05-nuklearna fizika...

Nuklearna fizika

Povijesni pregled• 1896. – rođenje nuklearne fizike; Henri Becquerel (1852.-1908.) otkrio radioaktivnost u uranovoj rudi

• 1898. – Pierre & Marie Curie: separacija Ra

• Rutherford – pokazao da postoji tri tipa zračenja; razvrstani prema naboju i sposobnošću prodiranja u materiju:alfa (jezgre He), beta (elektroni) i gama (visokoenergetski fotoni)

• 1911. Rutherford sa studentima Geigerom i Marsdenom izvodi niz eksperimenata s raspršenjem alfa čestica → rezultati su doveli do ideje da se jezgra atoma može smatrati točkastom masom i točkastim nabojem, i da se gotovo sva masa atoma nalazi u jezgri → kasnije je otkrivena i nova sila, nuklearna sila koja djeluje na jako malim udaljenostima reda 10-14 m, a na većim brzo pada na nulu

• 1933. - Joliot i Irene Curie otkrili umjetnu radioaktivnost• 1938. – otkriće nuklearne fisije; Hahn, Strassman, Meitner i Frisch• 1942. – razvoj prvog fisijskog reaktora, Fermi i suradnici

•1919. Rutherford i suradnici opazili prvu nuklearnu reakciju (bombardiranje dušika alfa česticama i dobivanje kisika)• 1932. – Cocroft i Walton prvi su puta ubrzali proton i stvorili nuklearnu reakciju

- Chadwick otkrio neutron

NUKLEARNA FIZIKA

Rutherfordovi eksperimenti raspršenja (1911. -1913.):

Rezultat:- najveći broj alfa čestica se raspršuje elastično (ista energija s kojom su upale)

- broj detektiranih čestica opada s kutom raspršenja- postoje i čestica koje se odbijaju unazad

Zaključak: Atom je uglavnom prazan prostor. U središtu atoma postoji centar sila (jezgra) u kojem je koncentrirana skoro cijela masa atoma s + nabojem.

Danas: Atom se sastoji od pozitivno nabijene jezgre i negativno nabijenog elektronskog oblaka.

Čime se bavi nuklearna fizika?

• Preklapanje s drugim granama znanosti• Interes nuklearne fizike

– Nuklearna sila– Nuklearna struktura– Nuklearne reakcije

Sile u jezgri:• gravitacijska sila – privlačna (zanemariva spram ostalih sila)• Coulombova sila – odbojna (samo između protona)• jaka nuklearna sila - privlačna (između nukleona: p-p, p-n, n-n)

• kratkog i konačnog dosega• jaka• 1935. – Yukawa – nuklearna sila kao posljedica izmjene čestice

(mezona) među nukleonima, koja ima ulogu propagatora sile

Nuklearna silafaktorjakosti

10-40

10-2

1

Yukavin potencijal:

- zaključio da postoji „U”-kvant, propagator nuklearne sile; nuklearna sila mora nadjačati odbojnu Coulombovu silu između protona, s dosegom sile od 2·10-15 m.

- potencijal opada brže od Coulombovog

Nuklearna struktura - građa atomske jezgreprotoni (1919.) i neutroni (1932. Chadwick)protoni - pozitivno nabijeni (1,6 .10-19 C), mase mp =1,6726 .10-27 kg

u = Atomska jedinica mase - Jedinica za masu u svijetu nukleona.

mu = u = 1,66053 . 10-27 kgmp = 1,007277 umn = 1,008665 u

Einsteinova relacija ekvivalencije mase i energije: 1u ima energiju:

( )22 27 81,66053 10 3 10 931,48uc MeV−= ⋅ ⋅ ⋅ =

neutroni - neutralni, mase malo teže od mase protona:mn =1,6750 .10-27 kg

u = Atomska jedinica mase. (def)= 1/12 mase ugljika C-12.

19 191 1,6 10 1 1,6 10eV C V J− −= ⋅ ⋅ = ⋅

enp mmm 1840, ≈

Građa atomske jezgre 2

Obilježavanje jezgri:

( )22 27 81,66053 10 3 10 931,48uc MeV−= ⋅ ⋅ ⋅ =2

2

938,26

939,55p

n

m c MeV

m c MeV

=

=

XAZ

X – oznaka za kemijski elementA – maseni broj (zbroj protona i neutrona)Z – redni broj (broj protona u jezgri) A = Z + N

Jezgru karakterizira broj protona (Z). Redni broj elementa.

Vodik – Najmanja jezgra.

Koliko ima različitih elemenata?

U prirodi postoji 92 elementa.Umjetno stvoreno još nekih 15-tak.

Izotopi – Jezgre istog rednog broja Z, a različitog broja neutrona N.


Da li to znači da postoji samo 107 jezgri? NE!!!

U prirodi postoji 92 elementa.Umjetno stvoreno još nekih 15-tak.

11 v kH odi−

21 deu jH teri−

31 tr jH ici−

Koliko postoji izotopa? Od 2 pa naviše.

10 11 12 13 146 6 6 6 6, , , , C C C C C

Vrlo često se za jezgru koristi ime NUKLID (određen s Z i N).


Karta nuklida:

Izotopi – Nuklidi istog rednog broja Z, a različitog broja neutrona N.

