Transcript

1 Βασικές Αρχές Ακτινοβολιών

2 ΘεµατικήΕνότητα: ΑΚΤΙΝΟΦΥΣΙΚΗ Κλασσικήµηχανική, Σχετικότητα, Κβαντική Θεωρία, οµή ατόµου, οµή Πυρήνα Ραδιενέργεια, Πυρηνικές αντιδράσεις Ακτίνες Χ, Επιταχυντές φορτισµένων σωµατιδίων, Αλληλεπιδράσεις γ Χ φωτονίων µε την ύλη Αλληλεπιδράσεις φορτισµένων σωµατιδίων και ύλης, αλληλεπιδράσεις νετρονίων και ύλης οσίµετρα και δοσιµετρία, Ραδιοβιολογία Ακτινολογία Πυρηνική Ιατρική Ακτινοθεραπεία Ακτινοπροστασία

3 Αρχαίοι Έλληνες: Γη, Αέρας, Φωτιά, Νερό Αρχές 20 ου Αιώνα, περίπου 100 στοιχεία Από το 1936: πίσω σε 3 σωµατίδια: πρωτόνιο, νετρόνιο, ηλεκτρόνιο ΑΕΡΑΣ ΦΩΤΙΑ ΝΕΡΟ ΓΗ

4 ηµόκριτος ~460 π.χ. α) η ύλη αποτελείται από µικρά σωµατίδια τα οποία καλούνται άτοµα και δεν υποδιαιρούνται σε µικρότερα β) τα άτοµα διαφέρουν µόνο σε µέγεθος και σχήµα γ) τα άτοµα ευρίσκονται σε διαρκή κίνηση δ) τα άτοµα είναι ικανά να ενώνονται µε άλλα άτοµα και να δηµιουργούν διάφορα είδη ύλης

5 Φυσικά Συστήµατα

6 Βασικές υνάµεις Η βαρύτητα και η ηλεκτροµαγνητική δύναµη έχουν άπειρη εµβέλεια αλλά η βαρύτητα είναι φορές ασθενέστερη στην ίδια απόσταση. Η ισχυρή και η ασθενής δύναµη έχουν πολύ µικρή εµβέλεια (<10-14 m) Η ασθενής δύναµη είναι 10-6 φορές ασθενέστερη από την ισχυρή δύναµη στο εσωτερικό του πυρήνα.

7 αδρόνια, όλα τα σωµάτια που αναπτύσσουν τις ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Τα αδρόνια χωρίζονται στα µεσόνια και στα βαρυόνια. λεπτόνια που συµµετέχουν σε ασθενείς και ηλεκτροµαγνητικές αλληλεπιδράσεις κι όχι σε ισχυρές. µποζόνια, που είναι οι φορείς της ηλεκτρασθενούς δύναµης γκλουόνια (από την ελληνική λέξη γλοιόνια-κολλώδη), που είναι οι φορείς της ισχυρής πυρηνικής δύναµης. (Αν τα πρωτόνια και τα νετρόνια θεωρηθούν ότι έχουν µήκος 10 cm, τότε τα ηλεκτρόνια και τα quarks είναι µικρότερα από 0.1 mm σε µήκος, ενώ το άτοµο θα έχει διαστάσεις περίπου 10 km)

8

9

10

11

12 Ραδιενέργεια: παράδειγµα εκδήλωσης ασθενούς δύναµης Σαν παράδειγµα θα ληφθεί η µετατροπή νετρονίου σε πρωτόνιο Σε επίπεδο νουκλεονίων το νετρόνιο µετατρέπεται σε πρωτόνιο µεταυτόχρονηεµφάνισηενόςηλεκτρονίουκαιενόςνετρίνου:

13 Σε επίπεδο quarks: ένα down quark στο εσωτερικό του νετρονίου (1) µετατρέπεται σε ένα up quark (2) µεταυτόχρονηεκποµπήενόςµποζονίου W (3). Τέλος, το µποζόνιο W µετατρέπεται σε λεπτόνια (4, 5), ηλεκτρόνιο και νετρίνο. (το νετρόνιο είναι ένας συνδυασµός udd quarks και το πρωτόνιο συνδυασµός uud quarks Το βαρύ σωµατίδιο W µεταφέρει το φορτίο της ασθενούς δύναµης και έχει µάζα 80 φορές την µάζα του πρωτονίου. Λόγω της µεγάλης του µάζας καταναλώνει πολύ χρόνο σε κβαντικές διακυµάνσεις ώστε να ολοκληρώσει την µετατροπή. Εξ ου και η ονοµασία ασθενής µετατροπή )

14

15 Νόµοι της Κλασσικής Μηχανικής: ιατήρηση της Ενέργειας ιατήρηση της Ορµής ιατήρηση της Μάζας ιατήρηση του Φορτίου Κινητική Ενέργεια T 1 2 Ορµή 2 = mv p = mv T = p 2 2m

16 Σχετικήταχύτητα ενός σωµατιδίου σε αδρανειακό σύστηµα αναφοράς u' + v u = 2 1+ ( u' v / c ) Ηµάζα ενός σώµατος εξαρτάται από την ταχύτητά του m 0 v c m = m 0 Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας: ( 2 2 v / ) 1 c T είναι η µάζα ηρεµίας η ταχύτητα του σώµατος η ταχύτητα του φωτός E = mc Ολική Ενέργεια 2 E = Κινητική Ενέργεια m c 0 2 ( 2 2 v / ) 1 c ( ) 2 1 = E E0 = m0c v / c

