa frjálsra agna og agna bundinna í kjarnannum er vegna þess að hluti massans verður að orku sem heldur kjarnanum saman, þ.e. bindiorku. Almennt má reikna bindiorku kjarna með því að reikna fyrst massamuninn: m = Zmp + Nmn – mA Þar sem Z er fjöldi róteinda (sætistala) og N er fjöldi nifteinda. Massi atómkjarnans er mA.
Síðan notum við jöfnuna: E = mc2 til að finna hvað massinn svarar til mikillar orku. Þetta gefur: E = mc2 = ( Zmp + Nmp – mA) c2 Bindiorkan er sú orka sem þarf til að til skilja kjarneindir fullkomlega í sundur.
Þegar bindiorka er reiknuð er massarýrnunin það lítil að nálgun massans gengur ekki. Þá notum við að: mp = 1,672 · 10-27 kg = 1,007825 u mn = 1,675 · 10-27 kg = 1,008665 u me = 9,109 · 10-31 kg = 0,000548 u Þar sem: u = 1,661 · 10-27 kg. Massarýrnunin er þá reiknuð í atómmassa-einingum.
Við getum dregið helstu atriði um agnir atómsins saman í eftir farandi töflu:
Massarýrnun er oftast mæld í atómmassa-einingum (u). Þá má nota að: 1u = 931,5 MeV /c2 Og að: mp = 1,007825 u og mn = 1,008665 Dæmi: Massarýrnunin fyrir He-kjarna er: m = 2 · 1,0078 + 2 · 1,0087 – 4,0026 = 0,0304 u E = 931,5 · 0,0304 = 28,3 MeV.
Kjarnahvörf og bindiorka Við kjarnaklofnun og kjarnasamruni myndast stöðugri kjarnar en voru fyrir. Við samruna losnar meiri orka á kjarneind og þar með á kg, en við klofnun losnar meiri orka á hvert atóm.
Geislavirkni Óstöðugir kjarnar brotna upp eftir einhvern tíma og kallast það ferli hrörnun. Við hrörnunina myndast úr upphaflega kjarnanum (móðurkjarni) nýr kjarni (dótturkjarni) auk lítillar agnar sem þeytist frá dótturkjarnanum á miklum hraða.
Efni sem innihalda óstöðuga kjarna og geta hrörnað eru sögð vera geislavirk. Litlu agnirnar sem losna eru geislunin frá efninu. Geislun eru flokkuð eftir því úr hvernig ögnum geislunin er.
Tegundir geislunar • Alfageislun: Agnirnar sem losna eru alfaagnir en það eru í raun He-kjarnar sem eru tvær róteindir og tvær nifteindir. Geislunin verður til vegna fráhrindikrafta milli jákvæðra hleðsla – Coulomb kraftur
Alfaagnir eru stórar agnir sem komast stutt í efni án þess að rekast á atóm. Hversu langt þær fara er háð orku geislunar og þéttleika efnisins. Mjög líklegar til að jóna efnið sem þær lenda á. QF = 20 Orkumiklar -agnir skilja eftir slóð jónaðra agna. Agnirnar eru allar álíka orkumiklar og fara álíka langt.
Betageislun: Agnirnar sem losna eru betaagnir en það eru í raun rafeindir. Rafeindirnar myndast í kjarna við það að nifteind hrörnar í rafeind og róteind. Dótturkjarninn hefur því hærri sætistölu en móðurkjarninn.
Betaagnirnar eru fremur litlar agnir sem komast tiltölulega langt án þess að rekast á önnur atóm. Vegalengdin sem þær fara er háð orku geislunar og þéttleika efnisins. Orkumiklar rafeindir jóna fjölmörg atóm á leiða sinni gegnum efnið. Hafa tiltölulega mikla jónunarhæfni og þar með er skaðsemi þeirra mikil. Orka betaagna fyrir tiltekna hrörnun er ekki alltaf sú sama heldur dreifist yfir orkubil – gerist vegna fiseinda sem myndast við hrörnunina og taka hluta orkunnar.
Tvenns konar -geislun er til. Í fyrsta lagi er það geislun þar sem rafeind myndast við hrörnun nifteindar í kjarna en henni fylgir alltaf andfiseind. Í öðru lagi er til jáeindageislun. Þá myndast ekki rafeind heldur andeind rafeindar sem er jáeind. Við síkt ferli myndast einnig fiseind. Jáeindargeislunin verður til þegar róteind í kjarna hrörnar í rótreind og rafeind.
Af ofangreindu sjáum við að við -geislun myndast alltaf tvær efnisagnir og ein andögn. Samfara -geislun er því alltaf fiseindageislun. Dæmi um -geislun er hrörnun I-131:
Gammageislun: Gammaagnir eru orkumiklar ljóseindir og gammageislun því rafsegulgeislun. Geislunin myndast þegar kjarnar aförvast með því að geisla frá sér orku sem rafsegulgeislun eða ljóseindir. Gammaagnir eða ljóseindir eru massalausar og óhlaðnar. Þær flytja því aðeins orku frá kjarnanum
Þegar og geislun myndast er dóttur-kjarninn í örvuðu ástandi. Hann kemst í grunnástand með því að geisla frá sér gamma-ögnum. Gammageislun fylgir því með og geislun.