Izotoni – Nuklidi istog broja neutrona N.

Izobari – Nuklidi s jednakim ukupnim brojem nukleona A.Primjer:

13 136 7, C N

VAŽNO!Odstupanje od pravca Z = N!

Građa atomske jezgre 5Atomske mase – višekratnici vodikove mase, ali ima i izuzetaka

npr. prirodni klor ima masu 35,5

Uzrok? U prirodi imamo najviše izotopa 35Cl i 37Cl, i to u omjeru 3:1

Veličina atomske jezgreRazličiti nuklidi. Različita veličina.Eksperimenti. Većina jezgri je sfernog oblika.Gustoća unutrašnjosti jezgri je približno konstantna.

Polumjer jezgre je povezan s atomskim brojem. Empirička relacija:

1/30R r A=

r0 = 1,4 fm (femtometar = 1 fermi =1 fm = 10-15 m)

Veličina jezgri je oko 10-15 – 10-14 m.

Veličina atoma je oko 10-10 m.

Jezgra je do 100 000 puta manja od cijelog atoma!

Atom je većim dijelom PRAZAN PROSTOR!

Gustoća jezgre. 1017 kg/m3

Na krajevima blago opada.

Veličina atomske jezgre 2

Tko drži protone i neutrone zajedno?

Sile u jezgri:a) Jaka nuklearna sila – privlačna, kratkog dosegab) Coulombova sila, odbojna (samo između protona)STABILNOST jezgre – odnos jake nuklearne i Coulombove sile

Neutroni u jezgri?

Neutroni "razrjeđuju" elektrostatsko odbijanje protona!

Lagane jezgre. Stabilne kada je N = Z ,... , , 168

147

126 ONC

Nuklearne sile Pokazuju svojstvo zasićenja, tj. s povećanjem broja nukleona, one slabe.

Veličina atomske jezgre 3

Veći broj protona u jezgri. Vrlo veliko odbijanje! Jezgre se grade s većim brojem neutrona. Razlog odstupanja od pravca Z = N!

Modeli atomske jezgre

Jezgra – Vrlo složen sustav. Kvantnomehaničke jednadžbe se ne mogu egzaktno riješiti:Razlozi?

Nukleoni međusobno djeluju jakim nuklearnim silama, a one nisu točno poznate. Ne možemo uvrstiti potencijal u Schrödingerove jednadžbe. Nema egzaktnog rješenja.

Odustajemo?

Eksperimenti spašavaju stvar. Mjerenja pokazuju da se većina jezgri ponašaju kao jednostavni sistemi.

Jezgra se sastoji od velikog broja nukleona i sve one djeluju uzajamno.Drugim riječima nemamo središnju česticu (kao kod elektrona).

Nuklearni modeli – Pojednostavljeni mat. opisi atomskih jezgri.

Modeli atomske jezgre 2

Kolektivni modeli: Jezgra djeluje kao cjelina. Primjeri modela su:model kapljice, rotacijski model, ..

Modeli nezavisnih čestica: Nukleoni zadržavaju svoju individualnost.Primjer: Model ljusaka

Kolektivni modeli: Dovedemo li kvant energije izvana. Kvant se dijele po svim nukleonima. Nukleoni gube samostalnost.

Model kapljice

Kolektivni modeli: Jezgra djeluje kao cjelina. Primjeri modela su:model kapljice, rotacijski model, ..Eksperimenti. Uočena sličnost između nekih svojstava jezgri i ponašanja kapi tekućine. Jezgru promatramo kao kapljicu tekućine. Kap se može izdužiti, spljoštiti, periodički titrati, …Kod znatnih deformacija. Jezgra (kap) se može podijeliti u dvije manje kapi:

Model kapljice 2

Carl von Weisszaker (1935. g.) Semiempirijska formula mase jezgri

c = brzina svjetlostiZ = Broj protonaA = Atomski broj( )

2/3 2 1/331 22 2 2

2 1 3/ 4542 2

( )

2

p nbb bM Zm A Z m A A Z A

c c cbb A Z A A

c c

−

− −

= + − − + + +

+ − +

b1 – b5 = Konstante, čije se vrijednosti razlikuju za parno-parne, odnosno neparno-neparne jezgre.Koristimo gornju formulu da nađemo tzv. energiju vezanja:Ukupna energija jezgre = Energija protona + energija neurona + energija vezanja

2( )B p nE M Zm A Z m c⎡ ⎤− = − − −⎣ ⎦

"minus" Trebamo uložiti toliku energiju da razbijemo jezgru na sastavne dijelove.

Model kapljice 3

( )22/3 2 1/3 1 3/ 41 2 3 4 52BE b A b A b Z A b A Z A b A− − −= − − − − −

prvi član (volumni) = Odgovara energiji isparavanja kod tekućina. Razmjeran broju čestica.

2 2 2/304 4R r Aπ π=

drugi član = Popravak prvom. Uzima u obzir da su neki nukleoni na površini kaplje (energija vezanja manja), razmjerno s površinom:

treći član = Među protonima djeluju odbojne el. sile (kulonska energ.).

četvrti član = Uključuje u igru Pauliev princip isključenja

peti član = Uključuje u igru sklonost nukleona istog tipa da se vežu u parove.

