Transcript FY8 5luku - WordPress.com

+
5 RADIOAKTIIVISUUS
5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (1/8)
Radioaktiivisessa hajoamisessa epästabiili ydin hajoaa
spontaanisti.
Radiaktiivisen aineen lähettämää säteilyä kutsutaan myös
ydinsäteilyksi. Ydinsäteily on ionisoivaa, joten se aiheuttaa
kemiallisia ja biologisia muutoksia elävissä kudoksissa.
Radioaktiivinen ydin voi lähettää hajotessaan joko alfa- (α),
beeta- (β- ja β+) tai gamma- (γ) säteilyä.
Alfa-säteily koostuu positiivista alfahiukkasista.
Beetamiinus-säteily koostuu elektroneista.
Beetaplus-säteily koostuu positroneista,
jotka ovat hyvin lyhytikäisiä.
Gamma-säteily on suurienergiaista
sähkömagneettista säteilyä.
5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (2/8)
Hajoamisenergia
Ytimen hajoamisessa vapautuva hajoamisen
reaktioenergia eli hajoamisenergia on
Q = (mX-ydin – mY-ydin – mZ)c2
Q = (mX-atomi – mY-atomi – mZ)c2,
missä
X on emoydin
Y on tytärydin
Z on ydinsäteilyhiukkanen.
5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (3/8)
Alfahajoaminen
Alfahajoamisen hajoamisenergia
Q = (mX-ydin – mY-ydin – mα)c2
= (mX-atomi – mY-atomi – mHe-atomi)c2.
Laskuissa käytetään alkuaineiden X, Y ja He
atomimassoja.
Alfahajoamisen yhteydessä syntyy myös
gammasäteilyä
Alfahajoamisen seurauksena syntynyt tytärydin
voi jäädä viritystilaan, jonka purkautuessa ydin
lähettää
gammakvantin.
A
Z
XN 
A 4
Z  2 N 2
Y
 42 He 2
Kun emoydin hajoaa, syntyy
tytärydin ja alfa-hiukkanen.
5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (4/8)
Beetamiinushajoaminen
Beetamiinushajoamisen hajoamisenergia
Q = (mX-ydin – mY-ydin – me)c2
= (mX-atomi – mY-atomi)c2.
Laskuissa käytetään alkuaineiden X ja Y
atomimassoja.
Reaktioyhtälön molemmilla puolilla on
- sama massalukujen summa
(Barioniluvun säilymislaki)
- sama järjestyslukujen summa
(Varauksen säilymislaki)
A
Z
XN 
A
Z 1 N1
Y

eν
0
1
Kun neutroni hajoaa,
syntyy protoni, elektroni ja antineutriino.
1
0
n  11p 
eν
0
1
- yhtä monta leptonia, esim. elektroni ja
antineutriino kumoavat toisensa eli tällöin
leptonien lukumäärä on nolla
(Leptoniluvun säilymislaki)
5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (5/8)
Beetaplushajoaminen
Beetaplushajoamisen hajoamisenergia
Q = (mX-ydin – mY-ydin – me)c2
= (mX-atomi – mY-atomi – 2me)c2.
Laskuissa käytetään alkuaineiden X ja Y
atomimassoja.
HUOM! Lausekkeeseen jää kahden
elektronin massa!
A
Z
XN 
A
Z 1 N1
Y