Gammaagnir jóna á annan hátt en og agnir þ.a. hver ögn jónar aðeins eitt atóm. Jónunarhæfni þeirra er því mun minni. Hins vegar er erfiðara að skýla fyrir geisluninni. Styrkur geislunar fellur með fjarlægð í réttu hlutfalli við 1/r2 þar sem r er fjarlægðin.
Nifteindageislun. Við hrörnun ýmissa kjarna losna nifteindir sem mynda nifteindageislun. Dæmi um losun nifteinda er hrörnun Úran þar sem frjálsar nifteindir gegna lykil-hlutverki í að viðhalda kjeðuverkun.
Helmingunartími Ekki er hægt að segja til um hvenær tiltekinn óstöðugur kjarni hrörnar. Aðeins er hægt að segja til líkurnar á að það gerist innan einhvers tímabils. Hins vegar er hægt að segja til um eftir hve langan tíma tiltekinn fjöldi kjarna í sýni hefur hrörnað. Viðmiðunar gildi fyrir þann tíma er helmingunartíminn.
Helmingunartími segir eftir hve langan tíma helmingur af óstöðugum kjörnum hefur hrörnað. Helmingunartími fyrir C-14 er um 5600 ár. Það merkir að á 5600 árum hrörna helmingur C-14 kjarna í sýni. Fyrir sérhvern helmingunartíma sem líður helmingast fjöldi óstöðugra kjarna. Það má nota til að búa til jöfnu fyrir fjölda óstöðugra kjarna í sýni eftir einhvern tíma.
Ef No er upphaflegi fjöldi kjarnanna og N er fjöldi eftir tímann t þá má skrifa: Þar sem T1/2 er helmingunartími efnisins. Hlutfallið t/T1/2 gefur fjölda helmingunartíma sem hefur liðið. Sömu formúlu má fá út frá hrörnunarlögmálinu (Radiation decay law) (Aths)
Skaðsemi geislunar Skaðsemi geislunar felst í jónunarhæfni geislunarinnar. Skaðsemin getur falist í: • jónun efna í frumu sem getur leitt til dauða frumunnar • jónun erfðaefnis frumunnar sem skemmir DNA og það getur valdið stökkbreytingu, svo sem krabbameinum. • ef fruman er kynfruma getur stökkbreytingin komið fram í afkomendum
Tjónið sem geislunin veldur er mjög háð magni þeirra geislaagna sem lenda á efninu. Þrír lykilþættir eru: 1. Tími sem geislun varir, því styttri tími því minni líkur á tjóni. 2. Fjarlægð frá geislagjafa, geislunin fellur mjög ört með fjarlægð. 3. Styrkur geislunar, veik geislun þýðir færri agnir og minni líkur á tjóni.
Áhrif geislunar á mannslíkamann • Smásæ áhrif jónandi geislunar • Bein og óbein áhrif á DNA – DNA er mjög viðkvæmt fyrir geislun • Bein áhrif – geislunin veldur sjálf skemmdum á DNA • Óbein áhrif – geislunin jónar efni umhverfis DNA og efnin sem myndast skemma DNA • Skemmdir í frumum sem leiða til: • Dauða frumunnar • Lifandi frumu sem skiptir sér en hefur breytta erfðafræðilega þætti
Stórsæ áhrif jónandi geislunar er m.a. • Myndun og hugsanleg örvun krabbameins • Erfðagallar • Ófrjósemi • Staðbundinn skaði á yfirborði líkamans, brunasár, húðroði • Vagl, ský á auga • Skaði á blóðmyndun
Bakgrunnsgeislun Í umhverfi okkar er ávallt einhver geislun. Sú geislun kemur frá geislavirkum efnum í umhverfinu og utan úr geimnum. Hluti af geisluninni er af völdum mannsins, t.d. vegna orkuframleiðslu og lækningatækjum. Á Íslandi er bakgrunngeislunin fremur lág vegna þess hve lítið er af geislavirkum efnum í bergi.
Hagnýting geislavirkra efna Hagnýting geislavirkra efna og geislunar er með mismunandi hætti. Sem dæmi má nefna: • Kjarnaklofnunarver • Kjarnasamrunaver • Gerilsneyðing matvæla • Til lækninga
Kjarnaklofnunarver Kjarnaklofnunarver nota orkuna sem losnar við klofnun U-kjarna til framleiðslu raforku. Lykilatriði í ferlinu er keðjuverkunin. Til að örva hrörnunina er n skotið á U kjarnann, myndast þá mjög óstöðug samsæta sem klofnar strax. Við það myndast nýjar n sem rekast á nýja kjarna.
