מבוא לרדיואקטיביות לחץ כדי לערוך סגנון כותרת משנה של תבנית בסיס

Transcript

1 מבוא לרדיואקטיביות לחץ כדי לערוך סגנון כותרת משנה של תבנית בסיס

2 היסודות השונים הקיימים בטבע והיסודות שנוצרו באופן מלאכותי עשויים מאטומים

3 האטומים בנויים מגרעין ומאלקטרונים שנעים סביב הגרעין.

4 הגרעין עצמו מורכב מפרוטונים ונויטרונים.

5 כל מטענו החיובי של האטום מרוכז בגרעין, והאלקטרונים הנעים מסביב לגרעין הם בעלי מטען חשמלי שלילי. כיוון שמספר הפרוטונים שווה למספר האלקטרונים, האטום נטרלי מבחינה חשמלית.

6 10-10m 10-14m רובו של האטום הוא חלל ריק. במרכז האטום נמצא גרעין כבד וקטן ביחס לגודל האטום. סדר גודל של גרעין הוא 10-14m מסביב לגרעין, במרחק ניכר מהגרעין, מסתובבים אלקטרונים כך שרדיוס האטום הוא בסדר גודל של m

7 הגרעין מכיל שני חלקיקים: פרוטונים הטעונים חיובית וניוטרונים חסרי מטען. הפרוטונים התגלו בשנת 1919, ואילו הנייטרונים התגלו רק בשנת בשנת 1964 התגלה כי פרוטונים וניוטרונים מורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר (חלקיקים אלמנטרים) המכונים קוורקים.

8 ממדידות במעבדה, נתגלה שלחלקיקי האטום יש מסה מסת האלקטרון זניחה ביחס למסת הפרוטון, לכן מסת האטום מחושבת ממסת הפרוטונים והניוטרונים שבגרעין

9 התכונות הכימיות של היסודות נקבעות לפי מספר הפרוטונים בגרעין. כלומר לכל יסוד מספר שונה של פרוטונים. לדוגמא, למימן, יש רק פרוטון אחד בגרעין. מימן הוא היסוד, הקל ביותר.

10 להליום יש שני פרוטונים, ושני ניוטרונים בגרעין. ולליטיום יש שלושה פרוטונים, ושלושה ניוטרונים.

11 את היסודות נהוג לסדר בטבלה מחזורית, בהתאם למספר הפרוטונים בגרעין.

12 מספר הפרוטונים באטום קובע את היסוד הכימי לו הוא שייך. מספר זה מכונה מספר אטומי. מספר אטומי נהוג לסמן באות Z למימן 1=z לחמצן 8=z לברזל 26=z לאורניום 92=z

13 מספר הפרוטונים והנויטרונים גם יחד קובע את המשקל האטומי של האטום כי מסת האלקטרונים זניחה ביחס לנוקלאונים. למספר הפרוטונים והנויטרונים (מספר הנוקלאונים) קוראים מספר מסה, והוא מסומן באות A כדי לדעת כמה ניטרונים יש בגרעין, יש להחסיר ממספר המסה את המספר האטומי. N=A-Z מספר הפרוטונים מספר נוקלאונים מספר ניוטרונים

14 דוגמא לסימול יסוד מספר מסה מספר אטומי Na 11 מספר פרוטונים = מספר אטומי = מספר נויטרונים = 12 = 23-11

15 מהו הכוח שגורם לכך שהפרוטונים והנויטרונים בגרעין ייצמדו זה לזה ולא יתרחקו זה מזה?

16 ניסויים הוכיחו, כי קיים כוח חזק בין כל שני נוקלאונים, שאינו תלוי במטען החשמלי של הנוקלאונים. הכוח החזק בין פרוטון לנויטרון שווה לכוח החזק בין שני פרוטונים או שני נויטרונים. טווח הכוח של הכוח החזק קצר מאוד לכן הכוח החזק ניכר רק כאשר הם "נוגעים" כמעט זה בזה. השפעתו אינה מורגשת מחוץ לגרעין.

17 מלבד הכוח הגרעיני המושך, שורר בין שני פרוטונים בגרעין גם כוח חשמלי דוחה. הנויטרונים חסרי המטען החשמלי תורמים ליציבות הגרעין, משום שהם מרחיקים במקצת את הפרוטונים זה מזה ומוסיפים כוחות משיכה. הנויטרונים הם חלקיקים ללא מטען ותפקידם בגרעין הוא לשמש כ"דבק" המחזיק את הגרעין.

