1

Odkrycie jądra atomowego - doświadczenie Rutherforda 1909 r.

2

Budowa jądra atomowego

A=Z+N

Liczba masowa

Liczba atomowa

Liczba neutronów

Izotopy Jądra o jednakowej liczbie protonów, różniące się liczbą neutronów

3

Mapa nuklidów

Fragment mapy nuklidów w obszarze otrzymywanych sztucznie ciężkich jąder o krótkim czasie życia

Energia wiązania

( )∑ −=∆ 22 McmcEW

masa jądra

masy nukleonów

AEE W

WN∆

=∆

Energia wiązania nukleonu

Siły jądrowe są konsekwencjąoddziaływania silnego

4

Stabilność jąder atomowych

Najsilniej związane (a zatem STABILNE) są jądra atomowe o dużym odchyleniu (defekcie) masy (m-A)c2,gdzie m - masa atomu w atomowych jednostkach masy u, A – liczba masowa, kwadrat prędkości światła - c2=931,5 MeV/u

Rozpad promieniotwórczy

Rozpad ma charakter statystyczny –prawdopodobieństwo jest takie samo dla każdego z jąder znajdujących się w próbce

NdtdNR λ=−=

Aktywność promieniotwórcza

Liczba jąder

Początkowa liczba jąderStała rozpadu [1/s]

Średni czas życia

Czas połowicznego rozpadu (zaniku)

Liczba jąder N i aktywność R malejądo połowy wartości początkowej

5

Oddziaływanie cząstek naładowanych z materią

Strata energii cząstki naładowanej na jednostkowejdrodze w ośrodku w zależności od energii cząstki Zasięg protonów w powietrzu

w zależności od ich energii

Strata energii na jednostkowej drodze cząstki αo energii początkowej 5.3 MeV w zależności od odległości przebytej w powietrzu

Zależność liczby zliczeń cząstek naładowanych od grubości warstwy pochłaniającej

Oddziaływanie z materią kwantów γ − fotonów o dużej energii

Liniowy współczynnik absorpcji promieniowania γ w ołowiu w zależności od energii fotonów

µ – całkowity współczynnik absorpcjiµf – wkład od efektu fotoelektrycznegoµc – wkład od efektu Comptonaµp – tworzenie par elektron-pozyton

6

Ochrona przed promieniowaniem - dawkiDawka pochłonięta D - stosunek energii pochłoniętej przez daną masę ciała do wartości tej masy.

1 grej [Gy=1J·kg-1]Równoważnik dawki uwzględnia skutek biologiczny danego rodzaju promieniowania

Efektywny równoważnik dawki

1 sivert [Sv=1J·kg-1]

Ochrona przed promieniowaniem – osłony radiacyjneGrubość warstwy pochłaniającej promieniowanie βo danej energii maksymalnej

7

Rozpad α

α42

42 +→ −

− YX AZ

AZ

Energia rozpadu 4,25 MeV

Masa produktów rozpadu < M238U

T1/2=4,5·109 lat

8

Rozpad alfaEnergia potencjalna cząstki α w jądrze atomowym. Cząstka α może opuścićjądro tylko na drodze tunelowania przez barierę potencjału utworzonąprzez przyciąganie elektrostatyczne między jądrem a cząstką α.

Zdjęcie w komorze mgłowej śladów cząstek α z rozpadu jąder polonu 214Po. Cząstki mają ten sam zasięg w gazie, czyli mają równe energie (jeden dłuższy ślad odpowiada rozpadowi jądra wzbudzonego – większa energia).

Związek między czasem połowicznego rozpadu T1/2 a energią cząstek αemitowanych przez jądra radioaktywne. Czas półrozpadu T1/2 szybko maleje ze wzrostem energii cząstek α, bo prawdopodobieństwo tunelowania przez barierę potencjału szybko rośnie, gdy zmniejsza się bariera potencjału.

