6.3.5 Radioaktivita. Předpoklady: Graf závislosti vazebné energie na počtu částic v jádře pro částice z minulé hodiny

Podobné dokumenty
4.4.6 Jádro atomu. Předpoklady: Pomůcky:

Chemie. Mgr. Petra Drápelová Mgr. Jaroslava Vrbková. Gymnázium, SOŠ a VOŠ Ledeč nad Sázavou

RADIOAKTIVITA KAP. 13 RADIOAKTIVITA A JADERNÉ REAKCE. Typy radioaktivního záření

Radioaktivita,radioaktivní rozpad

Vlastnosti atomových jader Radioaktivita. Jaderné reakce. Jaderná energetika

Atomové jádro, elektronový obal

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

JADERNÁ FYZIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník

Rozměr a složení atomových jader

VY_52_INOVACE_VK64. Datum (období), ve kterém byl VM vytvořen červen 2013 Ročník, pro který je VM určen

FYZIKA ATOMOVÉHO JÁDRA

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE III

VY_32_INOVACE_FY.17 JADERNÁ ENERGIE

POKUSY VEDOUCÍ KE KVANTOVÉ MECHANICE II

2. ATOM. Dualismus částic: - elektron se chová jako hmotná částice, ale také jako vlnění

8.STAVBA ATOMU ELEKTRONOVÝ OBAL

3. Radioaktivita. Při radioaktivní přeměně se uvolňuje energie. X Y + n částic. Základní hmotnostní podmínka radioaktivity: M(X) > M(Y) + M(ČÁSTIC)

Příklady Kosmické záření

Úvod do moderní fyziky. lekce 4 jaderná fyzika

8.1 Elektronový obal atomu

29. Atomové jádro a jaderné reakce

ATOMOVÁ FYZIKA JADERNÁ FYZIKA

Atom jeho složení a struktura Tento výukový materiál vznikl za přispění Evropské unie, státního rozpočtu ČR a Středočeského kraje

2. Atomové jádro a jeho stabilita

Výukový materiál zpracován v rámci projektu EU peníze školám

Přednášky z lékařské biofyziky Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity, Brno

R10 F Y Z I K A M I K R O S V Ě T A. R10.1 Fotovoltaika

Radioaktivní záření, jeho druhy, detekce a základní vlastnosti

Atomová a jaderná fyzika

Identifikace typu záření

Chemické složení vesmíru

RADIOAKTIVITA A VLIV IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ

Letní škola RADIOAKTIVNÍ LÁTKY a možnosti detoxikace

Měření absorbce záření gama

[KVANTOVÁ FYZIKA] K katoda. A anoda. M mřížka

FYZIKA MIKROSVĚTA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Fyzika mikrosvěta - 3. ročník

Fotoelektrický jev je uvolňování elektronů z látky vlivem dopadu světelného záření.

Relativistická dynamika

Úvod do moderní fyziky. lekce 3 stavba a struktura atomu

Potřebné pomůcky Sešit, učebnice, pero

Detekce nabitých částic Jak se ztrácí energie průchodem částice hmotou?

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

atom Lomonosov Lavoisier Dalton Proutova modely atomů Thomsonův kladným elektronů vysílají elektromagnetické záření nedostatky: počet původ

DUM označení: VY_32_INOVACE_... Jméno autora výukového materiálu: Ing. Jitka Machková Škola: Základní škola a mateřská škola Josefa Kubálka Všenory

Aplikace jaderné fyziky (několik příkladů)

Jaderné reakce a radioaktivita

Kateřina Fišerová - Seminární práce k předmětu Didaktika fyziky

Částicové složení látek atom,molekula, nuklid a izotop

Hvězdy se rodí z mezihvězdné látky gravitačním smrštěním. Vlastní gravitací je mezihvězdný oblak stažen do poměrně malého a hustého objektu

c) vysvětlení jednotlivých veličin ve vztahu pro okamžitou výchylku, jejich jednotky

Radioaktivita a radionuklidy - pozitivní i negativní účinky a využití. Jméno: Ondřej Lukas Třída: 9. C

