Wstęp do fizyki jądra atomowego/Promieniowanie i szeregi promieniotwórcze

Z Wikibooks, biblioteki wolnych podręczników.
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Wstęp do fizyki jądra atomowego
Wstęp do fizyki jądra atomowego
Promieniowanie i szeregi promieniotwórcze

Licencja
Autor: Mirosław Makowiecki
Absolwent UMCS Fizyki Komputerowej Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie
Email: zegarek(myślnik)odmierza(myślnik)czas(małpa)wp(kropka)pl
Dotyczy: książki, do której należy ta strona, oraz w niej zawartych stron i w nich podstron, a także w nich kolumn, wraz z zawartościami.
Użytkownika książki, do której należy ta strona, oraz w niej zawartych stron i w nich podstron, a także w nich kolumn, wraz z zawartościami nie zwalnia z odpowiedzialności prawnoautorskiej nieprzeczytanie warunków licencjonowania.
Umowa prawna: Creative Commons: uznanie autorstwa oraz miejsca pochodzenia książki i jej jakikolwiek części, a także treści, teksty, tabele, wykresy, rysunki, wzory i inne elementy oraz ich części zawarte w książce, i tą książkę, nawet w postaci przerobionej nie można umieszczać w jakikolwiek formie na czasopismach naukowych, archiwach prac, itp.
Autor tej książki dołożył wszelką staranność, aby informacje zawarte w książce były poprawne i najwyższej jakości, jednakże nie udzielana jest żadna gwarancja, czy też rękojma. Autor nie jest odpowiedzialny za wykorzystanie informacji zawarte w książce nawet jeśli wywołaby jakąś szkodę, straty w zyskach, zastoju w prowadzeniu firmy, przedsiębiorstwa lub spółki bądź utraty informacji niezależnie, czy autor (a nawet Wikibooks) został powiadomiony o możliwości wystąpienie szkód. Informacje zawarte w książce mogą być wykorzystane tylko na własną odpowiedzialność.


Aktywność źródła promieniotwórczego[edytuj]

Aktywność promieniowania[edytuj]

Aktywność źródła promieniotwórczego jest to iloraz ilości rozpadów w pewnym ściśle określonym czasie wyraża się:

(4.1)

Jeden Bekerel jest to jeden rozpad na sekundę . Jeden Kiur jest równy , wtedy .

Dawka promieniowania (DOZA) D pochłonięta[edytuj]

Dawkę promieniowania nazywamy ilość energii pochłoniętej przez daną masę wyrażoną przez:

  • 1 GREJ, tj. ,
  • 1 RAD, tj. ,
  • 1 RENTGEN, tj. - jest to dawka promieniowania, w którym 1 cm3 suchego powietrza wytwarza się ładunek elektryczny równej , wiadomo jednak: .

Dawka równoważna i skuteczna (dawki biologiczne)[edytuj]

Dawki równoważne skuteczne zależą od następujących czynników:

  • wielkości dawki pochłoniętej (D)
  • typu promieniowania wR
  • rodzajów narządów lub tkanek wT

a) Dawkę równoważną HR dla ściśle określonego promieniowania nazywamy iloczyn współczynnika skuteczności promieniowania wR i dawki promieniowania R pochłoniętego przez dany narząd (tkankę).

(4.2)
  • gdzie:
to dawka promieniowania R (pochłonięta przez dany narząd (tkankę) T).
współczynnik skuteczności.
Rodzaj promieniowania R
wR
kwanty γ1
elektrony β1
neutronu <10keV5
neutrony od 10 do 100keV10
neutrony od 100 do 200okeV20
cząstki α, ciężkie jony20

Jednostką HR jest 1 SIWERT=1Sv≡(wR=1)⋅1Gy. dla promieniowania γ D=1Gy, Hγ=1Sv, a dla promieniowania α przy tym samym dozie D, tzn. Hα=20Sv.

b) Dawkę skuteczną ET dla określonego narządu (tkanki) nazywamy iloczyn dawki równoważnej HR i współczynnika określajacego rodzaj narządu:

(4.3)
  • gdzie wT to wspóółczynnik wagowy poszczególnych tkanek.
Narząd lub tkanka
wT
gruczoły płciowe0,20
szpik kostny0,12
płuca0,12
żąłodek0,12
wątroba0,05
skóra0,01
kości0,01

Dla całego człowieka mamy normowanie dawki skutecznej równej wTcałk≡1.

c) Skuteczna dawka obiążająca E jest to dawka sumaryczna otrzymawana przez człowieka w ciagu pewnego czasu (maksymalnie 50 lat dla osób dorosłych i 70 lat dla dzieci)

Źródła napromieniowania[edytuj]

Przedstawimy tutaj źródła promieniowania, które dzielimy na promieniotwórczość naturalną, promieniowanie kosmiczne, ze względu na awarie reaktorów jądrowych i prześwietlenia kosmiczne.

