andrej godec: sevanje okrog nas, modrijan, november 2008
DESCRIPTION
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008. Sevanje okrog nas. Andrej Godec Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerza v Ljubljani [email protected]. Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008. Sevanje. Neionizirajoče (nižje energije) - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Sevanje okrog nas
Andrej Godec
Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
Univerza v Ljubljani
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Sevanje
• Neionizirajoče
(nižje energije)
• Ionizirajoče
(višje energije)
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Neionizirajoče sevanje
• bližnje UV, vidno in IR elektromagnetno valovanje, mikrovalovi in radijski valovi …
• to valovanje lahko sproži na primer nekatere fotokemijske reakcije in pospeši radikalske reakcije;
• povzroči lahko opekline kože; večino ga zadrži že zemeljska atmosfera;
• energija praviloma ni zadostna za ionizacijo atomov in molekul.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Ionizirajoče sevanje• Ionizirajoče sevanje rečemo vsem delcem, ki
imajo zadosti energije, da ionizirajo atome in molekule.
• Takšni delci izbijejo elektrone iz zunanje lupine v atomih. • V večjih količinah lahko ionizirajoče sevanje v živih tkivih
povzroči mutacije celic ali pa celo smrt.
• Ionizirajoče sevanje je lahko sestavljeno iz protonov, nevtronov, elektronov, helijevih jeder, in še nekaterih drugih delcev.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Dejstva• Radioaktivno (ionizirajoče) sevanje je na našem planetu stalno
prisotno. Rečemo mu naravno ozadje.
• Vir sevanja naravnega ozadja so kozmični žarki iz oddaljenega vesolja in od našega sonca, in radioaktivne snovi v globinah našega planeta.
• Radioaktivni izotopi, ki so prisotni v večjih količinah v našem telesu: 17 mg/70 kg 90 μg/ 70 kg
30 μg/ 70 kg
• Vsi navedeni so primarni radioizotopi, ki so navzoči že od nastanka
Zemlje. Vsega skupaj je v naravi več kot 60 radioaktivnih elementov.
K4019
Th23290
U23892
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
• Toplota našega planeta prihaja tudi od radioaktivnega razpada v njegovi notranjosti – uranova serija.
• Oklo (Gabon): naravni fizijski jedrski reaktor v področjih z nahajališči uranove rude, ki je deloval skoraj milijon let. Nevtronski moderator je bila voda iz podtalnice. Moč reaktorja: 100 kW. Reaktor je ugasnil pred 1,5 milijarde let.
U23892
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Odkod sevanje?• Nekateri atomi niso stabilni, zato razpadejo.
• V naravi so takšni predvsem izotopi težjih elementov, ki imajo dodatne nevtrone v jedru.
• Temu razpadu rečemo radioaktivni razpad. Nestabilni izotopi so radioaktivni, zato jim rečemo tudi radioizotopi.
• Pri radioaktivnem razpadu se del energije atoma sprosti v obliki delcev, ki jih običajno spremlja tudi elektromagnetno valovanje z visoko energijo.
• Temu pojavu rečemo s skupnim imenom radioaktivno sevanje. Sevanja radioaktivnih snovi ne moremo prekiniti.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
• Pionirja na področju radioaktivnosti
sta bila pred dobrimi sto leti
H. Becquerrel in Marie Curie.
• Nestabilne izotope pa znajo znanstveniki narediti tudi v laboratoriju.
• Prvi (?) uspešen alkimist na svetu: Ernest Rutherford.
HOHeN 11
178
42
147
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Cern 2008
• LHC (Large Hadron Collider): 100 m pod zemljo, 27 km v premeru;
• Dva curka subatomskih delcev hadronov (protonov ali pa svinčevih ionov) z veliko energijo bosta čelno trčila;
• Pričakovanja: veliko novih subatomskih delcev, supersimetrija, Higgsov bozon – ultimativni delec, ki je bil že teoretično napovedan v Standardnem modelu
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
• Higgsov bozon: je verjeten odgovor na vprašanje, odkod delcem masa
• http://www.exploratorium.edu/origins/cern/ideas/higgs.html• http://www.phy.uct.ac.za/courses/phy400w/particle/higgs.htm
Vrste radioaktivnega sevanja
• Glede na vrsto emitiranih delcev ločimo alfa () in beta () radioaktivno sevanje.