Látkové množství. 6, atomů C. Přípravný kurz Chemie 07. n = N. Doporučená literatura. Látkové množství n. Avogadrova konstanta N A

Jaroslav Reichl. Střední průmyslová škola sdělovací techniky Panská 3 Praha 1 Jaroslav Reichl, 2017

VY_32_INOVACE_06_III./19._HVĚZDY

SBÍRKA ŘEŠENÝCH FYZIKÁLNÍCH ÚLOH

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

Protonové číslo Z - udává počet protonů v jádře atomu, píše se jako index vlevo dole ke značce prvku

Gymnázium a Střední odborná škola, Rokycany, Mládežníků 1115

Mlžnákomora. PavelMotal,SOŠaSOUKuřim Martin Veselý, FJFI ČVUT Praha

ATOMOVÉ JÁDRO. ATOM - základní stavební částice hmoty dále již chemickými postupy nedělitelná - skládá se z jádra a obalu.

Jak se vyvíjejí hvězdy?

Jaderná fyzika. Zápisy do sešitu

DUM č. 15 v sadě. 12. Fy-3 Průvodce učitele fyziky pro 4. ročník

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Identifikace typu záření

2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru

MAKROSVĚT ~ FYZIKA MAKROSVĚTA (KLASICKÁ) FYZIKA

ŠTĚPNÁ REAKCE (JADERNÁ ENERGIE)

VY_32_INOVACE_06_III./7._STAVBA ATOMOVÉHO JÁDRA

Opakování

Stavba atomu. Created with novapdf Printer ( Please register to remove this message.

RADIOAKTIVITA RADIOAKTIVITA

ATOMOVÉ JÁDRO A JEHO STRUKTURA. Aleš Lacina Přírodovědecká fakulta MU, Brno

2. Elektrotechnické materiály

Historie zapsaná v atomech

Ullmann V.: Jaderná a radiační fyzika

Úloha č.: I Název: Studium relativistických jaderných interakcí. Identifikace částic a určování typu interakce na snímcích z bublinové komory.

jádro a elektronový obal jádro nukleony obal elektrony, pro chemii významné valenční elektrony

ATOM KVANTOVÁ OHRÁDKA (HRADBA)

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í. neutronové číslo

Vznik vesmíru (SINGULARITA) CZ.1.07/1.1.00/ Zpracovala: RNDr. Libuše Bartková

Přírodní radioaktivita

Přednáška IX: Elektronová spektroskopie II.

Atomové jádro Elektronový obal elektron (e) záporně proton (p) kladně neutron (n) elektroneutrální

Moravské gymnázium Brno s.r.o. RNDr. Miroslav Štefan


Radiační patofyziologie. Zdroje záření. Typy ionizujícího záření: Jednotky pro měření radiace:

( ) 2 2 MODUL 5. STAVBA ATOMU SHRNUTÍ

VY_32_INOVACE_274. Základní škola Luhačovice, příspěvková organizace Ing. Dagmar Zapletalová. Člověk a příroda Fyzika Opakování učiva fyziky

Elektronový obal atomu

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

Životní prostředí pro přírodní vědy RNDr. Pavel PEŠAT, PhD.

PEDAGOGICKÁ FAKULTA JIHOČESKÉ UVIVERZITY

Urychlovače částic principy standardních urychlovačů částic

Testové otázky za 2 body

JADERNÁ ENERGIE. Při chemických reakcích dochází ke změnám v elektronových obalech atomů. Za určitých podmínek mohou změnám podléhat i jádra atomů.