Podijelimo gornju jednadžbu s brojem nuklona A:

: A

Model kapljice 4

( )22/3 2 1/3 1 3/ 41 2 3 4 52BE b A b A b Z A b A Z A b A− − −= − − − − −

Dobili smo prosječnu energiju vezanja po nukleonu!Grafički:

Za velike A. prosječna energija vezanja je skoro konstanta (8 MeV).

: A

( )21/3 2 4/3 2 7 / 41 2 3 4 52BE b b A b Z A b A Z A b A

A− − − −= − − − − −

Model ljusakaKolektivni modeli: Nisu mogli objasniti izrazitu stabilnost jezgri koje imaju po 2, 8, 28, 50, 82, 126 protona (ili neutrona), tzv. magični brojevi.Rješenje? M.G.Mayer, J.H.D.Jensen (1948.) Predložili da se pokuša slično kao s elektronima.Jezgra također ima energijske nivoe (ljuske). Stabilne jezgre su one kojima su popunjene vanjske ljuske.Matematički? Relativno složeno. Ideja: Jako uzajamno djelovanje svih nukleona zamijenili potencijalnom energijom, zajedničkom za sve nukleone. Kao da se nukleoni gibaju neovisno jedan o drugom.Eksperimentalni rezultati? Tražili da se uključi i snažno međudjelovanje spina i staze (LS).

Cijepanje nivoa. Zbog različitih mogućih orijentacija vektora J. Podljuska (n, l, j) može primiti najviše (2j+1) nukleona

J L S= +

Model ljusaka 2Model ljusaka: Veliki uspjeh u objašnjenju magičnih brojeva.

Model ljusaka: Nivoi neutrona i protona se međusobno razlikuju. Razlika je zbog elektrostatskih sila koje postoje samo kod protona.Model ljusaka: Objasnio i tzv. nuklearne mag. momente.

Energijska stanja protona i neutrona u modelu ljusaka:

Model ljusaka: Danas temelj za proračune stanja jezgri.

Dobar za tzv. lake jezgre i jezgre bliske magičnim brojevima. Problemi kod težih jezgri. Izdužene li spljoštene (kolektivna svojstva).

RADIOAKTIVNOSTBohrov model Povratak elektrona iz pobuđenih stanja. Emisija zračenja.Jezgra Također može biti pobuđena Emisija zračenja = Radioaktivnost

RADIOAKTIVNOST = Težnja jezgri ka stabilnijim stanjima.

Primjer: Energijska stanja za jezgru aluminija-28:

Zašto jezgre zrače? Žele doći u stabilnije stanje.Jezgre se zračenjem oslobađaju viška energije!

Danas: Oko 2000 nuklida. Stabilno samo 266!

Od 266 159 ih ima paran N, paran P 50 ih ima neparni Z i paran N53 ih ima paran Z i neparan N4 ih ima neparan Z i neparan N

Radioaktivnost 2

STABILNOST jezgre? – Odnos jake nuklearne i Coulombove sile

Lagane jezgre Stabilne kada je N = Z.

Srednje i teške jezgre – broj neutrona raste (da se ponište Coulombove sile). Stabilne jezgre one koje su bliže magičnim brojevima.

Radioaktivnost i zakon radioaktivnog raspada

Nestabilne jezgre Radioaktivan raspad u stabilnije stanje.

J. Becquerel (1896.) – Otkrio vrlo prodorno zračenje velike energije.

alfa Jezgra emitira jezgru helija (2 protona + 2 neutrona).

beta (-, + , elektronski uhvat) Jezgra emitira elektrone (pozitrone).

gama Obično prati alfu i betu. Emisija ostatka energije do stabilnog stanja.

Vrste zračenja jezgri:

P.Curie, M.Curie-Sklodowska Proučavali rudu urana. U uranu postoji "nešto" što šalje te zrake. Otkriće radija. RADIOAKTIVNOST.

Radioaktivnost i zakon radioaktivnog raspada 2

alfa – Karakteristika teških jezgri koje su prevelike da bi bile stabilne. Višak energije gubi se emisijom nukleona u obliku α – čestice. Primjer je raspad radija:

HeRnRa 42

22286

22688 +→

Radij nataložen u tijelu može izazvati rak kostiju

Jezgra radija = jezgra roditelj

Jezgra radona= jezgra potomak


beta – 3 vrste raspada:

−−+→ β01

11

10 pn

33 33 017 16 1Cl S β +

+→ +

beta minus – Jezgre s viškom neutrona. Energija se gubi pretvorbom neutrona u proton uz emisiju brzih elektrona.

Primjer: −−+→ β01

3517

3516 ClS

+++→ β01

10

11 np

beta plus – Jezgre s viškom protona. Energija se gubi pretvorbom protona u neutron uz emisiju pozitrona. Pozitron je čestica slična elektrona (tzv. antičestica), ali + nabijena.

Primjer:


22 0 2211 1 10Na e Na−+ →

elektronski uhvat – Pretvorba jezgre gdje se proton pretvara u neutron uhvatom elektrona iz K omotača.

gama – Obično nakon pretvorbe jezgre bilo α, bilo β zračenjem. γ – zraka je foton elektromagnetskog zračenja vrlo kratke valne duljine, koji nastaje prijelazom jezgre u stabilnije stanje. Slično kao kod elektrona: Jezgra prelazi iz višeg energijskog nivoa u stabilnije stanje. Razlika stanja se emitira kao γ zračenje.

