biofizika - · pdf fileprirodna radioaktivnost elementi z > 83 se spontano raspadaju: ......
TRANSCRIPT
BIOFIZIKAFIZIKA MIKROSVETA− Nuklearna fizika
Akademik, prof. dr Jovan P. Setraj ci c
Univerzitet u Novom Sadu
Departman za fiziku PMF
Powered by LATEX 2ε! – p. 1/18
Nuklearna fizika
Atomska jezgra (dat ∼ 10−10 m , qat = 0 , mat)
Karakteristike
DIMENZIJE dj ∼ 10−15 m , qj = +Z e , mj . mat
SASTAV (me = 9, 1081 · 10−34 kg)mp = 1, 6731 · 10−27 kg , mn = 1, 6751 · 10−27 kg
OBELEZAVANJEA
ZX
Z − r.broj = broj protona, N − broj neutrona
A − maseni br. = br.nukleona: A = Z + N
OSOBINE r = r0
3√
A ; ρ ≈ 1017 kg/m3
Nuklearne sile − JAKE (NAJJACE) INTERAKCIJE
VRLO KRATKOG DOMETA • ELEKTRO-NEZAVISNOST
Defekt mase − energija veze nukleona Mj <∑
Mnukleona
∆M = Z mp + N mn − Mj , EV = ∆M c2
neutron
proton
1 – p. 2/18
Nuklearna fizika
Prirodna radioaktivnostElementi Z > 83 se spontano raspadaju: α, β i γ
VRSTE RA RASPADA
α− RASPAD (α ≡42He: 2p + 2n − stabilan!)
AZX −→α A−4
Z−2Y + 42He
23892
U → 23490
Th + 42He
22688 Ra → 222
86 Rn + 42He
Brzine do 107 m/s, jonizuju sredinu (do 105 pari jona), domet mali
β − RASPAD (β ≡
8
<
:
e−
e+: unutar-nukleonski: n →e− p, p →e+
n)
· ELEKTRONSKI RASPAD (N > Z): 10n → 1
1p + 0−1
e + ν − antineutrino!
AZX −→β− A
Z+1Y + 0−1e + ν
21083
Bi → 21084
Po + 0−1
e + ν
23490
Th → 23491
Pa + 0−1
e + ν
· POZITRONSKI RASPAD (N < Z): 11p → 1
0n + 01e + ν − neutrino!
AZX −→β+ A
Z−1Y + 01e + ν
116
C → 115
B + 01e + ν
137 N → 13
6 C + 01e + ν
Brzine 0 do c, manje jonizuju sredinu (do 104 pari jona), domet veci
1 – p. 3/18
Nuklearna fizika
Prirodna radioaktivnostγ − raspad
(γ ≡ foton EMZ: − opasan! λγ ∼ 10−11 m)Brzine c, slabo jonizuju sredinu, domet vrlo velik
ZAKON RA RASPADA
SMANJENJE BROJA/MASE
dN
dt= −λN ⇒ N = N0 e−λ t
VREME POLURASPADA
t = T : N =N0
2⇒ T =
ln 2
λ
SREDNJI ZIVOT τ =T
ln 2
N t( )
N0
T t2T 3T1/2 1/2 1/2
N /2
N /4
N /8
0
0
0
0
BROJNERASPADNUTIHRADIOAKTIVNIHJEZGARA
1 – p. 4/18
Nuklearna fizika
Prirodna radioaktivnostELEMENT RA zracenje E [MeV] T1/2
23892
U α 4,18 4,5·109 god
23090
Th α 4,69 8,0·104 god
21082
Pb β, γ 0,02 22 god
21084
Po α 5,30 140 dan
22286
Rn α 5,49 3,82 dan
21483
Bi α, β, γ 5,50 19,7 min
21081
Tl β 1,96 1,32 min
21484
Po α 7,58 1,64·10−4 s
Aktivnost A =
∣
∣
∣
∣
dN
dt
∣
∣
∣
∣
= λN ⇒ A = A0 e−λ t
⇒ t = τ lnA0
A − starost pomocu 14C
1 – p. 5/18
Nuklearna fizika
Vesta cka radioaktivnostBOMBARDOVANJE JEZGARA
Bombardovanjem projektilima (α, p, n, ...) izaziva se veštackatransformacija jezgara; stabilna (ne RA) prelaze u u nestabilna i RA:
