Μονάδες Ενέργειας 1 ev = 1,602 10-19 J 1 fj(= 10-15 J) = 6,241 10 3 ev Πχ. Ένα σωματίδιο α έχει φορτίο +2 όταν επιταχυνθεί από μια διαφορά δυναμικού 1000 V αποκτά ενέργεια 2 kev Για ακτίνες Χ ή ακτινοβολία γ έχουμε Ε=hν συχνότητα Σταθερά του Plank: 6,626 10-34 J s = 4,135 10-15 ev s λ 1,240 10 Ε 66 Σε μέτρα Σε ev 1
Παράδειγμα Να υπολογίσετε την ειδική ενεργότητα του τριτίου 3 Η το οποίο έχει χρόνο ημιζωής τ 1/2 = 12.26 y. Απάντηση: Μ τριτίου = 3 ειδική ενεργότητα ln2 λ σταθερά διάσπασης τ 1/2 λt No λt1/2 Nt ( ) Ne Ne ln2 λt o o 2 ενεργότητα λν λαν μάζα ΝΜ / Α Μ ενεργότητα ειδική ενεργότητα μάζα ν Α ln2 23 6.023 10 0.693 15 ειδική ενεργότητα = 0,36 10 δισπ /g 3 (12.6 365 24 3600) 14 ειδική ενεργότητα 3,6 10 Bq / g=9.73 kci/g ν 3τ 1/2 1/2 2
Ραδιενεργές Ακτινοβολίες (1) Πηγές των Ραδιενεργών ακτινοβολιών Πρωταρχική Ακτινοβολία Φορτισμένα Σωματίδια (πρωτόνια, ηλεκτρόνια, κλπ.) ) Ηλεκτρομαγνητικής Φύσης (φωτόνια, ηλεκτρόνια, κλπ.) Φυσικές Πηγές Ραδιενεργούς Ακτινοβολίας α) Κοσμική & Ηλιακή Ακτινοβολία (πρωτόνια, ρ ελαφροί πυρήνες, ηλεκτρόνια) ) ευτερογενής Κοσμική Ακτινοβολία (π-μεσόνια, μ-λεπτόνια, ραδιενεργοί πυρήνες) Επιφάνεια της Γης ~ 1 κοσμική ακτίνα/cm 2 min β) Φυσική Ραδιενέργεια (Becquerel 1896) δείγμα Ουρανίου α-σωματίδια -- πυρήνες 4 Ηe β-σωματίδια ηλεκτρόνια γ-σωματίδια ΗΜ ακτινοβολία 3
Κοσμική Ακτινοβολία Πρωτόνιο ενέργειας 1TeV αντιδρά με την ατμόσφαιρα 20 Km πάνω από την επιφάνεια της Γης 4
Ραδιενεργές Ακτινοβολίες (2) Τεχνητές Πηγές Ραδιενεργούς Ακτινοβολίας α) Ελαφρά φορτισμένα σωματίδια παράγονται σε Επιταχυντές ή Πυρηνικούς Αντιδραστήρες β) Ασταθείς Ραδιενεργοί πυρήνες προϊόντα σύγκρουσης δέσμης + σταθερούς πυρήνες n+x ραδ. Ισότοπα β 0.1 s <τ 1/2 <10 5 y πηγές σωματιδίων-β παράγουν επίσης αντίνες-γ! γ) Εκπομπή μονοεργειακών-β όταν δεν επιτρέπεται η εκπομπή ακτινών-γ (εσωτερική μετατροπή) 5
Βασικές Πυρηνικές ιαδικασίες Τυπική Πυρηνική Αντίδραση: Α+a Β+b+Q A = πυρήνας στόχος a= προσπίπτον σωματίδιο b= σωματίδιο που ανιχνεύεται Β = εναπομένων πυρήνας ή Α(α,b)Β Q = ενέργεια που απελευθερώνεται >0 εξωθερμική αντίδραση <0 ενδοθερμική αντίδραση 6
Παράδειγμα Να βρείτε την ενέργεια των σωματιδίων άλφα που εκπέμπονται από ένα διεγερμένο πυρήνα μαζικού αριθμού 210 όταν η τιμή του Q της διάσπασης είναι 5.5 ΜeV. Απάντηση: α p n p n a 4 He 2 p p 2mE 2m E n a n n a a E E Q (διατήρηση ενέργειας) a n Q E a ma 1 m όπου m m 210 a n n 5.5 MeV=5.395 MeV 4 1 206 7
Παράδειγμα Να συμπληρώσετε τις παρακάτω πυρηνικές αντιδράσεις και να χαρακτηρίσετε τις αντίστοιχες διασπάσεις. A U Th X A 234, X He 238 4 92 90 2 N X e v X C 12 12 7 e 6 διότι p n e v e 235 A 144 U Kr Ba X A 89, X=2n 92 36 56 20 A * F (Ne) X A 20, X e v 9 10 e - διότι n p e v e 8
Παράδειγμα 7 Όταν βομβαρδίσουμε ένα πυρήνα λιθίου ( Li ) μ ένα άγνωστο 3 σωματίδιο παρατηρούμε ότι παράγονται 2 σωματίδια άλφα 4.. Το 2 άγνωστο σωματίδιο θα είναι: He Φωτόνιο. Πρωτόνιο. Νετρόνιο. ευτέριο. Li + p He + He 7 1 4 4 3 1 2 2 9
