ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΕΣ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ. Σταμάτης Ζώρας Σοφία Παπαλεξίου Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος. szoras@env.duth.

Transcript

1 ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΕΣ & ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Σταμάτης Ζώρας Σοφία Παπαλεξίου Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Τμήμα Μηχανικών Περιβάλλοντος

2 Περιεχόμενα μαθήματος (1/2) Εισαγωγή Τι είναι οι ακτινοβολίες - Είδη ακτινοβολίας Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Σωματιδιακή ακτινοβολία Μονάδες Πηγές ακτινοβολίας στο περιβάλλον Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Φύση φωτός Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα Νόμοι Stefan-Boltzmann, Wien, Kirkhoff Υπεριώδης, ορατή και υπέρυθρη Ακτίνες Χ, Ακτίνες γ Μικροκύματα Ραδιοκύματα» Ηλεκτρομαγνητική επιβάρυνση από ανθρωπογενείς πηγές (δίκτυα διανομής Ηλ. Ενέργειας, ασύρματα δίκτυα, ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές συχνότητες, οικιακές συσκευές κλπ).

3 Ραδιενέργεια Περιεχόμενα μαθήματος (2/2) Εισαγωγικές έννοιες Πυρηνικής Φυσικής. Μονάδες Αλληλεπίδραση με την ύλη Έκθεση Επικινδυνότητα Ανιχνευτές ακτινοβολιών - Όργανα μέτρησης Δοσιμετρία Όρια έκθεσης - Ραδιοπροστασία Σχάση, σύντηξη Πυρηνική ενέργεια πυρηνικά κατάλοιπα Ραδιοχρονολόγηση Κοσμική ακτινοβολία Πρωτογενής κοσμική ακτινοβολία Αλληλεπίδραση με την ύλη Δευτερογενής κοσμική ακτινοβολία Προέλευση κοσμικών ακτίνων Αναλαμπές ακτίνων γάμμα

4 Τι είναι οι «ακτινοβολίες»?... ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ιονίζουσες ακτινοβολίες, μη ιονίζουσες ακτινοβολίες, φως, πυρηνικές ακτινοβολίες, ραδιοκύματα, ραδιενέργεια, σωματιδιακή ακτινοβολία, κοσμική ακτινοβολία, μικροκύματα... Εάν τις κατατάξουμε σύμφωνα με τη φύση τους είναι δύο ειδών: 1. Η Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία 2. Οι Σωματιδιακές Ακτινοβολίες

5 Τι είναι οι «ακτινοβολίες»? Έαν τις κατατάξουμε σύμφωνα με το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασής τους με την ύλη χωρίζονται επίσης σε δύο γενικές κατηγορίες: 1. Ιονίζουσες 2. Μη ιονίζουσες Έαν τις κατατάξουμε σύμφωνα με την προέλευσή τους, έχουμε 1. τις φυσικές και 2. τις ανθρωπογενείς...εν τέλει «ακτινοβολία» είναι η μετάδοση ενέργειας από απόσταση.

6 Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Η Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι τύπος κυμάτων, με συνιστώσες ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου, που διαδίδονται στην ύλη και στο κενό.

7 Τι είναι το φως;

8 ΚΥΜΑΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ Φως = σύνολο κυμάνσεων με διαφορετικά μήκη κύματος Ταχύτης φωτός (c) = x 10 8 m s -1 1,5 1 0,5 0-0,5-1 -1,5 Μήκος κύματος (Wavelength) ( ) είναι η απόσταση μεταξύ διαδοχικών κορυφών ή ελαχίστων Συχνότητα (Frequency) ( ) Αριθμός κορυφών (άρα και μηκών κύματος) που διέρχονται δι ορισμένου σημείου, ανά second c =

9 ΣΩΜΑΤΙΔΙΑΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ Φωτόνια: Τα κβάντα του φωτός Υπόθεση Planck: Η Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία (ΗΜΑ) είναι κβαντισμένη και εμφανίζεται σαν πεπερασμένα πακέτα ενέργειας, τα οποία καλούμε φωτόνια. Η ενέργεια του φωτονίου είναι το γινόμενο της σταθεράς του Planck h επί τη συχνότητα του φωτονίου ν. Η κβάντωση σημαίνει ότι φωτόνιο δεδομένης συχνότητος (ισοδύναμα: μήκους κύματος) θα έχει πάντα την ίδια ενέργεια. i.e. Φωτόνιο μπλέ φωτός, μήκους κύματος 450 nm, θα έχει πάντα ενέργεια 2.76 ev.

