ÚVOD DO JADERNÉ FYZIKY ATOMOVÉ JÁDRO

Transkript

1 ÚVOD DO JADERNÉ FYZIKY EXPERIMENTÁLNÍ ZÁKLAD rozptyl (pružný i nepružný) různých částic na atomových jádrech (neutrony, protony, elektrony, pozitrony, fotony, α-částice, ) radioaktivní rozpady některých atomových jader jaderné reakce (štěpení a syntéza jader) ATOMOVÉ JÁDRO útvar složený z nukleonů (tj. protonů a neutronů) N neutronové číslo počet neutronů v jádře neutron: m 0 = 1, kg, q = 0 Z atomové číslo počet protonů v jádře proton: m 0 = 1, kg, q = +e = 1, C A=N+Z hmotnostní číslo počet nukleonů v jádře značení atomů A X 2 Z, např. deuteron: 1 H Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 1

2 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 2 NEUTRON existenci předpovězena Ruthefordem v roce 1920 experimentálně prokázán Jamesem Chadwickem v roce 1932 ozařování beryllia α částicemi vznik neznámého záření vlastnosti: elektrické ani magnetické pole nemění jeho směr neionizuje a je vysoce pronikavé snadno reaguje s parafinem za vzniku protonů analýza experimentu pomocí zákonů zachování neznámé záření tvoří částice, která nemá elektrický náboj a má hmotnost jen o málo vyšší než proton

3 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 3 vazebná energie jádra E v energie, která se uvolní při vytvoření jádra z jednotlivých nukleonů M x hmotnost atomového jádra m u atomová hmotnostní jednotka E = ( Nm + Zm M ) c ( Am M ) c 2 2 v n p x u x hmotnostní úbytek míra stability jádra m = ( Nm + Zm M ) Am M n p x u x m u atomová hmotnostní jednotka 1 27 mu = M 12 = 1,66 10 kg 12 6 C 2 m c = 931, 494 MeV u tvar atomových jader přibližně sférický (R=R 0 (A) 1/3, R 0 =1, m) rozložení elektrického náboje v atomových jádrech téměř homogenní hustota atomových jader přibližně stejná ( kg m -3 )

4 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 4 IZOTOPY izotopy = prvky, které mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů mají stejné chemické vlastnosti (stejný elektronový obal) různé fyzikální chování (liší se hmotností) podléhají různým jaderným reakcím (liší se uspořádáním nukleonů v jádře)

5 3. HMOTOVÁ SPEKTROSKOPIE SEPARACE ČÁSTIC PODLE HMOTNOSTÍ 1) ionizace studovaných částic 2) vytvoření svazku částic o stejné energii (nebo rychlosti) pomocí jejich urychlení v elektrickém poli 3) vstříknutí svazku nabitých částic do prostoru, ve kterém je konstantní magnetické pole orientované kolmo na hybnost studovaných částic různá hmotnost částic různý poloměr dráhy stejná energie částic průchod stejným potenciálovým rozdílem E = qu Mass Spectrometer stejná rychlost částic průchod zkříženým magnetickým a elektrickým polem v = E B Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 5

6 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 6 JADERNÉ SÍLY silné interakce analytický tvar jejich závislosti na ostatních fyzikálních veličinách není znám není známa jejich potenciální energie neexistuje univerzálně použitelná kvantově mechanická teorie atomového jádra existuje řada modelů (např. mezonová teorie jaderných sil, kapkový model, slupkový model, ) žádný z nich nepostihuje beze zbytku všechny fyzikální děje každý je vhodný pro popis něčeho jiného

7 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 7 VLASTNOSTI JADERNÝCH SIL 1) energie spojená s touto interakcí je o 1-2 řády vyšší než energie spojená s coulombovskou interakci 2) jaderné síly mají velmi krátký dosah s rostoucí vzdáleností klesají k nule podstatně rychleji než coulombovské či gravitační síly 3) rozměry atomových jader m = 1 fm 4) jaderné síly jsou nezávislé na elektrickém náboji nukleonů (tj. stejná jaderná interakce n-n, p-p, n-p) experiment: srovnání hodnot vazebných energii zrcadlových jader (tj. jader, která mají prohozený počet neutronů a protonů) Be a vazebné energie jsou po odečtení příspěvků coulombovské pot. energie shodné 5) jaderné síly jsou přitažlivé při extrémně krátkých vzdálenostech však musí mít i odpudivou složku C

