( ) Marie Curie ( ) ( )

Transcript

1 Πυρηνική Φυσική

2 Antoine Henri Becquerel Pierre Curie ( ) Ernest Rutherford ( ) Marie Curie ( ) ( ) 1937)

3 Ραδιενέργεια: Ιστορικά στοιχεία Henri Becquerel (1896) Άλατα ουρανίου είχαν την ιδιότητα να αμαυρώνουν φωτογραφικές πλάκες ακόμα και όταν οι πλάκες κλείνονταν σε αδιαφανή χώρο που απέκλειε το φώς. Η ακτινοβολία αυτή εκπεμπόταν αυθόρμητα, χωρίς την παρουσία εξωτερικού αίτιου Η διαδικασία της εκπομπής ακτινοβολίας ονομάστηκε ραδιενέργεια. ργ Marie & Pierre Curie: πισσουρανίτης (Po, Ra). Ernest Rutherford: Η ραδιενέργεια είναι αποτέλεσμα της διάσπασης ασταθών πυρήνων.εχει ως αποτέλεσμα σχηματισμό νέων στοιχείων

4 Ραδιενέργεια Στη φύση υπάρχουν ορισμένα χημικά στοιχεία (με Ζ>80 80) των οποίων ο πυρήνας παρουσιάζει αστάθεια. Ο πυρήνας αυτός (μητρικός πυρήνας) μπορεί να παραμείνει αναλλοίωτος για αρκετό χρόνο (από κλάσμα sec έως χιλιάδες χρόνια) αλλά κάποια δεδομένη στιγμή εκπέμποντας ένα σωματίδιο μετατρέπεται,, διασπάται σε πυρήνα κάποιου άλλου στοιχείου (θυγατρικός πυρήνας). Η διάσπαση συνοδεύεται με απώλεια ενέργειας και είναι μια στοχαστική διαδικασία σε ατομικό επίπεδο, δηλ είναι αδύνατο να προβλεφθεί η διάσπαση ενός συγκεκριμένου ατόμου. Όμως αν έχουμε μεγάλο αριθμό όμοιων ατόμων, ο ρυθμός δά διάσπασης είναι προβλέψιμος. Ραδιενεργός Πυρήνας Σωματίδιο + Νέο στοιχείο

5 Είδη Ραδιενέργειας Ραδιενεργός Πυρήνας Σωματίδιο + Νέο στοιχείο Σωματίδια που εκπέμπονται από ραδιενεργούς πυρήνες: Σωματίδια α (ακτινοβολία α) =πυρήνες 4 Ηe (avi #81) (Μεγάλα, + φορτίο) Σωματίδια β (ακτινοβολία β) = e- ή ποζιτρόνια (avi #82) (αντισωμάτιο e-) (Μικρά, - φορτίο) Ακτίνες γ = ΗΜ ακτινοβολία (φωτόνια) πολύ μικρού λ (συνοδεύουν τα α,β) (πολύ μικρά άυλα-, όχι φορτίο) ) (avi #83)

6 Είδη Ραδιενέργειας Σωματίδια α καθορισμένη ενέργεια της τάξεως μερικών ΜeV (γραμμικό φάσμα) Σωματίδια β ενέργεια που μεταβάλλεται με συνέχεια (συνεχέςέ ενεργειακό φάσμα) ) Ακτίνες γ δευτερεύουσα διαδικασία, συμβαίνει κατά την αποδιέγερση πυρήνα. Για να χαρακτηριστεί το φαινόμενο της εκπομπής σωματιδίου από τον πυρήνα χρησιμοποιούνται οι όροι: ιεισδυτική ικανότητα ακτινοβολιών αποσύνθεση, disintegration διάσπαση, fission μετατροπή, transformation μεταστοιχείωση,, transmutation

7 Ηλεκρονιοβόλτ (ev) ev: μονάδα ενέργειας ίση με 1.603x10-19 joule. Ορίζεται ως η ενέργεια που απαιτείται για τη μετακίνηση φορτίου 1e κατά μήκος διαδρομής που έχει διαφορά δυναμικού 1Volt. Χρησιμοποιείται συνήθως για μέτρηση της ενέργειας στοιχειωδών σωματιδίων,, ιόντων ή ενεργειακών σταθμών.

8 Χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας Ονομασία Οομασα α Σύμβολο ο Μάζα Σχετικό (amu) φορτίο α ή 4 He ή 4 α 4 +2 β β ή 0 e ή 0 β ή β γ γ ή 0 γ 0 0 Ποζιτρόνιο 0 β ή 0 e ή β

9 Νόμος Ραδιενεργών μετατροπών Έστω δεδομένη ποσότητα ραδιενεργού στοιχείου η ποσότητα αυτή θα ελαττώνεται με την πάροδο του χρόνου (αυθόρμητη διάσπαση). Ο ρυθμός με τον οποίο ένα ραδιενεργό δείγμα διασπάται θα είναι ανάλογος προς τον αριθμό των παρόντων ραδιενεργών πυρήνων. Εάν κάποια στιγμή είναι παρόντες Ν ραδιενεργοί πυρήνες τότε ο ρυθμός μεταβολήςτουνθαείναι: dn/dt dt= -λ λ Ν λ= σταθερά διασπάσεως, (-) το Ν ελαττώνεται dn/dt = το πλήθος των διασπώμενων πυρήνων ανα μονάδα χρόνου = ρυθμός διάσπασης = ραδιενέργεια (μονάδες: διασπάσεις / s) dn/dt= -λ Ν dn/n = -λ dt N=NoNo e -λt Νόμος ραδιενεργών μετατροπών

10 Νόμος Ραδιενεργών μετατροπών N=NoNo e -λt time Εάν συμβολίσουμε R = -dn/dt R = λ Ν R = λ No e -λt lnr = -λ t + ln(λ Νο)