10 Άσκηση 1 Ποια η συχνότητα και η ενέργεια φωτονίου μπλε φωτός με μήκος κύματος 450 nm 1nm = 10-9 m λ = 450 nm = 4,5 x 10-7 m c = λ ν = 3 x 10 8 m/s ν = 3 x 10 8 (m/s) / 4,5 x 10-7 (m) ν = 6,67 x s -1 E = h ν = 4,136 x ev s 6,67 x s -1 = 2,76 ev.

11 Ηλεκτρονιοβόλτ Η κατάλληλη μονάδα ενέργειας, για την ατομική και πυρηνική κλίμακα, είναι η ενέργεια που αποκτά ηλεκτρόνιο που επιταχύνεται από διαφορά δυναμικού 1volt.Η ενέργεια αυτή δίνεται από το γινόμενο του φορτίου επί την διαφορά δυναμικού και είναι: Η συντομογραφία για το ηλεκτρονιοβόλτ είναι ev.

12 Ενέργειες σε ev Θερμική ενέργεια μορίου στη θερμοκρασία δωματίου ev Ενέργεια φωτονίων ορατού φωτός ev Ενέργεια διαχωρισμού μορίου NaCl σε ιόντα Na+ and Cl- : ev Ενέργεια ιονισμού ατομικού υδρογόνου ev Ενέργεια ιονισμού (Ionization energy) Na ev Ενέργεια (κατά προσέγγισιν) ηλεκτρονίου που προσπίπτει επί οθόνης εγχρώμου τηλεοράσεως...20,000 ev (=20 KeV) Ενέργεια φωτονίων ακτίνων Χ, στη διαγνωστική, μέχρι περίπου...200,000 ev (=0.2 MeV) Τυπικές ενέργειας πυρηνικών αποδιεγέρσεων: (1) gamma MeV (2) beta MeV (3) alpha MeV Ενέργειες κοσμικών ακτίνων (συνήθως)...1 MeV TeV

13 Όρια σε συχνότητα/ενέργεια φωτονίων? Δενυπάρχουνκατ αρχήν τέτοια όρια... Υπάρχει όμως πρακτικά όριο με την έννοια ότι οι μηχανισμοί δημιουργίας φωτονίων υπερυψηλής ενέργειας έχουν και αυτοί τα όριά τους (αναφερόμαστε σε κοσμικές ακτίνες βέβαια, όπου παρατηρούμε τις μέγιστες δυνατές ενέργειες φωτονίων, που δημιουργούνται με μηχανισμούς που δεν έχουν αποσαφηνιστεί πλήρως). Από την πλευρά των χαμηλών ενεργειών, όταν κατεβαίνουμε κάτω από από τις ραδιοφωνικές συχνότητες, οι ενέργειες των φωτονίων χάνονται μέσα στο θερμικό υπόβαθρο και δεν τις βλέπουμε πλέον ως διακριτές κβαντισμένες ποσότητες.

14 Το Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

15 Το Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

16 Το Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

17 ΗΜ ακτινοβολία στην επιφάνεια της Γης

18 Ακτινοβολία μέλανος σώματος Κάθε σώμα (στερεό, υγρό ή αέριο) εκπέμπει ακτινοβολία εξαρτώμενη από την απόλυτη θερμοκρασία του, μετρώμενη σε μονάδες Kelvin (K = o C ). Η απόδοση εκπομπής εξαρτάται από το σώμα/υλικό. Όμως, υπάρχει άνω όριο στην εκπεμπόμενη ακτινοβολία. Μέλαν σώμα είναι υποθετικό σώμα, το οποίο: 1) Εκπέμπει ακτινοβολία στην μέγιστη δυνατή ένταση για κάθε μήκος κύματος. 2) Απορροφά πλήρως όλη την προσπίπτουσα ακτινοβολία (για αυτό και λέγεται «μέλαν»).

19 Νόμος του Plank για την ακτινοβολία μέλανος σώματος Περιγράφει την ποσότητα εκπεμπόμενης από μέλαν σώμα ακτινοβολίας σε κάθε συχνότητα, συναρτήσει της θερμοκρασίας: Για μονοχρωματική εκπομπή: λ είναι το μήκος κύματος T η απόλυτη θερμοκρασία σε βαθμούς Kelvin (K) C1 = W m2 C2 = m k

20 Φάσματα εκμομπής μέλανος σώματος για διάφορες θερμοκρασίες. Παρατηρείστε την μετατόπιση του μεγίστου προς μικρότερα μήκη κύματος (άρα μεγαλύτερες συχνότητες / ενέργειες) με την αύξηση της θερμοκρασίας.