8 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 8 6) jaderné síly se saturují každý nukleon interaguje pouze s několika nejbližšími sousedy vazebná energie na jeden nukleon je přibližně konstantní 4 nukleony tvoří velmi stabilní jednotku ENERGIE MUŽE BÝT UVOLNĚNA při syntéze těžších jader z jader lehčích v oblasti malých atomových čísel při rozštěpení těžšího jádra na lehčí jádra v oblasti velmi velkých atomových čísel

9 KAPKOVÝ MODEL ATOMOVÉHO JÁDRA jádro kapka kapaliny WEIZSÄCKEROVA FORMULE E vaz A = ( 1) + 1/3 4/3 C C A C Z Z A K C 0 = 12 U/2 = 6 U každý nukleon uvnitř jádra je obklopen stejným počtem sousedů U energie spojena s každou vazbou nukleon nukleon (U/2 na jeden nukleon) soubor koulí v nejtěsnějším možném uspořádání každá má 12 sousedů 12 U/2 = 6 U vazebná energie vnitřních nukleonů člen C 1 nukleony na povrchu jsou slaběji vázány velikost povrchu ~ druhé mocnině poloměru jádra ~ A 2/3 člen C 2 vzájemné elektrostatické odpuzování protonů potenciální energie odpuzování ~ převrácené hodnotě vzájemné vzdálenosti ~ poloměr R -1 ~ A -1/3 člen K případně další empirické členy Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 9

10 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 10 7) jaderné a coulombovské síly se navzájem neovlivňují výsledné silové pole v atomovém jádře je superpozice jaderných a coulombovských sil 8) nejsou čistě centrální výsledek rozboru magnetického momentu deuteronu 9) pravděpodobně závisí na spinu

11 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 11 SLUPKOVÝ MODEL nukleony v jádře prvotně interagují s obecným silovým polem vytvořeným všemi nukleony, spíše něž přímo jeden s druhým Schrödingerova rovnice potenciál jaderných sil pravoúhlá potenciálová jáma ( 50 MeV) se zaoblenými rohy neutrony jaderné síly protony jaderné a coulombovské síly + předpoklad dostatečně silné spin-orbitální interakce energetické hladiny Pauliho vylučovací princip postupné obsazování energetických hladin předpovědi souhlasí s experimenty 1) zcela zaplněné slupky obzvlášť stabilní jádra souhlas s experimentálními magickými čísly ( 2, 8, 20, 28, 50, 86, 126) 2) celkový moment hybnosti jader N, Z sudé celkový moment hybnosti je nulový sudo-lichá, licho-sudá jádra celkový moment hybnosti je poločíselný licho-lichá jádra celkový moment je celočíselný

12 Ψ i t SCHRÖDINGEROVA ROVNICE základní rovnice kvantové mechaniky (postulát) SPRÁVNOST POTVRZENA EXPERIMENTY diferenciální rovnice pro komplexní funkci Ψ( r,t) i = V, h 2π ( r t) = Ψ V 2m x y z 2 ( r, t) Ψ, kde = Planckova konstanta dělená (2π) imaginární jednotka potenciální energie pokud potenciální energie není explicitní funkcí času, tj. V je výhodné vyjádřit funkci E celková energie Ψ ( r,t) ve tvaru ( rt) ( r) ( r, t) = V ( r ) iet Ψ, =Ψ exp po dosazení tzv. STACIONÁRNÍ (BEZČASOVÁ) SCHRÖDINGEROVA ROVNICE 2m E, 0 ( ) 2 Ψ+ 2 V rt Ψ= Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 12