Τα Ραδιενεργά Σωματίδια Τρία είδη σωματιδίων αποτελούν την ακτινοβολία από τις ραδιενεργές διασπάσεις α, β, γ Τα σωματίδια άλφα είναι πυρήνες ηλίου (2 p, 2 n) Τα σωματίδια βήτα είναι ταχέα ηλεκτρόνια Η ακτινοβολία γάμα είναι μία ροή από πολύ ενεργητικά σωματίδια 10
Πηγές Ταχέων Ηλεκτρονίων β διάσπαση Ραδιοισότοπα που διασπώνται με β-διάσπαση Α Α Ζ Ζ 1 Χ Υ β ν e Η ενέργεια ανάδρασης του Υ είναι γενικά μικρή (κάτω από το κατώφλι ιονισμού) οπότε το μόνο σωματίδιο που μπορεί να δώσει σημαντικό ιοντισμό είναι το ηλεκτρόνιο. Στις περισσότερες περιπτώσεις έχουμε διεγερμένο πυρήνα που αποδιεγείρεται με εκπομπή φωτονίων 11
Πηγές Ταχέων Ηλεκτρονίων β διάσπαση 12
Πηγές Ταχέων Ηλεκτρονίων internal conversion Ένας πυρήνας σε διεγερμένη κατάσταση (πχ μετα από β-διάσπαση) που για διάφορους λόγους δεν μπορεί να διασπασθεί μέσω εκπομπής γ ακτινοβολίας. Η ενέργεια διέγερσης του πυρήνα μεταφέρεται σε ένα από τα ατομικά ηλεκτρόνια που ελευθερώνεται. Η ενέργεια του ηλεκτρονίου είναι: E E E e ex b 13
Πηγές Ταχέων Ηλεκτρονίων internal conversion 14
Πηγές Ταχέων Ηλεκτρονίων ηλεκτρόνια Auger Το φαινόμενο Auger είναι αναλογο με την «internal conversion» με τη διαφορά ότι η ενέργεια διέγερσης προέρχεται από το άτομο αντί από τον πυρήνα. Αν για παράδειγμα είχαμε σύλληψη ηλεκτρονίου (electron capture) τότε το άτομο έχει ένα κενό σε μια στοιβάδα που συνήθως είναι πλήρης. Αυτό το κενό συμπληρώνεται από ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στις εξωτερικές στοιβάδες με σύγχρονη εκπομπή μιας χαρακτηρηστικής ακτίνας Χ. Τα ηλεκτρόνια Auger έχουν διακριτό φάσμα και η ενέργεια τους εξαρτάται από τη διαφορά μεταξύ της αρχικής διέγερσης και της ενέργειας δέσμευσης της στοιβάδας από την οποία προέρχεται το ηλεκτρόνιο. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων Auger είναι σχετικά μικρή σε σχέση με την ενέργεια των β και είναι της τάξης του kev. Το φαινόμενο Auger είναι πιο συχνό στα υλικά με μικρό Ζ. 15
Παράδειγμα Ποιο είναι το μικρότερο μήκος κύματος ακτινών-χ που εκπέμπονται από «tube» που δουλεύει σε διαφορά δυναμικού 195 KV; Απάντηση: c hc E hv h λ λ E 15 8 m 4135 4.135 10 ev s 3 10 s λ 6.36pm 3 195 10 ev 16
Πηγές βαρέων φορτισμένων σωματιδίων α δάσπαση Βαρείς πυρήνες είναι ενεργητικά ασταθής και μπορούν να διασπασθούν με την εκπομπή ενός πυρήνα 4 He. Ο χρόνος ημιζωής μπορεί να είναι από μερικές ημέρες μέχρι πολλες χιλιάδες χρόνια. A Z A 4 4 Z 2 2 X Y He 17
α - διάσπαση 18
α - διάσπαση Ενέργειες μεταξύ 4 6 MeV Συσχετισμός μεταξύ ενέργειας του α και χρόνου ημιζωής μεγαλύτερες ενέργειες μικρότερος χρόνος ημιζωής. Πάνω από ~6,5 MeV χρόνος ημιζωής αναμένεται να είναι μερικές μρ ςμρς μέρες ενώ αν η ενέργεια είναι κάτω από 4 MeV o χρόνος ημιζωής είναι παρα πολύ μεγάλος. 19