11 Μονάδες ραδιενέργειας & Χρόνος υποδ/μού Μονάδες ρυθμού διάσπασης ραδιενεργών πυρήνων (ραδιενέργειας): Curie (Ci) 1Ci = 3, διασπάσεις/s / (περιγράφειά περίπου τη ραδιενέργεια 1g Ra) Becquerel (Be) SI: 1Βe= 1 διάπαση/s 1Ci = 3, Be Χρόνος υποδιπλασιασμού Τ 1/2 ο χρόνος που απαιτείται για να διασπαστούν οι μισοί ραδιενεργοί πυρήνες. Χρήσιμη παράμετρος για την περιγραφή ραδιενεργού διασπάσεως συγκεκριμένου πυρήνα N=No/2, t=t 1/2 Τ 1/2 = ln2/λ = 0,693/λ Άρα η σταθερά διασπάσεως λ = 0,693/Τ 1/2 time

12 Φυσική & Τεχνητή Ραδιενέργεια Ραδιενέργεια: Φυσική ή (από ασταθείς πυρήνες που υπάρχουν στη φύση) & Τεχνητή (από ασταθείς πυρήνες που παρασκευάζονται στο εργαστήριο) Στην πραγματικότητα ο άνθρωπος με την ανακάλυψη και μελέτη της δομής του πυρήνα κατάφερε να κατασκευάσει μηχανές που να παράγουν ραδιενεργά ισότοπα (2000 από 100 στοιχεία) Οάνθρωπος δέχεται φυσική ραδιενέργεια από: 1. Το σύμπαν (κοσμική ακτινοβολία) 2. Τη Γη (ραδιενεργά κοιτάσματα) 3. Το σώμα του (ραδιενεργά ισότοπα εντός μας)

13 Φυσική Ραδιενέργεια: Κοσμική ακτινοβολία Πρωτόνια, σωματίδια α, μεγαλύτεροι πυρήνες κλπ Τα σωματίδια φθάνουν στην ατμόσφαιρα αντιδρούν με Ν 2, Ο 2 στο έδαφος φθάνουν π-μεσόνια, ηλεκτρόνια, ακτίνες γ. Πόλοι/ισημερινός=4/1 ακτινοβολία (λόγω μαγνητικού πεδίου γής) Μ ό ύξ ή Με υψόμετρο αύξηση κοσμικής ακτινοβολίας

14 Φυσική Ραδιενέργεια: Ραδιενεργά κοιτάσματα 40 ισότοπα (ραδιενεργές σειρές) μεταβαλλόμενης αναλογίας από τόπο σε τόπο (Βραζιλία, ζ Νότιος Ιδί) Ινδία) Αέριο ραδόνιο ( 222 Rn σειράς U και 220 Rn σειράς Th). Rn και θυγατρικά του συνεισφέρουν κατα 50% στη φυσική ραδιενέργεια που δεχόμαστε. Μεγάλες δόσεις καρκίνος πνεύμονα Σοβαρό πρόβλημα με μονώσεις, για το εξερχόμενο ξρχμ από τη γή Rn και από δομικά υλικά USA: Επιτρεπτά όρια 160 Be/m 3. Άλλες πηγές: κάρβουνο (καύση), φωσφορικά ορυκτά που χρησιμοποιούνται ως λιπάσματα

15 Φυσική Ραδιενέργεια: Στο σώμα μας 14 C από ατμοσφαιρικό άζωτο 222 Rn, 220 Rn, 40 K εισπνέεται, (απόό ραδιενεργά κοιτάσματα) σημαντική έκθεση 210 Pb, 210 Po από κοιτάσματα, μέσω τροφικής αλυσίδας (ψάρια) 137 Cs..κυρίως μετά το Τσερνόμπιλ Κιτ για έλεγχο ραδονίου Rn

16 Ραδιενεργές σειρές (οικογένειες) Σειρά ουρανίου (Uranium) U-238 Pb-206 Σειρά ακτινίου (Actinium) i U-235 Pb-207 Σειρά θορίου (Thorium) Σειρά ποσειδωνίου (Νp) Neptunium Np υπερουράνιο. Η σειρά δεν υπάρχει πλέον στη φύση, (Np Τ 1/2 = 2, έτη) έχει παρασκευασθεί σε εργαστήρια από τεχνητά στοιχεία Κάθε σειρά αρχίζει με συγκεκριμένο ισότοπο με Τ 1/2 μεγαλύτερο από τα θυγατρικά του Th-232 Pb-208

17 Ραδιενεργές σειρές (οικογένειες) Th-232 (Thorium) (Pb-208) Η ύπαρξη ραδιενεργών στοιχείων στη φύση δίνει τη δυνατότητα στο περιβάλλον να αντικαθιστά ραδιενεργά στοιχεία στη φύση που διαφορετικά (λόγω Τ 1/2) θα είχαν εξαφανιστεί. Πχ 226 Ra, Τ 1/2 =1600 έτη Κάθε ραδιενεργός σειρά καταλήγει σε σταθερό ισότοπο (Pb) Μπορεί να υπολογιστεί η ηλικία ενός πετρώματος που περιέχει πχ U από την αναλογία U/Pb (ραδιοχρονολόγηση) Στη φύση υπάρχουν αρκετά ακόμη ραδιενεργά ισότοπα ( 14 C, 40 K) τα οποία δεν αποτελούν μέρος κάποιας από τις ραδιενεργές σειρές

18 14 C & ραδιοχρονολόγηση (Libby, 1946) H κοσμική ακτινοβολία που βομβαρδίζει τη γή προκαλεί στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας πυρηνικές αντιδράσεις από τις οποίες δημιουργείται 14 C. Ο λόγος των ισοτόπων 14 C/ 12 C στο CΟ 2 της ατμόσφαιρας είναι σταθερός ( 14 C/ 12 C = 1, ) Ο 14 C αντιδρώντας με Ο 2 ενσωματώνεται σε CO 2. Το CΟ 2 χρησιμοποιείται από τα φυτά ως πηγή C είσοδος 14 C σε τροφικές αλυσίδες

19 14 C & ραδιοχρονολόγηση Ατμόσφαιρα: 14 C/ 12 C=1, Όταν ένας ζωντανός οργανισμός πεθαίνει παύει να προσλαμβάνει 14 C. Ως ραδιενεργό ισότοπο ο 14 C διασπάται με χαρακτηριστικό ρυθμό (Τ 1/2 =5730 έη) έτη) Τ 1/2 2 Τ 1/2 3 Τ 1/2