13 RADIOAKTIVITA samovolné přechody jader do stabilnějších konfigurací (Becquerel 1896) NEZÁVISÍ NA chemickém stavu atomu (tj. na chemické vazbě) obvykle ani na fyzikálních podmínkách (tlak, teplota, ) ZÁVISÍ NA KOMBINACI PROTONOVÉHO A NEUTRONOVÉHO ČÍSLA stabilní jsou pouze některé kombinace lehká jádra (A<20) N Z těžší jádra (A>20) N >Z k vykompenzování elektrostatických odpudivých sil mezi větším počtem protonů je zapotřebí více neutronů Z>83, A>209 radioaktivní jádra existují tzv. magická čísla, která udávají počet protonů a neutronů v obzvlášť stabilních systémech Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 13

14 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 14 RADIOAKTIVITA = STATISTICKÝ DĚJ Λ ROZPADOVÁ KONSTANTA pravděpodobnost radioaktivního rozpadu atomového jádra za jednotku času Λ dt pravděpodobnost radioaktivního rozpadu atomového jádra během časového intervalu dt N(t) počet atomových jader v daném časovém okamžiku dn úbytek atomových jader, tj. střední počet jader, která se rozpadnou během časového intervalu dt dn = NΛdt dn = Λd t N( t) = N(0)exp( Λ t) = N0 e N (střední) doba života radioaktivních atomů tdn 1 τ = = dn Λ Λt poločas rozpadu NT 1 ln 2 ( 1/2) = 0 1/2 ln 2 2 N T = = Λ τ

15 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 15 A AKTIVITA (RADIOAKTIVITA) VZORKU počet atomových jader rozpadlých za jednotku času -dn d Λt Λt Λt A= = ( N 0e ) =Λ N 0 e = A0 e =ΛN dt dt jednotka aktivity [A] = 1 s -1 = 1Bq = 27 pci 1Ci (curie) = 3, s -1 NEJDŮLĚŽITĚJŠÍ TYPY RADIOAKTIVNÍCH PŘEMĚN: α, β, γ dělení podle chování emitovaných částic v elektrickém nebo magnetickém poli

16 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 16 m i hmotnost původního jádra m f hmotnost vzniklého jádra m hmotnost emitované částice RADIOAKTIVNÍ ROZPAD ALFA energie uvolněná při emisi Q= (m i m f m) c 2 Q > 0 emise částice je energeticky možná často nastává pro jádro helia α X Y A A-4 Z Z-2 4 He 2 - α částice k α rozpadu dochází nejčastěji u těžkých jader, kde jaderné síly nekompenzují dostatečně odpudivé coulombovské síly mezi protony

17 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 17 KLASICKÁ FYZIKA α částice nemůže překonat energetickou barieru KVANTOVÁ FYZIKA TUNELOVÝ JEV existuje malá (ale nenulová!!!) pravděpodobnost, že částice může projít energetickou barierou vyšší než je její kinetická energie HEISENBERGEROVY RELACE NEURČITOSTI nelze současně určit s libovolnou přesností kinetickou a potenciální energii částice lokalizace částice uvnitř potenciálové bariery neurčitost hybnosti, resp. kinetické energie rozmezí neurčitosti E bar E kin

18 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 18 pravoúhlá potenciálová bariera řešení příslušné Schrödingerovy rovnice pravděpodobnost výskytu částice ~ Ψ 2, tedy nenulová i vně jádra souhlas s experimentem 1) teoretická závislost rozpadové konstanty Λ na 2) hodnoty poloměru jádra R 0 Z E kin

19 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 19 odhad kinetické energie, kterou získá α částice uvolněná při α rozpadu Q E E m v m α f α = kin + kin α α = f f = mf v 4 A mαv α 1 2 m α Q = mαvα + mfvf = mαvα + mf = mαvα mf 2 mf α A 4 Ekin = Q A m 2 výška energetické bariery, která drží α částici v jádře ca 25 MeV > Q hmotnostní čísla E kin 5,5 MeV

20 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 20 RADIOAKTIVNÍ ROZPADY BETA SLABÉ INTERAKCE společný základ nestabilita nukleonů mění se nábojový stav nukleonu vznikají při nich dvě částice elektron, pozitron neutrino, antineutrino: elektrický náboj nulový hmotnost velmi malá velmi slabá interakce s hmotou nezachovávají paritu kvantová mechanika: parita ~ operátor reprodukující inverzi souřadnic r r zachovávají elektrický náboj a nukleonové číslo