17 Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας: Σχέση Κινητικής Ενέργειας - Ορµής / / c m m c p m c T m p T + = = Σχέση Ολικής Ενέργειας - Ορµής c p c m E + = c p c m E + = ±

18 Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg: «εν είναι δυνατός ο ταυτόχρονοςπροσδιορισµός της ορµής και της θέσης ενός σωµατιδίου.» p x h 2π =h W. Heisenberg «Ένα στοιχειώδες σωµάτιο µπορεί να ευρίσκεται ταυτόχρονα σε πολλαπλές ενεργειακές καταστάσεις.»

19 Ορολογία Μόριο H 2 O Ενα ΣΤΟΙΧΕΙΟ αποτελείται από τον ίδιο τύπο ατόµων ΑΤΟΜΑαπό το ίδιο ΣΤΟΙΧΕΙΟ έχουν ίδια µάζα ΕναΜΟΡΙΟείναι συνδυασµός ΑΤΟΜΩΝ ΕναΜΕΙΓΜΑείναι µια ουσία η οποία αποτελείται από συγκεκριµένα ποσοστά (αναλογία) διαφορετικών ατόµων

20 Σύγκριση χηµικών και πυρηνικών αντιδράσεων Χηµικές αντιδράσεις Πυρηνικές αντιδράσεις 1. Μία ουσία µετατρέπεται σε µία άλλη αλλά τα άτοµα δεν αλλάζουν ποτέ ταυτότητα 2. Τα τροχιακά ηλεκτρόνια συµµετέχουν σε χηµικούς δεσµούς. Τα πυρηνικά σωµατίδια δεν συµµετέχουν 3. Οι αντιδράσεις συνοδεύονται από σχετικά µικρές αλλαγές στην ενέργεια και από µη µετρήσιµες αλλαγές στην µάζα. 4. Οι ρυθµοί αντίδρασης επηρεάζονται από την θερµοκρασία, την συγκέντρωση, καταλύτες και το µείγµα στο οποίο ευρίσκεται το στοιχείο. 1. Τα άτοµα ενός στοιχείου µετατρέπονται σε άτοµα άλλου στοιχείου. 2. Πρωτόνια, νετρόνια και άλλα σωµατίδια συµµετέχουν: τροχιακά ηλεκτρόνια σπάνια παίρνουν µέρος. 3. Οι αντιδράσεις συνοδεύονται από σχετικά µεγάλες αλλαγές στην ενέργεια και µετρήσιµες αλλαγές στην µάζα. 4. Οι ρυθµοί αντίδρασης επηρεάζονται από τον αριθµό των πυρήνων, αλλά όχι από την θερµοκρασία, τους καταλύτες ή το µείγµα στο οποίο ευρίσκεται το στοιχείο.

21 ΑΤΟΜΑ Τα άτοµα αποτελούνται από πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια % του ατόµου είναι κενός χώρος Ο προσδιορισµός της θέσης ενός ηλεκτρονίου περιγράφεται από συναρτήσεις πιθανότητος Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια πυρήνας m p = 1836 m e

22 ΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ Ενα κανονικό κύτταρο του ανθρώπου είναι φορές µεγαλύτερο από ένα άτοµο και 5 δισεκατοµµύρια φορές µεγαλύτερο από τον πυρήνα του ατόµου.

23 Joseph John Thomson Πειράµατα µε σωλήνες αερίου, στα 1900 α) Υψηλή τάση στα άκρα ηλεκτροδίων στο κενό: ηλεκτρική εκκένωση. β) Οι καθοδικές ακτίνες δηµιουργούν µια σαφή σκιά: πρέπει να ταξιδεύουν σε ευθείες γραµµές. γ) Οι ακτίνες αποκλίνουν από ηλεκτρικά και µαγνητικά πεδία: άρα θα πρέπει να είναι ηλεκτρικά φορτία σε κίνηση. δ) Η διεύθυνση της απόκλισης δείχνει ότι θα πρέπει το φορτίο τους να είναι αρνητικό. ε) Μέτρησε το πηλίκον φορτίο ηλεκτρονίου / µάζα, e/m.

24 Το µοντέλο του Thomson: Το ηλεκτρόνιο είναι µία βασική συνιστώσα της ύλης. Το άτοµο αποτελείται από ηλεκτρόνια και θετικό φορτίο που τα εξισορροπεί. Κατά τον Thompson το ηλεκτρόνιο υπάρχει και πρέπει να ζει µέσα στα άτοµα. Πρέπει να έχει µικρότερη µάζα από το ίδιο το άτοµο και πιθανώς να υπάρχουν λίγα ηλεκτρόνια παραγεµισµένα µέσα στο άτοµο, όπως οι σταφίδες στον χυλό ή: πουτίγκα µε σταφίδες...

