Transcript A 1
ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ TADEUSZ HILCZER Plan wykładu 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. Wprowadzenie Podstawowe pojęcia Zderzenie i rozproszenie Przewodnictwo materii Naturalne źródła promieniowania jonizującego Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio Źródła promieniowania jonizującego Pole promieniowania jonizującego Detekcja promieniowania Skutki napromieniowania materii żywej Dozymetria medyczna Ochrona przed promieniowaniem Osłony przed promieniowaniem Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 2 ŹRÓDŁA PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO Źródła promieniowania jonizującego • naturalne źródła promieniowania jonizującego (87%) – promieniotwórczość skorupy Ziemi – promieniowanie kosmiczne • sztuczne źródła promieniowania jonizującego (13%) – wytworzone źródła promieniotwórcze – promieniowanie rentgenowskie – źródła militarne – reaktory jądrowe – odpady promieniotwórcze –… Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 4 Średnie udziały różnych źródeł promieniowania źródło promieniowania % źródła naturalne (87) promieniowanie kosmiczne 14 promieniowanie g skorupy ziemskiej 19 napromieniowanie wewnętrzne pospolitymi izotopami 17 promieniotwórczymi radon w powietrzu 32 toron w powietrzu 5 źródła sztuczne (13) działania medyczne 11 ,5 zgromadzone odpady promieniotwórcze 0 ,5 przemysłowe zastosowanie izotopów promieniotwórczych 0 ,4 energetyka jądrowa 0 ,1 inne 0 ,5 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 5 Promieniotwórczość naturalna • Układ Planetarny i Słońce powstały 4,6·109 lat temu • źródła naturalnej promieniotwórczości Ziemi – pozostałe w skorupie ziemskiej pierwiastki promieniotwórcze o T1/2 od wieku Ziemi – promieniowanie kosmiczne – pierwiastki promieniotwórcze wytwarzane przez promieniowanie kosmiczne w atmosferze i na powierzchni Ziemi Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 6 Rozpad promieniotwórczy rozpad konwersja wewnętrzna rozpad pozytonowy e + rozszczepienie spontaniczne ~ wychwyt E e emisja kwantu promieniowania ~ rozpad negatonowy Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 7 Rozpad promieniotwórczy • czas, po którym zachodzi rozpad można określić statystycznie • średni czas życia, na podstawie obserwacji dużej liczby przypadków • czas życia pojedynczego jądra jest nieokreślony • liczba rozpadających się jąder w określonym czasie jest proporcjonalna do liczby istniejących w tym czasie jąder dN Ndt • liczba rozpadów w jednostce czasu - aktywność A dN A N [Bq] ( rozpad s -1 ) dt Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 8 Rozpad promieniotwórczy t N(t ) N(0)exp T1 / 2 • okres połowicznego zaniku T1 / 2 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny ln 2 ln 2 9 Rodziny promieniotwórcze • rodzina promieniotwórcza - pierwiastki z kolejnych rozpadów od tego samego pierwiastka początkowego – mają od T1/2 = 109 lat do T1/2 = 10-11 s • ciężkie pierwiastki ulegają głównie rozpadowi – liczba masowa zmienia się o 4 – mogą istnieć cztery rodziny • trzy rodziny zawierają istniejące obecnie w przyrodzie pierwiastki promieniotwórcze • jedna zawiera pierwiastki nie występujące już w przyrodzie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 10 Rodziny promieniotwórcze • początkowe pierwiastki promieniotwórcze rodzin istniejących w przyrodzie – 238U (T1/2 = 4,5.109 lat) - rodzina uranowa – 235U (T1/2 = 3,17.108 lat) - rodzina aktynowo-uranowa – 232Th (T1/2 = 1,4.1010 lat) - rodzina