21 Νόμος Stefan-Boltzmann Ολοκληρώνοντας την σχέση του Planck για όλα τα μήκη κύματος, για να εξαχθεί η συνολική ακτινοβολούμενη ισχύς, καταλήγουμε σε μια πολύ απλή σχέση: Προκύπτει ότι η συνολική ακτινοβολούμενη ισχύς είναι ανάλογη της τέταρτης δυνάμεως της θερμοκρασίας, E * = σ Τ 4 W m -2 όπου σ η σταθερά Stefan-Boltzmann = 5.67 x 10 8 W m 2 K 4.

22

23 ΝόμοςμετατοπίσεωςτουWien (Διαφορίζοντας την σχέση του Planck, για να βρεθεί η κορυφή της κατανομής)

24 Άσκηση 2 (1/4) a) Πόση ενέργεια ακτινοβολεί ένα άτομο στη μονάδα του χρόνου? Προσεγγιστικές διαστάσεις ατόμου: ύψος = 1,7m, μέσο εύρος = 0,4m, μέσο πάχος = 0,20m Αυτό σημαίνει συνολική επιφάνεια 2,2m 2. Η συνολική ακτινοβολία δίνεται από τον νόμο Stefan- Boltzmann. Η θερμοκρασία του ατόμου θεωρείται ίση με 37 o C = 310K P = σat 4 = (5.67 x 10-8 W/m 2 K 4 )x(2.2 m 2 )x(310 K) 4 => P = 1152watts

25 Άσκηση 2 (2/4) b) Θεωρείστε ημερήσια λήψη τροφής με ενεργειακό ισοδύναμο 3000kcals. Για πόσο διάστημα μπορεί να συντηρήσει τις καύσεις στον οργανισμό χωρίς να αρχίσει καύση λίπους? Σε μια ώρα ένα άτομο ακτινοβολεί ενέργεια: E = 1152Wh = 1,15kWh ή E = 1,15 x 3600 kj = 4140 kj (1W=1J/s άρα 3600J=1Wh) ή E = 4140/4,2 kcal = 985,7 kcal (1cal = 4,2 J) Άρα η εκπομπή ενέργειας είναι 986 kcal ανά ώρα. Άρα η ενέργεια των 3000 kcal αρκεί για μόλις 3000/986 ~ 3h!! Υπάρχει λάθος??? Υπάρχει...

26 Exercise 2 (3/4) c) Ποιο (κατά προσέγγιση) το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που εκπέμπει ένα άτομο? Θεωρούμε ως αντιπροσωπευτική τιμή, το μήκος κύματος που αντιστοιχεί στην κορυφή της κατανομής ακτινοβολίας μέλανος σώματος, με θερμοκρασία 310 βαθμούς Kelvin (νόμος του Wien). Ισχύει: λ peak( (μm) = 2898/T(K) => 9,35μm = 9350nm, που είναι στην περιοχή του υπερύθρου.

27 Άσκηση 2 (4/4) d) Πόσα φωτόνια ανά δευτερόλεπτο εκπέμπει το άτομο? Η ενέργεια του κάθε φωτονίου βρίσκεται από τη σχέση του Plank: E = hν = hc/λ = 4,136 x ( ev s) 3 x (nm/s) / 9350nm E photon = 1240 ev nm/ 9350nm = 0,13 ev Άρα ο αριθμός των φωτονίων προκύπτει διαιρώντας την συνολική ενέργεια με την ενέργεια ανά φωτόνιο (αφού μετατρέψουμε τα 0,13 ev σε Joule) (1W=1J/s και 1 ev = 1,6 x J): N = (1152 J)/(0,13 ev x 1,6 x J/eV) = 5,5 x φωτόνια

28 Τα φάσματα ηλιακής (κίτρινο/μικρό μήκος κύματος) και γήινης (κόκκινο/μεγάλο μήκος κύματος) ακτινοβολίας. Το ηλιακό φάσμα είναι υπό κλίμακα 10-6.