25 Ernest Rutherford Ernest Rutherford, Μαθητής του J.J. Thomson Μελέτησε τον Η/Μ, Βραβείο Νόµπελ Χηµείας, 1908

26 Ανακάλυψητου Πυρήνα ΟRutherford καθόρισε ότι το άτοµο έχει πολύ µικρό πυρήνα (1/10,000 του µεγέθους του ατόµου). Μερικά θετικά φορτισµένα σωµατίδια παρεκλίνουν περνώντας κοντά από τον πυρήνα. Αραο πυρήνας πρέπει να έχει θετικό φορτίο

27 ΠλανητικόΜοντέλλοτου Ατόµου Ατοµικό Μοντέλλοτου Rutherford: Το άτοµο πρέπει να είναι σαν τον Ηλιοµε τα ηλεκτρόνια να περιφέρονται γύρω του

28 Ατοµικό πρότυπο Rutherford: ΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ «Ατοµο αυτό που δεν τέµνεται» 1. Ταάτοµα αποτελούνται από ένα κεντρικό πυρήνα που περιέχει θετικό φορτίο Ζ φορές το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο και στον οποίο είναι συγκεντρωµένο το µεγαλύτερο µέρος της ατοµικής µάζας. 2. Τα ηλεκτρόνια περιβάλλουν σαν νέφος τον πυρήνα 3. Ο πυρήνας έχει Ζ φορτισµένα σωµάτια τα πρωτόνια. Προβλήµατα: 1. Για να εξηγήσει την ατοµική µάζα θεώρησε ότι µέσα στον πυρήνα υπήρχαν και άλλα πρωτόνια και ηλεκτρόνια. 2. εν µπορούσε να εξηγήσει γιατί τα ηλεκτρόνια δεν έπεφταν πάνω στον πυρήνα.

29 Ατοµικό πρότυπο Rutherford: Προβλήµατα Τα άτοµα εκπέµπουν φως (ενέργεια) όταν διεγείρονται. Τα ηλεκτρόνια ήταν σαν τους πλανήτες στο ηλιακό σύστηµα, θα έχαναν ενέργεια όταν εξέπεµπαν ενέργεια Εάν έχαναν ενέργεια τα ηλεκτρόνια θα έπρεπε να έπεφταν µε σπειροειδή κίνηση πάνω στον πυρήνα Το µοντέλο του Rutherford δεν µπορούσε να εξηγήσει το γραµµικό φάσµα των στοιχείων

30 Ο James Chadwick και το Νετρόνιο Πραγµατοποίησε µια σειρά πειράµατα σκέδασης µε σωµατίδια α 4 2 He + 9 Be 12 C n Ο Chadwick θεώρησε ότι η εκπεµπόµενη ακτινοβολία προερχόταν από ένα νέο ουδέτερο σωµατίδιο, το νετρόνιο. Εφαρµόζοντας το θεώρηµα διατήρησης ενέργειας και ορµής βρήκε ότι η µάζα του νέου σωµατιδίου ήταν ~1.15 φορές ίση µε την µάζα του πρωτονίου Πήρε το βραβείο Nobel το 1935

31 Niels Bohr , Βραβείο Νόµπελ για τις εργασίες του στον καθορισµό της δοµής του ατόµου Συµµετείχε στην έρευνα για την κατασκευή της ατοµικής βόµβας Επικεφαλής της Ένωσης «Atoms for Peace» για την ειρηνική χρήση της ατοµικής ενέργειας

32 Το Ατοµικό Μοντέλο του Bohr Ο Neils Bohr θεώρησε ότι µόνο ορισµένες τροχιές ηλεκτρονίων επιτρέπονται γύρω από τον πυρήνα και στις οποίες το ηλεκτρόνιο δεν εκπέµπει ενέργεια (δεν χάνει ενέργεια) Οι τροχιές έχουν συγκεκριµένους αριθµούς n=1,2,3,4,5,, άπειρο. n=1 είναι η βασική ενεργειακή κατάσταση (βασική τροχιά) και έχει την µικρότερη ενέργεια. Μικρότερες τροχιές δεν επιτρέπονται. Οι διηγερµένες καταστάσεις (υψηλότερες τροχιές) διαθέτουν µεγαλύτερη ενέργεια Οι τροχιές ευρίσκονται κοντύτερα όσο το n αυξάνει Για να αλλάξει τροχιά, το ηλεκτρόνιο πρέπει είτε να χάσει είτε να κερδίσει ενέργεια Κάθε είδος ατόµου έχει µια µοναδική σειρά από ενεργειακά επίπεδα

33 ΤοΑτοµικό Μοντέλο του Bohr

34 Απορρόφηση Εκποµπή

35 Το άτοµο κατά τον Bohr Πριν Μετά Ηλεκτρόνιο στο κατώτατο επιτρεπόµενο ενεργειακό επίπεδο (n=1) Εκπεµπόµενο φωτόνιο Ηλεκτρόνιο σε διηγερµένη κατάσταση (n=5) Επιτρεπόµενες Τροχιές Το ηλεκτρόνιο πίπτει Στο κατώτατο ενεργειακό επίπεδο