Nuklearna karta

Nuklearna karta – Pogledamo atomske mase pojedinih jezgri i podijelimo ih s brojem nukleona.

Raspadi = Spuštanje u nuklearnu dolinu!

Vremenska ovisnost radioaktivnog raspada

NtN λ=

ΔΔ

−

eksperiment – Brzina raspada proporcionalna je broju N radioaktivnih atoma uzorka u nekom vremenu

λ – konstanta radioaktivnog raspada

dN dtN

λ= −

teNN λ−= 0

N0 = početni broj jezgriN = broj jezgri koje se još nisu raspaleλ = konstanta raspada

Za besk. male promjene: ∫

0 0

N t

N

dN dtN

λ= −∫ ∫0

ln0

N tN t

Nλ= −

0

ln N tN

λ= −

0

tN eN

λ−= Zakon radioaktivnog raspada

Vremenska ovisnost radioaktivnog raspada 2

Grafički:teNN λ−= 0

Postotak raspadnutih jezgara 50 % 75% 87,5 %

Vrijeme t1/2 2 t1/2 3 t1/2

Vrijeme poluraspada

20

2/1

NN

Tt

=

=

vrijeme poluraspada – Vrijeme potrebno da se raspadne polovica prvotnog broja jezgri, tj.

teNN λ−= 0

T1/2 – od nekoliko dijelova sekunde, do milijuna godina

2/10

0

2TeNN λ−= 2/1

21 Te λ−=

2/121ln Tλ−= 2/12ln Tλ−=−

λλ693,02ln

2/1 ==T

jod-131 (T1/2 = 2,3 h) ispitivanje funkcija štitne žlijezdekisik-15 (T1/2 = 2,1 min) respiracijaugljik-14 (T1/2 = 5730 g) starost fosila

Aktivnost uzorka

Aktivnost uzorka = Brzina kojom se smanjuje količina radioaktivne tvari.

teNN λ−= 0

1 Bg = bekerel = Jedan raspad u sekundi.

1 Ci = kiri = stara jedinica = aktivnost 1 g radija101 3,7 10Ci Bq= ⋅

( )0tdN dA def N e

dt dtλ−= = − = −

teNNA λλλ −== 0teAA λ−= 0

Aktivnost (Bq) Primjena1 prirodna aktivnost ljudskog tkiva

102 -105 dijagnostički testovi105 -108 tehnika skaniranja pacijenta107 -109 terapija karcinoma izotopima

1013 γ – izvori (radioterapija)1016 izvori za tehnološ. obradu zračenjem

Aktivnost se s vremenom eksponencijalno smanjuje.

Aktivnost uzorka 2Primjer:Dok je organizam (biljka, životinja, čovjek) živ, aktivnost radioaktivnog izotopa ugljika 14C u tijelu je stalno 250 Bq po kilogramu. Kad organizam umre, ne uzima više ugljik iz prirode, pa se količina 14C, zbog raspadanja, s vremenom smanjuje. Koliko je star drveni predmet čija je sadašnja aktivnost 190 Bq? Poluživot izotopa 14C iznosi T1/2 = 5370 godina.

teAA λ−= 01/ 2

0

5370250

190

T gA BqA Bq

==

=1/ 2

ln 2T

λ =

1/ 2

ln 2

0

tTA A e

−

=0 1/ 2

ln 2ln A tA T

= −

1/ 2 0lnln 2T At

A= 5370 250ln

0,693 190gt = 2126t g=

Umjetna radioaktivnostUmjetna radioaktivnost?

( ) ,A a B b ili A a b B+ = +

Da! Ako dovedemo jezgre dovoljno blizu jedna drugoj!

Nuklearne reakcije = Proces u kojemu se dvije jezgre, a i A približe jedna drugoj na udaljenost manju od dosega nuklearnih sila. Rezultat približavanja: Može doći do preraspodjele nukleona u tim jezgrama. Nastaju 2 nove jezgre, B i b.

A = Meta, uzorak koji se bombardiraa = Projektili kojima bombardiramo metuB = Novonastala jezgrab = Izlijeće iz mete

Umjetna radioaktivnost 2

( )14 17 14 177 8 7 8 ,N O p ili N p Oα α+ → +

1919. g. Prvi put ostvaren san alkemičara da iz srebra dobiju zlato!

Ne baš zlato, ali slično, da! Dušik je preveden u kisik!

1932. Prvi put dobiven neutron kao samostalna čestica:9 124 6Be C nα+ → +

Mehanizam kvantnomehaničkih procesa u jezgri je vrlo složen. Vrlo brze ili vrlo spore reakcije?Spore reakcije Nastaju složene jezgre, sudjeluju skoro svi nukleoni.

