radioactivity alpha beta gama radiationbethanis/radioactivity_alpha_beta_gama...marie & pierre...
TRANSCRIPT
ΡΑ∆ΙΕΝΕΡΓΕΙΑ
1896 – Henri Becquerel
Μελέτες για φθορίζοντα υλικά
Άλας Ουρανίου Παραγωγή νέας διεισδυτικής ακτινοβολίας(χωρίς να είναι απαραίτητη η παρουσία φωτός)
∆ιαφορετική από ακτίνες-x
Ανακάλυψη του φαινοµένου αυτού που αργότερα η M. Curie ονόµασε ραδιενέργεια: Η ιδιότητα ορισµένων υλικών
(ραδιενεργά) να εκπέµπουν από µόνα τους διεισδυτική
ακτινοβολία (ραδιενεργός)
Marie & Pierre CurieMarie & Pierre CurieMarie & Pierre CurieMarie & Pierre Curie
Κατεργασία Πισσουρανίτη (ορυκτό)
-Ανακάλυψη Po (Πολωνίου) 400 φορές πιο ραδιενεργό από το Ουράνιο
-Ανακάλυψη Ra (Ραδίου)1 gr καθαρού Ra σε 1 ton πισσουρανίτη
2.000.000 φορές πιο ραδιενεργό από το Ουράνιο~ 28,35 = 1 ουγκιά Ra απελευθερώνει ενέργεια ίση µεαυτή που παράγεται από την καύση 10 tonsκάρβουνου
1898 -Άγνοια δοµής πυρήνα - Η ραδιενέργεια είναι
ατοµική ιδιότητα – Εισάγεται ο όρος: Ατοµική ενέργεια
1903 – Nobel Φυσικής για τη ραδιενέργεια στους Μ. Curie, P. Curie & H. Becquerel1906 –Θάνατος P. Curie 1911 – Nobel Χηµείας στη Μ. Curieγια την ανακάλυψη Po, Ra1934 –Θάνατος M. Curie από Λευχαιµία
α, β και γ ακτινοβολία
Rutherford: Οι «ακτίνες Becquerel»είναι σύνθετες αποτελούνται από:
α-ακτίνεςαπορροφώνται εύκολα
β-ακτίνεςδιεισδυτικές
1903 Rutherford & Geiger
α-σωµατίδιο έχειφορτίο +2e
1908 Rutherford & Royds
α-σωµατίδιο είναι οπυρήνας του ατόµου
του He
1899-αποκλίνουν υπόµαγνητικά πεδία
1900-έχουν αρνητικό φορτίοκαι e/m πολύ κοντά σε αυτότων καθοδικών ακτίνων
1902-µάζα ίση µε αυτή του e
Οι ακτίνες-β είναι ηλεκτρόνια
γ-ακτίνεςδεν αποκλίνουν υπό B
Πολύ διεισδυτικές
1914: Rutherford-Andrade
Η/Μ ακτινοβολίαόπως ακτίνες-x αλλάµπορούν να έχουν
ακόµη µικρότερο
µήκος κύµατος (πιοδιεισδυτικές)
1900, P. Villard
ΜΕΤΑΣΤΟΙΧΕΙΩΣΗ ΠΥΡΗΝΩΝ
Πυρήνες µε µεγάλο ατοµικό αριθµό διασπώνται (αυθόρµητα ήεξαιτίας εξωτερικής διέγερσης) σε άλλους µε διαφορετικό, υπόταυτόχρονη έκλυση ακτινοβολίας
• Το φαινόµενο ονοµάζεται ραδιενεργός διάσπαση
• Η µετάπτωση των αρχικών πυρήνων σε πυρήνες άλλων
στοιχείων λέγεται µεταστοιχείωση
• Οι αρχικοί πυρήνες ονοµάζονται µητρικοί
• Οι παραγόµενοι πυρήνες ονοµάζονται θυγατρικοί
Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη ραδιενεργό διάσπαση, είτε µε τηµορφή κινητικής ενέργειας των σωµατίων είτε µε τη µορφή Η/Μακτινοβολίας, προέρχεται από µετατροπή µέρους της µάζας του αρχικού
πυρήνα σε ενέργεια
Οι πυρήνες µεταστοιχειώνονται αυθόρµητα για να πέσουν σε
µια ευνοϊκότερη ενεργειακή κατάσταση[Βαρύτερος σταθερός πυρήνας: 83
209Βi]
Ο Νόµος της ραδιενεργού διασπάσεως
Οι νόµοι που περιγράφουν τη ραδιενεργό διάσπαση είναι νόµοι
στατιστικής, δηλ:
π.χ. 1 mg µέταλλου Ουρανίου περιέχει 2,5 × 1018 άτοµα 238U το οποίοέχει πολύ µεγάλο χρόνο ζωής (συγκεκριµένα, οι πυρήνες αυτών τωνατόµων δεν έχουν διασπασθεί από τότε που δηµιουργήθηκαν – πριν τηδηµιουργία του ηλιακού µας συστήµατος – κατά την έκρηξη του
υπερκαινοφανούς).Κατά τη διάρκεια οποιουδήποτε δευτερολέπτου που ακολουθεί 12 από αυτούς τους πυρήνες θα διασπασθούν εκπέµποντας ένα α-σωµατίδιο και θα µεταστοιχειωθούν σε 234Th.
