Nuklearna fizika
Povijesni pregled 1896. rođenje nuklearne fizike; Henri Becquerel (1852.-1908.) otkrio radioaktivnost u uranovoj rudi 1898. Pierre & Marie Curie: separacija Ra Rutherford pokazao da postoji tri tipa zračenja; razvrstani prema naboju i sposobnošću prodiranja u materiju: alfa (jezgre He), beta (elektroni) i gama (visokoenergetski fotoni) 1911. Rutherford sa studentima Geigerom i Marsdenom izvodi niz eksperimenata s raspršenjem alfa čestica rezultati su doveli do ideje da se jezgra atoma može smatrati točkastom masom i točkastim nabojem, i da se gotovo sva masa atoma nalazi u jezgri kasnije je otkrivena i nova sila, nuklearna sila koja djeluje na jako malim udaljenostima reda 10-14 m, a na većim brzo pada na nulu
1919. Rutherford i suradnici opazili prvu nuklearnu reakciju (bombardiranje dušika alfa česticama i dobivanje kisika) 1932. Cocroft i Walton prvi su puta ubrzali proton i stvorili nuklearnu reakciju - Chadwick otkrio neutron 1933. - Joliot i Irene Curie otkrili umjetnu radioaktivnost 1938. otkriće nuklearne fisije; Hahn, Strassman, Meitner i Frisch 1942. razvoj prvog fisijskog reaktora, Fermi i suradnici
NUKLEARNA FIZIKA Rutherfordovi eksperimenti raspršenja (1911. -1913.): Rezultat: - najveći broj alfa čestica se raspršuje elastično (ista energija s kojom su upale) - broj detektiranih čestica opada s kutom raspršenja - postoje i čestica koje se odbijaju unazad Zaključak: Atom je uglavnom prazan prostor. U središtu atoma postoji centar sila (jezgra) u kojem je koncentrirana skoro cijela masa atoma s + nabojem. Danas: Atom se sastoji od pozitivno nabijene jezgre i negativno nabijenog elektronskog oblaka.
Čime se bavi nuklearna fizika? Preklapanje s drugim granama znanosti Interes nuklearne fizike Nuklearna sila Nuklearna struktura Nuklearne reakcije
Nuklearna sila Sile u jezgri: gravitacijska sila privlačna (zanemariva spram ostalih sila) Coulombova sila odbojna (samo između protona) jaka nuklearna sila - privlačna (između nukleona: p-p, p-n, n-n) kratkog i konačnog dosega jaka 1935. Yukawa nuklearna sila kao posljedica izmjene čestice (mezona) među nukleonima, koja ima ulogu propagatora sile faktor jakosti 10-40 10-2 1 Yukavin potencijal: - potencijal opada brže od Coulombovog - zaključio da postoji U -kvant, propagator nuklearne sile; nuklearna sila mora nadjačati odbojnu Coulombovu silu između protona, s dosegom sile od 2 10-15 m.
Nuklearna struktura - građa atomske jezgre protoni (1919.) i neutroni (1932. Chadwick) protoni - pozitivno nabijeni (1,6. 10-19 C), mase m p =1,6726. 10-27 kg neutroni - neutralni, mase malo teže od mase protona: m n =1,6750. 10-27 kg m, m 1840m u = Atomska jedinica mase - Jedinica za masu u svijetu nukleona. u = Atomska jedinica mase. (def)= 1/12 mase ugljika C-12. m u = u = 1,66053. 10-27 kg m p = 1,007277 u m n = 1,008665 u Einsteinova relacija ekvivalencije mase i energije: 1u ima energiju: uc ( ) 2 = 1,66053 10 3 10 = 931,48MeV 2 27 8 p 1 1,6 10 1 1,6 10 n 19 19 ev = C V = J e
uc Obilježavanje jezgri: Građa atomske jezgre 2 ( ) 2 = 1,66053 10 3 10 = 931,48MeV 2 27 8 mc p mc n 2 2 = 938, 26MeV = 939,55MeV A Z X X oznaka za kemijski element A maseni broj (zbroj protona i neutrona) Z redni broj (broj protona u jezgri) A = Z + N Jezgru karakterizira broj protona (Z). Redni broj elementa. Vodik Najmanja jezgra. Koliko ima različitih elemenata? U prirodi postoji 92 elementa. Umjetno stvoreno još nekih 15-tak.
U prirodi postoji 92 elementa. Umjetno stvoreno još nekih 15-tak. Da li to znači da postoji samo 107 jezgri? NE!!! Građa atomske jezgre 3 3 1H tricij 2 1H deuterij 1 1H vodik Izotopi Jezgre istog rednog broja Z, a različitog broja neutrona N. C, C, C, C, C 10 11 12 13 14 6 6 6 6 6 Koliko postoji izotopa? Od 2 pa naviše. Vrlo često se za jezgru koristi ime NUKLID (određen s Z i N).
Građa atomske jezgre 4 Karta nuklida: Izotopi Nuklidi istog rednog broja Z, a različitog broja neutrona N. Izotoni Nuklidi istog broja neutrona N. Izobari Nuklidi s jednakim ukupnim brojem nukleona A. Primjer: C, 13 13 6 7 N VAŽNO! Odstupanje od pravca Z = N!