Može se raspasti na više načina (tzv. kanali reakcije), primjer:*27 1 28 24 4

13 1 14 12 2Al H Si Mg He⎡ ⎤+ → → +⎣ ⎦


Brze reakcije: Obično sudjeluje samo jedan ili par nukleona (izvan popunjenih ljusaka), tzv. direktne reakcije.Primjer: Projektil od jezgre otme jedan nukleon i odnese ga sa sobom, ili jezgra zadrži jedan nukleon od projektila.Raspršenje = Posebno mjesto među reakcijama. Reakcija u kojoj su jezgre prije i poslije reakcije iste.

Elastično raspršenje = Projektil i izlazna čestica imaju istu energiju.

Neelastično raspršenje = Kin. energija projektila se promijeni Jezgra ostane u pobuđenom stanju.

Alat za proučavanje reakcija: Zakoni očuvanja energije, količine gibanja, momenta količine gibanja, očuvanje ukupnog naboja, ukupnog broja nukleona, …


Q vrijednost reakcije (def): Razlika energija mirovanja na početku i kraju reakcije:

( ) ( ) 2A a b BQ m m m m c⎡ ⎤= + − +⎣ ⎦

Q > 0 Endotermna reakcija, zbiva se spontano.

Q < 0 Egzotermna reakcija. Samo ako projektil ima dovoljno veliku kinetičku energiju.

Nuklearna fisijaEksperiment: Spori neutron upada na tešku jezgru (A > 230). Jezgra ga apsorbira. Nastaje složena jezgra. Obično se raspada na dvije srednje teške jezgre + nekoliko neutrona.

1 2

1 2

*235 23692 92

A AZ ZU n U X Y nκ⎡ ⎤+ → → + +⎣ ⎦

Nuklearna fisija = Reakcija u kojoj se teška jezgra dijeli na dvije lakše jezgre i par neutrona.

Fragmenti fisije = Novonastale jezgre nakon fisije. Primjer fisije:

X, Y Fragmenti fisije = Moguće je više različitih parova fragmenata

Fragmenti fisije Obično daleko od linije stabilnosti. Nastanak novih beta i gama raspada.

Nuklearna fisija Izvor nuklearne energije! Energija = Razlici energijskih masa reaktanata i produkata fisije. (Δmc2)1 reakcija Može i do 200 MeV energije!

Nuklearna fisija 2Kontrolirana fisija 1942. Chicago: Danas u nuklearnim reaktorima.

Spori neutroni (tzv. termalni neutroni, energije oko 0,04 eV) Izazivaju fisiju. Nastaju novi neutroni, velike energije (oko 2 MeV).

Treba ih usporiti! (Inače bi "projurili".) Usporenje? S atomima neke tvari, tzv. moderator (tzv. teška voda, deuterij)

Kontrolirana fisija = Reducira se broj novonastalih neutrona.

Nekontrolirana fisija Broj novonastalih neutrona geometrijski se povećava. U vrlo kratkom vremenu se oslobodi vrlo velika energija.

NUKLEARNA BOMBA (pogrešno, atomska bomba).

Nekontrolirana fisija Černobil, FukushimaRezultat:

Nuklearna fisija 3

Fisija = Objašnjenje modelom kapljice:

Nuklearna elektrana: Princip rada:

Nuklearna fuzija

21 2

,0

14p el

Z Z eErπε

=

Nuklearna fuzija = Reakcija u kojoj se dvije lakše jezgre stapaju u jednu težu.Problem: Treba svladati jako elektrostatsko odbijanje među jezgama.

Rješenje = Početne jezgre moraju imati vrlo velike kinetičke energije.

Elektrostatska pot. energija dviju jezgri na udaljenosti promjera jezgre:

, 1 20,14 p elE Z Z MeV= ⋅

Za najlakše jezgre (Z1 = Z2 = 1) Pripadna temperatura: 3/ 2ET

k≅

139

23 1

0,14 1,6 10 103/ 2 1,38 10

JT KJK

−

− −

⋅ ⋅≅ ≅

⋅ ⋅

Vrlo visoka temperatura. Tvar prelazi u stanje plazme, mješavinu jezgri i elektrona.

Sunce – Fuzija glavni izvor energije!

Nuklearna fuzija 2Nuklearna fuzija = Energija dolazi kao razlika masa početnih i konačnih jezgri (Model nuklearne doline)!

Fuzija Oko 5 puta veća energija po reakciji!

Hidrogenska bomba (termonuklearna) Nekontrolirana fuzija.

Kontrolirana fuzija. Mogući izvor energije budućnosti.

2 2 31 1 22 2 3 11 1 1 1

H H He n

H H H H

+ → +

+ → +

Primjer mogućih reakcija:

Nuklearna energija – Glavni problemi sigurnost i otpad.

3,2Q MeV=

4,2Q MeV=

Ionizirajuća zračenjaα, β, γ Iz radioaktivnih raspada

Rendgensko zračenje Također vrlo opasno!