∆εν υπάρχει κανένας τρόπος να προβλέψουµε ποιος πυρήνας θα
ανήκει σε αυτή τη µικρή οµάδα των 12 που θα διασπασθούν τοεπόµενο δευτερόλεπτο. Όλοι έχουν την ίδια πιθανότητα ίση µε
12/(2,5 ×××× 1018) ή αλλιώς 1/2 ×××× 10-17 ανά δευτερόλεπτο.
Εάν γενικότερα σε δείγµα ραδιενεργού στοιχείου υπάρχουν: Ν ραδιενεργοί πυρήνες
και σε dt διασπώνται dN από αυτούς (πειραµατικά δεδοµένα)
Ο Νόµος της ραδιενεργού διασπάσεως
Παρόλα αυτά µπορούµε να εκφράσουµε τον στατιστικό
χαρακτήρα του νόµου της ραδιενεργού διασπάσεως ως εξής:
Στο προηγούµενο παράδειγµα:Η πιθανότητα να διασπασθεί ένας πυρήνας είναι ίση µε
12/(2,5 × 1018) ανά δευτερόλεπτο
Σύµφωνα µε τον παραπάνω ορισµό πιθανότητας διασπάσεως: dN/Ndt
Ορίζουµε dN/Ndt = -λ(το «–»υπεισέρχεται γιατί ο αριθµός των ραδιενεργών πυρήνων µειώνεται όταν αυξάνει ο χρόνος)
όπου λ η σταθερά διασπάσεως (το ποσοστό των πυρήνων πουδιασπώνται στη µονάδα του χρόνου – θα έχει µονάδες = sec-1)χαρακτηριστική του θεωρούµενου πυρήνα και µόνο
Ο Νόµος της ραδιενεργού διασπάσεως
( )texpNNNdtdNNdt
dN0
dtN
dNt
0
N
0N λ−= →∫∫
λ−=⇔λ=−λ−=
όπου Ν0 οι αδιάσπαστοι πυρήνες τη χρονική στιγµή t = 0N οι αδιάσπαστοι πυρήνες τη χρονική στιγµή t
Χρόνος υποδιπλασιασµού (t1/2): Ν Ν0/2(χρόνος µέσα στον οποίο έχουν µείνει αδιάσπαστοι οι µισοίαρχικοί ραδιενεργοί πυρήνες)
( ) ( )λ
=λ
=⇒λ−= →λ−== 693,02ln
ttexpN2
NtexpNN 2/12/10
02
NN
0
0
Μέσος Χρόνος ζωής (τ): Ν Ν0/e(χρόνος µέσα στον οποίο έχει µείνει αδιάσπαστο το 1/eτωναρχικών ραδιενεργών πυρήνων)
( ) ( )λ
=τ⇒λτ−= →λ−== 1
expNe
NtexpNN 0
0e
NN
0
0
t1/2 = 0,693τ
↑↑↑↑ λ ↓↓↓↓ t1/2 και ↓↓↓↓ τ
Ο ραδιενεργός πυρήνας έχει πεθάνει µετά από t = 10 × t1/2
Ισχυρά ραδιενεργός αλλά η
ραδιενέργεια σύντοµα φτάνει να
γίνεται αµελητέα
8,0 ηµέρες131Th
Εκλύει σηµαντικά ποσά ραδιενέργειας
και για µεγάλο χρονικό διάστηµα1620 χρόνια226Ra
Έκλυση µικρής ποσότητας
ραδιενέργειας σε δεδοµένο χρόνο4,51 × 109 χρόνια238U
t1/2Πυρήνας
Η ακτινοβολία α
QHeYX 42
4A2Z
AZ ++→ −
−
Μητρικός
πυρήνας
Θυγατρικός
πυρήνας
Ενέργεια
αποσύνθεσης