Promieniotwórczość naturalna[edytuj]

Dawka napromieniowania wyniku promieniotwórczości naturalnej jest E=2,5mSv/rok. W skorupie ziemskiej jest 60 zródeł naturalnych radioaktywnych nuklidów plus produkowanych przez promieniowanie kosmiczne. Największy udział wkładowy wnosi , dla którego czas połowicznego zaniku jest T1/2=3,8d. Jego rozpad jest: . Eksploatuje się go z Ziemi, gdzie powstaje z rozpadu . W Stanach Zjednoczonych Ameryki (USA) aktywność średnia promieniowania w domach jest ok. 50 Bq/m3, a w powietrzu wynosi 1÷10BBq/m3, a w ciele człowieka znajduje się ok. 4kBq.

Promieniowanie kosmiczne[edytuj]

Dawka tego promieniowania rośnie wraz z wysokością, a wzrost wysokości o ok. 100m zwiększa dawkę na rok o ok. 11μSv. Dawka tego promieniowania jest .

Wybuchy jądrowe[edytuj]

W okresie 1945-1980 udało się wykonać 423 próby wybuchów w atmosferze, które spowodowały wytworzenie dużych ilości radioaktywnych nuklidów. Jego skuteczna dawka do roku 2000 jest ok. 4mSv. W wyniku wybuchów jądrowych główny udział mają z podanymi w nawiasie stałymi połówkowymi czasu rozpadu w latach: () - 69%, (30,2at) - 14% i (28,5lat) - 3.2%.

Energetyka jądrowa[edytuj]

Przedstawimy tabelkę dotyczące paliwa w energetyce jądrowej:

Radioaktywne produkty Kolektywna skuteczna dawka obciążająca w osobo-sivertach na rok i jeden GW mocy
wydobywanie uranu 0,5
produkcja paliwa 0,042
uwalnianie radioaktywnych nuklidów z reaktorów 4.16
przyrost zużytego paliwa 1,0
transport paliwa 0,003
ok. 5.7

Wszystkie elektrownie jądrowe na świecie produkują rocznie 400GW mocy na ok. 6mld miekszkańców, stąd skuteczna dawka na jednego człowieka na Ziemi jest równa ok. 0,4μSv/rok.

Awarie reaktorów jądrowych[edytuj]

Zostały udokumentowane i udowodnione 3 awarie reaktorów jądrowych, tzn.: pożar reaktora w Windscale w 1957 roku, częściowe stopienie rdzenia reaktora w Three Mile Island w 1979 roku oraz pożar i stopienie rdzenia reaktora w Czarnobylu w 1986 roku.

Awarie
Skuteczna dawka obciążająca całe ciało [osobo-Sv]
Zasięg skażeń
Windscale 100km
Three Mile Island 20 80km
Czarnobyl ZSRR 40%, Europa 57%

W Polsce wywołane katastrofą w Czarnobylu skażenie spowodowaną dawką obciążającą (przez 50lat) wynosi ok. 0,4÷2,2 mSv, a średnio 0,93 mSv, a w ciągu 1 roku ok. 0,31m Sv.

Ekspozycje medyczne[edytuj]

Diagnostyka medyczna jest przeprowadzana przy pomocy promieniowania X i radionuklidów wprowadzanych do organizmu oraz radioterapii. Największy wkład w prześwietleniach wnosi ok. 1mSv/rok dawki napromieniowania, a w Polsce jest 1,8 mSv/rok. Dla mieszkańca Europy dawka promieniowania jonizującego ze względu na naturalne promieniowanie jest 2,3 mSv/rok, a cywilizacyjne 1,22 mSv/rok, co daje razem 3,6mSv/rok. Główny udział napromieniowania mają naturalne źródła promieniowania i diagnostyka medyczna, tzn. ok. 90%.