Neionizirajuća zračenja

Elektromagnetsko zračenje: jaka električna i/ili magnetska polja- dalekovodi, trafostanice, odašiljači (TV, radio, mobilna mreža), mobiteli,

Rendgensko zračenjeW Röntgen, 1895. – Pokusi s Crookesovom cijevi Uočio svjetlucanje komadića papira pokrivenog slojem fluorescentne barijeve soli.Papir se nalazio daleko od Crookesove cijevi koja je čak bila pokrivena neprozirnom kartonskom kutijom. Röntgen je zaljučio da iz mjesta na koje padnu katodne zrake izlazi neko novo zračenje. Ono pokazuje slične osobine kao i elektromagnetski valovi (ne može se svinuti ni električnim ni magnetskim poljem). Iz ovih osobina Röntgen je zaključio da to novo zračenje ima valnu prirodu. X-zračenje.

x – zrake = zrake vrlo velikih energija (104 eV)

mogu čak otkinuti elektron iz atoma

Rendgensko zračenje 2Danas Rendgensko zračenje nastaje udarom katodnog zračenja na neke čvrste tvari (najčešće na metale).

U spektru rendgenskog zračenja su uočene dvije komponente: tzv. kočno zračenje (kontinuirani spektar) i tzv. karakteristično zračenje(linijski spektar)

anoda – obično veliki Z

elektroni se jako ubrzaju (napon U), i udaraju u anodu

Elektroni se oslobađaju viška energije (kočenjem, sudarima)

Rendgensko zračenje 3

Detekcija x – zraka?

Temelji se na svojstvu da ioniziraju neutralne atome, ili zacrne fotografsku ploču.

Apsorpcija gama (fotonskog) zračenjaŠto se događa kada fotoni prolaze kroz neku tvar?

3 glavna procesa:

Fotoefekt: Foton upada na površinu metala. Sudara se s elektronom. Predaje mu svoju energiju. Foton nestaje (apsorbira ga elektron), a elektron može izići iz metala (ako je dobio dovoljno energije).

Zakon sačuvanja energije:Energija fotona = Rad za oslobađanje elektrona iz metala + Kinetička energija oslobođenog elektrona

2max

12i eh W m vν = +

Apsorpcija gama (fotonskog) zračenja 2

Comptonov efekt, A.H. Compton (1923.): Raspršenje rendgenskih zraka na elektronima. Na izlazu 2 komponente: Prva ima valnu duljinu jednaku upadnoj, a druga nešto veću valnu valnu duljinu

Eksperiment: Razlika valnih duljina ovisi o kutu raspršenja i proporcionalna je s (1 – cos θ).

( )' 1 cose

hm c

λ λ λ ϑΔ = − = −

Zakon sačuvanja energije + zakon sačuvanja količine gibanja:


Comptonov efekt: Objašnjenje:

Prilikom sudara fotona i elektrona, foton izgubi dio svoje energije. Zbog toga mu se smanji frekvencija (poveća valna duljina).

Promjena valne duljine relativno je mala. Ne možemo opaziti za vidljivu svjetlost, opaža se samo kod "tvrdih" zraka.


Efekt stvaranja para: Foton u blizini jezgre. Foton nestaje, a stvaraju se proton i pozitron.

Blizina jezgre? Moraju vrijediti zakoni sačuvanja. Jezgra preuzima moment.

e eγ − +→ +

Uvjet za nastanak para: Energija fotona mora biti najmanje 1,022 MeV (2mec2).


O čemu ovisi apsorpcija fotona?

d I d xI

μ= −

- O debljini uzorka- O vrsti tvari

"minus" = Intenzitet se smanjuje.∫

0

ln0

I xI x

Iμ= −

0

Iln xI

μ= −

0

LI eI

μ−= 0xI I e μ−=

Intenzitet prolaznog zračenja opada eksponencijalno, nikad se ne apsorbira u potpunosti.


Poludebljina = Debljina uzorka koja zaustavlja polovinu upadnog zračenja.

0

1 / 2

2II

x d

=

=0

xI I e μ−= 1 / 2002

dI I e μ−=

1 / 212

de μ−=1 / 2 ln 2dμ− = −

1 / 2ln 2d

μ=

Primjer:

Za x – zrake određene energije koef. apsorpcije u vodi je μ = 400 m-1 a u kalciju 1,57 104 m-1. Izračunajte u postocima apsorpciju x –zraka u 1 mm vode i debljinu sloja kalcija potrebnog da napravi isto smanjenje intenziteta.

0xI I e μ−=

1

4 11

4 0 01, 5 7 1 0

1

mm

x m m

μ

μ

−

−

=

= ⋅=

ln

0ln I xI

μ= 4,0101400 3 =⋅⋅= −

Za kalcij: 01 1ln I x

Iμ= 4,0= ⇒

51 4

0 , 4 0 2 , 5 1 0 2 51, 5 7 1 0

x m mμ−= = ⋅ =⋅

Primjena – rendgen ljudskog tijela, kosti i meso.

Interakcija ionizacijskog zračenja s materijom

1 eV = 1,6 10-19 J uobičajena jedinica u nuklearnoj fizici

1keV = 1000 eV 1 MeV=100000 eV

α čestice – monoenergijske, energije od 2 – 9 MeV

β čestice – nisu monoenergijske, energije od 0 – Emax.(neutrino)Emax za 3H je oko 18 KeV, a za 32P oko 1,7 MeV

γ čestice – monoenergijske, energije od 2 keV – 5 MeV

Djelovanje zračenja na materiju

normalno stanje atoma – energija elektrona u ljuskama minimalna

LeII μ−= 0

zračenje može pobuditi elektron u omotaču povratak u osnovno stanje uz emisiju zračenja (foton ili toplina)Velika energija zračenja može izbaciti elektron iz atoma – ionizacija.Rezultat ionizacije je postanak iona (+) i slobodnih elektrona (-).Svaka ionizacija uzme oko 35 eV.