Rozpad β

ν++→ −+ eYX AZ

AZ

011

ν++→ +− eYX AZ

AZ

011

9

Przemiana γ

Jądro wzbudzone emituje kwant promieniowania elektromagnetycznego –foton o dużej energii ( rzędu 1 MeV) –kwant gamma

Łańcuch promieniotwórczy uranowo-radowy A=4k+2, 16 nuklidówT1/2=4,5x109 lat

10

Łańcuch promieniotwórczy uranowo-aktynowy, A=4k+3, 14 nuklidówT1/2=7,0x108 lat

Łańcuch promieniotwórczy torowy, A=4k, 12 nuklidów

T1/2=1,4x1010 lat

11

Łańcuch promieniotwórczy neptunowy, A=4k+1, 11 nuklidów

T1/2=2,14x106 lat

Datowanie szczątków organicznych izotopem 14CRadioaktywny izotop węgla 14C jest wytwarzany w górnych warstwach atmosfery Ziemi przez neutrony z promieniowania kosmicznego n+14N→ 14C+1H i ulega rozpadowi β-

14C→14N+e-+ν z czasem połowicznego rozpadu T1/2=5730 lat. Obecnie w atmosferze ziemskiej stosunek liczby atomów 14C do wszystkich atomów węgla (12C i 13C) jest 1,35×10-12. Rośliny przyswajają węgiel z CO2 w atmosferze z takązawartością 14C. Po ustaniu wymiany węgla z atmosferą zawartość izotopu 14C w szczątkach organicznych maleje zgodnie z prawem rozpadu promieniotwórczego. Wyznaczenie stosunku 14C/12C w próbce pozwala określić czas, jaki upłynął od śmierci organizmu.Metodę opracował Willard Libby w 1949 roku, otrzymał nagrodę Nobla z chemii w 1960 roku.Współcześnie do oznaczania stosunku zawartości izotopów 14C/12C w próbce stosuje sięspektroskopię masową z wykorzystaniem akceleratorów.

12

Krzywa kalibracji datowania radiowęglowego

Stosunek zawartości 14C/12C w atmosferze ziemskiej nie jest stały, wpływają nań:aktywność Słońca, wybuchy supernowych, rozbłyski gamma, etc.

Oznaczanie wieku skał metodami izotopowymiDatowanie rubidowo-strontowenaturalny izotop promieniotwórczy 87Rb ulega rozpadowi β- do trwałego izotopu87Sr z czasem połowicznego rozpadu T1/2=4,75×1010 lat.Izotop 87Sr pochodzi nie tylko z rozpadu 87Rb ale również z syntezy jądrowej w gwiazdach. Zawartość rubidu jest różna w ziarnach różnych minerałów w skale. Bezwzględne datowanie jest możliwe na podstawie pomiaru stosunku zawartości dwu izotopów strontu 87Sr/86Sr=y oraz zawartości rubidu względem strontu 87Rb/86Sr=x. Na wykresie y(x) tych dwu wielkości, które zmierzono dla różnych ziaren krystalicznych minerałów tworzących skałę, punkty układają się na prostej zwanej izochromą, której współczynnik kierunkowy pozwala obliczyć wiek skały.

13

Znaczniki radioaktywne

W odpowiedzi na „atak” roślina wycofuje zasoby odżywcze do korzenia – użyty znacznik 11CBrookhaven National Laboratory

Wykorzystanie znacznika do badania aktywności mózgu – znacznik 11C

Model kroplowy jądra atomowego( ) ( ) ( )AZBmZAZmAZM np ,, −−+=

( ) ( ) 2/1123/123/2 2, −−− +−−−−= AaAZaaAZaAaAaAZB PACSV

MeV 2,23MeV 72,0MeV 5,17MeV 7,15

====

A

C

S

V

aaaa

enieparzyst-onieparzyst MeV 5,11enieparzyst - parzysto 0

parzyste-parzysto MeV 5,11

−==

+=

P

P

P

aaa