Građa atomske jezgre 5 Atomske mase višekratnici vodikove mase, ali ima i izuzetaka npr. prirodni klor ima masu 35,5 Uzrok? U prirodi imamo najviše izotopa 35 Cl i 37 Cl, i to u omjeru 3:1
Veličina atomske jezgre Različiti nuklidi. Različita veličina. Eksperimenti. Većina jezgri je sfernog oblika. Gustoća unutrašnjosti jezgri je približno konstantna. Polumjer jezgre je povezan s atomskim brojem. Empirička relacija: r 0 = 1,4 fm (femtometar = 1 fermi =1 fm = 10-15 m) R = ra 0 1/3 Veličina jezgri je oko 10-15 10-14 m. Veličina atoma je oko 10-10 m. Jezgra je do 100 000 puta manja od cijelog atoma! Atom je većim dijelom PRAZAN PROSTOR! Gustoća jezgre. 10 17 kg/m 3 Na krajevima blago opada.
Veličina atomske jezgre 2 Tko drži protone i neutrone zajedno? Sile u jezgri: a) Jaka nuklearna sila privlačna, kratkog dosega b) Coulombova sila, odbojna (samo između protona) STABILNOST jezgre odnos jake nuklearne i Coulombove sile Nuklearne sile Pokazuju svojstvo zasićenja, tj. s povećanjem broja nukleona, one slabe. Neutroni u jezgri? Neutroni "razrjeđuju" elektrostatsko odbijanje protona! 12 14 16 Lagane jezgre. Stabilne kada je N = Z C, N,,... 6 7 8O
Veličina atomske jezgre 3 Veći broj protona u jezgri. Vrlo veliko odbijanje! Jezgre se grade s većim brojem neutrona. Razlog odstupanja od pravca Z = N!
Modeli atomske jezgre Jezgra Vrlo složen sustav. Kvantnomehaničke jednadžbe se ne mogu egzaktno riješiti: Razlozi? Jezgra se sastoji od velikog broja nukleona i sve one djeluju uzajamno. Drugim riječima nemamo središnju česticu (kao kod elektrona). Nukleoni međusobno djeluju jakim nuklearnim silama, a one nisu točno poznate. Ne možemo uvrstiti potencijal u Schrödingerove jednadžbe. Nema egzaktnog rješenja. Odustajemo? Eksperimenti spašavaju stvar. Mjerenja pokazuju da se većina jezgri ponašaju kao jednostavni sistemi. Nuklearni modeli Pojednostavljeni mat. opisi atomskih jezgri.
Modeli atomske jezgre 2 Kolektivni modeli: Jezgra djeluje kao cjelina. Primjeri modela su: model kapljice, rotacijski model,.. Kolektivni modeli: Dovedemo li kvant energije izvana. Kvant se dijele po svim nukleonima. Nukleoni gube samostalnost. Modeli nezavisnih čestica: Nukleoni zadržavaju svoju individualnost. Primjer: Model ljusaka
Model kapljice Kolektivni modeli: Jezgra djeluje kao cjelina. Primjeri modela su: model kapljice, rotacijski model,.. Eksperimenti. Uočena sličnost između nekih svojstava jezgri i ponašanja kapi tekućine. Jezgru promatramo kao kapljicu tekućine. Kap se može izdužiti, spljoštiti, periodički titrati, Kod znatnih deformacija. Jezgra (kap) se može podijeliti u dvije manje kapi:
Model kapljice 2 Carl von Weisszaker (1935. g.) Semiempirijska formula mase jezgri b1 b2 2/3 b3 2 1/3 M = Zmp + ( A Z) mn A+ A + Z A + 2 2 2 c c c c = brzina svjetlosti b 2 Z = Broj protona 4 1 b5 3/4 + 2 ( A 2Z) A + A 2 c c A = Atomski broj b 1 b 5 = Konstante, čije se vrijednosti razlikuju za parno-parne, odnosno neparno-neparne jezgre. Koristimo gornju formulu da nađemo tzv. energiju vezanja: Ukupna energija jezgre = Energija protona + energija neurona + energija vezanja EB = M Zmp ( A Z) m n c "minus" Trebamo uložiti toliku energiju da razbijemo jezgru na sastavne dijelove. 2
Model kapljice 3 B ( 2 ) 2 E = b A b A b Z A b A Z A b A 2/3 2 1/3 1 3/4 1 2 3 4 5 : A prvi član (volumni) = Odgovara energiji isparavanja kod tekućina. Razmjeran broju čestica. drugi član = Popravak prvom. Uzima u obzir da su neki nukleoni na površini kaplje (energija vezanja manja), razmjerno s površinom: 2 2 2/3 4πR = 4πrA 0 treći član = Među protonima djeluju odbojne el. sile (kulonska energ.). četvrti član = Uključuje u igru Pauliev princip isključenja peti član = Uključuje u igru sklonost nukleona istog tipa da se vežu u parove. Podijelimo gornju jednadžbu s brojem nuklona A:
B Model kapljice 4 ( 2 ) 2 E = b A b A b Z A b A Z A b A 2/3 2 1/3 1 3/4 1 2 3 4 5 : A E B A ( 2 ) 2 = b b A b Z A b A Z A b A 1/3 2 4/3 2 7/4 1 2 3 4 5 Dobili smo prosječnu energiju vezanja po nukleonu! Grafički: Za velike A. prosječna energija vezanja je skoro konstanta (8 MeV).