18 זה מסביר את העובדה שבאטומים קלים, מספר הנויטרונים והפרוטונים שווה בקירוב. ואילו באטומים כבדים מספר הנויטרונים גדול ממספר הפרוטונים. אפשר להסיק, שלא מכל צירוף של מספר נויטרונים ומספר פרוטונים יתקבל גרעין יציב

19 הצורה הנפוצה של החומר בטבע היא "הצורה הטבעית" שלו, אך לעיתים קרובות ניתן למצוא אטומים של החומר גם עם מספר שונה של נויטרונים מן הצורה הטבעית. צורה פחות נפוצה זו של החומר נקראת איזוטופ. לכל אחד מהיסודות יש איזוטופים. האיזוטופים הם אטומים של היסוד, השונים במספר הנויטרונים בגרעין.

20 מספר הפרוטונים בגרעין קובע את התכונות הכימיות של האטום. תכונות כימיות הן תכונות הקשורות בשינויים כימיים. הן מתארות את הצורה בה חומר משתנה או מגיב תוך יצירת חומר חדש - בעירה,אפיית בצק, בעירת גז, החלדת ברזל, תסיסת סוכר, תגובת פיצוץ של טנט, תהליך עיכול המזון בגוף ועוד.

21 מספר הנויטרונים בגרעין קובע את התכונות הפיסיקליות כמו משקל יציבות ועוד. תכונות פיסיקליות הן תכונות הניתנות להבחנה ללא שינוי החומר- תכונות הנובעות מהמבנה הפנימי של החומר ואינן משתנות בהשפעת גורמים חיצוניים כגון: נקודות רתיחה וקיפאון, צבע, צורה, מסה, צפיפות, מידות, מגנטיות, הולכת חום,הולכה חשמלית ועוד.

22 קיומם של איזוטופים שונים לאותו יסוד גורם לכך שמספר המסה, כפי שהוא מופיע בטבלה המחזורית של היסודות, אינו מייצג משקל אטומי של איזוטופ מסוים, אלא את המשקל האטומי המשוקלל, בהתאם לתפוצתם של האיזוטופים בטבע.

23

24 בצורה הטבעית של גרעין המימן, למשל, יש פרוטון אחד, ואין נויטרון. בנוסף קיימים אטומים של מימן להם יש נויטרון בגרעין, בנוסף לפרוטון - זהו איזוטופ של מימן הקרוי דאוטריום. בריאקציות גרעיניות נוצר איזוטופ נוסף של מימן הקרוי טריטיום, ולו שני נויטרונים בגרעין.

25 בניגוד לדוגמה הקודמת, שבה לכל איזוטופ יש שם, מרבית האיזוטופים אינם קרויים בשם, אלא קרויים בשם הבנוי משם היסוד ומספר הפרוטונים והנויטרונים שבגרעינו. אורניום 235, למשל הוא איזוטופ של אורניום שבגרעינו יש 235 פרוטונים ונויטרונים. בכתיב הכימי מסומן האיזוטופ בסמל היסוד, שלפניו רשום, בספרות עיליות, מספר הפרוטונים והנייטרונים. למשל: 235U, הוא אורניום- 235.

26 אם נסתכל בטבלה המחזורית נראה כי המספר האטומי של אורניום הוא 92. כלומר בגרעין האורניום יש 92 פרוטונים. נוכל לעשות חשבון מהיר ולגלות שלאיזוטופ מספר מסה 235 של אורניום יש 143 נויטרונים. בדרך כלל נהוג לסמן זאת כך: מספר אטומי

27 מספר הנויטרונים והיחס שבין מספר הנויטרונים למספר הפרוטונים קובע האם האטום יהיה יציב או לא יציב- כלומר רדיואקטיבי. אטום לא יציב חייב לעבור שינוי כדי לעבור למצב יציב יותר.