Oddziaływanie procesów jądrowych z materią (e,α,γ) - działania biologiczne promieniowania jonizującego[edytuj]

a) skutki stochastyczne

W wyniku oddziaływania promieniowania z pojedynczymi komórkami z promieniowaniem jonizacyjnym lub przez wzbudzenie molekuł i atomów, w wyniku czego może to spowodować uszkodzenie DNA, które mogą doprowadzić do śmierci komórki, lub nawet jej mutacje, które mogą prowadzić do nowotworów złośliwych lub do zmian dziedzicznych. Pod pływem promieniowania jonizacyjnego 14Sv w populacji mieszkańców 10000 ocenia się, że jest 500 przypadków są to nowotwory, a na 50 przypadków zmiany genetyczne. Rozwój nowotworów rozwija się znacznie później niż napromieniowanie ciała. Najszybciej rozwija się białaczka ok. 2-5 lat. Skuteczna dawka obciążająca powstała w wyniku katastrofy Czarnobylu na 50 lat wynosi 0,9 mSv. Liczba zgonów (w Polsce mieszkańców jest ok. 40mln ludzi) jest równa ok. osób. Rocznie na nowotwory umiera ok. 70000 osób, a więc w ciągu 50 lat ok. 3,5 mln. osób.

b)skutki deterministyczne

Polega na przejściowym lub trwałym uszkodzeniu tkanek (śmierci organu), które następuje po przekroczeniu dawki progowej. Nie obserwuje się poważnych uszkodzeń organów poniżej 0,5 Sv.

  • Tabela dla dawki promieniowania równoważna na jeden rok dla poszczególnych części organizmu:
Jądratwała niepłodność ok. 3,5÷6,0 Sv
Jajnikitrwała niepłodnośćok. 2,5÷6,0Sv
OkoZmętnienieok. 0,5÷6,0 Sv
Szpik kostnyzachwianie funkcji krwinek0,5 Sv

Przestawimy teraz schemat dla przykładu , który oznacza śmierć 50% osób w ciągu 30 dni. Wysokie dawki promieniowania oznaczają śmierć danego osobnika lub w nim zmiany nowotworowe.

  • Tabela dla dawki promieniowania równoważna na jeden rok dla poszczególnych organizmów:
Śmiertelne dawki
wirusy5000Sv
Osa1000
wąż800
ryba8,5
nietoperz150
kard (roślina)10
szczur8
pies3
małpa5
człowiekod 2,5 do 3

Duże dawki napromieniowania na żywy organizmów może spowodować, że nastąpi śmierć lub niekorzystne zmiany nowotworowe w ciele tego osobnika.

Szeregi promieniotwórcze[edytuj]

Ciężkie nuklidy mogą być powiązane ze sobą genetycznie w tzw. szeregi lub rodziny promieniotwórcze. Warunkiem koniecznym, aby pierwiastek występował w szeregu jest, aby jego czas połowicznego zaniku T1/2 lub czas połowicznego zaniku nuklidów poprzedzających go był większy lub równy wiekowi Ziemi T1/2≥5⋅109lat. Ciężkie nuklidy mogą być powiązane ze sobą genetycznie w tzw. szeregi lub rodziny. Kolejno nuklidy występujące w danej rodzinie mają liczby masowe o różnicy cztery lub zero (w rozpadzie β liczba masowa A się nie zmienia, w rozpadzie α liczba masowa A zmienia się o cztery), jest ona wyrażona wzorem A=4n+s, gdzie s=0,1,2,3 jest to liczba charakteryzująca daną rodzinę.

Rodzina torowa s=0[edytuj]

Szereg rozpoczyna się izotopem toru 232Th o okresie połowicznego zaniku 14 miliardów lat, a kończy się izotopem stabilnym 208Pb. Szereg jest opisany 4n+0 i należy do niego czternaście izotopów nuklidów.

(4.4)
nuklid typ rozpadu czas połowicznego rozpadu uwolniona energia, MeV produkt rozpadu
Th 232 α 1,405•1010 lat 4,081 Ra 228
Ra 228 β- 5,75 lat 0,046 Ac 228
Ac 228 β- 6,13 h 2,124 Th 228
Th 228 α 1,913 lat 5,520 Ra 224
Ra 224 α 3,64 d 5,789 Rn 220
Rn 220 α 54,5 s 6,404 Po 216
Po 216 α 0,158 s 6,906 Pb 212
Pb 212 β- 10,64 h 0,570 Bi 212
Bi 212 β- 64,06%
α 35,94%
60,55 min 2,252
6,208
Po 212
Tl 208
Po 212 α 3∙10-7 s 8,955 Pb 208
Tl 208 β- 3,0 min 4,999 Pb 208
Pb 208 . trwały . .