36 Τα άτοµα υποδιαιρούνται σε ακόµη µικρότερες µονάδες: Τα ηλεκτρόνια εντοπίστηκαν το 1897 από τον J. J. Thomson ( ) µεταφέρουν την µονάδα αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου Η µάζα τους είναι περίπου ~1/2000 αυτής του πρωτονίου. Τα πρωτόνια εντοπίστηκαν το 1919 από τον Rutherford βασική συνιστώσα του πυρήνα µεταφέρουν την µονάδα του θετικού ηλεκτρικού φορτίου Η µάζα τους είναι 1836 φορές αυτή του ηλεκτρονίου Τα νετρόνια εντοπίστηκαν το 1932 από τον Chadwick: βασική συνιστώσα του πυρήνα δεν µεταφέρουν ηλεκτρικό φορτίο Η µάζα τους είναι ίση περίπου µε αυτή του πρωτονίου 1. Το άτοµο περιέχει ένα µικροσκοπικό πυκνό κέντρο το οποίο καλείται πυρήνας, του οποίου ο όγκος είναι περίπου το 1/τετράκις εκατοµµυριοστό του όγκου του ατόµου. 2. Η βασική µάζα του ατόµου ευρίσκεται στον πυρήνα. 3. Ο πυρήνας είναι θετικά φορτισµένος: η ποσότητα του θετικού φορτίου εξισορροπεί το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων.

37 Ηλεκτρόνιο Ηλεκτρικό φορτίο αρνητικό Μάζα ίση µε x kg Ακτίνα ίση µε 2.81 x m Ταχύτητα τροχιάς x 10 6 m/s Πρωτόνιο Ηλεκτρικό φορτίο θετικό Μάζα ίση µε 1.67 x kg Νετρόνιο ΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ Ηλεκτρικό φορτίο ουδέτερο Μάζα ίση µε 1.67 x kg

38 ΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ πρωτόνιο ηλεκτρόνιο νετρόνιο Ο προσδιορισµός των ηλεκτρονίων γίνεται βάσει: 1. της ενεργειακής στιβάδας n 2. του τροχιακού κβαντικού αριθµού l 3. του µαγνητικού κβαντικού αριθµού m 4. κβαντικού αριθµού spin s

39 οµήτου Ατόµου Ήλιον ηλεκτρόνιο 2 πρωτόνια 2 νετρόνια Οχι σε κλίµακα: Το πραγµατικό µέγεθος του πυρήνα είναι περίπου ένα εκατοµµύριο φορές µικρότερο από την τροχιά των ηλεκτρονίων. ηλεκτρόνιο

40 οµήτου Ατόµου Ηλιον Z = 2 A = 4

41 οµήτου Ατόµου Υδρογόνο Z = 1 A = 1

42 Ισότοπα Τα ισότοπα είναι άτοµα τα οποία έχουν τον ίδιο ατοµικό αριθµό αλλά διαφορετικό µαζικό αριθµό Ιδιο Στοιχείο ιαφορετικό αριθµό νετρονίων στον πυρήνα νετρόνιο πρωτόνιο Υδρογόνο ευτέριο Τρίτιο

43 ΑναγνώρισηΙσοτόπων Μαζικός Αριθµός Α Fe Ατοµικός Αριθµός Z Σύµβολο Στοιχείου

44 Απάντηση...

45 ιέργεση του Ατόµου ΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ ιέγερση Ιονισµός του Ατόµου Αποδιέγερση Ιόν

46 Πυράκτωση Προσθέτοντας ενέργεια (θερµότητα, ηλεκτρική τάση, φως) τα ηλεκτρόνια µεταπηδούν σε υψηλότερες ενεργειακές τροχιές. Προτιµούν όµως θεµελιώδη κατάστασή τους (µη διεγερµένη κατάσταση)και έτσι «πίπτουν» ταχύτατα σε αυτήν. Οτανπραγµατοποιείται αυτή η «πτώση», εκπέµπουν ένα φωτόνιο

47 Το άτοµο του Υδρογόνου Η ενέργεια µετράται σε ev, ή electron volts Το φως (φωτόνια) είναι ηλεκτροµαγνητική ενέργεια Εφ όσονµόνο επιτρεπτές τροχιές ηλεκτρονίων υπάρχουν (ενέργειες), κατά συνέπεια µόνο επιτρεπτές ενέργειες φωτονίων µπορούν να αλληλεπιδρούν µε το άτοµο (not shown) Ηενέργεια του φωτονίου είναι ίση µε την ενεργειακή διαφορά των τροχιών των ηλεκτρονίων Ενέργεια = = 2.6 ev (true colors)

48 Φάσµα εκποµπής ατοµικού υδρογόνου σειρά ορατού φωτός σειρά υπεριώδους σειρά υπερύθρου

49

50

51

52 Τύποι Εκποµπής του Υδρογόνου Οσουψηλότερη είναι η αρχική ενεργειακή κατάσταση τόσο υψηλότερη είναι η συχνότητα (ενέργεια) του εκπεµποµένουη?μ κύµατος Ερυθρόείναι ορατό φως χαµηλής συχνότητος Βιολετίείναι ορατό φως υψηλής συχνότητος

53 συνεχές φάσµα φάσµα απορρόφησης α β πρίσµα θερµή πηγή φωτός λεπτό σύννεφο από ψυχρότερο αέριο πρίσµα πρίσµα γ φάσµα εκποµπής

54 ΦάσµαταΕκποµπής και Απορρόφησης Συνεχές Φάσµα Φάσµα Εκποµπής Φάσµα Απορρόφησης

55 Ιονισµός είναι η αφαίρεση ενός ηλεκτρονίου από ένα άτοµο από ένα υψηλής ενέργειας φωτόνιο E = Ενέργεια Τοηλεκτρόνιο εξοστρακίζεται από το άτοµο από ένα φωτόνιο µε ενέργεια E > 13.6 ev (στην περίπτωση ενός ατόµου Υδρογόνου) Το άτοµο που προκύπτει καλείται ιόν και διαθέτει νέες ηλεκτρονικές τροχιές / ενέργειες Γι αυτό και οι γραµµές του φάσµατός του είναι είναι τελείως διαφορετικές..