LEPTONY. Elektrony a pozitrony a elektronová neutrina. Miony a mionová neutrina. Lepton τ a neutrino τ

Absorpční polovrstva pro záření γ

Transkript:

6.3.5 Radioaktivita Předpoklady: 6304 Graf závislosti vazebné energie na počtu částic v jádře pro částice z minulé hodiny Vazebná energie na částici [MeV] 10 9 8 Vazebná energie [MeV] 7 6 5 4 3 1 0 0 50 100 150 00 50 300 Počet nukleonů Stejný graf pro větší počet jader 1

Zdroj: Wikipedia.cz Př. 1: Jak se podle grafu mění vazebná energie připadající na jeden nukleon s počtem nukleonů. Při jakých jaderných reakcích (reakce při kterých se jádra spojují nebo rozbíjejí) se uvolňuje energie? Pro jádra s počtem nukleonů menším než 56 vazebná energie při zvětšování jádra většinou roste (částice jsou v jádře drženy čím dál pevněji a mají čím dál menší energii). Pro jádra s počtem nukleonů větším než 56 vazebná energie při zvětšování jádra klesá (částice jsou v jádře drženy čím dál volněji a mají čím dál větší energii). Při výrobě energie energii uvolňujeme energie částic musí klesat můžeme slučovat lehká jádra do jader těžších (ale ne moc těžších než je jádro 56 6Fe ), můžeme rozbíjet těžká jádra (těžší než 56 6Fe ) na jádra lehčí. Po svém vzniku obsahoval vesmír z velké většiny vodík a téměř žádná jádra větší než 7 3 Li těžší jádra vznikají slučováním lehčích ve hvězdách. Př. : Jaký důsledek má slučování jader ve hvězdě? K jak velkým jádrům může hvězda slučováním dojít? Slučováním jader vzniká obrovské množství energie hvězda září. Vznik prvků za železem spotřebovává energii "hasí" by hvězdu hvězda vyrábí jádra lehčí než železo. Prvků těžších než železo vzniká jen málo a většinou pouze při extrémních událostech jako jsou výbuchy supernov (kdy se také z hvězdy dostávají do okolního porstoru).

Existují magická nukleonová čísla (, 8, 0, 8, 50, 8, 16), tato jádra mají sférický tvar a jsou mimořádně stabilní. Přesný popis chování nukleonů v jádře nemáme (neumíme přesně popsat jadernou sílu) modely částečně vysvětlující vlastnosti jader. Kolektivní model Nukleony se jádře chaoticky pohybují a silně na sebe působí (jako částice v kapce vody). Dobře vysvětluje jaderné štěpení a jiné jaderné reakce. Model nezávislých částic Nukleony jsou popsány kvantovými čísly, a protože patří mezi fermiony, nemohou být najednou ve stejném stavu. Aby mohlo dojít ke srážce, musí existovat prázdné stavy, do kterých by mohly nukleony po srážce přejít, takových stavů je málo srážky jsou vzácné. Dobře popisuje existenci magických čísel, problémy se štěpením. Kombinovaný model Část nukleonů tvoří uzavřené slupky s magickými počty nukleonů (slupky se chovají jako v modelu nezávislých částic), okolo kterých se chaoticky ohybují ostatní nukleony, které tím vytváří nepravidelnosti (jako v kolektivním modelu). Většina jader je nestabilní a časem se rozpadá. Jakým způsobem? Nestabilní (radioaktivní) jádra vyzařují různé druhy záření. Přírodní radioaktivní záření: záření α : proud částic 4 α (jádra hélia), velká energie až 8 MeV, velká hmotnost částic, elektrický náboj značný vliv na okolí. Silná interakce s okolím malý dosah (několik cm ve vzduchu, odstínění už listem papíru). Nebezpečí, pokud dochází k α rozpadu přímo v těle. záření β (někdy se značí také β ): proud elektronů, energie desetiny MeV, pronikavost řádově 100 x větší než u α záření (1 m ve vzduchu, 1 mm v kovu). záření γ : EM záření vlnové délky pod 300 pm, vzniká při přechodu jádra z excitovaného stavu (často jde o druhou fázi radioaktivní přeměny, která začala α nebo β rozpadem). Nejpronikavější, nejvíce pohlcováno v látkách s velkou A r stínění olovem (vyšetření na RTG) (intenzita se sníží na polovinu po průchodu 1 cm olova nebo 6 cm betonu). Další druhy jaderného záření můžeme pozorovat u uměle připravených jader: záření β + : proud pozitronů, ostatní vlastnosti podobné záření β. neutronové záření: proud neutronů, neutrony nemají náboj brzdí se pouze srážkami s jádry atomů. Pohlcením neutronu se některá stabilní jádra mění na radioaktivní. Př. 3: Co je divného na existenci β a β + záření? Navrhni řešení. Záření β je proud elektronů vylétávajících z jádra, ale v jádře se žádné elektrony nevyskytují elektrony musí v jádře vznikat (například přeměnou neutronu na proton). 3