20 Άλλες μέθοδοι χρονολόγησης μέθοδος ουρανίου-θορίου (ραδιοϊσότοπα 238 U- 230 Th), μέθοδος καλίου-αργού αργού (K-Ar) μετρά την ποσότητα αργού που σχηματίζεται από το κάλιο με μεταστοιχείωση, καταμέτρηση των ιχνών σχάσης ουρανίου 238 U σε ορυκτά ή κεραμικά. Οι σχάσεις συμβαίνουν με χαρακτηριστικό ρυθμό ( 238 U T 1/2 =0.7x10 9 y) και είναι τόσο βίαιες που αφήνουν ίχνη χηατελειών στους κρυστάλλους των ορυκτών που αποτελούν το δείγμα, οι οποίες γίνονται ορατές με μικροσκόπιο μετά από ειδική κατεργασία. Α Β

21 Μεταστοιχείωση Rutherford 1919: ακτινοβόληση 14 Ν με σωματίδια α ψηλής ενέργειας άζωτο παράγει 17 Ο με εκπομπή πρωτονίου (πρώτη απόδειξη ότι το πρωτόνιο ήταν πυρηνικό σωματίδιο) N + 2 α 8 O + 14 p Chadwick 1932: ακτινοβόληση η 9 Be με σωματίδια α ψηλής ενέργειας παρήγαγε 12C με εκπομπή νετρονίου (ανακάλυψη νετρονίου) Be + 2α 6C n

22 Πυρήνας Πυρήνας: ιαστάσεις (το ερώτημα δεν μπορεί να απαντηθεί από μελέτη ραδιενέργειας) Φύση (σύνθετη) Ενέργειες (πολύ ισχυρές, ισχυρότερες από αυτές των ατόμων)

23 Πυρήνας: (α) Μέγεθος Rutherford, Chadwick: Πειράματα σκέδασης Σωματίδια α βομβάρδισαν λεπτό φύλο μετάλλου. Καθώς διαπερνούσαν το φύλλο μερικά περνούσαν κοντά από τους πυρήνες. Επειδή στόχος και «βλήμα» ήταν θετικά φορτισμένα τα α εκτρέπονταν από την ευθύγραμμη τροχιά (λόγω της απωστικής Coulomb). Κάποια εκτροπή κατά σχεδόν 180 ο (μετωπική αλληλεπίδραση με πυρήνα). Συμπέρασμα: ο πυρήνας είναι πολύ μικρός και συμπαγής σε σχέση με το άτομο

24 Πυρήνας: (α) Μέγεθος Πειράματα σκέδασης 2 mu 2 ιατήρηση η ορμής και ενέργειας απόσταση εγγύτερης προσέγγισης (d) στην οποία πλησιάζει το σωμάτιο του πυρήνα προτού υποχρεωθεί να γυρίσει πίσω Σωμάτιο α Πυρήνας με Ζ ½mu 2 =k q 1 q 2 /r = k (2e Ze)/d d= 4kZe 2 /mu 2 Au d=3, m Ag d= m διαστάσεις πυρήνα < d

25 Πυρήνας: (α) Μέγεθος Ολόκληρο το (+) φορτίο ατόμου συγκεντρωμένο σε μικρή σφαίρα (πυρήνας) με ακτίνα της τάξεως των m ( φορές μικρότερη ακτίνα από αυτή του ατόμου) Μέση ακτίνα πυρήνα r=r ο A 1/3,rο =1, m Α=μαζικός αριθμός Όγκος πυρήνα V=4πR 3 /3 V= (4π/ π/3) r 3 o A Α=μαζικός αριθμός

26 Πυρήνας: (β) Σύσταση Πρωτόνια και νετρόνια Ατομικός αριθμός Ζ = πλήθος πρωτονίων (p) Μαζικός αριθμός Α = πλήθος πρωτονίων + νετρόνια (n) A Z X Α=Ζ+n 14 7 Ν + 4 2Ηe 17 8Ο + 1 1p p : Θετικό φορτίο ( e = 1, C), m p = u n:ηλεκτρικά ουδέτερο, m n = u e : αρνητικό φορτίο, m e =0, u (1836 φορές μκ μικρότερη από μάζα πυρήνα) Ατομική μονάδα μάζας (u) 1u=1, Kg. Ορίζεται με βάση τη μάζα του ισοτόπου του 12 C, ώστε η μάζα του να είναι 12u.

27 Πυρήνας: (γ) Ενέργεια Πώς υπάρχει οπυρήνας????? (α) απωστική ηλεκτρική δύναμη (β) «πυρηνική δύναμη» Η πυρηνική δύναμη (a) έχει πολύ μικρή εμβέλεια (ακτίνα δράσης 2fm 1fm=10-15 m) (β) είναι ελκτική, (γ) δρά ανάμεσα σε p, n, p & n Γιατί δεν έχουμε εμπειρία της πυρηνικής δύναμης στην καθημερινή ζωή? Έχουμε εμπειρία για αποστάσεις μέχρι της τάξεως του μm (10-6 m) σε αυτές η πυρηνική δύναμη είναι μηδενική (fm=10-15 m)

28 Πυρήνες: Σταθερότητα Σήμερα είναι γνωστοί περίπου 400 σταθεροί πυρήνες και εκατοντάδες ασταθείς Οι ελαφροί πυρήνες είναι πιο σταθεροί όταν n=p (Ηe) Βαρείς πυρήνες πιο σταθεροί αυτοί με n>p. Αυτό συμβαίνει μέχρι περίπου Z=83. Όταν Ζ>83 ο πυρήνας ασταθής. Γενικά οι περισσότεροι σταθεροί πυρήνες έχουν Α άρτιο.

29 Ισότοπα 14 7 Ν + 4 2Ηe 17 8Ο + 1 1p Το Ο έχει Α διαφορετικό από το σύνηθες ( 16 8Ο). Όμως έχει Ζ=8, άρα είναι άτομο οξυγόνου. ύο ή περισσότεροι πυρήνες με ίδιο Ζ αλλά διαφορετικό Α καλούνται ΙΣΟΤΟΠΑ (επειδή καταλαμβάνουν τον ίδιο χώρο στον ΠΠ).