21 ROZPAD NEUTRONU n p+ e + ν e ν e elektronové antineutrino volný neutron doba života ~ 650 s neutron v jádře Β PŘEMĚNA β A A Z Z+1 X Y ROZPAD VÁZANÉHO PROTONU + p n+ e + ν e ν e elektronové neutrino β + X Y Β + PŘEMĚNA A A Z Z-1 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 21

22 ELEKTRONOVÝ ZÁCHYT p+ e n+ ν e X Y A A Z Z-1 interakce protonu vázaného v jádře s elektronem z elektronového obalu atomu INVERZNÍ BETA ROZPAD p+ ν n+ e e + X Y A A Z Z-1 interakce atomového jádra s elektronovým antineutrinem uvolněný pozitron anihiluje s elektronem za vzniku dvou fotonů poznámka u jednoho jádra může současně probíhat několik typů beta rozpadů β + β Br Kr + e + ν, Kr Se + e + ν e e zachyt Br + e Se + ν e Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 22

23 GAMA ROZPAD excitační energie jádra je vyzářena ve formě elektromagnetického kvanta (energie ~ MeV) VNITŘNÍ KONVERZE excitační energie jádra je předána elektronu v elektronovém obalu atomu následuje emise tohoto elektronu (nejčastěji elektron z K-slupky) DVOJNÁ KONVERZE je-li excitační energie jádra větší než dvojnásobek klidové energie elektronu, může v elektromagnetickém poli jádra vzniknout pár elektron a pozitron (na dvojné konverzi se elektronový obal nepodílí) poznámka obě formy konverze popisuje ve shodě s experimentem kvantová teorie pole Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 23

24 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 24 INTERAKCE: silná (rozhodující) elektromagnetická slabá JADERNÉ REAKCE ZÁKONY ZACHOVÁNÍ počtu nukleonů celkového elektrického náboje relativistické energie (energie reakce momentu hybnosti relativisticky!!! Q = mi mf c i f, Q > 0 exotermická reakce) zachovává se kvadrát celkového momentu hybnosti a jedna složka momentu hybnosti (do vybraného směru) další zákony zachování podle typu interakcí 2 EXPERIMENTÁLNÍ ZÁKLAD STUDIA JADERNÝCH REAKCÍ ostřelování jader různými částicemi a analýza výsledných produktů

25 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 25 ŠTĚPENÍ JADER (Hahn, Strassmann 1939) jaderná reakce iniciovaná nabitou či nenabitou částicí, která vede k rozdělení jádra na dvě části s přibližně stejnou hmotností a nábojem pravděpodobnost jaderné reakce je vysoká pro 1) hodně těžká jádra 2) středně těžká jádra + vysokou energii bombardujících částic PARAMETR ŠTĚPENÍ Z A 2 popisuje míru stability jádra vzhledem ke štěpení uvolněná energie 0.9 MeV 1 nukleon většina uvolněné energie je ve formě kinetické energie produktů štěpení (ca 80%) energie uvolněná při štěpení pro A=240 je ca 200 MeV energie uvolněná při chemické reakci je ca ev energie uvolněná při jiné jaderné reakci je ca 1 MeV

26 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 26 štěpení jader neutrony prakticky důležité vysoká pravděpodobnost - neutron je elektricky neutrální, proto není jádrem odpuzován, naopak od určité vzdálenosti začíná být k jádru přitahován možnost řetězové reakce těžká jádra mají přebytek neutronů při jaderné reakci iniciované neutronem se několik dalších neutronů uvolní využíváno v klasických štěpných jaderných reaktorech

27 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 27 Syntéza jader dvě lehčí jádra jedno těžší jádro (jaderná syntéza, jaderná fúze, termojaderná reakce) energeticky výhodné u lehkých jader H + H H + H H + H He + n MeV He + p MeV He + n MeV termojaderná fúze probíhá za extrémních podmínek kinetická energie reagujících jader > energie jejich elektrostatického odpuzování plazma: kladné ionty + elektrony podmínky zapálení a udržení fúze: dostatečná teplota T K dostatečná hustota, N vysoký tlak dostatečnou dobu, τ Lawsonovo kriterium hodnota součinu Nτ energetická bariéra 10 kev příklad potenciální bariera 10 kev nutno Nτ s m -3 možné realizace: N = m -3, τ 1 s N = m -3, τ s