56 ΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΙΚΟΥ ΠΥΡΗΝΑ 1. Οι πυρήνες απαρτίζονται από πρωτόνια και νετρόνια. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια αναφέρονται και µε κοινή ονοµασία νουκλεόνια 2. Υπάρχουν σταθεροί και ασταθείς πυρήνες 3. Αριθµός πρωτονίων ατοµικός αριθµός. 4. Αριθµός πρωτονίων + νετρονίων µαζικός αριθµός

57 ΠΕΡΙΟ ΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Γύρω στο τέλος του 1800 ο Dimitri Mendeleev ταξινόµησε τα γνωστά στοιχεία κατά σειρά µε βάση την αύξηση της ατοµικής µάζας τους, παρατηρώντας ότι οι ιδιότητες των στοιχείων είχαν µία περιοδικότητα. Στον πρώτο αυτόν περιοδικό πίνακα, ο Mendeleev ήταν σε θέση να προβλέψει τις ιδιότητες ακόµη και στοιχείων που δεν είχαν ανακαλυφθεί ακόµα

58 Ο πίνακας του Mendeleev ήταν πολύ χρήσιµος, αλλά υπήρξαν µερικές ασυνέπειες. Ο σύγχρονος περιοδικός πίνακας: είναι κατά αυξανόµενο ατοµικό αριθµό παρά ατοµική µάζα οι κάθετες στήλες του περιοδικού πίνακα καλούνται οµάδες ή οικογένειες στοιχεία της ίδιας οµάδας έχουν παρόµοιες ιδιότητες (ο λόγος για τον οποίο οι ιδιότητες είναι παρόµοιες είναι επειδή έχουν τον ίδιο αριθµό εξωτερικών ηλεκτρονίων) οι οριζόντιες σειρές του περιοδικού πίνακα καλούνται περίοδοι τα χαρακτηριστικά των στοιχείων σε µια περίοδο είναι επαναλαµβανόµενα γενικά, τα µέταλλα ευρίσκονται στο αριστερό και στη µέση του περιοδικού πίνακα µερικές γενικές ιδιότητες των µετάλλων είναι: στιλπνά καλοί αγωγοί ηλεκτρισµού καλοί αγωγοί θερµότητας χάνουν ηλεκτρόνια για να ευρεθούν µε 8 ηλεκτρόνια στην εξωτερική στιβάδα γενικά, τα αµέταλλα ευρίσκονται στην άνω δεξιά πλευρά του περιοδικού πίνακα µερικές γενικές ιδιότητες για τα αµέταλλα είναι: κακοί αγωγοί ηλεκτρισµού κακοί αγωγοί θερµότητας χαµηλότερο σηµείο τήξης από τα µέταλλα τα στοιχεία που είναι µεταξύ των µετάλλων και τα αµέταλλα στον περιοδικό πίνακα καλούνται µεταλλοειδή. τα µεταλλοειδή εµφανίζουν ιδιότητες µετάλλων και αµετάλλων οι ηµιαγωγοί είναι µεταλλοειδή στοιχεία

59 ΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΙΚΟΥ ΠΥΡΗΝΑ Οι δυνάµεις που συγκρατούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια µέσα στον πυρήνα ονοµάζονται πυρηνικές δυνάµεις. 1. Είναι ελκτικές στην φύση τους αλλά σε πολύ µικρές αποστάσεις πρέπει να γίνονται απωστικές 2. εν παρουσιάζουν σοβαρή εξάρτηση από την φύση του νουκλεονίου 3. Είναι πολύ µικρής εµβέλεις 0.5 F (1 Fermi = cm) 4. Παρουσιάζουν κορεσµό. Οµάδες ανά τέσσερα νουκλεόνια δηµιουργούν εξαιρετικά σταθερούς σχηµατισµούς. 5. Τα νουκλεόνια έχουν την τάση να σχηµατίζουν κλειστούς φλοιούς. Ιδιότητες των πυρήνων 1. Εχουντην τάση να παίρνουν σφαιρικό σχήµα διότι έτσι γίνεται η καλύτερη εκµετάλλευση των πυρηνικών δυνάµεων που είναι µικρής εµβέλειας. 2. Ο πυρήνας εµφανίζεται ασυµπίεστος

60 Ακτινοβολίες Πηγές Ακτινοβολίας 20% 80% Φυσικές Πηγές Ακτινοβολίας: Εδαφος Ατµοσφαίρα ιάστηµα Τεχνικές Πηγές Ακτινοβολίας: Παραγωγή Ενέργειας Πολεµική Βιοµηχανία Ιατρική