42α + 14
7N → 18
9F → 17
8O + 1
1p − dokazano postojanje protona
42α + 9
4Be → 13
6C → 12
6O + 1
0n − dokazano postojanje neutrona
1 – p. 6/18
Nuklearna fizika
Vesta cka radioaktivnostNUKLEARNE REAKCIJE
Transformacije atomskih jezgara izazvane njihovim med—usobnim
delovanjem (sudarima; ukljucujuci i elementarne cestice kao projektile):
A1
Z1X +A2
Z2Y →A3
Z3Z +A4
Z4T
OPSTA SEMA
pri cemu vaze slede ce zakonitosti:
ZON: Z1 + Z2 = Z3 + Z4
ZOM, tj, broja nukleona:
A1 + A2 = A3 + A4
ZOE: EX + EY = EZ + ET ± Q
⊕ − EGZOTERMNE ⊖ − ENDOTERMNE
SVI TRANSURANI (Z > 92) SU DOBIJEMI VESTACKI − BOMBARDOVANJEM 23892
U
1 – p. 7/18
Nuklearna fizika
Vesta cka radioaktivnostFISIJA
ili CEPANJE teškog jezgra na fragmente
Pored SPONTANE fisije (A > 238)postoji i INDUKOVANA(posle reakcije sa nekom cesticom):
10n + 235
92U
8
>
<
>
:
→ 15057
La + 8335
Br + 3 10n
→ 14155
Cs + 9437
Rb + 2 10n
9
>
=
>
;
+ Q
ENERGIJA AKTIVACIJE
KRITICNA MASA
LANCANA REAKCIJA:
kontrolisana i nekontrolisana
n
n
n n
n
n
RA
/U/
RA
RA
RA
Fisioni proces (=) produkti: RA otpad + n=neutroni
1 – p. 8/18
Nuklearna fizika
Vesta cka radioaktivnostFUZIJA
ili SPAJANJE lakih jezgara
u teže, ... teško,Pored SPONTANE fuzije (na Suncu):21H +3
2He →1
1H +4
2He + Q
postoji i INDUKOVANAENERGIJA AKTIVACIJE ???
KRITICNA MASA ???
LANCANA REAKCIJA:kontrolisana (− još NE!!!)
i nekontrolisana ... Fuzioni proces (=) produkti: Alhemija + ___
C
C
C
C
C
C
Au
/PtZn
Fe
Cu
1 – p. 9/18
Nuklearna fizika
Jonizuju ce zra cenjeOne RA cestice i RA zra cenje koje izazivaju jonizaciju atoma,
molekula, ... sredine: α, β, γ, posebno protona i neutrona.
Joni stupaju u hemijske reakcije, ...
Neutronsko zra cenje (snop neutrona) izaziva i
sekundarno RA zra cenje u materiji kroz koju prode
DETEKCIJA I DOZIMETRIJA
DETEKTORI RA ZRACENJA
Instrumenti za registrovanje prisustva (prolaska) jonizujuceg zracenja· gasni: jon.cevi sa brojacem, npr. G−M· kristalni: sa fotoel.efektom; poluprov.
DOZIMETRI RA ZRACENJA
Ured—aji za kontrolu primljene doze jonizujuceg zracenja· licni: filmovi, ...· kolektivni: sa racunarom
1 – p. 10/18
Nuklearna fizika
Jonizuju ce zra cenjeBIOLOSKI EFEKTI RA OZRA CIVANJA
RA zra cenje snazno jonizuje molekule biolo skog sistema!
Najzastupljenija H 2O se razlaze na
slobodne radikale: H • i OH•,
grade ci H2O2 − jak oksidans.
Polimeri postaju nefunkcioni, zbog promene konfiguracije u
molekulima, pove cava se viskoznost sredine sve do stvaranja gela!