∆ιατηρούνται: φορτίοαριθµός νουκλεονίων (Α)γωνιακή και γραµµική ορµή
µάζα – ενέργεια∆ιευθέτηση καθαρής µάζας
Q = (mX – mY – mα) c2
Q > 0 Αυθόρµητη διάσπαση
Q < 0 Μη Αυθόρµητη διάσπαση
MeV25,4ThU 42
23490
23892 +α+→
Η ακτινοβολία-α απορροφάται εύκολα από την ύλη. Ανακόπτεται µε απλό φύλλοχαρτιού. Το σωµάτιο α, κατά τη διαδροµή του στον αέρα, συγκρούεται µε ταµόρια του αέρα και η ενέργεια του µειώνεται διαδοχικά µέχρι µηδενισµού µέσα σε
λίγα cm ΕΜΒΕΛΕΙΑ
∆ίνονται οι ακόλουθες ατοµικές µάζες:
238U 238,05079 u234Th 234,04363 u237Pa 237,05121 u (Πρωτακτίνιο)
4He 4,00260 u1H 1,00783 u
QThU 42
23490
23892 +α+→
Q = ∆m c2 = (238,05079 u - 234,04363 u - 4,00260 u) c2 == (0,00456 u) (932 Mev/u) = 4,25 MeV
Q:Κινητική ενέργεια του α-σωµατιδίου και ενέργεια ανάκρουσης του ατόµου του 234Th
Αυθόρµητη διάσπαση µε εκποµπή ενός πρωτονίου
QHPaU 1237238 ++→Q = ∆m c2 = (238,05079 u - 237,05121 u - 1,00783 u) c2 =
= (- 0,00825 u) (932 Mev/u) = - 7,69 MeV
Q < 0: 238U είναι σταθερό ως προς την αυθόρµητη εκποµπή πρωτονίου
MeV25,4ThU 42
23490
23892 +α+→
Q = 4,25 MeV > 0 αυθόρµητη διάσπαση
t1/2 = 4,47 × 109 έτη
Γιατί δεν διασπώνται αµέσως µετά τη δηµιουργία τους; Γιατί περιµένουν τόσο πολύ;
Το ενεργειακό φάσµα των σωµατίων α είναι γραµµικό,δηλ. κατά την έξοδό τους από τον πυρήνα* έχουν καθορισµένες
τιµές ενέργειας, που οφείλεται στην κβάντωση των ενεργειακώνσταθµών του πυρήνα.
* Επιλέγουµε ένα µοντέλο κατά το οποίο φανταζόµαστε ότι το α-σωµατίδιουπάρχει (έχει ήδη δηµιουργηθεί) στο εσωτερικό του πυρήνα και στη συνέχεια«δραπετεύει» από αυτόν.
Φαινόµενο σήραγγας
Φαινόµενο σήραγγας
Ενεργειακό φράγµα ύψους U καιπλάτους L και η ολική ενέργεια Ε ενόςηλεκτρονίου που προσεγγίζει το φράγµα
από τα αριστερά. Το ηλεκτρόνιοβρίσκεται στα αριστερά του φράγµατος
(ανακλάται) µε πιθανότητα R και στα
δεξιά (περνά µέσα από το φράγµα µέσωσήραγγας) µε πιθανότηταΤ = exp(-2kL), k = [8π2m (U – E)/ h2]1/2
b) Η πυκνότητα πιθανότητας για το
υλικό κύµα που περιγράφει το
ηλεκτρόνιο στην (a).