61 Είδη Ακτινοβολιών Σωµατιδιακή Ακτινοβολία Αποτελείται από υπο-ατοµικά σωµάτια (ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια) ή από µικρούς πυρήνες (άλφα σωµάτια). Τα σωµάτια µπορεί να είναι φορτισµένα (θετικά ή αρνητικά) ή ουδέτερα. Εχουν µάζα και κινούνται σύµφωνα µε τους νόµους της κλασσικής µηχανικής Ηλεκτροµαγνητική Ακτινοβολία Αποτελείται από φωτόνια Τα φωτόνιαδεν έχουν µάζακαι φορτίο. Η διάδοσήτους είναισε κύµατα, και κινούνται µε την ταχύτητα του φωτός σύµφωνα µε τους νόµους της κβαντοµηχανικής.

62 Τιείναι ένα ηλεκτροµαγνητικό κύµα; Μιαηλεκτροµαγνητική διαταραχή κάποιας συχνότητας.

63 Ηλεκτροµαγνητική Ακτινοβολία: 1. Η ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία έχει κυµατικές ιδιότητες 2. Μεταφέρει διακριτά ποσά ενέργεια (quantum) τα οποία ονοµάζονται φωτόνια. 3. Το φωτόνιο δεν έχει φορτίο και υπακούει στους νόµους της κβαντοµηχανικής. E = hv Η ενέργεια του φωτονίου είναι ανάλογη της συχνότητας της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας hv 2 E = hv = mc m = c 2

64 Τοφωτόνιο (γ) Ιδιότητα Μάζα Φορτίο Τιµή 0 0 Το Το φωτόνιο είναι ο µεσολαβητής της ηλεκτροµαγνητικής αλληλεπίδρασης Το Το φωτόνιοµπορεί να να αντιδράσει µόνοµε αντικείµενα τα τα οποία φέρουν ηλεκτρικό φορτίο!!!!!

65 ΤοΜήκος κύµατος Το µήκος κύµατος, λ, είναι η απόσταση από µία κορυφή έως την εποµένη Το µήκος κύµατος καθορίζει το χρώµα του φωτός

66 Συχνότητακαι Ενέργεια του Η/Μ κύµατος Οσουψηλότερη είναι η συχνότητα του Η/Μ κύµατος τόσο περισσότερη ενέργεια µεταφέρει Η ταχύτητα του Η/Μ κύµατος είναι σταθερά, c = 3.00 x 10 8 m/s Συχνότητα και µήκος κύµατος συνδέονται µε την σχέση: c = λ v

67 ΗλεκτροµαγνητικόΦάσµα Φάσµα Μεγάλοµήκος κύµατος Χαµηλή Συχνότητα Χαµηλή Ενέργεια Υπέρυθρο Ορατό Υπεριώδες Ακτίνες -Χ Ακτίνες γ Μικρόµήκος κύµατος Υψηλή Συχνότητα Υψηλή Ενέργεια

68 Electron-Volts (ev) Όταν ερευνούµε τα υποατοµικά σωµατίδια και τα φωτόνια, οι ενέργειες είναι πολύ µικρές (~10-12 m ή µικρότερες). Είναι δύσκολο και επίπονο να υπολογίζουµε πάντα µε δυνάµεις του 10. Εισάγουµε µία νέα µονάδα ενεργείας, η οποία καλείται electron-volt (ev). Ένα [ev] είναι η ποσότητα ενέργειας την οποία κερδίζει ένα µοναδικό ηλεκτρόνιο όταν επιταχύνεται σε διαφορά δυναµικού 1 [V]. Ο καθοδικός σωλήνας της TV επιταχύνει ηλεκτρόνια σε 20,000 [V] = 20 [kv]. -20 [kv] GPE 10[J] 1 kg 1 m ηλεκτρικό δυναµικό 0 [V] + 0 [kv] 0 [J] -20 [kv] -

69 [ev] Πόση ενέργεια κερδίζει ένα ηλεκτρόνιο όταν επιταχύνεται από ένα δυναµικό 20,000 [V]? E = 20,000 [ev] [V] είναι µια µονάδα υναµικού [ev] είναι µια µονάδα Ενέργειας (µπορεί να µετατραπεί σε [J]) Πως µπορεί να µετατραπεί το [ev] σε [J]? Η µετατροπή είναι: 1 [ev] = 1.6x10-19 [J] Παράδειγµα: Μετατροπή 20 [kev] σε [J]. Καθ όσον k = kilo = 1000 = 10 3, 20 [kev] = 20,000 [ev] = 2x10 4 [ev] x10 [J] = 15 2x10 [ev] 3.2x10 [J] 1 [ev] Είναι πολύ ευκολότερο να λέει κάποιος 20 [kev] αντί για 3.2x10-15 [J]!