Model ljusaka Kolektivni modeli: Nisu mogli objasniti izrazitu stabilnost jezgri koje imaju po 2, 8, 28, 50, 82, 126 protona (ili neutrona), tzv. magični brojevi. Rješenje? M.G.Mayer, J.H.D.Jensen (1948.) Predložili da se pokuša slično kao s elektronima. Jezgra također ima energijske nivoe (ljuske). Stabilne jezgre su one kojima su popunjene vanjske ljuske. Matematički? Relativno složeno. Ideja: Jako uzajamno djelovanje svih nukleona zamijenili potencijalnom energijom, zajedničkom za sve nukleone. Kao da se nukleoni gibaju neovisno jedan o drugom. Eksperimentalni rezultati? Tražili da se uključi i snažno međudjelovanje spina i staze (LS). J = L + S Cijepanje nivoa. Zbog različitih mogućih orijentacija vektora J. Podljuska (n, l, j) može primiti najviše (2j+1) nukleona
Model ljusaka: Veliki uspjeh u objašnjenju magičnih brojeva. Energijska stanja protona i neutrona u modelu ljusaka: Model ljusaka: Nivoi neutrona i protona se međusobno razlikuju. Razlika je zbog elektrostatskih sila koje postoje samo kod protona. Model ljusaka: Objasnio i tzv. nuklearne mag. momente. Model ljusaka: Danas temelj za proračune stanja jezgri. Model ljusaka 2 Dobar za tzv. lake jezgre i jezgre bliske magičnim brojevima. Problemi kod težih jezgri. Izdužene li spljoštene (kolektivna svojstva).
RADIOAKTIVNOST Bohrov model Povratak elektrona iz pobuđenih stanja. Emisija zračenja. Jezgra Također može biti pobuđena Emisija zračenja = Radioaktivnost Primjer: Energijska stanja za jezgru aluminija-28: RADIOAKTIVNOST = Težnja jezgri ka stabilnijim stanjima. Zašto jezgre zrače? Žele doći u stabilnije stanje. Jezgre se zračenjem oslobađaju viška energije! Danas: Oko 2000 nuklida. Stabilno samo 266! Od 266 159 ih ima paran N, paran P 50 ih ima neparni Z i paran N 53 ih ima paran Z i neparan N 4 ih ima neparan Z i neparan N
Radioaktivnost 2 STABILNOST jezgre? Odnos jake nuklearne i Coulombove sile Lagane jezgre Stabilne kada je N = Z. Srednje i teške jezgre broj neutrona raste (da se ponište Coulombove sile). Stabilne jezgre one koje su bliže magičnim brojevima.
Radioaktivnost i zakon radioaktivnog raspada Nestabilne jezgre Radioaktivan raspad u stabilnije stanje. J. Becquerel (1896.) Otkrio vrlo prodorno zračenje velike energije. P.Curie, M.Curie-Sklodowska Proučavali rudu urana. U uranu postoji "nešto" što šalje te zrake. Otkriće radija. RADIOAKTIVNOST. Vrste zračenja jezgri: alfa Jezgra emitira jezgru helija (2 protona + 2 neutrona). beta (-, +, elektronski uhvat) Jezgra emitira elektrone (pozitrone). gama Obično prati alfu i betu. Emisija ostatka energije do stabilnog stanja.
Radioaktivnost i zakon radioaktivnog raspada 2 alfa Karakteristika teških jezgri koje su prevelike da bi bile stabilne. Višak energije gubi se emisijom nukleona u obliku α čestice. Primjer je raspad radija: 222 88 Ra 86Rn+ 226 Jezgra radija = jezgra roditelj Jezgra radona= jezgra potomak 4 2 He Radij nataložen u tijelu može izazvati rak kostiju
beta 3 vrste raspada: Radioaktivnost i zakon radioaktivnog raspada 3 beta minus Jezgre s viškom neutrona. Energija se gubi pretvorbom neutrona u proton uz emisiju brzih elektrona. 1 1 + 0 0n 1p 1 β Primjer: 35 35 + 0 16S 17Cl 1 β beta plus Jezgre s viškom protona. Energija se gubi pretvorbom protona u neutron uz emisiju pozitrona. Pozitron je čestica slična elektrona (tzv. antičestica), ali + nabijena. 1 1 + 0 1 p 0n + 1 β + Primjer: Cl S + β + 33 33 0 17 16 + 1
Radioaktivnost i zakon radioaktivnog raspada 4 elektronski uhvat Pretvorba jezgre gdje se proton pretvara u neutron uhvatom elektrona iz K omotača. Na + e Na 22 0 22 11 1 10 gama Obično nakon pretvorbe jezgre bilo α, bilo β zračenjem. γ zraka je foton elektromagnetskog zračenja vrlo kratke valne duljine, koji nastaje prijelazom jezgre u stabilnije stanje. Slično kao kod elektrona: Jezgra prelazi iz višeg energijskog nivoa u stabilnije stanje. Razlika stanja se emitira kao γ zračenje.