30 Εκπομπή ακτινοβολίας γ Ως αποτέλεσμα της κυματικής φύσης των υποατομικών σωματιδίων ο πυρήνας μπορεί να βρεθεί μόνο σε συγκεκριμένες καταστάσεις ενέργειας.... & Συνήθως βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση... Στην περίπτωση μεταστοιχειώσεων ή ραδιενεργών διασπάσεων όμως συχνά παράγονται πυρήνες σε διηγερμένη κατάσταση. Από εκεί μεταπίπτουν στη θεμελιώδη σε ελάχιστο χρόνο με ταυτόχρονη εκπομπή φωτονίου. Η ενέργεια αυτού του φωτονίου είναι εξαιρετικά μεγάλη (MeV). Η ακτινοβολία αυτή ονομάζεται ακτινοβολία γ και το φάσμα της είναι χαρακτηριστικό του πυρήνα που την εκπέμπει. Οι ακτίνες γέχουν λ< από αυτό των ακτίνων Χ, (άρα ν> και Ε>) γ προέρχονται από αποδιέγερση πυρήνων Χ προέρχονται από αποδιέγερση ηλεκτρονίων εσωτερικών στιβάδων

31 Περιγραφή αντιδράσεων (1) ιάσπαση α: Πυρήνες Ηe A Z X A-4 Z-2 Y α Ra Rn + 4 2He ++, T 1/2 = 1600 έτη Ra RaA + 4 2He ++, T 1/2 = 3,8 ημέρες (RaA:ράδιο Α παλαιότερη ονομασία του ισοτόπου του πολωνίου 218 Po

32 Περιγραφή αντιδράσεων (2) ιάσπαση β (εκπομπή e ή ποζιτρονίου): ποζιτρονίου Τo nαπομονωμένοέ είναι ασταθές καιδιασπάται αυθόρμητα 1 0 n 1 1p+e - +anti-n, Τ 1/2 =12 min Στους σταθερούς πυρήνες η διάσπαση β εμποδίζεται από την ύπαρξη των άλλων n και p. Στους ραδιενεργούς συμβαίνει αλλά με T 1/2 του ελεύθερου n διαφορετικό από αυτόν αντινετρίνο (μάζα μηδέν, φορτίο μηδέν, κινείται με ταχύτητα φωτός) Το νετρίνο & anti-n n δημιουργούνται με δαπάνη την εξαφάνιση μέρους της μάζας του n (m n = u) ως προς το p (m p= u). Φαινόμενο ανάλογο με την μετάπτωση ατόμου από τη διηγερμένη στη θεμελιώδη κατάσταση υπό εκπομπή φωτονίου.

33 Περιγραφή αντιδράσεων 1 B (-) διάσπαση: n 1 0 p + β p ηλεκτρόνιο + v - αντινετρίνο B (+) διάσπαση: 1p 1 1 n β v ποζιτρόνιο νετρίνο A Β (-): Z (πυρήνας με περίσσεια n) 32 A - X Z + 1 Y + e 15PP 15 p < 17 n S + β 32 16S - 0 X Y + e A A + B(+): Z Z (πυρήνας υ ή με έλλειμμα n) + 11Na 10Ne 0 β 11 p = 11 n

34 Περιγραφή αντιδράσεων ιάσπαση β ( ακτινοβόληση με e και εκπομπή νετρίνο): 7 A 0 A X + e Y + Z -1 Z-1 0 Be + e Li + ν ν

35 Περιγραφή αντιδράσεων (3) ιάσπαση γ A Z A Z X X + γ B C + e * - ν Πυρήνας σε διεγερμένη κατάσταση 12 * C C + γ Εκπομπή γ

36 Πυρηνικές δυνάμεις & ενέργεια σύνδεσης πυρήνα p & n αλληλεπιδρούν με πυρηνικές δυνάμεις, που είναι πιο έντονες από F Coulomb και υπερτερούν για αποστάσεις σαν αυτές μεταξύ των νουκλεονίων. Η μεταβολή της έντασης της πυρηνικής δύναμης συναρτήσει της απόστασης ποιοτικά φαίνεται στο σχήμα. «Φρέαρ» δυναμικού Ονομάζουμε ενέργεια σύνδεσης πυρήνα (Eb, bonding energy) το έργο που απαιτείται για να διαχωρίσουμε Ζ πρωτόνια και Ν νετρόνια και να τα φέρουμε σε άπειρη απόσταση μεταξύ τους. Το πείραμα δείχνει ότι το έργο εξαγωγής των p & n από τον πυρήνα είναι πολύ μεγαλύτερο (8MeV για Cu) από αυτό της εξαγωγής e από το άτομο (4,4 ev για Cu). Το έργο αυτό είναι περίπου το ίδιο για όλους τους πυρήνες.

37 Υπολογισμός ενέργειας σύνδεσης πυρήνα Σε αντίθεση με την κλασσική θεωρία στην οποία η αρχή διατήρησης της μάζας και της ενέργειας είναι 2 ξεχωριστοί νόμοι, στη θεωρία της σχετικότητας (ΘΣ) οι 2 νόμοι αποτελούν έναν ενιαίο νόμο. ΘΣ: H μάζα είναι μια μορφή ενέργειας, η οποία προστίθεται στις άλλες μορφές ενέργειας. Όταν ένα σώμα απορροφά ενέργεια Ε, η μάζα του αυξάνει κατά Ε/c 2, ενώ όταν ακτινοβολεί η μάζα του ελαττώνεται. Γενικά υπάρχει μετασχηματισμός μ μάζας ενέργειας που καθορίζεται ρζ από τη σχέση Ε=mc 2. Ένα ακίνητο σώμα που δεν αισθάνεται την επίδραση δυνάμεων έχει Ε ο και m ο. Αυτή ηενέργεια λέγεται ενέργεια ηρεμίας Ε ο =m ο c 2 (Εο πολύ μεγάλο, αφού c 2 = (m/s) 2 1g ύλης Ε ο =10 14 J)