70 Περισσότεραγιατο [ev] Ετσι, το [ev] ΕΙΝΑΙ ΜΙΑ ΜΟΝΑ Α ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ; εν είναι τύπος ενέργειας (όπως το φως, η µάζαs, η θερµότητα, κ.λ.π.). Ετσι, 1 [ev] = 1.6x10-19 [J] 1 [kev] = 1000 [ev] = 10 3 [ev] k = kilo (10 3 ) 1 [MeV] = 1,000,000 [ev] = 10 6 [ev] M = mega (10 6 ) 1 [GeV] = 1,000,000,000 [ev] = 10 9 [ev] G = giga (10 9 )

71 Παράδειγµα 1 Ενας πυρήνας Cobalt-60 είναι ασταθής και προκαλείται µια διάσπαση όταν εκπέµπεται ένα φωτόνιο 1173 [kev]. Από ποιά περιοχή του Η/Μ φάσµατος προέρχεται αυτό το φωτόνιο; Η ενέργεια είναι 1173 [kev], οπότε 1173 [kev] = 1173x10 3 [ev] = 1.173x10 6 [ev]. * Μετατροπή αυτής της ενέργειας σε [J], E = 1.173x10 6 [ev] * (1.6x10-19 [J] / 1 [ev]) = 1.88x10-13 [J] * Για την εύρεση του µήκους κύµατος χρησιµοποιούµε: E = hc/λ, οπότε λ = hc/e. Ετσι, λ = 6.63x10-34 [J s]*3x10 8 [m/s]/1.88x10-13 [J] = 1.1 x [m] Μετατροπή των [m] σε [nm], 1.1 x [m] * (10 9 [nm] / 1 [m]) = 1.1x10-3 [nm] Είναι µια ακτίνα ΓΑΜΜΑ

72 Παράδειγµα 2 Ενα ηλεκτρόνιο έχει µάζα 9.1x10-31 [kg]. Ποιά είναι η µάζα ηρεµίας σε [J] και σε [ev]. E = mc 2 = 9.1x10-31 *(3x10 8 ) 2 = 8.2x10-14 [J] Μετατροπή σε [ev] [ev] = 5 8.2x10 [J] 5.1x10 [ev]=0.51 [MeV] x10 [J] Τι είναι η µάζα ηρεµίας ενός ηλεκτρονίου; Σύµφωνα µε τον Einstein, m = E/c 2, οπότε: [µάζα] = [Ενέργεια] / c 2 m = E / c 2 = 0.51 [MeV/c 2 ] m = E / c 2 = 0.51 [MeV/c 2 ]

73 Παράδειγµα 3 Ενα πρωτόνιο έχει µάζα 1.67x10-27 [kg]. Ποιά είναι η µάζα ηρεµίας σε [J] και σε [ev]. E = mc 2 = 1.67x10-27 *(3x10 8 ) 2 = 1.5x10-10 [J] Μετατροπή σε [ev] [ev] = 8 1.5x10 [J] 9.4x10 [ev]=940 [MeV] x10 [J] Τι είναι η µάζα ηρεµίας ενός πρωτονίου; Σύµφωνα µε τον Einstein, m = E/c 2, οπότε: [µάζα] = [Ενέργεια] / c 2 m = E / c 2 = 940 [MeV/c 2 ] m = E / c 2 = 940 [MeV/c 2 ]

74 ΜάζαΠρωτονίου vsμάζα Ηλεκτρονίου Πόσο µεγαλύτερη µάζα έχει ένα πρωτόνιο απ ο ένα ηλεκτρόνιο; Πηλίκον = µάζα πρωτονίου / µάζα ηλεκτρονίου = 940 (MeV/c 2 ) / 0.51 (MeV/c 2 ) = 1843 φορές µεγαλύτερη µάζα Θα πάρετε ακριβώς την ίδια απάντηση εάν χρησιµοποιήσετε: µάζα ηλεκτρονίου = 9.1x10-31 [kg] µάζα πρωτονίου = 1.67x10-27 [kg] Χρησιµοποιώντας σαν µονάδα ενεργείας το [MeV/c 2 ] οι υπολογισµοί είναι ευκολότεροι

75 ΑτοµικήΑκτινοβολία Οταν ένα ηλεκτρόνιο ευρίσκεται σε «διηγερµένη κατάσταση», αυτόµατα µεταπίπτει σε χαµηλότερης ενέργειας σταθερά κατάσταση. E 5 > E 4 > E 3 > E 2 > E 1 Η διαφορά σε ενέργεια, E, δίδεται από: Ενα παράδειγµα θα µπορούσε να ήταν: Ενέργεια Ηλεκτρόνιο σε διηγερµένη κατάσταση Ενέργεια Ηλεκτρόνιο στο χαµηλότερο επίπεδο E = E 5 E 1 = hν = Ε φωτόνιο h = σταθερά του Planck = 6.6x10-34 [J s] ν = συχνότητα του Η/Μ κύµατος [hz] Η ενέργεια του Η/Μ κύµατος είναι ΕΥΘΕΩΣ ΑΝΑΛΟΓΗ της συχνότητος, ν. E 5 E 4 E 3 E 2 E 1 n = 5 n = 4 n = 3 n = 2 n = 1 E 5 E 4 E 3 E 2 E 1 n = 5 n = 4 n = 3 n = 2 n = 1 Υπενθυµίζοντας ότι η συχνότητα, ν, σχετίζεται µε το µήκος κύµατος µε την σχέση: c = ν λ (ν = c / λ) Ετσι, Υψηλότερη Συχνότητα Υψηλότερη Ενέργεια Μικρότερο Μήκος Κύµατος Πριν Μετά Γι αυτό τον λόγο η UV ακτινοβολία µαυρίζει το δέρµα ενώ το ορατό φως όχι!