Záření β je důsledkem přeměny neutronu na proton popsané rovnicí: n p + e + ν, kde ν je částice neutrino, která odnáší část uvolněné energie. Záření β + + je důsledkem přeměny protonu na neutron p n + e + ν. Dodatek: Neutrino patří mezi nejhůře polapitelné částice ve vesmíru, s hmotou interaguje velmi neochotně, jeho střední dráha (dráha, kterou urazí než se srazí z jinou částicí) má délku tisícovek světelných let. Jeho existence byla předpovězena v roce 1930, jako vysvětlení skutečnosti, že při β rozpadech se zmenšoval moment hybnosti soustavy a elektrony vylétaly s různou energií (chybějící moment hybnosti i různě velkou část energie odnáší z jádra právě neutrino). Detekováno bylo poprvé až v roce 1953, dosud není jasné, zda je jeho klidová hmotnost nulová nebo ne. Př. 4: Zpomalování neutronů při průchodu látkou závisí na váze atomových jader. Jsou neutrony více zpomalovány v látkách s velkou nebo v látkách s malou relativní atomovou hmotností? Už při rozboru Franck-Hertzova pokusu jsme si ukazovali, že pohybující se kulička předává energii nejsnáze kuličkám o srovnatelné hmotnosti (pingpongový míček se od daleko těžší kuličky odrazí s téměř stejnou rychlostí) neutrony budou lépe zpomalovat srážky s lehčími jádry. Pronikavost neutronů v materiálech s těžkými jádry je větší než pronikavost γ záření, materiálech s lehkými jádry je situace obrácená. Př. 5: Zakresli, jak se budou jednotlivé druhy záření chovat při průchodu magnetickým polem. Magnetické pole působí na elektricky nabité částice působí na všechny druhy záření, kromě neutronů a γ záření. Dráhy jednotlivých druhů záření v magnetickém poli (indukční čáry vstupují kolmo do nákresny) n Částice záření β + a β jsou podstatně lehčí než částice záření α, proto je magnetické pole stáčí po kružnici o menším poloměru. 4

Př. 6: K vytvoření jednoho páru iontů ve vzduchu je třeba energie 30 ev. Kolik párů iontů vytvoří ve vzduchu do úplného zbrždění částice α? Energie částice α az 8 MeV střední hodnota 5 MeV. n = 5000000 = 170000 30 Částice α vytvoří ve vzduchu typicky sto tisíc iontů. Př. 7: Jedním z přírodních radioaktivních prvků je 38 9 U, který vyzařuje částice α (takzvanýα rozpad). Vzniklý nuklid se dále rozpadá, postupně se vyzáří dvě částice β. Jaké nuklidy při tomto ději postupně vznikají? 38 9 U, rozpad α vzniká nuklid, který o dva neutrony a dva protony méně 38 4 34 9 U α + 90 Th rozpadem vzniká 34 Th. 90 34 90 Th, rozpad β vzniká nuklid, který o jeden neutron méně a jeden proton více 34 34 90 Th 91 Pa + β + ν rozpadem vzniká 34 Pa. 91 34 91 Pa, rozpad β vzniká nuklid, který o jeden neutron méně a jeden proton více 34 34 91 Pa 9 U + β + ν rozpadem vzniká 34 U. 9 Posloupnost nuklidů, které vznikají při postupné přeměně vyzařováním α a β částic se nazývá rozpadová řada. V předchozím příkladu jsme se zabývali počátkem uranové rozpadové řady. 5