α čestica od 3,5 MeV 105 ionskih parova

Domet:α čestice – nekoliko cm u zraku, zaustavlja ih tanki list papirab čestice –različito, najviše red veličine m.

γ čestice – ovisi o metarijalu (apsorpcija), red veličine cm, m

I0 = intenzitet upadnih zrakaμ = koeficijent apsorpcijeL = debljina tkiva

Djelovanje zračenja na materiju 2

Primjer:Linearni koeficijent apsorpcije biološkog tkiva za γ zrake energije 1 MeV jest 7 m-1. Izračunajte debljinu tkiva koja smanjuje intenzitet upadnih zraka na polovicu.

0xI I e μ−=

Za olovo je:

Olovo ima veliki koeficijent apsorpcije i zbog toga služi kao štit oko radiokativnih izvora.

2/17

0

1

IIMeVEm

=== −μ 0

02xI I e μ−= 2xeμ =

ln 2xμ = ln 2 0,693 0,17

x mμ

= = ≈

31/ 2

1

7,9 10

88

d m

mμ

−

−

= ⋅

=

Detektori zračenja

Kristalni detektori:- za detekciju prodornih rentgenskih i γ zraka- princip: γ zraka pogodi kristal (scintilacijski) koji onda zrači svjetlost koja se usmjerava u EM polje brojačPlinski detektori (Geiger – Mullerov brojač):- metalna cijev, žičane elektrode, tanki prozor- u cijevi je inertni plin (argon) koji inače ne vodi struju- ulaskom β čestica, dolazi do ionizacije (lavina) strujni impulsi- dobar za β čestice, ali γ prođe kroz njih

Doza zračenja

Izlaganje organizma zračenju – energija se akumulira

1 Gy ( 1 grej) = odgovara apsorbiranoj energiji od 1 džula po kilogramu tkivaDozni ekvivalent H – mjeri biološko oštećenje tkiva

1 Sv (sivert) dozni ekvivalent = apsorbirana doza . Q H = DQ

Q – faktor kvalitete (rizik od različite vrste zračenja)za tvrdo rentgensko zračenje i γ Q=1za neutronsko zračenje Q=2 -11za α čestice Q = 20

Doza zračenja 2

Primjer:Neutronska aktivacijska analiza je metoda kojom se može odrediti količina nekih elemenata u organizmu. Kada se tkivo zrači neutronima, neki stabilni atomi postaju radioaktivni, a količina potom izmjerenih γ zraka mjera je za količinu nekog elementa u tijelu. Ako su u postupku upotrijebljeni neutroni srednje energije 2,5 MeV i Q = 10, ocijenite koliko je apsorbiranih neutrona po kilogramu tkiva ako je za pacijenta dozni ekvivalent 5 10 -3 Sv. Pretpostavite da se svi neutroni apsorbiraju u tijelu.

MeVEVQ

SvH

5,210

105 3

==

⋅= −

GyQHD 4

3

10510105 −

−

⋅=⋅

==

19196

4

103,1106,1105,2

105 −−

−

⋅=⋅⋅⋅

⋅== kg

EDN

Radiobiologija i zaštita od zračenja

Kako zračenje djeluje na biološko tkivo?

Apsorbirana energija može izazvati kemijske promjene u stanici.

Posljedice:- smrt pojedine stanice ( u ekstremnim slučajevima i smrt organizma)- trajna modifikacija stanične strukture (promjena gena, pojava karcinoma)

Učinci zračenja na biološke molekule

Interakcija zračenja s tkivom se dešava na nivou molekule.

Apsorbirana energija može izazvati kemijske promjene u staniciionizacija molekula promjene u stanicama

Sisavci – 85 % vode glavni dio zračenja ide na molekule vode kemijske promjene na velikim molekulama (enzimi, proteini, nukleinske kiseline, polisaharidi,…)

Princip djelovanja:

−+ +→ eOHOH 22Prvi korak – primarna ionizacija

Neutralna molekula vode uhvati elektron−− →+ OHeOH 22

Dakle, 2 molekule vode daju 2 iona,−+ OHOH 22 i

Učinci zračenja na biološke molekule 2

Dakle, 2 molekule vode daju 2 iona,−+ OHOH 22 i

Raspad iona – nastanak radikala:−•−

•++

+→

+→

OHHOHOHHOH

2

2

reaktivni slobodni radikali (pokušavaju spariti svoj elektron u vanjskoj ljusci s elektronom iz drugog radikala. Kratko žive (10-5 s) i reagiraju različito.

•• OHH i

OHOHH 2→+ ••

2HHH →+ ••

Vodikov peroksid – oksidans – može izavati promjene u osjetljivim stanicama (kromosomi).....