28 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 28 magnetické nádoby plazma je udržováno silným magnetickým polem ( 1T), tokamak inerciální fúze superrychlý ohřev plazmatu drobné terče z vhodných materiálů (deuterium, tritium, ) jsou ozářeny vysoce výkonnými lasery nebo mohutnými iontovými svazky současně z několika stran

29 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 29 TERMOJADERNÁ FÚZE = PERSPEKTIVNÍ ZDROJ ENERGIE 1) obrovská zásoba paliva zastoupení deuteria v přírodě % (světová moře kg, na tisíce let) 2) relativně levná výroba paliva (ve srovnání se separací uranu) 3) poměrně bezpečné radiační riziko možnost uvolnění tritia, poločas 2.26 roku, beta rozpad výsledné produkty všech dosud navrhovaných reakcí jsou stabilní reaktor bude obsahovat vždy jen malé množství paliva jakákoliv odchylka od správného chodu reaktoru vede k ukončení jaderné reakce 4) principiální možnost přímého převodu energie plazmatu na elektrickou energii

30 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 30 INTERAKCE ČÁSTIC (ZÁŘENÍ) S LÁTKOU důležité pro ochranu zdraví, pro praktické aplikace (terapie a diagnóza v medicíně, energetický průmysl, základní výzkum) jediný typ interakcí, které není nutno uvažovat, je gravitační účinek záření závisí na POČTU a TYPU interagujících částic, (dopadajících i přítomných v látce), na PŘEDANÉ ENERGII (tj. na interagujícím materiálu a energii částic) (vždy energetická kvanta) Radiobiologie

31 DÁVKA, D definovaná pro libovolné záření a libovolný materiál D E D = m ED STŘEDNÍ ENERGIE SDĚLENÁ objemovému elementu o hmotnosti Δm rozdíl celkové relativistické energie E 1 částic, které do objemového elementu vstoupily, a celkové relativistické energie E 2 částic, které objemový element opustily, zvětšený o součet všech změn i Q i klidových energií jader a elementárních částic při jakýchkoli jaderných přeměnách, ke kterým uvnitř elementu došlo (úbytky klidové hmotnosti kladně, přírustky záporně) E E E Q D = i [D] = 1 J kg -1 = 1 Gy (gray) = 10 2 rad ilustrace na ohřátí 1 kg vody o 1 C je zapotřebí energie 4,2 kj při absorpci stejné energie je dávka D = 4,2 kgy i Při dávce 1 Gy bude obvykle v jedné buňce > 1000 míst poškození báze, ~ 1000 jednořetězcových zlomů, ~ 40 dvojřetězcových zlomů Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 31

32 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 32 DÁVKOVÝ EKVIVALENT, DE bere v úvahu relativní biologickou účinnost záření na člověka biologický účinek závisí na absorbované dávce, na druhu záření na jeho energii na postižené části těla poměr dávek záření, které mají stejný biologický účinek referenční záření - obvykle rentgenového záření s energií 200 kev nebo záření γ 60 Co nebo 137 Cs dávkový ekvivalent = = součin dávky, jakostního faktoru a prostorové distribuce dávky [DE] = 1 Sv (sievert) jakostní faktory = tabelované koeficienty pro dané záření a danou energii záření prostorová distribuce dávky rovněž tabelováno

33 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 33 typ záření fotony 1 elektrony a mezony 1 částice alfa, štěpné fragmenty, těžké ionty 20 jakostní faktor neutrony spojitá závislost na energii neutronů typ tkáně kostní dřeň (červená), tlusté střevo, plíce, žaludek, mléčná žláza, zbytek tkání prostorový faktor 0,12 0,72 močový měchýř, jícen, játra, štítná žláza 0,04 0,16 gonády 0,08 0,08 povrch kostí, mozek, slinné žlázy, kůže 0,01 0,04 celkem 1,00 Celkový prostorový faktor