• Spremljajoče valovanje pa imenujemo gama () sevanje ali – žarki.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
sevanje
• Izotop emitira delce:• Uran v naravi: sevalec
starševski izotop hčerinski izotop
• Uporaba: detektorji dima
He42
HeThU 42
23490
23892
HeNpAm 42
23793
24195
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Nevarnosti• To sevanje je nevarno predvsem v primeru zaužitja snovi, ki seva. • 320 ton osiromašenega urana je bilo “izgubljenih” samo v prvi
zalivski vojni (tudi U - 238 je alfa sevalec).
• Žrtev tega sevanja je bil zaradi zastrupitve s polonijem leta 2006 tudi Rus A. Litvinenko:
• Polonij je močan α sevalec; na sekundo odda 4000 krat več α delcev kot ista masa na primer izotopa radija, ki je tudi sam zelo radioaktiven, in razpade do plina radona.
HePbPo 42
20682
21084
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
sevanje• Sestavljajo ga elektroni z visoko energijo, ki nastanejo pri
razpadu nevtronov v jedru:
• Nastane pri razpadu nekaterih radioaktivnih snovi v naravi in odpadnih produktov v jedrskih reaktorjih.
• Datiranje s pomočjo izotopa ogljika:
• Merjenje z AMS (Accelerator Mass Spectrometry); do 80 000 let nazaj (14 razpolovnih časov), ko je navzočih le še
0,006% začetne količine izotopa ogljika.
epn 01
11
10
eNC 01
147
146
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Uporaba sevalcev
• V medicini za zdravljenje očesnih bolezni in kostnega raka:
• Zdravljenje bolezni ščitnice: • Tricij pri proučevanju telesnega metabolizma in
varnosti novih zdravil.
• Testiranje puščanja cevi:
Sr9038
I13153
H31
Mg2712
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Nevarnosti
• Najnevarnejša je izpostavljenost z vdihavanjem, ali zaužitje sevalca; sevanje je prodornejše od .
• Direktna izpostavljenost je tudi nevarna (pordečenje kože, opekline).
• Jod – 131 se akumulira v ščitnici.
• Stroncij – 90 se akumulira v kosteh in zobeh.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
sevanje
sevanje je elektromagnetno valovanje z valovno dolžino pod 124 pm, ki spremlja α in β radioaktivni razpad nekaterih izotopov; primer: je vzbujeni izotop.
sevanje je najprodornejše; zadržijo ga le debele plasti svinca, betona (6 krat debelejša plast) ali vode.
Ti fotoni imajo 10 000 krat višjo energijo kot fotoni iz vidnega dela elektromagnetnega spektra.
eNiCo 01
*6028
6027
NiNi 6028
*6028
*6028 Ni
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Uporaba sevalcev• Najpogosteje se uporabljajo , in .• Kobalt – 60: sterilizacija medicinske opreme v
bolnišnicah, hrane v živilski industriji in pošte; zdravljenje raka, kontrola materialov v industriji (npr. debeline, defektov).
• Tehnecij – 99: najpogostejši izotop za diagnostiko v jedrski medicini (kontrastno sredstvo pri tomografiji).
Co6027 Cs137
55 Tc9943
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Nevarnosti
• Najpogostejša je direktna zunanja izpostavljenost, naprimer naravnim radionuklidom, ki so gama sevalci: kalij – 40 (zemlja, voda, meso, banane ...), radij itd.;
• izpostavljenost sevalcem kot posledica uporabe v medicini in industriji.
• Zaradi svoje prodornosti so gama žarki zelo nevarni (radiacijska bolezen: izpostavljenost velikim dozam v kratkem času, pri čemer povzroči gama sevanje največ škode).
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Prodornost sevanja
list papirja
aluminijasta folija
beton
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Doza sevanja
• je količina ionizirajočega sevanja, ki ga prejme telo;
• je merilo za energijo, ki se pri sevanju absorbira v telesu.
• Enota za dozo je gray (Gy), ki je en joule na kilogram: 1 Gy = 1 J / kg snovi.
• Običajno: mGy ali Gy. • Včasih enota rad: 1Gy = 100 rad.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Efektivna doza sevanja• Enota sievert (Sv): en sievert sevanja
povzroči enak biološki efekt na telo, ne glede na vrsto sevanja. Običajno
uporabljamo enoto milisievert mSv.
• Naravno ozadje kjerkoli na našem planetu pomeni efektivno dozo okrog 2 do 3 mSv/leto. Rekord: Ramsar (Iran), kjer je efektivna doza tudi do 260 mSv/leto.
• Dovoljena efektivna doza zaradi umetnih virov sevanja je 1 mSv/leto.
• Približno velja: doza sevanja 1 mGy ustreza biološkemu vplivu na telo 1,14 mSv.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
• Let z letalom, Paris – Los Angeles:
okrog 48 Gy (višina 11 km, 11 ur)
oziroma cca. 55 Sv.