38 Υπολογισμός ενέργειας σύνδεσης πυρήνα Όταν Ζ p&nn βρίσκονται σε ηρεμία: Ε ο =(Ζm p +Nm n ) c 2 Όταν τα ίδια σωματίδια έρθουν κοντά (δημιουργείται ο πυρήνας) τότε παράγεται έργο εις βάρος της ενέργειας ηρεμίας. Εάν Μ είναι η μάζα τουπυρήνα που δημιουργείται τότε ισχύει Μ < Ζm p +Nm n, δηλ. υπάρχει έλλειμμα μάζας δμ= Ζm p +Nm n -Μ. Το γινόμενο της δμ c 2 είναι η ενέργεια σύνδεσης (Eb) του πυρήνα. Εb= (Ζm p Nm n Μ) c

39 Ενδο- & Εξω- ενεργειακές πυρηνικές αντιδράσεις πυρηνική αντίδραση = οποιαδήποτε πυρηνική διαδικασία (μεταστοιχείωση, αυθόρμητη διάσπαση) Ανάλογα με τη φύση των εισερχόμενων και εξερχόμενων σωματιδίων οι μεταστοιχειώσεις διακρίνονται σε διάφορες κατηγορίες : Πχ (α,p), (α,n) εισερχόμενο α, εξερχόμενο p ή n, (γ,p) (γ,n) Για κάθε αντίδραση ορίζεται η ενέργεια αντίδρασης (Q) δηλ η ενέργεια που εκλύεται ή απορροφάται κατά την αντίδραση. ιαφορά ενέργειας χημικής πυρηνικής αντίδρασης: (α) Στις πυρηνικές αντιδράσεις αντιδρά ένα σωματίδιο (p, n, α) ) με έναν πυρήνα και παράγεται ένας άλλος πυρήνας και ένα ή περισσότερα σωματίδια. (β) Οι ενέργειες στις πυρηνικές αντιδράσεις είναι της τάξεως των MeV (10 6 φορές μεγαλύτερες από αυτές των κλασσικών χημικών αντιδράσεων) Όπως οι κλασσικές αντιδράσεις, οι πυρηνικές είναι: ενδόθερμες [(γ,p), (γ,n)] ή εξώθερμες (αυθόρμητη διάσπαση ραδιενεργών πυρήνων)

40 Υπολογισμός της Q αντίδρασης Από την ισοδυναμία μάζας-ενέργειας και τις μάζες πυρήνων και σωματιδίων (διατήρηση η «υλενέργειας») ς Ν Ν + 4 2Ηe 17 8O p Q= (m N + m He )c 2 (m O +m p )c 2

41 ιάκριση εξωενεργειακών αντιδράσεων (α) Αντιδράσεις σύντηξης (Fusion) Fusion). Μέσα από διαδοχή διεργασιών (p,γ) και διασπάσεων β ενώνονται 4 p υπό το σχηματισμό μ πυρήνα Ηe (συμβαίνουν στο εσωτερικό των άστρων και στον ήλιο) Χρειάζεται υψηλότατες θερμοκρασίες για να συγκρουσθούν οι πυρήνες και να αλληλεπιδράσουν ( K). Σε τέτοιες Θ (δεν έχουν επιτευχθεί) δεν υπάρχουν άτομα, μόνο πυρήνες και ηλεκτρόνια (πλάσμα). (β) Αντιδράσεις σχάσης (Fission) (Q 200ΜeV) βαρέων στοιχείων με νετρόνια (1939, Hahn, Strassmann). Βομβαρδισμός πυρήνα πχ U με νετρόνια σχάση σε 2 πυρήνες με Ζ 1 και Ζ 2 τέτοια ώστε Ζ=Ζ 1 +Ζ 2. Συνοδεύεται από εκπομπή 2-3 νετρονίων.

42 Πυρηνικές αντιδράσεις & παραγωγή ενέργειας Σε συνήθεις χημικές αντιδράσεις η ενέργεια που ελευθερώνεται (πχ καύση) αν και μικρή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για την καύση άλλων μορίων τελικά λαμβάνει μέρος στην αντίδραση όλη ημάζα. Για να γίνει αυτό π.χ. στη σύντηξη πρέπει ορισμένη ποσότητα Η να αχθεί σε πολύ υψηλή θ ώστε οι πυρήνες να έχουν την απαιτούμενη κινητική ενέργεια για να αλληλεπιδράσουν. Στην περίπτωση των άλλων εξωενεργειακών πυρηνικών αντιδράσεων, ένας πυρήνας με σύγκρουση με κάποιο σωματίδιο μετατρέπεται σε άλλο πυρήνα. Όμως αυτό δεν επηρεάζει τους γειτονικούς. Ουσιαστικά για να γίνει χρήση αυτών των αντιδράσεων πρέπει να είναι αλυσωτές. Αυτό ισχύει στη σχάση του U που παράγονται νετρόνια. Σε αντίθεση με την καύση ή τη σύντηξη, όπου η εκλυόμενη θερμότητα προκαλεί την αλυσωτή αντίδραση, στην σχάση αυτή η αντίδραση προκαλείται από τα n.