34 Rovnováha nabitých částic existuje v případě, že energie odnesená nabitými částicemi mimo uvažovaný objem se rovná energii přenesené do tohoto objemu nabitými částicemi, jež do něho vnikly z jeho okolí Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 34 KERMA, K definovaná pro nepřímo ionizující záření a libovolný materiál K E K = m EK střední počáteční kinetická energie všech nabitých částic uvolněných nenabitými ionizujícími částicemi v objemovém elementu o hmotnosti Δm [K] = 1 J kg -1 = 1 Gy (gray) = 10 2 rad poznámky Sekundární nabité částice, které vznikly v důsledku interakce nepřímo ionizujícího záření s látkou, mohou přispívat k dávce v jiné části prostoru, než ve které byly primárním zářením vytvořeny Kerma charakterizuje energii sdělenou nepřímo ionizujícím zářením při první srážce nabitým částicím (elektronům, protonům) Za podmínky rovnováhy nabitých sekundárních částic se kerma rovná absorbované dávce

35 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 35 IONIZACE obecně oddělení nábojů interagující částice musí mít určitou minimální energii ve vodném roztoku (jako je cytoplazma) ca 33 ev v praxi dochází většinou k celé kaskádě ionizačních dějů Přímo ionizující záření nabité částice, které mají dostatečnou kinetickou energii k tomu, aby mohly vyvolat ionizaci (elektrony, pozitrony, protony, částice α, těžké nabité ionty) při průchodu látkovým prostředím ztrácejí svou energii z makroskopického hlediska postupně Nepřímo ionizující záření nenabité částice, které samy prostředí neionizují, ale při interakcích s prostředím uvolňují sekundární, přímo ionizující částice (fotony s vlnovou délkou menší než 40 nm, tj. energií větší než 33 ev, neutrony) při jedné interakci může dojít ke ztrátě velké části energie, případně i k zániku částice pravděpodobnost jednotlivých interakcí závisí na druhu částice, její energii a na složení příslušné látky

36 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 36 EXPOZICE (OZÁŘENÍ), X definovaná pouze pro fotonové záření a vzduch X Q = m Q střední NÁBOJ IONTŮ jedné polarity, které vzniknou ve vzduchu od sekundárních iontů vytvořených na základě interakce fotonů s objemovým elementem o hmotnosti Δm [X] = 1 C kg -1 = 3876 R (rentgen) 1 R = 2, C kg -1 Poznámka podíl dávky od fotonového záření ve vzduchu ku expozici od fotonového záření stejné energie ve vzduchu závisí na energii záření, resp. vlnové délce podíl dávky od fotonového záření v daném materiálu ku expozici od fotonového záření stejné energie ve vzduchu závisí na energii a na materiálu

37 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 37

38 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 38 DŮSLEDKY INTERAKCÍ ZÁŘENÍ S LÁTKOU DOČASNÉ ÚČINKY ionty rekombinují excitované atomy (většinou) deexcitují TRVALÉ ÚČINKY tepelné (je-li špatný odvod tepla) excitace v některých případech (např. pevné látky) zůstávají elektrony ve vyšších (metastabilních hladinách) chemické rozbití chemických vazeb polymerizace (např. DNA) jaderné biologické obvykle neexistuje jednoduchý vztah mezi dlouhodobými účinky záření, tj. změnami fungování buněk (např. poškození reprodukce), případně smrtí buněk či celého organismu a konkrétními chemickými a fyzikálními změnami

39 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 39 TĚŽKÉ NABITÉ ČÁSTICE proton, deuteron, α částice, ionty, štěpné fragmenty, nepružné srážky s elektrony atomového obalu kinetická energie částice ionizační energie, excitační energie hmotnost částice >> hmotnost elektronu dráha těžké nabité částice je přibližně přímková záchyt elektronu kladně nabitou těžkou částicí (částečné) vykompenzování náboje částice proton, deuteron až ke konci dráhy částice nižší energie nižší rychlost ionty, štěpné fragmenty podél celé dráhy mají i při vyšší energii dostatečně malou rychlost interakce s jádry pružný rozptyl v elektrostatickém poli protonů jádra nepružný rozptyl v elektrostatickém poli protonů jádra jaderné reakce vznik sekundárních částic