Φαινόµενο σήραγγας
Ο πολύ µεγάλος t1/2 για το238U σηµαίνει ότι:
To α-σωµάτιο «κινείται ζωηρά µπρος-πίσω» µέσαστον πυρήνα και πρέπει να φτάσει στο εσωτερικό
του φράγµατος περίπου 1038φορές πριν καταφέρει
να ξεφύγει µέσω σήραγγας από το φράγµα
δυναµικού. Αυτό σηµαίνει περίπου 1021 φορές το
δευτερόλεπτο για περίπου 4 × 109 έτη (= ηλικία τηςγης).
∆ιάσπαση 228U Q´ = 6,81 MeVΑύξηση του Q κατά ένα παράγοντα 1,6 συνεπάγεται µείωση του t1/2 κατά ένα
παράγοντα 3 × 1014
9,1 min6,81 MeV228U
4,5× 109 έτη4,25 MeV238U
t1/2QΠυρήνας
Η ακτινοβολία β
β- διάσπαση: Εκπέµπεται ένα ηλεκτρόνιο (0-1e) από τον πυρήνα
καθώς ένα νετρόνιο µετασχηµατίζεται σε πρωτόνιο
β+ διάσπαση: Εκπέµπεται ένα ποζιτρόνιο (0+1e) από τον πυρήνα
καθώς ένα πρωτόνιο µετασχηµατίζεται σε νετρόνιο
Σύλληψη ηλεκτρονίου: Ένα από τα τροχιακά ηλεκτρόνια τηςεσωτερικής στοιβάδας «συλλαµβάνεται» από τονπυρήνα και µετασχηµατίζει ένα πρωτόνιο σε
νετρόνιο
1920 –Παρατηρήσεις: Ένας µητρικός πυρήνας Ζ
ΑΧ µεταστοιχειώνεται σε θυγατρικό Ζ+1 ΑΥ
εκπέµποντας ένα ηλεκτρόνιο.
Παραβίαση της ∆ιατήρησης της Γραµµικής ΟρµήςΤο εκπεµπόµενο ηλεκτρόνιο και ο θυγατρικός πυρήνας δεν κινούνταν πάντα προς αντίθετες
κατευθύνσεις (δεδοµένου ότι ο µητρικός βρίσκεται περίπου σε ηρεµία)
Παραβίαση της ∆ιατήρησης της Στροφορµής
Εάν n → p + e-
νετρόνιο spin-1/2 φερµιόνιο (αριστερά spin ½) – (∆εξιά spin 0 ή 1) συνισταµένη spin p & e-
Παραβίαση της ∆ιατήρησης της ΕνέργειαςΕάν n → p + e- Τότε Q = (mn – mp – me) c2 = 0,783 MeV = KEmax
Όλα τα ηλεκτρόνια θα έπρεπε να εκπέµπονται µε
την ΚEmaxόπου τερµατίζει η διπλανή καµπύλη. Ταπειράµατα έδειξαν ότι όλα τα ηλεκτρόνια
εκπέµπονται µε ΚΕ µικρότερη αυτής της τιµής
1930 – W. Pauli: Πρέπει να υπάρχει ένα ανεξιχνίαστο σωµατίδιοτο οποίο εκπέµπεται µαζί µε κάθε ηλεκτρόνιο και
φέρει ακριβώς την ενέργεια που απαιτείται για να
ισχύει η Αρχή ∆ιατήρησης της Ενέργειας
E. Fermi: Μικρό ουδέτερο ΝΕΤΡΙΝΟ
W. Pauli: Για να ισχύει η ∆ιατήρησης της Στροφορµής τονετρίνο έχει spin 1/2
Νετρίνο νe(∆ιάνυσµα στροφορµής παράλληλο µε διάνυσµα γραµµικής ορµής)
Αντινετρίνο(∆ιάνυσµα στροφορµής αντιπαράλληλο µε διάνυσµα γραµµικής ορµής)
eν
β- διάσπαση:
QeYX
epn
e01
A1Z
AZ
e01
+ν++→
ν++→
−+
−
β+ διάσπαση:
QeYX
enp
e01
A1Z
AZ
e01
+ν++→
ν++→
+−
+
Σύλληψη ηλεκτρονίου QYeX eA1Z
01
AZ +ν+→+ −−
ΕΜΒΕΛΕΙΑ
Η εµβέλεια των σωµατίων β
είναι πολύ µεγαλύτερη από
εκείνη των σωµατίων α και
µπορεί να έχει µήκος αρκετά
µέτρα. Ανακόπτεται εύκολα µελεπτό φύλλο αλουµινίου
Νετρίνο: δεν «αισθάνεται» ούτε τις ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσειςούτε Η/Μ δυνάµεις – µπορεί να ταξιδεύει ανενόχλητο µέσα σευλικά πάχους 1 έτους φωτός µέχρι να υποστεί µια απλήκρούση
1955 Cowan & Reines1 στα 1012 αντινετρίνια
enp 01e ++→ν+
e01enp ν++→ +
1986 προσδιορίστηκε ότι εάν έχει µάζα η τιµή της είναι µικρότερη από 27 eV/c2 (τιµή 19.000 φορές µικρότερη από αυτή της µάζας του ηλεκτρονίου)Η απάντηση για την ύπαρξη ή όχι της µάζας του νετρίνου είναι κρίσιµη
για την αστροφυσική.