• Vsakodnevno gledanje TV ali delo
z računalnikom: 0,01 mSv/leto.
• Tipična efektivna doza sevanja iz
umetnih virov v medicini: 0,06 mSv/leto.
• 3 mSv/leto: sevanje naravnega ozadja.
• 5 mSv/leto: rudarji v dnevnih kopih urana.Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Izpostavljenost
NARAVNO
OZADJE
medicina 14%
jedrska industrija 1%
zgradbe/zemlja 18%
kozmični žarki 14%
radon 42%
hrana/pijača 11%
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Letna efektivna doza za prebivalce Slovenije /mSv
(vir: ARAO, 2006)
Vir sevanja Povprečna vrednost
Maksimalna vrednost
Kozmično sevanje 0,380 2,000
Kozmogeni radionuklidi 0,010 0,010
Zemeljsko gama sevanje 0,460 4,300
Radionuklidi v organizmu 0,230 0,600
Inhalacija Rn-222 1,200 10,00
Inhalacija Rn-220 0,100 0,100
Ingestija Rn-222 0,005 0,100
Skupaj (zaokroženo) 2,400
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Efektivne doze po svetu (brez radona), mSv/leto
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Kje je meja?
• 20 mSv/leto: zgornja dovoljena meja za delavce v jedrski industriji, medicini in v rudnikih.
• 50 mSv/leto je najnižja efektivna doza, pri kateri so opazili nastanek raka pri odraslih.
• 1000 mSv: radiacijska bolezen, vendar ne nujno smrt.
• 10 000 mSv: smrt v nekaj tednih.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Aktivnost radioaktivnih snovi
• Aktivnost radioaktivne snovi: enota je 1 becquerel (Bq), ki znaša 1 razpad na sekundo.
• 1 Bq = 1 s -1.
• Včasih je bila enota Curie: 1 Bq = 27 x 10 -12 Ci.
• Merjenje: Geiger - Millerjev števec.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
• Odrasel človek (70 kg): 7000 Bq
• 1 kg kave: 1000 Bq.
• Borovničev sok: 30 Bq/dm3 (doza 0,35 Sv)
• Oceani: 4,0x1019 Bq (uran); 1,4x1022 (kalij); 1,33x1021 Bq (rubidij – 87); 6,7x1018 (ogljik – 14); 7,4x1017 (tricij).
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
• Zrak v povprečni evropski hiši (radon): 30 000 Bq.
• Radioizotopi za diagnostiko v medicini: 600 MBq oziroma 3 mSv
(npr. scintigram kosti, izotop je tehnecijev – 99 difosfonat; pokažejo se
“vroče točke”, kjer je infekcija ali tumor)
• Uran v naravi: 50 MBq/kg. Sestava: 99,27 % uran – 238 (aktivnost 12 MBq/kg), 0,72 % uran – 235 (aktivnost 78 MBq/kg), in pet stotink promila uran – 234.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Specifična aktivnost nuklidov v mleku v okolici Ljubljane; vir: ARAO
0,001
0,01
0,1
1
10
100
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
Bq/
kg
Cs-134
Sr-90
Cs-137
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Zakonodaja
• Hrana: v EU je bila po Černobilu določena nova najvišja dovoljena aktivnost izotopa Cs – 137, in sicer
12,5 kBq / kg suhe teže.
• Doze: 20 mSv letno za izpostavljene delavce; - 1 mSv letno za posameznike iz prebivalstva in- 1 mSv za nerojenega otroka noseče ženske v času do konca nosečnosti.
• Pri zdravniških pregledih in zdravljenju se uporabljata načeli upravičenosti in optimizacije.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Radon v Sloveniji (leto 2000)
• Ljubljana, Velenje 18 Bq/m3 zraka; Kočevje do 40 Bq/m3 (povišano naravno ozadje, bivši rudnik premoga); največ: Kras
• zaprti prostori do 60 Bq/m3 (dopustno do 200 Bq/m3).
• Rekord: termalna voda, toplice Snovik v Tuhinjski dolini (do 63 000 Bq/m3) in Dolenjske Toplice (51 000 Bq/m3).
• Skladišče za nizko in srednje radioaktivne odpadke v Brinju (zdravstvo, industrija, šolstvo, znanost): 6300 Bq/m3.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Razpolovni čas t1/2
• Radioaktivni razpadi so vsi prvega reda.