40 LEHKÉ NABITÉ ČÁSTICE ELEKTRONY nepružné srážky s elektrony atomového obalu ionizace, excitace atomů stejné hmotnosti křivočará dráha brzdné záření radiační ztráty v důsledku nerovnoměrného pohybu elektronu v poli atomových jader a v poli elektronů atomových obalů tvorba elektron pozitronových párů nastává u vysokoenergetických elektronů v přírodě u kosmického záření Čerenkovovo záření Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 40

41 ČERENKOVOVO ZÁŘENÍ elektromagnetické záření dipólů, které vzniká jako důsledek polarizace atomů prostředí pří průchodu nabité částice prostředím, v případě, že je rychlost v pohybu částice prostředím větší než je rychlost šíření světla v daném prostředí, c p polarizace atomů prostředí při průchodu nabité částice v < c p v > c p Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 41

42 směr šíření Čerenkovova záření vůči směru pohybu nabité částice c/ n cosυ = = v c vn příklad: elektrony z β - rozpadu ve vodě index lomu vody n=1.33 energie elektronu T MeV --> v/c 1/1.33=0.75 Čerenkovovo záření... slabá namodralá záře pozorovatelná okem poznámky obecně libovolná nabitá částice, v praxi ale těžké nabité částice nemají dostatečnou rychlost energetické ztráty v souvislosti s Čerenkovovým zářením v praxi většinou není třeba uvažovat Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 42

43 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 43 detekce vysokoenergetických nabitých částic pomocí Čerenkovova záření vznikajícího při jejich průchodu prostředím směr kužele - odkud částice přiletěla vrcholový úhel kužele - rychlost a energii částice Použití v urychlovačích (k určení energie urychlených částic) ve výzkumu interakce zemské atmosféry s fotony s energií kolem 25 GeV (fotony pocházející z aktivních galaxií nebo zbytků supernov) interakce s horními vrstvami atmosféry vznik dalších částic, které rovněž interagují s atmosférou lavinovitě se šířící sprška částic doprovázená namodralými záblesky ČZ (na zemském povrchu může zasáhnout i desítky kilometrů čtverečních) k detekci neutrin - při interakci neutrin s vodou vzniká rychlý elektron nebo mion, který lze zaregistrovat pomocí ČZ k vizualizaci procesů v jaderných reaktorech, zářičů uložených ve stínících bazénech záření použitého k ozařování nádorů (zatím jen studie)

44 POZITRONY nepružné srážky s elektrony atomového obalu brzdné záření tvorba elektron pozitronových párů anihilační záření interakce s elektrony atomového obalu elektron + pozitron 2 fotony gama záření o energiích ca 0,51 MeV Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 44

45 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 45 ELEKTROMAGNETICKÉ ZÁŘENÍ, X a γ elektromagnetické interakce s nabitými částicemi látky (elektrony v atomových obalech, protony v atomových jádrech) korpuskulární charakter se při interakci záření s látkou projevuje výrazněji než vlnový nejdůležitější jevy fotoefekt absorpce fotonu v elektronovém obalu atomu Comptonův jev nepružný rozptyl fotonu na elektronu (volném) Ramanův rozptyl nepružný rozptyl na vázaném elektronu Rayleighův pružný rozptyl na elektronech atomového obalu tvorba párů úplná absorpce fotonu v elektromagnetickém poli atomového jádra nebo obalu a vznik páru částice a antičástice energie fotonu vyšší nez 1,02 MeV elektron a pozitron vyšší energie těžší částice fotojaderné reakce absorpce vysokoenergetického fotonu nukleony atomového jádra

46 Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 46 ZESLABENÍ HUSTOTY TOKU I svazek monoenergetických fotonů v daném prostředí dráha délky x μ součinitel zeslabení ( ) = ( µ ) I x I exp x 0

47 jaderné interakce pružný rozptyl v poli atomového jádra NEUTRONY nepružný rozptyl v poli atomového jádra jaderné reakce spojené s emisí nabité částice (proton, deuteron, ) radiační záchyt neutron je jádrem pohlcen a zůstane v něm vázaný následuje emise jednoho nebo více fotonů záření γ jaderné štěpení elektromagnetické interakce velmi slabé, mají pouze magnetický moment Jaderná fyzika, 22/05/2018, str. 47