Př. 8: Na diagramu je zakreslena uranová rozpadová řada. Jakým způsobem je vyznačen rozpad α, jakým způsobem rozpad β? Ke kolika rozpadům obou druhů postupně došlo? Z 95 90 86 Rn 6 88 Ra 30 90 Th 34 9 U 34 91 Pa 34 90 Th 38 9 U 85 10 84 Po 10 83 Bi 14 84 18 84 Po 14 83 Bi Po 06 8 Pb 15 10 8 Pb 10 81 Tl 14 8 Pb 130 135 140 145 N=A-Z Rozpad α je vyznačen modrou šipkou, rozpad β zelenou. Došlo celkem k osmi rozpadům α a šesti rozpadům β. V zemské kůře se stále nachází určité množství uranu 38 9 U, proto rozpady v této řadě neustále probíhají, hlavně v horninách, které uran obsahují ve větším množství (například v žule). 6 4 Nejnebezpečnější částí této rozpadové řady je přeměna 88 Ra α + 86 Rn, při které vzniká radioaktivní plyn radon, který se uvolňuje z horniny stoupá k povrchu a může se shromažďovat v nevětraných místnostech budov. Po vdechnutí radonu do plic může dojít k 4 18 jeho rozpadu 86 Rn α + 84 Po přímo v těle (v plicích), částice α pak brzdí přímo v tkáni, kde může přispět ke vzniku rakoviny. ntenzita γ záření při průchodu látkovým prostředím klesá exponenciálně. Například intenzita záření γ o energii 0,8 MeV se zmenší na polovinu po průchodu olověnou destičkou o tloušťce 8, mm. Po průchodu vrstvou olova o tloušťce 16,4 mm by se intenzita zmenšila na čtvrtinu. Tedy každých 8, mm olova znamená zmenšení intenzity záření na polovinu předchozího stavu. 6

Př. 9: Nakresli graf závislosti intenzity záření γ na tloušťce olova, kterým prochází. Předpokládej, že každých 8, mm olova znamená pokles intenzity na polovinu předchozí hodnoty. 10 0 30 40 50 60 d[mm] Př. 10: Jaká část záření γ o energii 0,8 MeV projde vrstvou olova o tloušťce 3 cm? Jak tlustou vrstvu olova potřebujeme, aby se intenzita záření snížila na setinu původní hodnoty? Sledujeme intenzitu záření. po 0 mm 0 po 8, mm 1 0 po 8,mm polovinu) po 3 8,mm po x mm 1 1 1 = 0 0 0 0 0 (intenzita se zmenšila na polovinu) 3 1 1 1 = 1 x 8, 30 8, (poloviční intenzita se zmenšila na 1 po 3 cm... 0 = 0,079 po průchodu 3 cm olova se intenzita záření sníží na 7,9% původní hodnoty. ntenzita se má snížit na setinu původní hodnoty = 0,01 0 0,01 x 1 8, 0 = 0 1 0,01 = d 8, d 1 8, d 1 log 0, 01 = log = log 8, 7

log 0,01 d = 8,mm = 54,5mm log 0,5 Záření musí projít vrstvou olova silnou 54,5 mm, aby se jeho intenzita snížila na setinu původní hodnoty. Př. 11: (BONUS) Na obrázku je graf závislosti intenzity záření α na vzdálenosti uražené ve vzduchu. Vysvětli, proč intenzita záření α na tloušťce nezávisí exponenciálně jako u záření γ - 4 6 d[cm] Jak srážka fotonu γ záření, tak částice α je náhodná událost, ale: již první srážka fotonu znamená, že se přestane šířit dál v původním směru (buď se pohltí nebo rozptýlí), částice α se srazí s částicemi vzduchu stotisíckrát než se zastaví. Fotonů ubývá již od prvních mikrometrů od zdroje (některé se srazí hned na počátku cesty). Částic α začne ubývat až před čtvrtým centimetrem, protože až při této vzdálenosti vykonají první částice potřebný počet srážek, aby se zastavily. Ostatní se zastaví na velmi podobné vzdálenosti, protože počet potřebný počet srážek je obrovský a případné odchylky ve vzdálenostech mezi nimi se v tak velkém počtu velmi dobře vyrovnají (rozdíly v doletu jsou spíše způsobeny rozdílnou energií jednotlivých částic). Shrnutí: Některé nuklidy se samovolně rozpadají, čímž uvolňují radioaktivní záření. 8