23 Φεβρουαρίου 1987 Ανιχνευτές σωµατιδίων κάτω από τη γη – Cleveland & Tokyo –Από έκρηξη supernova 1987A 170.000 έτη φωτός µακριά από τη γη
60 × 70 × 80 ft δεξαµενή πουπεριέχει 8.000 τόνους καθαρούH2O (προσφέρει πλούσιαπροµήθεια σε πρωτόνια) αποτελεί το κυρίως σώµα ενός
γιγαντιαίου ανιχνευτή
σωµατιδίων.
Αυθόρµητη ραδιενεργός διάσπαση: Μεταστοιχείωση πυρήνων σε προτιµότερεςενεργειακές καταστάσεις µέσω εκποµπής α, β και γ ακτινοβολίας
Η ακτινοβολία γ
Μεταστοιχείωση Βισµούθιου212Βi σε Θάλλιο 208Τl
Η µεταστοιχείωση δεν γίνεται
συνήθως στη θεµελιώδη στάθµη
του θυγατρικού πυρήνα. Μεταπίπτει σε αυτήν µε εκποµπή
φωτονίου γ.
Το φάσµα της ακτινοβολίας γ
είναι γραµµικό .
Το µήκος κύµατος αρχίζει από την
περιοχή ακτίνων-x και φθάνει σεπολύ µικρές τιµές, µε αποτέλεσµατη µεγάλη διεισδυτικότητα των
ακτίνων γ.
Η ακτινοβολία γ ανακόπτεται πολύ δύσκολα και από υλικά µε µεγάλο µαζικό αριθµό
dx
1
J
dJJdxdJ −=µ⇔µ−=
µ (σταθερά): Συντελεστής απορρόφησηςεξαρτάται από το υλικό που απορροφά και
το µήκος της ακτινοβολίας
Το ποσοστό της εντάσεως της ακτινοβολίας που απορροφάται από υλικό
στη µονάδα πάχους dx. Μονάδες µ: (µήκος)-1 [ cm-1 ή mm-1]
Για φύλλο πεπερασµένου πάχους x:
x0
dxJ
dJ
eJJJdxdJ
x
0
J
0J µ−µ−=
= →∫∫
µ−=
x½: Πάχος ηµιαπορρόφησηςτο πάχος του φύλλου του υλικού για το οποίο η αρχική
ένταση J0 µειώνεται κατά το ήµισυ
( )µ
=µ
=⇒µ−=→==µ− 693,02ln
xxexpJ2
JeJJ 2/12/10
02
JJx
0
0
Κατασκευή θωράκων: - Υλικό µεγάλου µαζικού αριθµού- φθηνό Μόλυβδος
Μηχανισµοί απορρόφησης της ακτινοβολίας γ
Φωτοηλεκτρικό φαινόµενο
Φαινόµενο Compton
∆λ = λs – λi = (h/mec)(1 – cosθ)
∆ίδυµη Γένεση
Συνολικός συντελεστής απορρόφησης µ
µ = µφ + µC + µδ