Nuklearna karta Nuklearna karta Pogledamo atomske mase pojedinih jezgri i podijelimo ih s brojem nukleona. Raspadi = Spuštanje u nuklearnu dolinu!
Vremenska ovisnost radioaktivnog raspada eksperiment Brzina raspada proporcionalna je broju N radioaktivnih atoma uzorka u nekom vremenu ΔN Δt = λ N Za besk. male promjene: N N N N 0 dn N = 0 0 t λdt λ konstanta radioaktivnog raspada ln dn N N = λdt e λt = λt N = N 0 e Zakon radioaktivnog raspada N 0 = početni broj jezgri N = broj jezgri koje se još nisu raspale λ = konstanta raspada N N 0 = λt t 0 ln N N 0 = λt
N = N 0 e λt Vremenska ovisnost radioaktivnog raspada 2 Grafički: Postotak raspadnutih jezgara 50 % 75% 87,5 % Vrijeme t 1/2 2 t 1/2 3 t 1/2
Vrijeme poluraspada vrijeme poluraspada Vrijeme potrebno da se raspadne polovica prvotnog broja jezgri, tj. t = T1/ 2 λt N0 λt1/ 2 N = N e N 0 = N0e = 0 N = 2 2 2 1 ln = λt1/ 2 ln 2 = λt ln 2 1/ 2 T / 2 = 2 λ 1 T e λ 1 = 1/ 2 0,693 λ T 1/2 od nekoliko dijelova sekunde, do milijuna godina jod-131 (T 1/2 = 2,3 h) ispitivanje funkcija štitne žlijezde kisik-15 (T 1/2 = 2,1 min) respiracija ugljik-14 (T 1/2 = 5730 g) starost fosila
Aktivnost uzorka Aktivnost uzorka = Brzina kojom se smanjuje količina radioaktivne tvari. 1 Bg = bekerel = Jedan raspad u sekundi. 10 1 Ci = kiri = stara jedinica = aktivnost 1 g radija 1Ci = 3,7 10 Bq N = N 0 e A λt λn = λn = 0 e dn d A= def = = N e dt dt λt A = 0 A e λt ( λt ) 0 Aktivnost (Bq) Primjena 1 prirodna aktivnost ljudskog tkiva 10 2-10 5 dijagnostički testovi 10 5-10 8 tehnika skaniranja pacijenta 10 7-10 9 terapija karcinoma izotopima 10 13 γ izvori (radioterapija) 10 16 izvori za tehnološ. obradu zračenjem Aktivnost se s vremenom eksponencijalno smanjuje.
Aktivnost uzorka 2 Primjer: Dok je organizam (biljka, životinja, čovjek) živ, aktivnost radioaktivnog izotopa ugljika 14 C u tijelu je stalno 250 Bq po kilogramu. Kad organizam umre, ne uzima više ugljik iz prirode, pa se količina 14 C, zbog raspadanja, s vremenom smanjuje. Koliko je star drveni predmet čija je sadašnja aktivnost 190 Bq? Poluživot izotopa 14 C iznosi T 1/2 = 5370 godina. T 1/2 A 0 = 5370g = 250Bq A = 190Bq λ = A= 0 ln 2 T 1/2 Ae ln 2 t T 1/2 A = 0 A e λt ln A A ln 2 = T 0 1/2 t t = T ln 1/2 0 ln 2 A A 5370g 250 t = ln t = 2126g 0, 693 190
Umjetna radioaktivnost? Umjetna radioaktivnost Da! Ako dovedemo jezgre dovoljno blizu jedna drugoj! Nuklearne reakcije = Proces u kojemu se dvije jezgre, a i A približe jedna drugoj na udaljenost manju od dosega nuklearnih sila. Rezultat približavanja: Može doći do preraspodjele nukleona u tim jezgrama. Nastaju 2 nove jezgre, B i b. A + a= B+ b ili A( a, b) B A = Meta, uzorak koji se bombardira a = Projektili kojima bombardiramo metu B = Novonastala jezgra b = Izlijeće iz mete
Umjetna radioaktivnost 2 1919. g. Prvi put ostvaren san alkemičara da iz srebra dobiju zlato! Ne baš zlato, ali slično, da! Dušik je preveden u kisik! ( α, ) N + α O + p ili N p O 14 17 14 17 7 8 7 8 1932. Prvi put dobiven neutron kao samostalna čestica: Be + α C + n 9 12 4 6 Mehanizam kvantnomehaničkih procesa u jezgri je vrlo složen. Vrlo brze ili vrlo spore reakcije? Spore reakcije Nastaju složene jezgre, sudjeluju skoro svi nukleoni. Može se raspasti na više načina (tzv. kanali reakcije), primjer: 27 1 28 * 24 4 13 + 1 14 12 + 2 Al H Si Mg He
Umjetna radioaktivnost 3 Brze reakcije: Obično sudjeluje samo jedan ili par nukleona (izvan popunjenih ljusaka), tzv. direktne reakcije. Primjer: Projektil od jezgre otme jedan nukleon i odnese ga sa sobom, ili jezgra zadrži jedan nukleon od projektila. Raspršenje = Posebno mjesto među reakcijama. Reakcija u kojoj su jezgre prije i poslije reakcije iste. Elastično raspršenje = Projektil i izlazna čestica imaju istu energiju. Neelastično raspršenje = Kin. energija projektila se promijeni Jezgra ostane u pobuđenom stanju. Alat za proučavanje reakcija: Zakoni očuvanja energije, količine gibanja, momenta količine gibanja, očuvanje ukupnog naboja, ukupnog broja nukleona,
Umjetna radioaktivnost 4 Q vrijednost reakcije (def): Razlika energija mirovanja na početku i kraju reakcije: 2 ( ) ( ) Q= ma + ma mb + mb c Q > 0 Endotermna reakcija, zbiva se spontano. Q < 0 Egzotermna reakcija. Samo ako projektil ima dovoljno veliku kinetičku energiju.