Rodzina neptunowa s=1[edytuj]

Szereg rozpoczyna się 237Np o czasie połowicznego zaniku 2,1 miliarda lat, a kończy sie na stabilnym izotopie 209Bi. Szereg jest opisywany przez 4n+1 i należy do niego 13 nuklidów.

(ten szereg nie istnieje w naturze)
(4.5)
nuklid typ rozpadu czas połowicznego rozpadu uwolniona energia, MeV produkt rozpadu
Np 237 α 2,14•106 lat 4,959 Pa 233
Pa 233 β- 27,0 d 0,571 U 233
U 233 α 1,59•105 lat 4,909 Th 229
Th 229 α 7340 lat 5,168 Ra 225
Ra 225 α 14,8 d 0,36 Ac 225
Ac 225 α 10 d 5,935 Fr 221
Fr 221 α 4,8 min 6,3 At 217
At 217 α 32,3 ms 7,0 Bi 213
Bi 213 β-
α
46 min .
5,87
Po 213
Tl 209
Po 213 α 4,2∙10-6 s . Pb 209
Tl 209 β- 2,2 min 3,99 Pb 209
Pb 209 β- 3,25 h 0,644 Bi 209
Bi 209 . trwały . .

Rodzina uranowo-radowa s=2[edytuj]

Szereg rozpoczyna się nuklidem niestabilnym 238U o czasie połowicznego zaniku 4,5 miliadra lat, a kończy się na stabilnym ołowiu 206Pb. Szereg jest opisywany 4n+2 i należy do niego 16 nuklidów.

(4.6)
nuklid typ rozpadu czas połowicznego rozpadu uwolniona energia, MeV produkt rozpadu
U 238 α 4,51•109 lat 4,270 Th 234
Th 234 β- 24.10 d 0,273 Pa 234
Pa 234 β- 1,18 min 2,197 U 234
U 234 α 2,44∙105 lat 4.859 Th 230
Th 230 α 7,50∙104 lat 4,770 Ra 226
Ra 226 α 1622 lat 4,871 Rn 222
Rn 222 α 3,823 d 5,590 Po 218
Po 218 α 3,05 min 6,88 Pb 214
Pb 214 β- 26,8 min 1,024 Bi 214
Bi 214 β- 99,98%
α 0,02%
19,7 min 3,272
5,617
Po 214
Tl 210
Po 214 α 0,162 ms 7,883 Pb 210
Tl 210 β- 1,32 min 5,484 Pb 210
Pb 210 β- 22,3 lat 0,064 Bi 210
Bi 210 β- 99,99987%
α 0,00013%
5,0 d 1,426
5,982
Po 210
Tl 206
Po 210 α 138,375 d 5,407 Pb 206
Pb 206 . trwały . .

Rodzina uranowo-aktynowa s=3[edytuj]

Szereg rozpoczyna się na niestabilnym 235U o czasie połowicznego zaniku o czasie połowicznego zaniku 700 milionów lat, a kończy się na stabilnym 207Pb. Szereg jest opisywany przez 4n+3 i należy do niego 14 nuklidów.

(4.7)
nuklid typ rozpadu czas połowicznego rozpadu uwolniona energia, MeV produkt rozpadu
U 235 α 6,96•108 lat 4,678 Th 231
Th 231 β- 25,64 h 0,391 Pa 231
Pa 231 α 32760 lat 5,150 Ac 227
Ac 227 β- 98,62%
α 1,38%
21,772 lat 0,045
5.042
Th 227
Fr 223
Th 227 α 18,72 d 6,147 Ra 223
Fr 223 β- 21,8 min 1,149 Ra 223
Ra 223 α 11,434 d 5,979 Rn 219
Rn 219 α 3,920 s 6,946 Po 215
Po 215 α 99,99977%
β- 0,00023%
1,78 ms 7,527
0,715
Pb 211
At 215
Pb 211 β- 36,1 min 1,367 Bi 211
Bi 211 α 99,724%
β- 0,276%
2,15 min 6,751
0,575
Tl 207
Po 211
Po 211 α 510 ms 7,595 Pb 207
Tl 207 β- 4,79 min 1,418 Pb 207
Pb 207 . trwały . .