• Razpolovni čas t1/2 : je čas, v katerem se koncentracija zmanjša na polovico začetne.
tkc
cln o
k
2lnt 2/1
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
0
20
40
60
80
100
0,781%1,563%3,125%6,25%
12,5%
25%
50%
7t1/26t
1/25t
1/24t
1/23t1/2
2t1/2
t1/2
Del
ež p
reos
tale
sno
vi /
%
čas
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Koliko časa do polovice?
• Uran – 238: razpolovni čas je 4,5 x 109 let.
• Mesečna plača: razpolovni čas 15 dni (če se le da!).
• Umetni viri: - cezij – 137 (jedrske eksplozije, Černobil): 30 let;- tehnecij – 99: 6 ur- jod – 131: 8 dni
• Umetni radioaktivni vir je nenevaren takrat, ko je njegova aktivnost podobna tisti v naravnem ozadju.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
• Cepitev jeder v reaktorju - močno eksotermna reakcija;• 1941: prva nadzorovana verižna reakcija (Enrico Fermi);
• 1954: prva jedrska elektrarna (Obninsk, SSSR);
Jedrska energija
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Verižne reakcije
• nadzorovana jedrska verižna reakcija (razne možnosti):
n2SrXenU 10
10038
13454
10
23592
n3BaKrnU 10
14156
9236
10
23592
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
NEK (700 MW)
• Jedrsko gorivo: 95% uran – 238 in 5% uran – 235 (jedrsko orožje: 90% urana – 235).
• Gorivne palice iz cirkonija vsebujejo gorivo v obliki UO2.
• NEK: 121 gorivnih elementov, vsak ima 235 gorivnih palic, skupaj 50 ton urana.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
• Absorpcija nevtronov: bor (H3BO3) v hladilni vodi ali regulacijske palice iz srebra, indija in kadmija.
• Moderator nevtronov: hladilna voda (jih upočasni).
• Jedrska energija (toplota) uparevanje vode parne turbine električni generatorji.
• Toplotni izkoristek: 35%
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
• Cepitveni produkti so prav tako radioaktivni; predstavljajo del radioaktivnih odpadkov iz jedrskih elektrarn, zato jih je treba pravilno skladiščiti. Z njimi je povezanih večina ekoloških problemov v zvezi s pridobivanjem energije iz jedrskih elektrarn.
• Konec leta 2004 v elektrarni: 2289 m3 odpadkov (nizko in srednje radioaktivni, to so taki, ki po 300 letih niso več radioaktivni), skupna aktivnost 19 TBq.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Nesmotrna uporaba jedrske energije
• Atomska bomba: nekontrolirana jedrska verižna reakcija.• Američani so avgusta 1945 na japonski mesti Hirošimo
in Nagasaki odvrgli atomski bombi moči 13 kiloton TNT (60 kg urana – 235, Hirošima) in 21 kiloton TNT (6,4 kg plutonija – 239, Nagasaki). Posledice bombardiranja: okrog 200 000 ubitih civilistov in še večje število obolelih.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
• TNT je okrajšava za klasično eksplozivo 2,4,6 - trinitrotoluen. Moč jedrske eksplozije je izražena s pomočjo mase v kilotonah TNT, ki bi morala eksplodirati za podoben učinek. Energija pri eksploziji 1 kilotone TNT znaša 4,184·1012 J. Toliko energije nastane na primer pri zgorevanju okrog 143 ton premoga.
• Danes: atomske bombe z močjo 500 kiloton.
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Fuzija
• Sonce: fuzijski reaktor
(zlivanje protonov).
• Fuzija zaenkrat: žal le kot orožje
(vodikova bomba: 50 megaton).
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Prihodnost?
• Obetajoča fuzijska reakcija:
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Viri• P.W. Atkins: Physical Chemistry, 8th Ed., Oxford Press.• P. Monk: Physical Chemistry - Understanding our Chemical World,
John Wiley and Sons.• Uprava RS za jedrsko varnost (http://www.ursjv.gov.si/)• Agencija za radioaktivne odpadke (http://www.arao.si/)• Wikipedia (slike) (http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page)• Environmental Protection Agency (http://www.epa.gov/)• http://teachers.web.cern.ch/teachers/• http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nuclear/nucnot.html• http://particleadventure.org/frameless/4interactions.html• http://science.uniserve.edu.au/school/curric/stage6/phys/
physapplets.html• http://www.uic.com.au/nip26.htm• http://www.radiation.org/reading/pubs/testimonyNJFeb2005.html• IJS (Matjaž Štuhec – merilniki)• ...
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
HVALA
ZA
POTRPEŽLJIVOST!Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008
Geiger-Millerjev števec
Andrej Godec: Sevanje okrog nas, Modrijan, november 2008