Nuklearna fisija Eksperiment: Spori neutron upada na tešku jezgru (A > 230). Jezgra ga apsorbira. Nastaje složena jezgra. Obično se raspada na dvije srednje teške jezgre + nekoliko neutrona. Nuklearna fisija = Reakcija u kojoj se teška jezgra dijeli na dvije lakše jezgre i par neutrona. Fragmenti fisije = Novonastale jezgre nakon fisije. Primjer fisije: 235 236 * A A 92U + n 92U Z X + Y + κn 1 2 1 Z2 X, Y Fragmenti fisije = Moguće je više različitih parova fragmenata Fragmenti fisije Obično daleko od linije stabilnosti. Nastanak novih beta i gama raspada. Nuklearna fisija Izvor nuklearne energije! Energija = Razlici energijskih masa reaktanata i produkata fisije. (Δmc 2 ) 1 reakcija Može i do 200 MeV energije!
Nuklearna fisija 2 Kontrolirana fisija 1942. Chicago: Danas u nuklearnim reaktorima. Spori neutroni (tzv. termalni neutroni, energije oko 0,04 ev) Izazivaju fisiju. Nastaju novi neutroni, velike energije (oko 2 MeV). Treba ih usporiti! (Inače bi "projurili".) Usporenje? S atomima neke tvari, tzv. moderator (tzv. teška voda, deuterij) Kontrolirana fisija = Reducira se broj novonastalih neutrona. Nekontrolirana fisija Broj novonastalih neutrona geometrijski se povećava. U vrlo kratkom vremenu se oslobodi vrlo velika energija. NUKLEARNA BOMBA (pogrešno, atomska bomba). Nekontrolirana fisija Černobil, Fukushima Rezultat:
Nuklearna fisija 3 Fisija = Objašnjenje modelom kapljice:
Nuklearna elektrana: Princip rada:
E pel, = 1 4πε 0 Z1Ze 2 r 2 Nuklearna fuzija Nuklearna fuzija = Reakcija u kojoj se dvije lakše jezgre stapaju u jednu težu. Problem: Treba svladati jako elektrostatsko odbijanje među jezgama. Rješenje = Početne jezgre moraju imati vrlo velike kinetičke energije. Elektrostatska pot. energija dviju jezgri na udaljenosti promjera jezgre: E = 0,14 Z Z MeV pel, 1 2 Za najlakše jezgre (Z 1 = Z 2 = 1) Pripadna temperatura: T 0,14 1,6 10 3/2 1,38 10 J JK 13 23 1 10 9 K T E 3/2 Vrlo visoka temperatura. Tvar prelazi u stanje plazme, mješavinu jezgri i elektrona. Sunce Fuzija glavni izvor energije! k
Nuklearna fuzija 2 Nuklearna fuzija = Energija dolazi kao razlika masa početnih i konačnih jezgri (Model nuklearne doline)! Fuzija Oko 5 puta veća energija po reakciji! Hidrogenska bomba (termonuklearna) Nekontrolirana fuzija. Kontrolirana fuzija. Mogući izvor energije budućnosti. Primjer mogućih reakcija: H + H He+ n 2 2 3 1 1 2 H + H H + H 2 2 3 1 1 1 1 1 Q Q = 3, 2MeV = 4, 2MeV Nuklearna energija Glavni problemi sigurnost i otpad.