28 לשינוי הזה אנו קוראים התפרקות רדיואקטיבית. רדיואקטיביות מוגדרת כשינוי ספונטני בגרעין של אטום לא יציב שכתוצאה ממנו מתקבל גרעין יציב יותר. השינוי מלווה בפליטה של חלקיקים ו/או קרינה אלקטרומגנטית ואנרגיה. החלקיקים והקרינה האלקטרומגנטית הנפלטים בתהליך נקראים :קרינה רדיואקטיבית

29 היסודות השונים נבדלים במספר האיזוטופים הרדיואקטיביים שלהם, למשל - למימן בסך הכל שלושה איזוטופים ומהם רק אחד רדיואקטיבי ולעומתו לעופרת יש 32 איזוטופים ומהם רק 3 אינם רדיואקטיביים [יציבים].

30 לפחמן יש 12 איזוטופים שמתוכם 2 יציבים. לכל האיזוטופים של הפחמן 6 פרוטונים ו 6 אלקטרונים באטום. אבל מספר הנויטרונים שונה ולכן יש הבדל בתכונות הפיסיקאליות. אין כל הבדל בתכונות הכימיות של איזוטופים שונים של אותו יסוד. אם נשתה מים שבהם הוחלף המימן הרגיל באיזטופ של מימן (דאוטריום או טריטיום ( הרי שמבחינת הגוף אין הבדל בין מים כאלה למים רגילים ) טעם, התנהגות בגוף וכו').

31 עד המספר האטומי 20 מספר הפרוטונים שווה לערך למספר הנויטרונים. שימו לב, אין גרעינים יציבים מעל מספר אטומי 83. מס פר הנו יט רונ ים אם הסידור והקומבינציה של הנויטרונים והפרוטונים אינו נופל בתחום ה יציבות - הגרעין אינו יציב מספר הפרוטונים

32 גרעין לא יציב - שואף להגיע ליציבות ע י שינויים בסידור הגרעיני גרעין לא יציב ישאף להגיע ליציבות ע י טרנספורמציה תוך כדי שחרור אנרגיה או המסה העודפת מהגרעין

33 השינוי קורה בצורה רנדומאלית ואין לנו מושג מתי בדיוק גרעין מסוים יבצע את השינוי. לאחר שינוי (transformation) בגרעין יתקבל גרעין יותר יציב מקודם אך הוא לא תמיד יציב לחלוטין כך שיכולה להיווצר טרנספורמציה נוספת והגרעין יפלוט שוב קרינה וכן

34 כל תהליך בסדרה של טרנספורמציות פירושו - הורדה ברורה בסכום מסה - אנרגיה של כאשר האנרגיה של הגרעין הגרעין יורדת התהליך נקרא דעיכה של התהליך שבו גרעין עובר הגרעין טרנספורמציה ספונטנית ע י צעדי הפחתת אנרגיה אחת או יותר, נקרא- דעיכה רדיואקטיבית או שרשרת דעיכה chain) (decay

35 גרעין לפני דעיכה נקרא - אב גרעין לאחר דעיכה - בת שרשרת דעיכה מכילה: אב - בנות - גרעין יציב

36 סוגי קרינה בתהליך ההתפרקות הרדיואקטיבי יכולים להיפלט סוגים שונים של קרינה רדיואקטיבית. להלן פרוט סוגי הקרינה העיקרים ותכונותיהם :

37 קרינת אלפא ) α) מתרחשת בדרך כלל בגרעינים כבדים שמספר המסה שלהם (פרוטונים + נויטרונים) גדול מ בגרעינים אלה הכוח החזק, קצר הטווח, אינו מספק יציבות גבוהה, והדחייה החשמלית ארוכת הטווח בין הפרוטונים מהווה איום רציני ליציבות הגרעין. פליטת חלקיק α מקטינה את גודל הגרעין ומעלה את יציבותו

38 בתהליך זה נפלט מהגרעין חלקיק המכיל 2 פרוטונים ו- 2 נויטרונים. מכאן נובע כי חלקיקי αהם גרעינים של הליום (מורכבים משני פרוטונים ושני ניוטרונים) ומטענם החשמלי חיובי (+2e).