29 Νόμος μετατόπισης του Wien

30 Νόμος Kirchhoff Υλικά που είναι ισχυροί εκπομποί σε κάποιο μήκος κύματος είναι επίσης ισχυροί απορροφητές στο ίδιο μήκος κύματος. Ισχύει: ε λ = a λ, όπου a λ είναι η απορροφητικότητα, δηλαδή το κλάσμα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, σε δεδομένο μήκος κύματος, που απορροφάται. Σημειώστε την εξάρτηση από το μήκος κύματος. Η απόδοση απορρόφησης ηλιακής ακτινοβολίας προφανώς δεν ισούται με την απόδοση απορρόφησης γήινης ακτινοβολίας. Π.χ. Το χιόνι έχει υψηλή ανακλαστικότητα (albedo), άρα χαμηλή απορρόφηση στην ηλιακή ακτινοβολία. Είναι όμως και καλός εκπομπός στα μεγάλα μήκη κύματος. Υπό κατάλληλες συνθήκες, το χιόνι μπορεί να λιώσει ταχύτερα μια συνεφιασμένη νύχτα από ότι μια ηλιόλουστη ημέρα...

31 ΗΗλιακή σταθερά S Είναι η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει κάθετα στη μονάδα επιφάνειας στη Γη (στη μέση απόσταση Γης Ηλίου), εκτός της ατμόσφαιρας. S = 1370 W/m 2 Η ακτινοβολία αυτή θερμαίνει τη Γη και καθορίζει τις ατμοσφαιρικές και ωκεάνειες κινήσεις.

32 Φάσμα ηλιακής ακτινοβόλησης Σημείωση: 1 W = 1 J s -1 1 m = 1000 nm = 10-6 m

33 UV ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΚΑΙ ΦΩΤΟΧΗΜΕΙΑ ΣΤΡΑΤΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΦΩΤΟΧΗΜΕΙΑ ~100% απορρόφηση του UV<290nm Ηλεκτρονικές μεταπτώσεις O 2 και O 3 στη στρατόσφαιρα Τροποσφαιρική φωτοχημεία Απορρόφηση UV~ nm

34 Επιλεκτική απορρόφηση και εκπομπή από αέρια της ατμόσφαιρας

35 Ηλιακή ακτινοβολία Η ηλιακή ακτινοβολία είναι κατά κυριότητα υπεριώδης, ορατή και του εγγύς υπερύθρου (0.2 4μm). Πριν την είσοδο στην ατμόσφαιρα η ισχύς της είναι 1370 W m -2 (καλείται ηλιακή σταθερά). Η απορροφώμενη ενέργεια από τη ατμόσφαιρα της Γης είναι κατά μέση τιμή 342 W m -2. Αυτή απορροφάται κατά κυριότητα από μοριακό οξυγόνο (O 2 ), όζον (O 3 ), και υδρατμούς (H 2 O). Η απορρόφηση από όζον παρέχει την ενέργεια που θερμαίνει τη στρατόσφαιρα και τη μεσόσφαιρα. Το ποσοστό της ηλιακής ακτινοβολίας που ΔΕΝ απορροφάται στην ατμόσφαιρα ή δεν ανακλάται προς το διάστημα, προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης.

36 ΣΚΕΔΑΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Σκέδαση από άερια και σωματίδια SUN Σκεδασθείσα ακτινοβολία Σκεδαζόμενη ανακλασθείσα ακτινοβολία Απευθείας ηλιακή ακτινοβολία Ατμοσφαιρικό στρώμα Ανακλώμενη ηλιακή ακτινοβολία Ακτινική ροή (I): Αριθμός φωτονίων εισερχόμενος σε δεδομένο ατμοσφαιρικό στρώμα ανά μονάδα επιφανείας ανά μονάδα χρόνου από κάθε διεύθυνση (φωτόνια cm -2 s -1 ) ΓΗ

37 Σκέδαση ηλιακής ακτινοβολίας Rayleigh σκέδαση γίνεται από σωματίδια (μόρια και ομάδες μορίων, στην περίπτωση αυτή) με διαστάσεις πολύ μικρότερες του μήκους κύματος της ακτινοβολίας. Η σκέδασηrayleigh εξαρτάται ισχυρά από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας: i.e. Για μπλε φως (0.47μm) και κόκκινο φως (0.64μm) θα ισχύει: Άρα το μπλε φως σκεδάζεται πολύ ισχυρότερα από το κόκκινο, γεγονός που ερμηνεύει το μπλε χρώμα του ουρανού και το κόκκινο χρώμα του ηλιοβασιλέματος.

38

39 Σκέδαση ηλιακής ακτινοβολίας Mie σκέδαση γίνεται από σωματίδια ίδιας τάξεως μεγέθους με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας (αιωρούμενα στερεά ή σταγονίδια), και είναι σχεδόν ανεξάρτητη του μήκους κύματος. Για αυτό ο ουρανός φαίνεται άσπρος όταν έχει σύννεφα ή άχρωμος όταν έχει μεγάλη συγκέντρωση ρύπων.