torowa • początkowy pierwiastek promieniotwórczy rodziny nie istniejącej w przyrodzie – 237Np (T1/2 = 2,2.106 lat, około 2000 razy krótszy od wieku Ziemi) - rodzina neptunowa Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 11 Promieniotwórczość skorupy Ziemi • w skorupie ziemskiej są – pierwiastki promieniotwórcze których T1/2 jest większy od czasu życia Ziemi • większość ciężkich A>210 • nieliczne izotopy pierwiastków lżejszych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 12 Promieniowanie kosmiczne • promieniowanie kosmiczne – jest źródłem promieniowania jonizującego – wytwarza w atmosferze lub na powierzchni Ziemi wiele izotopów promieniotwórczych • w napromieniowaniu organizmów żywych odgrywają rolę tylko 3H, 3Be, 14C, 22Na Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 13 Łańcuchy przemian promieniotwórczych • łańcuch przemian promieniotwórczych - po rozpadzie pierwiastka promieniotwórczego powstaje kolejny pierwiastek promieniotwórczy – opisany przez • podstawowe prawo rozpadu promieniotwórczego • stałe materiałowe niezależne od czynników zewnętrznych • dla dwu członów łańcucha A1 i A2 dN 1 (t ) 1 N 1 (t ) dt dN 2 (t ) 1 N 1 (t ) 2 N 2 (t ) dt N1 i N2 liczba atomów pierwiastków A1 i A2 w chwili t 1 i 2 stałe rozpadu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 14 Łańcuchy przemian promieniotwórczych • ubytkowi pierwiastka A1 odpowiada przyrost pierwiastka A2 N1 (t) N1 (0)exp(1t) dN 2 (t ) 2N2 (t ) 1N1 (0) exp( 1t ) dt dN2 (t ) 2N2 (t ) 0 dt N2 (t) N2 (0)exp(2t) N2 (t) N1 (0)C1 exp(1t) C2 exp(2t) • C1 i C2 - stałe zależne od wartości brzegowych N2 (t) N2 (0)exp(2t) N1 (0)C1 exp(1t) C2 exp(2t) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 15 Łańcuchy przemian promieniotwórczych • w chwili t =0 był tylko pierwiastek A1 N2 (t) N1 (0)C1 exp(1t) C2 exp(2t) N2 (0) 0 C1 • warunki początkowe C1 C2 0 C2 C1 N2 (t) N1 (0) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 1 2 1 1 2 1 1 2 1 exp(1t) exp(2t) 16 Łańcuchy przemian promieniotwórczych • rozwiązanie ogólne Nn (t) N1 (0)C1 exp(1t) C2 exp(2t) Cn exp(nt) 1 2 n1 C1 , (2 1 )(3 1 )(n 1 ) 1 2 n1 C2 , (1 2 )(3 2 )(n 2 ) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 17 Przypadek szczególny 2<1 • przypadek szczególny dla szeregu złożonego z 2 członów 2 < 1 N 2 (t ) N 1 (0) 1 1 2 exp( 2 t ) exp( 1t ) • dla dostatecznie długiego czasu N 2 (t ) N 1 (0) 1 1 2 exp( 2 t ) • łączna ilość pierwiastków obu członów maleje zgodnie z okresem połowicznego zaniku pierwiastka drugiego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 18 Przypadek szczególny 2<1 ln N a b c t Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 19 Przypadek szczególny 2>1 • przypadek szczególny dla szeregu złożonego z 2 członów 2 > 1 N 2 (t ) N 1 (0) 1 2 1 exp( t ) exp( t ) 1 2 • dla dostatecznie długiego czasu N 2 (t ) N 1 (0) 1 2 1 exp( 1t ) N 2 (t ) 1 const N 1 (t ) 2 1 • równowaga przejściowa – oba pierwiastki są w stałym stosunku – ich ilość maleje z jednakową prędkością Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 20 Przypadek szczególny 2>1 ln N a b c t Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 21 Przypadek szczególny 2>>1 • przypadek szczególny dla szeregu złożonego z 2 członów 2>>1 (1 bardzo małe) N2 (t ) N1 (0) 1 2 1 exp(2t )exp(2t) 1 • dla dostatecznie długiego czasu 2 N2 (t ) N1 (0) 1 N2 (t ) 1 T2 N1 (0) 2 T1 • równowaga wiekowa Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 22 Przypadek szczególny 2>>1 ln N a b c t Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 23