43 Αλυσωτή αντίδραση (chain reaction) σχάσης (διάσπασης) ά 235 U Από κάθε άτομο 235 U που διασπάται προκύπτουν 2-3 νετρόνια που μπορούν να διασπάσουν ισάριθμα άτομα 235 U και η αλυσωτή αντίδραση εξελίσσεται εκθετικά

44 Πυρηνικοί αντιδραστήρες 1942: Fermi πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας βασισμένος στην πυρηνική σχάση Έλλειμα μάζας Η αλυσωτή αντίδραση γίνεται πιο γρήγορα για n χαμηλών ταχυτήτων Επιβράδυνση n με σύγκρουση με άλλους πυρήνες (μη-σχάσιμους) στους οποίους μεταφέρουν μέρος της Εκιν θερμικά ή βραδέα n. Αυτό γίνεται με επιβραδυντές. Όλα τα υλικά μπορούν να επιβραδύνουν n αλλά όχι με την ίδια αποδοτικότητα (κάποια απορροφούν νετρόνια) Όσο περισσότεροι οι σχάσιμοι πυρήνες (βαθμός εμπλουτισμού) τόσο λιγότερο αποδοτικός μπορεί να είναι ο αντιδραστήρας. Η εκλογή του συστήματος καυσίμου-επιβραδυντή προσδιορίζει τον τεχνολογικό τύπο του αντιδραστήρα

45 Πυρηνικοί αντιδραστήρες Καύσιμο: 235 U(συνυπάρχει σε ποσοστό 0,7% με φυσικό, εξορύξιμο 238 U). Το 238 U δεν είναι κατάλληλο για πυρηνική σχάση αλλά χρησιμεύει για την παραγωγή 239 Pu. Για τη χρήση του U ως καυσίμου γίνεται εμπλουτισμός (διάχυση, φυγοκέντρηση 2-4% σχάσιμες ράβδοι (σε δοχείο 40-60, σχάσιμο στοιχείο MW αντιδραστήρας 100 τόνοι U σχάσιμες ράβδοι) ) 1 n U 239 Pu Αρχή αναπαραγωγικών αντιδραστήρων (fast breeder reactors). Tο Pu μετά από κατάλληλο διαχωρισμό χρησιμοποιείται για τη λειτουργία αντιδραστήρα Μετά την πάροδο κάποιου χρονικού διαστήματος ανανέωση υλικού η ρ χρ ήμ ς η (μια φορά το χρόνο). Ακολουθεί επανάκτηση του σχάσιμου υλικού ραδιενεργά κατάλοιπα ΑΠΑΙΤΟΥΜΕΝΟ: ασφαλής αποθήκευση!)

46 Πυρηνικοί αντιδραστήρες Πυρήνας Σχάσιμο στοιχείο Σχάσιμη ράβδος ιευθέτηση στοιχείων καυσίμου στην καρδιά του αντιδραστήρα Αντιδραστήρας με νερό ως υγρό ψύξης

47 Πυρηνικοί αντιδραστήρες Καρδιά του αντιδραστήρα: σύστημα καυσίμου επιβραδυντή Επιβραδυντές: C (γραφίτης), Βe, Η (Η 2 Ο) όταν το καύσιμο είναι εμπλουτισμένο U ή D 2 O (βαρύ ύδωρ) αν όχι (το Η απορροφά n μετατρεπόμενο σε D) Τα ταχέα n που δημιουργούνται από τη σχάση μπορούν: 1. να απορροφηθούν από μη-σχάσιμους πυρήνες 2. να διαφύγουν από την καρδιά του αντιδραστήρα 3. να επιβραδυνθούν και να προκαλέσουν νέες σχάσεις Στους αντιδραστήρες ο βαθμός εμπλουτισμού, ηποσότητα και το είδος του επιβραδυντή και η γεωμετρία της καρδιάς είναι τέτοια ώστε για κάθε n που απορροφάται δημιουργείται τελικά (κατά μ.όρο) 1 μόνο n με κατάλληλη ενέργεια για την πρόκληση νέας αντίδρασης σχάσης (ρυθμός σχάσης αντιδραστήρα = σταθ)

48 Πυρηνικοί αντιδραστήρες Ρυθμός σχάσης αντιδραστήρα = σταθ ελεγχόμενη αλυσωτή αντίδραση (κρίσιμη κατάσταση) Αυξανόμενος αριθμός αντιδράσεων σχάσης υπερκρίσιμη (εκρηκτική) κατάσταση Ελαττώνεται το πλήθος των n (διαφυγή, απορρόφηση) υποκρίσιμη κατάσταση Ο έλεγχος της κρισιμότητας γίνεται με το σύστημα ελέγχου και διακοπής της λειτουργίας: Ράβδοι ελέγχου (ράβδοι από Cd ή B που απορροφούν n) που εισέρχονται ή εξέρχονται από την καρδιά. Ανάλογα με το πόσο βαθιά στην καρδιά βρίσκονται οι ράβδοι η κατάσταση μπορεί να είναι υπερκρίσιμη, κρίσιμη, υποκρίσιμη Σχάσεις στην καρδιά ελευθερώνουν Ε υπό μορφή θερμότητας (Εκιν θραυσμάτων καθώς ηρεμούν μετατρέπεται σε θερμική) Ψυκτικό υλικό (αέριο ή υγρό, συνήθως D 2 O που είναι συγχρόνως κ επιβραδυντής).

49 Ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας (1942) Καύσιμο: ουράνιο, επιβραδυντής: γραφίτης The first nuclear reactor assembled under West Stands, Stagg Field, University of Chicago. On December 2nd, 1942, a group of scientists achieved the first self sustaining chain reaction and thereby initiated the controlled release of nuclear energy. Drawn by Melvin Miller

50 Πυρηνικοί αντιδραστήρες Παραγωγή Ηλεκτρικής ενέργειας Η θερμότητα από το ψυκτικό μέσο μεταφέρεται σε λέβητα Η 2 Ο. Το νερό ατμός θέτει σε περιστροφή ατμοστρόβιλο λειτουργία ρώτορα ρ ηλ. γεννήτριας ήρ Πρώτοι αντιδραστήρες για παραγωγή ενέργειας: 1956 (50 ΜW) Σήμερα >400 (1000 ΜW) Τύποι αντιδραστήρων: (α) Βάσει τύπου n: σχάση από βραδέα n θερμικοί σχάση από ταχέα n ( 239 Pu, 232 Th) ταχείς (παράγουν πιο πολύ καύσιμο από αυτό που καταναλώνουν, αλλά πιο επικίνδυνοι (β) Βάσει εμπλουτισμού, τύπου επιβραδυντών, είδος ψυκτικού μέσου, σχεδιασμό ψυκτικού συστήματος