39 הגרעין קטן,מסתו קטנה ב- 4 נוקלאונים (נוקלאון= פרוטון +נויטרון). סוג היסוד משתנה כי מספר הפרוטונים קטן ב- 2 (כזכור:מספר הפרוטונים קובע את סוג היסוד). מטענה של הקרינה הוא חיובי. Daughter Nucleus Th-231 Parent Nucleus U-235 Alpha Particle Helium ( )Nucleus +42α +

40 בדעיכת (Z) מספר אטומי של גרעין האב, α יורד ב- 2 ומספר המסה (A) יורד ב- 4 A Z X A 4 Z 2 Y+ 4 2 α

41 A Z X A 4 Z 2 Y+ 4 2 α שימו לב לשימור מספר הנוקלאונים לפני ואחרי ההתפרקות ולשימור המטען החשמלי לפני ואחרי ההתפרקות

42 לדוגמ ה Ra Rn α התוצאה של פליטת חלקיק אלפא היא קבלה של גרעין של יסוד חדש : רדיום 226 פולט חלקיק אלפא = גרעין של היסוד הליום(ללא אלקטרונים, כלומר טעון +2 ( ומתקבל יסוד חדש ראדון. 222 חלקיקי אלפא טעונים חשמלית וגורמים ליינון של אטומים בסביבה תוך כדי איבוד אנרגיה שלהם. קרינת אלפא היא הפחות חדירה מכל סוגי הקרינות פיסת נייר או מס ס מ של אוויר יעצרו או יבלעו אותה

43 חלקיקי אלפא נפלטים מגרעיני יסודות רדיו-אקטיביים טבעיים כמו 238U (אורניום), וכן מיסודות מלאכותיים כמו 241Am (אמריציום). הגרעין החדש שנוצר לאחר פליטת חלקיק האלפא הוא לא תמיד יציב וכדי להגיע ליציבות הוא פולט חלקיק ביתא.

44 קרינת ביתא ) β-) מרבית החומרים בהם משתמשים במחקר הביולוגי והרפואי הם פולטי קרינת ביתא. גרעין בעל עודף נויטרונים יחס n:p גבוה האיזור מעל לאי היציבות יתפרק בד כ בהתפרקות ביתא

45 בהתפרקות β הופך אחד הנויטרונים שבגרעין לפרוטון תוך פליטת אלקטרון האלקטרון העוזב את הגרעין הוא חלקיק ביתא והוא שלילי. β יסומן: מקור חלקיקי הביתא הוא בגרעין

46 גרעין האב מאבד אלקטרון (חלקיק שלילי) לכן גרעין הבת יותר חיובי ביחידת מטען אחת

47 ברוב המקרים, התפרקות β מלווה גם בפליטת חלקיק חסר מסה ומטען הנקרא אנטי ניוטרינו גרעין הבת סידןCalcium Ca ν אנטי ניוטרינו גרעין האב אשלגןPotassium K חלקיקי β הם אלקטרונים מהירים הנפלטים מהגרעין, ומטענם החשמלי שלילי 0 חלקיק ביתא 1β-

48 נויטרון הוחלף בפרוטון לכן המספר האטומי עלה ב- 1 אך המשקל האטומי לא השתנה A Z בנוסף משתחרר חלקיק אנטי-נויטרינו _ לדוגמא: סימון: X A Z+ 1 Y + β _ 228 Ra 228 Ac + β + ν ν שימו לב! לשימור מספר הנוקלאונים (מספר הפרוטונים +מספר הניוטרונים) לפני ואחרי ההתפרקות ולשימור המטען החשמלי לפני ואחרי ההתפרקות

49 האנרגיה של קרינת ה - β המתקבלת היא אנרגיה רציפה. הסיכון בחשיפה לקרינת β תלוי באנרגיה של הקרינה. לקרינת ביתא באנרגיה גבוהה טווח באוויר של עד כמה מטרים ולצורך בלימתה נזדקק לכ- 20 מילימטרים של מים או כ 12 מילימטרים פרספקס או מספר מילימטרים של אלומיניום כדי לעצור אותם. חלקיקי ביתא עוברים מרחק הגדול פי כמה מאות יותר מחלקיקי אלפא ) בלימה של קרינת β מלווה תמיד בפליטת קרינת ). X

50 במשך השנים נתגלה סוג נוסף של רדיואקטיביות. נמצא שגרעינים מסוימים פולטים חלקיקים הזהים לאלקטרונים, מבחינת המסה וכל שאר התכונות, פרט למטען החשמלי, שהוא חיובי. חלקיק זה נקרא פוזיטרון וסימנו e+. פליטת הפוזיטרון דומה להתפרקות ביתא ונקראת. +β התפרקות זאת נוצרת כתוצאה מכך שפרוטון הופך לניוטרון תוך כדי פליטת פוזיטרון ) וניטרינו).