α, β, γ Iz radioaktivnih raspada Ionizirajuća zračenja Rendgensko zračenje Također vrlo opasno! Neionizirajuća zračenja Elektromagnetsko zračenje: jaka električna i/ili magnetska polja - dalekovodi, trafostanice, odašiljači (TV, radio, mobilna mreža), mobiteli,
Rendgensko zračenje W Röntgen, 1895. Pokusi s Crookesovom cijevi Uočio svjetlucanje komadića papira pokrivenog slojem fluorescentne barijeve soli. Papir se nalazio daleko od Crookesove cijevi koja je čak bila pokrivena neprozirnom kartonskom kutijom. Röntgen je zaljučio da iz mjesta na koje padnu katodne zrake izlazi neko novo zračenje. Ono pokazuje slične osobine kao i elektromagnetski valovi (ne može se svinuti ni električnim ni magnetskim poljem). Iz ovih osobina Röntgen je zaključio da to novo zračenje ima valnu prirodu. X-zračenje. x zrake = zrake vrlo velikih energija (10 4 ev) mogu čak otkinuti elektron iz atoma
Rendgensko zračenje 2 Danas Rendgensko zračenje nastaje udarom katodnog zračenja na neke čvrste tvari (najčešće na metale). anoda obično veliki Z elektroni se jako ubrzaju (napon U), i udaraju u anodu Elektroni se oslobađaju viška energije (kočenjem, sudarima) U spektru rendgenskog zračenja su uočene dvije komponente: tzv. kočno zračenje (kontinuirani spektar) i tzv. karakteristično zračenje (linijski spektar)
Rendgensko zračenje 3 Detekcija x zraka? Temelji se na svojstvu da ioniziraju neutralne atome, ili zacrne fotografsku ploču.
Apsorpcija gama (fotonskog) zračenja Što se događa kada fotoni prolaze kroz neku tvar? 3 glavna procesa: Fotoefekt: Foton upada na površinu metala. Sudara se s elektronom. Predaje mu svoju energiju. Foton nestaje (apsorbira ga elektron), a elektron može izići iz metala (ako je dobio dovoljno energije). Zakon sačuvanja energije: Energija fotona = Rad za oslobađanje elektrona iz metala + Kinetička energija oslobođenog elektrona 1 2 hν = Wi + mevmax 2
Apsorpcija gama (fotonskog) zračenja 2 Comptonov efekt, A.H. Compton (1923.): Raspršenje rendgenskih zraka na elektronima. Na izlazu 2 komponente: Prva ima valnu duljinu jednaku upadnoj, a druga nešto veću valnu valnu duljinu Eksperiment: Razlika valnih duljina ovisi o kutu raspršenja i proporcionalna je s (1 cos θ). Zakon sačuvanja energije + zakon sačuvanja količine gibanja: h Δ λ = λ' λ = ( 1 cosϑ) mc e
Apsorpcija gama (fotonskog) zračenja 3 Comptonov efekt: Objašnjenje: Prilikom sudara fotona i elektrona, foton izgubi dio svoje energije. Zbog toga mu se smanji frekvencija (poveća valna duljina). Promjena valne duljine relativno je mala. Ne možemo opaziti za vidljivu svjetlost, opaža se samo kod "tvrdih" zraka.
Apsorpcija gama (fotonskog) zračenja 4 Efekt stvaranja para: Foton u blizini jezgre. Foton nestaje, a stvaraju se proton i pozitron. γ e + e + Blizina jezgre? Moraju vrijediti zakoni sačuvanja. Jezgra preuzima moment. Uvjet za nastanak para: Energija fotona mora biti najmanje 1,022 MeV (2m e c 2 ).
Apsorpcija gama (fotonskog) zračenja 5 O čemu ovisi apsorpcija fotona? - O debljini uzorka - O vrsti tvari di I = μ dx "minus" = Intenzitet se smanjuje. ln I I I 0 = μ x x 0 ln I I 0 = μ x I I 0 e I = I e μ μ L = 0 x Intenzitet prolaznog zračenja opada eksponencijalno, nikad se ne apsorbira u potpunosti.
Apsorpcija gama (fotonskog) zračenja 6 Poludebljina = Debljina uzorka koja zaustavlja polovinu upadnog zračenja. I x = = I 0 2 d 1/2 d I I e μ 1 2 1/2 I 2 x 0 d 1/2 = 0 = I 0 e μ = = e μ d ln 2 μ 1/2 μ d 1/2 = ln 2
Primjer: Za x zrake određene energije koef. apsorpcije u vodi je μ = 400 m -1 a u kalciju 1,57 10 4 m -1. Izračunajte u postocima apsorpciju x zraka u 1 mm vode i debljinu sloja kalcija potrebnog da napravi isto smanjenje intenziteta. μ = 400 m 1 μ 1 = 1, 5 7 1 0 x = 1m m m 4 1 Za kalcij: 0 ln I I ln I I I = I e μ 0 1 1 0 x ln = μ x = 400 1 10 3 = 0, 4 = μ x = 0, 4 0,40 5 x 1 = = 2,5 10 m = 25μ m 4 1,57 10 Primjena rendgen ljudskog tijela, kosti i meso.