51 Πυρηνικοί αντιδραστήρες ραδιενέργεια ραδιενέργεια

52 Πυρηνικοί αντιδραστήρες και σεισμικότητα

53 Τεχνητή ραδιενέργεια 2000 τεχνητά ραδιοϊσότοπα παραγόμενα με βομβαρδισμό των 100 στοιχείων της φύσης Βομβαρδισμός νετρόνια ή άλλα στοιχειώδη σωμάτια ή πυρήνες, μέσα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες Τα βαριά στοιχεία παράγουν περισσότερα ισότοπα από τα ελαφρά (πχ ιώδιο: 20ενώ υδρογόνο: 1) Πέραν των κατά παραγγελία ισοτόπων, σειρά αυτών παράγονται ρ ρ γγ, ρ ρ γ κατά τη λειτουργία των πυρηνικών αντιδραστήρων και από τις πυρηνικές εκρήξεις

54 Ιατρική και τεχνητή ραδιενέργεια Εμεταλλευόμαστελευόμαστε την ακτινοβολία των διαγνωστικούς και/ή θεραπευτικούς σκοπούς ραδιοϊσοτόπων για Η επιλογή της ακτινοβολίας εξαρτάται από τη συγκεκριμένη εφαρμογή Ακτίνες Χ χρησιμοποιήθηκαν αρχικά για θεραπευτικούς σκοπούς, όμως αντικαταστάθηκαν σταδιακά από ακτινοβολίες ραδιοϊσοτόπων Οι εφαρμογές των ραδιοϊσοτόπων έχουν διαδοθεί τόσο ώστε να αποτελούν ιδιαίτερο κλάδο, την πυρηνική ιατρική. Ακτίνες Χ: Η/Μ ακτινοβολία υψηλής ενέργειας (αν και δεν ανήκουν στην κατηγορία της τεχνητής ραδιενέργειας μελετώνται για λόγους πληρότητας)

55 Παραγωγή & εφαρμογές ακτίνων Χ Παραγωγή ακτίνων Χ θέρμανση (εφαρμογήή τάσης μερικών χιλιάδων V) μετάλλου που ακολουθείται από εκπομπή e-. Κατά την εφαρμογή της τάσης διεγείρονται τα άτομα του Μ τα οποία παράγουν Η/Μ ακτινοβολία με ενέργειες φωτονίων KeV. Επίσης Η/Μ ακτινοβολία παράγεται και λόγω της επιβράδυνσης των e-, από την έλξη που υφίστανται από τους + πυρήνες του μεταλλικού στόχου (ακτινοβολία β πέδησης η ης brehmsstralung).

56 Αξονική τομογραφία ιαγνωστική τεχνική. Ακτίνες-Χ. Με την αξονική τομογραφία η διακριτική ικανότητα έχει αυξηθεί πολύ (3mm). H δόση ακτινοβολίας που λαμβάνει ο ασθενής ποικίλλει ανάλογα με το όργανο που ακτινοβολείται.

57 Μαγνητική τομογραφία Αξονική τομογραφία με μέθοδο NMR (πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός) ) απουσιάζει η ακτινοβολία-χ (Πυρηνική ή μαγνητική τομογραφία). Απεικόνιση ιστών βάσει περιεκτικότητάς τους σε νερό (πυρήνες υδρογόνου υπεύθυνοι για καταγραφόμενα σήματα): πιο ανοιχτόχρωμοι οι πιο πλούσιοι σε νερό. Μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου

58 Ακτίνες Χ στην ακτινοβολία συγχρότρου Σύγχροτρα: κυκλικές επιταχυντικές μηχανές e -. Ακτινοβολία, συνεχής, μεγάλης έντασης, πολωμένη. Καλύπτει περιοχές UV-γ. Υπάρχει δυνατότητα επιλογής ορισμένων ακτίνων (ορισμένο λ) και έτσι λαμβάνονται ραδιογραφίες συντονισμένες σε ορισμένα στοιχεία. Χρησιμοποιείται για αγγειογραφίες και ακτινογραφίες λεπτών οργάνων χωρίς να επιβαρύνει τον οργανισμό με μεγάλη ακτινοβολία.

59 Ραδιοϊσότοπα στη διαγνωστική Κατάλληλα ισότοπα εισάγονται στο πάσχον όργανο και ο έλεγχος γίνεται βάσει της ακτινοβολίας που εκπέμπουν 20 ραδιοϊσότοπα κυρίως αυτά που εκπέμπουν ακτίνες γ διαπεραστικές ανίχνευση έξω από το σώμα. Η περιοχή που έχει απορροφήσει το ισότοπο είναι η πάσχουσα. Η σκιαγράφηση γίνεται με σάρωση μέρους του ασθενούς (scanning) με κατάλληλο ανιχνευτή ολική αποτύπωση της περιοχής με ανιχνευτές μεγάλων διαστάσεων (gamma camera) (πλεονέκτημα: μειώνει χρόνο εξέτασης)

60 Ραδιοϊσότοπα στη διαγνωστική 131 Ι (Τ 1/2=8d, β-, Εγ=0,364MeV) ως οροαλβουμίνη με υποκατεστημένη Phe, 51 Cr (Τ 1/2 =27,7d) ως χρωμικό νάτριο και 111 In για τον προσδιορισμό όγκου αίματος και ερυθρών αιμοσφαιρίων 59 Fe προστίθεται στην αιμοσφαιρίνη για τη μελέτη της παραγωγής ερυθρών αιμοσφαιρίων στο μυελό των οστών και τον προσδιορισμό του χρόνου ζωής αυτών στο αίμα 58 Co και 57 Co για τη μελέτη της λειτουργίας της Β 12 και τη διάγνωση κακοήθους αναιμίας (συνέπεια της αδυναμίας του σώματος να απορροφά Β 12 ) 32 P προστίθεται στην καζεΐνη, 35 S στην πενικιλλίνη 201 Τh (Τ 1/2 =73h) για τη μελέτη της λειτουργίας του μυοκαρδίου. Έχει αντικατασταθεί από το 123 Ι (Τ 1/2 =13h) Στις καρδιακές παθήσεις χρησιμοποιείται 123 Te ως διαγνωστικό εργαλείο στην αλυσίδα των λιπαρών οξέων, επειδή ανακόπτει την προσπάθεια της καρδιάς να μεταβολίζει τα λιπαρά οξέα