51 התפרקות + מתרחשת בדרך כלל בגרעין בעל יחס n:p נמוך נמצאים באיזור מתחת לאי היציבות פוזיטרון הוא אנטי חלקיק של האלקטרון יסומן+ ולא אלקטרון חיובי ומטענו החשמלי 1+ בהתפרקות פוזיטרון בגרעין האב משתנה פרוטון לנויטרון ומשתחרר חלקיק בעל מטען חיובי גרעין הבת פחות חיובי ביחידת מטען אחת

52 A Z המספר האטומי יורד באחת ומספר המסה לא משתנה X A Y + β Z 1 + הפליטה מלווה בשחרור נויטרינו + ν Pa Co + β + + לדוגמא: ν

53 + ν בנוסף התגלה שלגרעינים בעלי יחס n:p נמוך ישנה דרך התפרקות נוספת: לכידת אלקטרון EC הגרעין לוכד אלקטרון מהקליפה האורביטלית של האטום בדרך כלל מקליפה - K הקרובה ביותר לגרעין A Z X + e Z A 1 Y האלקטרון יתחבר עם פרוטון כדי ליצור נויטרון ויפלט נויטרינו. ואילו אלקטרונים מקליפות גבוהות יותר (אנרגיות גבוהות יותר ( ישלימו את החוסר בקליפה הפנימית, תוך שחרור קרינה אנחנו לא נעסוק בהתפרקות זו.

54 קרינת גמא } { פליטת גמא: זוהי אינה קרינה של חומר אלא של אנרגיה טהורה. קרינת γהיא קרינה אלקטרומגנטית כקרינת האור הנראה אך בתדירות גבוהה הרבה יותר. קרינה זו חסרת מטען ומסה.

55 גרעין מעורר מסיבות שונות שואף להגיע למצב יציב (ground state) ע י תהליך של פליטת האנרגיה כפוטונים - קרינת גמא. A Z X A Z X + סימון ראקציה: γ

56 הטווח באוויר יכול להגיע לעשרות מטרים ולצורך בלימתה משתמשים בכמה סנטימטרים של חומרים כבדים כמו עופרת. אנו מכירים גם קרינה המכונה קרינת. X קרינה זו זהה בתכונותיה לקרינת גמא. ההבדל בשמות נובע בעיקר מסיבות היסטוריות. במקור קרינת גמא מקורו בגרעין לא יציב וקרינת X מקורה מקליפת אלקטרונים במרבית השימושים של קרינה רדיואקטיבית לאבחון וטיפול רפואי משתמשים בקרינת X או קרינת גמא

57 טבלת סיכום

58 תכונות הקרינה

59 טווח החדירה של כל קרינה

60 תירגול איזו התפרקות זאת?

61 מספר הנוקלאונים קטן ב 4 ומספר הפרוטונים קטן ב 2. לכן זאת התפרקות α

62 ואיזו התפרקות זאת?

63 מספר הנוקלאונים נשאר קבוע, ומספר הפרוטנים גדל ב 1 לכן זאת התפרקות β-. למעשה נויטרון הפך לפרוטון.

64 קרינה רדיואקטיבית מאופיינת ביכולתה לגרום לינון כלומר הוצאה של אלקטרון מהאטום. תהליך היינון הוא הדרך שבה הקרינה שנפלטה מהגרעין הרדיואקטיבי, מאבדת את האנרגיה שלה ע"י זה שהיא פוגעת באטום אחר, וזה גם התהליך שאחראי לנזק שקרינה גורמת.

65 להזכירכם : קרינה אלקטרומגנטית היא לא בהכרח קרינה רדיואקטיבית. הקרינה הרדיואקטיבית היא קרינה אלקטרומגנטית באנרגיה הגבוהה ביותר ובאורך גל הקצר ביותר. הסוגים האחרים של הקרינה האלקטרומגנטית הם לא קרינה מייננת. ) זה כמובן לא אומר דבר על הסיכון או חוסר הסיכון שבחשיפה לקרינה אלקטרומגנטית (