Interakcija ionizacijskog zračenja s materijom 1 ev = 1,6 10-19 J uobičajena jedinica u nuklearnoj fizici 1keV = 1000 ev 1 MeV=100000 ev α čestice monoenergijske, energije od 2 9 MeV β čestice nisu monoenergijske, energije od 0 E max.(neutrino) E max za 3 H je oko 18 KeV, a za 32 P oko 1,7 MeV γ čestice monoenergijske, energije od 2 kev 5 MeV
Djelovanje zračenja na materiju normalno stanje atoma energija elektrona u ljuskama minimalna zračenje može pobuditi elektron u omotaču povratak u osnovno stanje uz emisiju zračenja (foton ili toplina) Velika energija zračenja može izbaciti elektron iz atoma ionizacija. Rezultat ionizacije je postanak iona (+) i slobodnih elektrona (-). Svaka ionizacija uzme oko 35 ev. α čestica od 3,5 MeV 10 5 ionskih parova Domet: α čestice nekoliko cm u zraku, zaustavlja ih tanki list papira b čestice različito, najviše red veličine m. γ čestice ovisi o metarijalu (apsorpcija), red veličine cm, m I = I 0 e μl I 0 = intenzitet upadnih zraka μ = koeficijent apsorpcije L = debljina tkiva
Djelovanje zračenja na materiju 2 Primjer: Linearni koeficijent apsorpcije biološkog tkiva za γ zrake energije 1 MeV jest 7 m -1. Izračunajte debljinu tkiva koja smanjuje intenzitet upadnih zraka na polovicu. 1 = 7m I I = I0e μx x Ie μ x = 0 e μ = 2 E = 1MeV 2 μ 0 I = I 0 / 2 Za olovo je: μ x = d 1/2 ln 2 = 7,9 10 μ = 88m 1 3 ln 2 0,693 x= = 0,1m μ 7 Olovo ima veliki koeficijent apsorpcije i zbog toga služi kao štit oko radiokativnih izvora. m
Detektori zračenja Kristalni detektori: - za detekciju prodornih rentgenskih i γ zraka - princip: γ zraka pogodi kristal (scintilacijski) koji onda zrači svjetlost koja se usmjerava u EM polje brojač Plinski detektori (Geiger Mullerov brojač): - metalna cijev, žičane elektrode, tanki prozor - u cijevi je inertni plin (argon) koji inače ne vodi struju - ulaskom β čestica, dolazi do ionizacije (lavina) strujni impulsi - dobar za β čestice, ali γ prođe kroz njih
Doza zračenja Izlaganje organizma zračenju energija se akumulira 1 Gy ( 1 grej) = odgovara apsorbiranoj energiji od 1 džula po kilogramu tkiva Dozni ekvivalent H mjeri biološko oštećenje tkiva 1 Sv (sivert) dozni ekvivalent = apsorbirana doza. Q H = DQ Q faktor kvalitete (rizik od različite vrste zračenja) za tvrdo rentgensko zračenje i γ Q=1 za neutronsko zračenje Q=2-11 za α čestice Q = 20
Doza zračenja 2 Primjer: Neutronska aktivacijska analiza je metoda kojom se može odrediti količina nekih elemenata u organizmu. Kada se tkivo zrači neutronima, neki stabilni atomi postaju radioaktivni, a količina potom izmjerenih γ zraka mjera je za količinu nekog elementa u tijelu. Ako su u postupku upotrijebljeni neutroni srednje energije 2,5 MeV i Q = 10, ocijenite koliko je apsorbiranih neutrona po kilogramu tkiva ako je za pacijenta dozni ekvivalent 5 10-3 Sv. Pretpostavite da se svi neutroni apsorbiraju u tijelu. 3 H = 5 10 Sv Q = 10V E = 2,5MeV N D = H Q = 3 5 10 4 10 = 5 10 Gy D = = kg E 2,5 10 1,6 10 4 5 10 9 1 = 1,3 10 6 19
Radiobiologija i zaštita od zračenja Kako zračenje djeluje na biološko tkivo? Apsorbirana energija može izazvati kemijske promjene u stanici. Posljedice: - smrt pojedine stanice ( u ekstremnim slučajevima i smrt organizma) - trajna modifikacija stanične strukture (promjena gena, pojava karcinoma)
Učinci zračenja na biološke molekule Interakcija zračenja s tkivom se dešava na nivou molekule. Apsorbirana energija može izazvati kemijske promjene u stanici ionizacija molekula promjene u stanicama Sisavci 85 % vode glavni dio zračenja ide na molekule vode kemijske promjene na velikim molekulama (enzimi, proteini, nukleinske kiseline, polisaharidi, ) Princip djelovanja: Prvi korak primarna ionizacija Neutralna molekula vode uhvati elektron H 2O H 2O + + e H 2O + e H2O Dakle, 2 molekule vode daju 2 iona, + H 2 O i 2 H O
Učinci zračenja na biološke molekule 2 Dakle, 2 molekule vode daju 2 iona, Raspad iona nastanak radikala: i + H 2 O H2O + + 2 H + OH H O H O 2 H + OH H i OH reaktivni slobodni radikali (pokušavaju spariti svoj elektron u vanjskoj ljusci s elektronom iz drugog radikala. Kratko žive (10-5 s) i reagiraju različito. H + OH H2O H + H H 2 OH Vodikov peroksid oksidans može izavati + OH H O 2 2 promjene u osjetljivim stanicama... (kromosomi) Prisustvo kisika molekule osjetljivije na zračenje