22OHOHOH →+ ••

Prisustvo kisika – molekule osjetljivije na zračenje

Učinci zračenja na stanice

Stanica – osnovna životna jedinica

Učinci zračenja na stanicu

Smrt stanice Rast i promjena funkcije

mitotička smrt mitotički zastoj

interfazna smrt povećanje propusnosti membrane,mutacija gena,lom kromosoma

Radijacijska bolest i smrtnost životinja

KOŽA – osjetljiva i na male doze (crvenilo), velike doze plikovi, ispadaju dlačice, pojava raka kože

Organi ljudskog tijela najosjetljivi zračenju:

Posljedice zračenja na višestanične organizme:a) akutne – odmah vidljive (anemija, krvarenje, sklonost infekcijama, gubitak tj težine, sterilnost, smrt, …)b) kronične- javljaju se nakon nekog vremena (genetske mutacije, oštećenje embrija, izazivanje karcinoma, katarakt –zamućenje leće)

KOŠTANA SRŽ – u njoj se nalaze matične stanice koje se brzo dijele da bi održale broj stanica u krvi. Zračenje jako smanji broj stanica osjetljivost na infekcijeCRIJEVNE STANICE – dosta otporne, ali ako se oštete, ne obnavljaju se i bakterije prelaze u tijelo, ili voda prelazi u tijelo smanjenje težineSPOLNE STANICE – sterilnostČOVJEK – koštana srž i crijeva su najugroženiji, djeca najviše

Letalna doza

LD50/30 – doza zračenja cijelog tijela koja ubija 50 % životinja u roku 30 dana

letalna doza – pokazuje osjetljivost organizma na zračenje

Vrsta Letalna dozaLD50/30 (Sv)

Vrsta Letalna dozaLD50/30 (Sv)

pas 3,5 štakor 6-10

miš 4-6 žaba 7

majmun 6 daždevnjak 30

čovjek 6-7 puž 80-200

Ovisnost srednjeg vremena preživljavanja tipičnog sisavca o dozi zračenja

porast doze odumire: koštana srž – crijeva – živci - molekule

Kronične posljedice zračenja

Posljedice zračenja se mogu javiti i poslije mnogo, mnogo godina.

Primjer: mutacije gena, ili ozračen embrion ( za čovjeka je najopasnije od 2-7 tjedna nakon začeća jer se tada formiraju organi)

Karcinom – tumorska stanica nije pod kontrolom tijela stanice se razmnožavaju nekontrolirano

Karcinomi- dobroćudni – ciste i bradavice- zloćudni (maligni)- njihove stanice su sposobne da se odlijepe i tako formiraju izrasline u drugim dijelovima tijela

Liječenje karcinoma

Operativni zahvati ili ionizacijskim zračenjem

Stanice karcinoma su osjetljive na mitotičnu smrt - zračenjem izazivamo mitotičnu smrt

Opasnost – mogućnost oštećenja zdravih stanica

Rješenje: zračenje na više puta ili se zrači iz više smjerova tako da se okolne stanice oporave

Maksimalna dopuštena dozaprirodni izvori zračenja – kosmičko zračenje, radij, torij, uran, radon, …umjetni izvori zračenja- nuklearni reaktori, izvori za terapiju karcinoma, …

Srednja godišnja doza prirodnog zračenja je oko 1 mSv, a maksimalna dopuštena godišnja doza za ljude je 2 mSv.

Maksimalna dopuštena godišnja doza za ljude koji rade kod izvora zračenja je 50 mSv.

Umjetni izvor zračenja Srednja god. doza (μSv/god)

dijagnostička i terapeutska radiologija 250radioaktivne padaline 50profesionalna izloženost 3ostalo (svjetleći brojevi na satovima, TV, ..) <10

Ukupno: oko 310 (μSv/god)

Zaštita od vanjskih izvora zračenjaZaštita od zračenja se postiže udaljavanjem od izvora, te pomoću odjeće i kože. a) olovni, čelični, betonski štit

b) povećanje udaljenosti između izvora i tijela

c) boraviti što kraće kod izvora zračenja

Zaštita od unutrašnjih izvora zračenjaNesretnim slučajem, ili iz medicinskih razloga, proguta se radionuklid.Nema zaštite! Treba spriječiti unos u tijelo.

Načini unošenja radionuklida:

a) zrakom – radionuklid se zadrži u plućima, ili otopljen prijeđe u krv

b) hranom – radionuklid se apsorbira i prijeđe u krv

c) rana na koži –direktno u krv

Opasnost – neki se elementi talože u jednom mjestu

Zaštita od unutrašnjih izvora zračenja 2Kritični organi:

element kritični organ element kritični organH cijelo tijelo Zn jetraC mast Sr kosti

Na cijelo tijelo I štitna žlijezdaP kosti Au bubreziS testis Hg bubreziK mišići Po kostiFe slezena Ra kostiCo jetra

JAKO OPASNI: Radij, uran, radon (alfa)90Sr (beta) taloži se u kostima

Ugovor o neširenju nuklearnog oružja(NPT – Nuclear Non-Proliferation Treaty)

- Ugovor je zaključen 1968., a počeo vrijediti 1970.- RH je potpisnica Ugovora od 1992.- Ugovor je ratificiralo 187 država

- 5 nuklearnih sila: SAD, Rusija, UK, Francuska, Kina- nisu potpisnici NPT: Indija, Pakistan, Sjeverna Koreja, Izrael (?)- sumnja se da posjeduju nuklearno oružje- države koje su nekada posjedovale nuklearno oružje

05-nuklearna fizika...

Documents