40

41

42

43 Ισοζύγιο ακτινοβολίας μικρού μήκους κύματος

44 Γήινη ακτινοβολία Η Γη απορροφά ενέργεια από τον Ήλιο, κυρίως στο ορατό φάσμα. Επανεκπέμπει ακτινοβολία στο υπέρυθρο. Η ενέργεια αυτή απορροφάται από τα σύννεφα και ατμοσφαιρικά μόρια, κυρίως υδρατμούς και διοξείδιο του άνθρακος; Τα αέρια αυτά είναι επαρκή για να απορροφούν μεγάλο ποσοστό της ακτινοβολίας υπερύθρου (κυρίως στη φασματική περιοχή 12 με 20 µm) σταχαμηλάστρώματα της ατμόσφαιρας. Στην περιοχή 8 με 12 µm, (το ατμοσφαιρικό παράθυρο), η ακτινοβολία της Γης διαφεύγει στο διάστημα λόγω της μικρής απορρόφησης στις συχνότητες αυτές του φάσματος

45 Απορρόφηση σε διάφορα μήκη κύματος στην ατμόσφαιρα Ύψος ημισείας απορροφήσεως, οριζόμενοωςτούψοςαπότην επιφάνεια της Γης στο οποίο το μισό της εισερχόμενης ακτινοβολίας δεδομένου μήκους κύματος έχει απορροφηθεί

46 Ισοζύγιο ακτινοβολίας μεγάλου μήκους κύματος

47 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας με ύλη (στην ατμόσφαιρα) Ατμοσφαιρική φωτοχημεία είναι η μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ ηλιακής ακτινοβολίας και χημικών ενώσεων στην ατμόσφαιρα. Η ηλιακή ακτινοβολία προκαλεί δημιουργία χημικά δραστικών ενώσεων και καταστροφή άλλων σταθερών μορίων. Η φασματοσκοπία των ατμοσφαιρικών μορίων ερευνά το πόσο ισχυρά και σε ποιά μήκη κύματος απορροφά ακτινοβολία το κάθε άτομο ή μόριο ή ένωση, καθορίζοντας με τον τρόπο αυτό την φωτοχημεία της ατμόσφαιρας.

48 Ακτινοβολίες στην κατώτερη ατμόσφαιρα Υπεριώδης και ορατή (λ = nm) Διεγείρει ηλεκτρόνια δεσμών στα μόρια Διασπά δεσμούς σε μόρια ( φωτοδιάσπαση) Τα φωτόνια υπεριώδους (λ = nm) ως πιο ενεργειακά, μπορούν να σπάσουν περισσότερους και ισχυρότερους δεσμούς. Υπέρυθρη ακτινοβολία (λ = μm) Διεγείρει στάθμες ταλαντώσεως σε μόρια Με ελάχιστες εξαιρέσεις, η υπέρυθρη δεν έχει επαρκή ενέργεια για να σπάσει δεσμούς και να προκαλέσει φωτοχημικές διεργασίες. Μικροκυματική ακτινοβολία (λ = mm) Διεγείρει στάθμες περιστροφής σε μόρια

49 Τι γίνεται η απορροφώμενη ακτινοβολία Ενέργεια μετατοπίσεως( Translational energy): (συνεχής) μικρή εν σχέσει με στάθμες ταλαντώσεως, προκαλεί απλώς φασματική διαπλάτυνση Ενέργεια περιστροφής (Rotational energy) (κβαντισμένες στάθμες) αντιστοιχεί σε μήκη κύματος κάτω από 1cm. Προϋποθέτει διπολική ροπή στο μόριο. Ενέργεια ταλαντώσεως (Vibrational energy) (κβαντισμένες στάθμες) μήκη κύματος κάτω από 20 micrometers Φωτοδιάσπαση (Photodissociation) το φωτόνιο διασπά τον δεσμό που ενώνει τα άτομα σε μόριο, μήκη κύματος κάτω από micrometer. Π.χ. Διάσπαση όζοντος στην περιοχή nm Ηλεκτρονικές διεγέρσεις (Electronic excitation) (κβαντισμένες στάθμες) μήκη κύματος κάτω από 1micrometer. Φωτοϊονισμός (Photoionization) το άτομο χάνει ηλεκτρόνιο; Μήκη κύματος κάτω από 100nm