76 Ενεργειακά Επίπεδα του Ατόµου του Υδρογόνου Ηκβαντική φυσικήπροµηθεύει τα εργαλεία για τον υπολογισµό των τιµών των E 1, E 2, E 3, κ.λ.π. Τα αποτελέσµατα είναι: E n = / n 2 Επίπεδο Ενέργειας Ενέργεια E n (ev) Αυτάτα αποτελέσµατα ΕΝ ΕΞΑΡΤΩΝΤΑΙ ΑΠΟ ΤΟΝ ΤΥΠΟ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ ή ΤΟΥ ΜΟΡΙΟΥ Ετσι, η διαφορά σε ενέργεια µεταξύ του 3ου και του 1ου κβαντικού επιπέδου είναι: E diff = E 3 E 1 = (-13.6) = (ev) Οταν αυτή η µετάπτωση από 3 1 συµβαίνει, η διαφορά ενέργειας εκπέµπεται υπό µορφή Η/Μ ενέργειας.

77 Παράδειγµα 4 Στο προηγούµενο παράδειγµα, ποιά είναι η συχνότητα και το µήκος κύµατος του εκπεµποµένου φωτονίου και σε ποιό τµήµα του Η/Μ φάσµατος ανήκει; E = 12.1 [ev]. Κατ αρχήν µετατροπή του σε [J]. 1.6x10 [J] = 1 [ev] [ev] 1.94x10 [J] Καθ όσον E = hν ν = E/h, έτσι: ν = E/h = 1.94x10-18 [J] / 6.6x10-34 [J s] = 2.9x10 15 [1/s] = 2.9x10 15 [hz] λ = c/ν = (3x10 8 [m/s]) / (2.9x10 15 [1/s]) = 1.02x10-7 [m] = 102 [nm] Αυτό αντιστοιχεί σε χαµηλής ενέργειας ακτίνες Χ! Αυτό αντιστοιχεί σε χαµηλής ενέργειας ακτίνες Χ!

78 ιάδοση του Φωτός: Νόµος αντιστρόφου τετραγώνου των αποστάσεων

79 Ορατόφάσµα ορατό φάσµα λευκό φως πρίσµα Ταµήκη κύµατος του ορατού φωτός κυµαίνονται από nanometers (10 6 m). Εναπρίσµα αποκλίνει το φωςδιαφορετικά και ανάλογα µε το µήκος κύµατός του. Ετσι µπορούµε να δούµε τα χρώµατα του ορατού φωτός.

80 ΟρατόΦάσµα Ορατό Φάσµα

81 ΟρατόΦως στο Η/Μ Φάσµα Το ορατό φως είναι ένα µικρό τµήµα του ηλεκτροµαγνητικού φάσµατος το οποίο µπορούµε να αντιληφθούµε µε τα µάτια µας

82 Τοφάσµα του ορατού φωτός Ορατή περιοχή του Η/Μ φάσµατος Ερυθρό Πορτοκαλί (O) Κίτρινο (Y) Πράσινο (G) Μπλέ (B) Λουλακί (I) Ιώδες (V) υπέρυθρο ROYGBIV υπεριώδες

83 ΕίδηΗλεκτροµαγνητικών Ακτινοβολιών Μικροκύµατα Ορατό Ακτίνες Χ Κοσµική ακτινοβολία Χαµηλή ενέργεια Υψηλή ενέργεια Ραδιοφωνικά κύµατα Υπέρυθρο Υπεριώδες Ακτίνες γ

84

85 Μη-ιοντίζουσα Ηλεκτροµαγνητική Ακτινοβολία Αυτούτου είδουςη ακτινοβολίαδενέχει αρκετή ενέργεια για να αποµακρύνει ηλεκτρόνιο από άτοµο. Υπεριώδης ακτινοβολία Ορατό φώς Υπέρυθρη ακτινοβολία Μικροκύµατα Ραδιοκύµατα Ιοντίζουσα Ηλεκτροµαγνητική Ακτινοβολία Αυτούτου είδουςη ακτινοβολίαέχειαρκετήενέργειαγια να αποµακρύνει ηλεκτρόνιο από άτοµο. Ακτίνεςγ ΑκτίνεςΧ

86 Χρησιµότητα... Οι κύριες εφαρµογές των ιοντιζουσών ακτινοβολιών στην Ιατρική είναι: Ακτινοδιάγνωση Πυρηνική Ιατρική Ακτινοθεραπεία Το µεγαλύτερο µέρος της κλασικής και µοντέρνας ακτινολογίας (µε εξαίρεση την υπερηχογραφία και το µαγνητικό συντονισµό), της ακτινοθεραπείας και της πυρηνικής ιατρικής κάνει χρήση ιοντίζουσας ακτινοβολίας, δηλαδή κάνει χρήση ακτινοβολίας που προκαλεί ιονισµό της ύλης και συγκεκριµένα τον ιονισµό των ατόµων του ανθρώπινου ιστού.

87 ιαπερατότηταατµόσφαιρας