Posebno je jako negativan uticaj RA zra cenja
na celijski ciklus i u interfazi i u mitozi.
Zbog ovih efekata, zivotinje i ljudi su izlozeni
RADIJACIONOJ BOLESTI,
koja ima 2 oblika: akutni i hroni cni ...
1 – p. 11/18
Nuklearna fizika
Jonizuju ce zra cenjeDOZE ZRACENJA
APSORBOVANA: apsorbovana energija proizvoljne vrste jon.
zracenja po jedinici mase apsorbera:
D =dE
dm
»
Gy =J
kg
–
EKSPOZICIONA: kol. naelektrisanja svih jona nastalih jonizacijom
jedinice mase vazduha:
X =dQ
dm
»
C
kg
–
; 1 Gy = 26mC
kg
EKVIVALENTNA: opisuje efekte stetnog dejstva na biol. sisteme:
H = F N · D
»
Sv =J
kg
–
F i N su faktori odred—enog zracenja i dela biol.sistema
1 – p. 12/18
Nuklearna fizika
Jonizuju ce zra cenjePOSLEDICE DEJSTVA RA ZRA CENJA
NA CELIJSKOM NIVOU
VISOKE DOZE NISKE DOZE
smrt celije rast i promena funkcije
a) mitološka smrt a) mitološki zastoj
b) interfazna smrt b) povecanje propustljivosti menbrane
c) mutacije gena
d) kidanje hromozoma
1 – p. 13/18
Nuklearna fizika
Jonizuju ce zra cenjePOSLEDICE DEJSTVA RA ZRA CENJA
NA VISECELIJSKIM SISTEMIMA
POSLEDICA UZROK
anemija, krvarenje smanjenje broja eritrocita i trombocita
AKUTNI sklonost infekcijama,gubitak telesne mase
smanjenje broja leukocita,oštecenje sluznice creva i kože
sterilnost mitološka smrt spermatogonija
organska i opšta smrt razaranje CNS
genetska mutacija hemijska oštecenja nukl.kis.
oštecenje embriona zracenje u toku organogeneze
HRONICNI izazivanje karcinoma somatske mutacije
sterilnost mitološka smrt spermatogonija
kataraka zamucenje ocnog sociva
1 – p. 14/18
Nuklearna fizika
Jonizuju ce zra cenjeBRZINE ili JA CINE DOZA zbog cinjenice da intenzitet o ste cenje
biol. sistema zavisi od duzine ozra civanja − KUMULATIVNO DEJSTVO
IY =dY
dt, Y ≡ D, X, H
1 – p. 15/18
Nuklearna fizika
Jonizuju ce zra cenjeZASTITA OD RA ZRA CENJA
Postoje standardi koji definišu maksimalnu dozvoljenu brzinu (jacinu) doza
VRSTA Celo telo Kriti cni organi Ceo zivot
ozra civanja [mSv/god] [mSv/god] [Sv/život]
PROFESIONALNO 50,0 50,0 ÷ 300,0 2,00
POJEDINACNO 5,0 5,0 ÷ 30,0 0,30
STANOVNISTVO 1,7 1,7 ÷ 10,0 0,10
Pored toga, treba dodati i doprinos ostalih vidova zracenja:PRIRODNIH i VEŠTACKIH
kojima smo stalno izlozeni!!!
1 – p. 16/18
Nuklearna fizika
Jonizuju ce zra cenjeZASTITA OD RA ZRA CENJA
Postoje kriticno-ugroženiji organi organi na neke RA elemente
ELEMENT ORGAN ELEMENT ORGAN
H, Na celo telo Zn, Co jetra
C mast S testisi
K mi si ci I stitna zlezda
Fe slezina Au, Hg bubrezi
P, Sr kosti Po, Ra kosti
1 – p. 17/18
Nuklearna fizika
Jonizuju ce zra cenje
ZASTITA I
UPOTREBA
RA
ZRACENJA :
maligne celije
neotpornije na
RA ozra civanje
1 – p. 18/18