Τυχαία Σχάση Η σχάση είναι η μόνη πηγή από βαριά φορτισμένα σωματίδια άλλα από το α. Όλοι οι βαρείς πυρήνες είναι, κατά κανόνα, ασταθείς στην τυχαία σχάση σε 2 ελαφρύτερους πυρήνες. Η πιο διαδεδομένη πηγή τυχαίας σχάσης είναι το 252 Cf το οποίο έχει χρόνο ημιζωής για τυχαία σχάση 85 y. Το 252 Cf έχει και α-διάσπαση με χρόνο ημιζωής 2,65 y. πχ. 1 μgr 252 Cf δίνει 1,92 10 192 10 7 σωματίδια α το δευτερόλεπτο ενώ θα έχει 6,14 10 5 τυχαίες σχάσεις το δευτερόλεπτο. 20
Τυχαία Σχάση 21
Παράδειγμα Να βρείτε την ενέργεια που απελευθερώνεται από τη σχάση του 235 U σε δυο όμοιους πυρήνες: 235 117 118 Απάντηση: Γνωρίσουμε από πίνακες ότι: U Sn Sn 117 118 235 M( Sn) 116.9029amu, M( Sn) 117.9016amu, M( U) 235.0439amu U Sn Sn 235 117 118 235 2 117 2 118 2 Q M( U) c M( Sn) c M( Sn) c Q 223MeV 1 12 2 όπου 1amu (μάζας του ατόμου C) 931.5MeV / c 12 22
Η/Μ ακτινοβολία ακτίνες γ Η ακτινοβολία γ παράγεται από διεγερμένους πυρήνες κατά τη μετάπτωσή τους σε χαμηλότερα ενεργειακά επίπεδα. 23
Η/Μ ακτινοβολία ακτίνες γ Οι β διάσπαση είναι αργή διαδικασία με χρόνο ημιζωής μερικές εκατοντάδες ημέρες ή και περισσότερο ενώ οι διεγερμένες πυρηνικές καταστάσεις έχουν χρόνο ημιζωής <ps. Άρα οι ακτίνες γ παρουσιάζονται με χρόνο ημιζωής που είναι της β-διάσπασης. Λόγω του ότι οι πυρηνικές στάθμες έχουν πολύ καλά καθορισμένες ενέργειες Οι συνήθεις πηγές έχουν ενέργειες <2,8 MeV. 24
Ακτινοβολία από εξαΰλωση Όταν ένας πυρήνας διασπάται μέσω β + διάσπασης τότε το β + μπορεί να κάνει ένα positronium με κάποιο ηλεκτρόνιο από το υλικό που περιβάλει την πηγή. Το positronium διασπάται κατά κανόνα σε 2 φωτόνια ενέργειας 511 kev που κατευθύνονται σε αντίθετες ατ τς κατευθύνσεις. Τα φωτόνια των 511 kev εμφανίζονται μαζί με ότι άλλες ακτίνες γ προέρχονται από την πηγή. πχ. το 22 Να δίνει φωτόνια 511 kev και 1274 kev 25
Bremsstrahlung Όταν γρήγορα ηλεκτρόνια αλληλεπιδρούν με την ύλη τότε μέρος της ενέργειας τους μετατρέπετε σε Η/Μ ακτινοβολία με την μορφή της ακτινοβολίας πέδησης (bremsstrahlung). Το ποσοστό της ακτινοβολίας πέδησης αυξάνει με την ενέργεια του ηλεκτρονίου και είναι μέγιστη σε υλικά με μεγάλο ατομικό αριθμό. Αυτή η διαδικασία είναι σημαντική στην παραγωγή ακτίνων Χ. 26
Synchrotron Radiation Όταν μια δέσμη ηλεκτρονίων μεγαλης ενέργειας κάμπυλώνεται τότε ακτινοβολείται η ακτινοβολία σύγχροτρον. Τα φωτόνια βγαίνουν κυρίως κατά την εφαπτομένη της δέσμης και μπορούν να έχουν ενέργειες από μερικα ev (οπτικό φάσμα) μέχρι MeV. Σε πολλούς επιταχυντές παράγονται φωτόνια από ακτινοβολία σύγχροτρον. 27
Παράδειγμα Τα ενεργειακά φάσματα των ιορτιζουσών ακτινοβολιών μπορούν να διαχωριστούν σε δυο βασικές κατηγορίες, αυτά με διακριτές ενεργειακές καταστάσεις (γραμμικά φάσματα) και αυτά με συνεχή κατανομή ενεργειών (συνεχή φάσματα). Για τις κάτωθι πηγές ακτινοβολιών να καταγράψετε σε ποια κατηγορία φασμάτων ανήκουν Ακτινοβολία Γραμμικά Συνεχή Σωματίδια α Σωματίδια β Σωματίδια γ Ακτίνες Χ Θραύσματα σχάσης Ακτινοβολία πέδησης Ακτινοβολία εξαΰλωσης Ηλεκτρόνια Auger Χ Χ Χ Χ Χ Χ Χ Χ 28