eν
0
1
Syntynyt positroni reagoi elektronin
kanssa, jolloin hiukkaset muuttuvat
gammasäteilykvanteiksi (annihilaatio).
Kun protoni hajoaa, syntyy neutroni, positroni ja neutriino.
1
1p
 01n 
0
1e
ν
5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (6/8)
Elektronisieppaus (EC)
Elektronisieppauksen hajoamisenergia
Q = (mX-ydin + me – mY-ydin)c2
= (mX-atomi – mY-atomi)c2.
(vrt. β- -hajoamiseen)
A
Z
XN 
e
0
1
A
Z 1 N1
Y
ν
Ydin sieppaa elektronin elektroniverhon sisimmiltä
kuorilta. Elektronista ja protonista syntyy neutroni.
Samalla syntyy neutriino ja gammasäteilyä.
0
1e
 11p  01n  ν
Lisäksi elektroniverhon viritystilan purkautuessa syntyy röntgensäteilyä.
5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (7/8)
Gammasäteily
Radioaktiivisen hajoamisen jälkeen
ydin voi jäädä virittyneeseen tilaan.
Kun ydin siirtyy virittyneestä tilasta
alempaan tilaan, vapautuu
gammakvantti.
Gammasäteily vuorovaikuttaa
aineen kanssa kolmella tavalla:
• Valosähköilmiö
• Comptonin ilmiö
• Parinmuodostus
5.1 Radioaktiivisen aineen ydin lähettää säteilyä (8/8)
Spontaanissa fissiossa (sf) raskas ydin hajoaa itsestään ilman ulkoista syytä kahdeksi
keskiraskaaksi ytimeksi. Luonnossa vain uraani-235 hajoaa spontaanisti.
Pääosa luonnon radioaktiivisista aineista kuuluu jonkin pitkäikäisen radioaktiivisen
aineen hajoamissarjaan, joita on kolme:
• uraanisarja
• toriumsarja
• aktiniumsarja.
Uraanisarja
5.2 Hajoamislaki (1/2)
Aktiivisuus (A) kuvaa radioaktiivisuuden voimakkuutta.
Se ilmaisee, kuinka monta hajoamista tapahtuu radioaktiivisessa
näytteessä. Aktiivisuuden yksikkö on becquerel (Bq).
Hajoamislaki
A = A0e-λt,
N = N0e-λt
missä
λ on hajoamisvakio
A0 on näytteen aktiivisuus alussa
A on näytteen aktiivisuus ajan t kuluttua
N0 on hajoavien ydinten lukumäärä alussa
N on hajoavien ydinten lukumäärä ajan t kuluttua.
Aktiivisuus voidaan esittää myös muodossa A = λN.
5.2 Hajoamislaki (2/2)
Puoliintumisajan kuluessa puolet
radioaktiivisen aineen ytimistä on hajonnut
toisiksi ytimiksi. Samalla aktiivisuus on
pienentynyt puoleen.
Puoliintumisaika voidaan esittää
hajoamisvakion avulla seuraavasti:
T½ =
ln 2.
λ
14C-isotooppiin
perustuva ajoitus
Kun verrataan vanhan näytteen ja tuoreen
näytteen 14C-aktiivisuuksia, voidaan
määrittää näytteiden välinen ikäero.
5.3 Säteilyn mittaaminen ja säteilyturvallisuus (1/4)
Säteilyilmaisimet
Säteilyilmaisimissa havaitaan yksittäisten ionisoivien
hiukkasten tai säteilyn aiheuttamia muutoksia.
Geigerputkessa ionisoivat hiukkaset aiheuttavat
täytekaasuun sähkövirtapulsseja.
Filmidosimetrissa gamma- ja hiukkassäteily aiheuttaa
filmiin mustumia, joiden määrä on verrannollinen filmiin
absorboituneeseen säteilyannokseen.
DIS-dosimetrissa säteily pienentää
puolijohdekomponentin muistiin tallennettua
sähkövarausta.
Geigerputki
5.3 Säteilyn mittaaminen ja säteilyturvallisuus (2/4)
Säteilyyn liittyvät suureet ja niiden yksiköt
Absorboitunut annos (D) kuvaa säteilyn aineeseen luovuttamaa energiaa
massayksikköä kohti
ΔE
D=
.
Δm
Absorboituneen annoksen yksikkö on gray (1 Gy = 1 J/kg).
Ekvivalenttiannos (H) kuvaa säteilyn aiheuttamia
haittavaikutuksia tarkasteltavassa kudoksessa tai
elimessä.
H = QTD,
missä
QT on säteilylajista riippuva laatukerroin.
Laatukertoimia QT
röntgen-, β--,β+-,γ-säteily
1
hitaat neutronit
3
nopeat neutrinit, protonit
10
α-säteily
20
Ekvivalenttiannoksen yksikkö on sievert (1 Sv = 1 J/kg)).
Efektiivinen annos (E) on koko kehon saama säteilyannos. Jokaisen kudoksen saama
ekvivalenttiannos kerrotaan kudoksen painotuskertoimella ja saadut arvot lasketaan
yhteen.
Efektiivisen annoksen yksikkö on sievert.
5.3 Säteilyn mittaaminen ja säteilyturvallisuus (3/4)
Ulkoinen ja sisäinen säteily
Ulkoinen säteily on kehoon sen ulkopuolelta kohdistuvaa säteilyä.
Sisäinen säteily on kehon sisälle joutuneiden radioaktiivisten
aineiden aiheuttamaa säteilyä.
Suomalaisten saama keskimääräinen säteilyannos
5.3 Säteilyn mittaaminen ja säteilyturvallisuus (4/4)
Säteilyn heikennyslaki
Säteilyä absorboituu väliaineeseen. Tämän seurauksena säteily heikkenee
eksponentiaalisesti kulkiessaan väliaineessa
I = I0e-μx,
missä
I0 on väliaineeseen osuneen säteilyn intensiteetti
I on säteilyn intensiteetti, kun säteily on kulkenut väliaineessa matkan x
μ on säteilyn energiasta ja väliaineesta riippuva heikennyskerroin.
Heikennyskertoimen yksikkö on
1
.
m
Sitä aineen paksuutta, joka heikentää säteilyn
intensiteetin puoleen, sanotaan
puoliintumispaksuudeksi
d½ =
ln 2
.
μ