Stanica osnovna životna jedinica Učinci zračenja na stanice Učinci zračenja na stanicu Smrt stanice mitotička smrt interfazna smrt Rast i promjena funkcije mitotički zastoj povećanje propusnosti membrane, mutacija gena, lom kromosoma
Radijacijska bolest i smrtnost životinja Posljedice zračenja na višestanične organizme: a) akutne odmah vidljive (anemija, krvarenje, sklonost infekcijama, gubitak tj težine, sterilnost, smrt, ) b) kronične- javljaju se nakon nekog vremena (genetske mutacije, oštećenje embrija, izazivanje karcinoma, katarakt zamućenje leće) Organi ljudskog tijela najosjetljivi zračenju: KOŽA osjetljiva i na male doze (crvenilo), velike doze plikovi, ispadaju dlačice, pojava raka kože KOŠTANA SRŽ u njoj se nalaze matične stanice koje se brzo dijele da bi održale broj stanica u krvi. Zračenje jako smanji broj stanica osjetljivost na infekcije CRIJEVNE STANICE dosta otporne, ali ako se oštete, ne obnavljaju se i bakterije prelaze u tijelo, ili voda prelazi u tijelo smanjenje težine SPOLNE STANICE sterilnost ČOVJEK koštana srž i crijeva su najugroženiji, djeca najviše
Letalna doza letalna doza pokazuje osjetljivost organizma na zračenje LD 50/30 doza zračenja cijelog tijela koja ubija 50 % životinja u roku 30 dana Vrsta Letalna doza Vrsta Letalna doza LD 50/30 (Sv) LD 50/30 (Sv) pas 3,5 štakor 6-10 miš 4-6 žaba 7 majmun 6 daždevnjak 30 čovjek 6-7 puž 80-200
Ovisnost srednjeg vremena preživljavanja tipičnog sisavca o dozi zračenja porast doze odumire: koštana srž crijeva živci - molekule
Kronične posljedice zračenja Posljedice zračenja se mogu javiti i poslije mnogo, mnogo godina. Primjer: mutacije gena, ili ozračen embrion ( za čovjeka je najopasnije od 2-7 tjedna nakon začeća jer se tada formiraju organi) Karcinom tumorska stanica nije pod kontrolom tijela stanice se razmnožavaju nekontrolirano Karcinomi - dobroćudni ciste i bradavice - zloćudni (maligni)- njihove stanice su sposobne da se odlijepe i tako formiraju izrasline u drugim dijelovima tijela
Liječenje karcinoma Operativni zahvati ili ionizacijskim zračenjem Stanice karcinoma su osjetljive na mitotičnu smrt - zračenjem izazivamo mitotičnu smrt Opasnost mogućnost oštećenja zdravih stanica Rješenje: zračenje na više puta ili se zrači iz više smjerova tako da se okolne stanice oporave
Maksimalna dopuštena doza prirodni izvori zračenja kosmičko zračenje, radij, torij, uran, radon, umjetni izvori zračenja- nuklearni reaktori, izvori za terapiju karcinoma, Srednja godišnja doza prirodnog zračenja je oko 1 msv, a maksimalna dopuštena godišnja doza za ljude je 2 msv. Maksimalna dopuštena godišnja doza za ljude koji rade kod izvora zračenja je 50 msv. Umjetni izvor zračenja Srednja god. doza (μsv/god) dijagnostička i terapeutska radiologija 250 radioaktivne padaline 50 profesionalna izloženost 3 ostalo (svjetleći brojevi na satovima, TV,..) <10 Ukupno: oko 310 (μsv/god)
Zaštita od vanjskih izvora zračenja Zaštita od zračenja se postiže udaljavanjem od izvora, te pomoću odjeće i kože. a) olovni, čelični, betonski štit b) povećanje udaljenosti između izvora i tijela c) boraviti što kraće kod izvora zračenja
Zaštita od unutrašnjih izvora zračenja Nesretnim slučajem, ili iz medicinskih razloga, proguta se radionuklid. Nema zaštite! Treba spriječiti unos u tijelo. Načini unošenja radionuklida: a) zrakom radionuklid se zadrži u plućima, ili otopljen prijeđe u krv b) hranom radionuklid se apsorbira i prijeđe u krv c) rana na koži direktno u krv Opasnost neki se elementi talože u jednom mjestu
Kritični organi: Zaštita od unutrašnjih izvora zračenja 2 element kritični organ element kritični organ H cijelo tijelo Zn jetra C mast Sr kosti Na cijelo tijelo I štitna žlijezda P kosti Au bubrezi S testis Hg bubrezi K mišići Po kosti Fe slezena Ra kosti Co jetra JAKO OPASNI: Radij, uran, radon (alfa) 90 Sr (beta) taloži se u kostima
Ugovor o neširenju nuklearnog oružja (NPT Nuclear Non-Proliferation Treaty) - Ugovor je zaključen 1968., a počeo vrijediti 1970. - RH je potpisnica Ugovora od 1992. - Ugovor je ratificiralo 187 država - 5 nuklearnih sila: SAD, Rusija, UK, Francuska, Kina - nisu potpisnici NPT: Indija, Pakistan, Sjeverna Koreja, Izrael (?) - sumnja se da posjeduju nuklearno oružje - države koje su nekada posjedovale nuklearno oružje