61 Ραδιοϊσότοπα στη διαγνωστική Στην ιατρική φυσιολογία και Βιολογία χρησιμοποιούνται επίσης ως ιχνηθέτες πρωτεϊνών ο 14 C(Τ 1/2 =5730y) και το 3 Η(T) (Τ 1/2 =12,3h) Στη ραδιοανοσολογία (RIA, Radio-Immuno-Assay) παρασκευάζεται μια σειρά ραδιοφαρμάκων που μπλοκάρουν τα καρκινικά αντιγόνα και καθιστούν τους όγκους ανενεργούς. Η αρχή των ραδιοαντισωμάτων είναι αυτή των ιχνηθετών Στον τομέα της ραδιοσήμανσης: ορμόνες, βιταμίνες, ραδιοφάρμακα, διεγερτικά, προϊόντα παραγόμενα από μικρόβια λοιμωδών νοσημάτων κ παράσιτα, ουσίες που απομονώνονται από κακοήθεις όγκους κλπ Μικροκύματα χρησιμοποιούνται σε διαθερμίες, Laser στη χειρουργική.

62 Ραδιοϊσότοπα στη θεραπεία του καρκίνου Αρχικά έγινε χρήση μηχανών-χ ( V) V σήμερα βήτατρο (επιταχυντής e - ): χρήση απευθείας των e - ή ακτίνων-χ που παράγονται από τη σκέδαση των e - (Ε V) Ακτινοβολία όγκων με 60 Co. Η ακτινοβολία του Co πιο διεισδυτική από αυτή των -Χ, αντιστοιχεί σε ακτινοβολία -Χ τάσης V. Συσκευή πιο μικρή από αυτή των ακτίνων Χ ή βητάτρου εύκολη εστίαση δέσμης Γραμμικοί επιταχυντές e -, με μέγεθος όσο της συσκευής Co, ( V). Κατα την ακτινοθεραπεία ο ασθενής λαμβάνει μεγάλες δόσεις Κατα την ακτινοθεραπεία ο ασθενής λαμβάνει μεγάλες δόσεις ακτινοβολίας (δεκάδες Sv). Επειδή η δόση είναι εντοπισμένη δεν δημιουργεί προβλήματα (κάποια όργανα ανθεκτικά)

63 όσεις ραδιενέργειας από ιατρικές εφαρμογές ΙΑΓΝΩΣΗ όσεις ραδιενέργειας που λαμβάνει ο άθ άνθρωπος από τις εφαρμογές της πυρηνικής ιατρικής Εφαρμογή όση σε msv * Ακτινογραφία θώρακος 0.2 Ακτινογραφία εγκεφάλου 2.5 Ακτινογραφία στομάχου 5.55 Ακτινογραφία σπονδυλικής στήλης 2-8 Ακτινογραφία δοντιών 6.5 Αξονική τομογραφία 2.5/τομή ή Ραδιογραφία ( 99 Τc) 9-20 Ραδιογραφία ( 131 Ι) Η δόση Sievert (Sv) αποτελεί δείκτη της δυναμικής βλάβης σε ζωντανό ιστό από δεδομένη δόση ακτινοβολίας. Λαμβάνει υπόψη τόσο την απορροφηθείσα δόση ακτινοβολίας όσο και άλλους παράγοντες, όπως τον τύπο της ακτινοβολίας (οι διάφοροι τύποι ακτινοβολίας έχουν διαφορετικό βαθμό επικινδυνότητας για τους ιστούς).

64 Πυρηνικά ατυχήματα 1.Windscale (βόρεια του Liverpool) 1957: Έκρηξη αντιδραστήρα μολύνθηκε περιοχή σε ακτίνα 500Km 2 2.Τhree Mile Island (Harrisburg, Pensylvania, USA) 1979: Βλάβη σε κύκλωμα ψύξης αντιδραστήρα υπερθέρμανση και μερική τήξη του. 3.Chernobyl (Pripyat, Ουκρανία) 1986: Λόγω κακών χειρισμών ανέβηκε η ισχύς αντιδραστήρα τήξη της καρδιάς του ακολούθησε έκρηξη απελευθερώθηκε ραδιενέργεια της τάξης των 3-5x10 7 Ci ιστού: Gy: ενέργεια που μεταφέρεται από δέσμη και απορροφάται από μια μονάδα μάζας 1 Gy = 1 J/Kg = 6,24x10 18 ev/kg = 100rad

65 Αποτελέσματα από έκθεση σε ραδιενέργεια 1 Gy = 1 J/Kg = 6,24x10 18 ev/kg = 100rad (α) Σύνδρομο Νευρικού Συστήματος ( όσεις >20Gy) Λίγα λεπτά έκθεσης: ατονία, υπνηλία, κατάρρευση. όσεις >50Gy προκαλούν θάνατο εντός 2 ημερών, ενώ σε περίπτωση έκθεσης σε δόση >80Gy ο θάνατος επέρχεται σε λίγα λεπτά. (β) Σύνδρομο Γαστρεντερικού ( όσεις >5Gy) Απώλεια όρεξης, εμετός, υψηλός πυρετός και κωματώδης κατάσταση όσεις >10Gy προκαλούν θάνατο σε 2εβδομάδες (γ) Σύνδρομο Αιμοποιητικού ( όσεις >1Gy) Προσβάλλεται ο μυελός οστών.όταν η έκθεση υπερβεί το διάστημα των 2-3 εβδομάδων προκαλείται πυρετός, πονοκέφαλος, κόπωση. Κατά την έκθεση σε δόσεις 2-6 Gy δημιουργούνται υποδόρια αιματώματα (αιμορραγίαί ούλων) ) ενώ σε δόσεις >6Gy προκαλείται θάνατος εντός 3 εβδομάδων 2μηνών Στείρωση προκαλείται κατά την ολόσωμη έκθεση σε δόση >10Gy, Θολερότητα οφθαλμών κατά την ολόσωμη έκθεση σε δόση >2Gy.

66 Τσερνόμπιλ, 26 Απριλίου 1986

67 R=λ Ν λ=0.693/t 1/2