Životní prostředí pro přírodní vědy RNDr. Pavel PEŠAT, PhD. KAP FP TU Liberec pavel.pesat@tul.cz tel. 3293
Radioaktivita. Přímo a nepřímo ionizující záření. Interakce záření s látkou. Detekce záření, Dávka a dávkový ekvivalent. Ionizující záření a radioaktivní nuklidy v životním prostředí. Atomový zákon.
Literatura 1) Halliday, D., Resnick, R., Walker, J.: Fyzika. Část 5, Moderní fyzika, ISBN 80-214-1868-0 2) E-fyzika, kolektiv autorů (ve slovenštině), 3) Státní ústav pro jadernou bezpečnost 4) Legislativa Atomový zákon č. 18/1997 Sb. Vyhláška č. 307/2002 Sb., o radiační ochraně, ve znění novely č. 499/2005 Sb.
Veličiny a jednotky jaderné fyziky Energie: 1 ev = q U 1,6 10 19 C 1 V = 1,6 10 19 J Atomová hmotnostní jednotka: u 1,66053886 10 27 kg 931,49 MeV Délková míra: E = mc 2 1 10 15 m = 1 fm
Země v noci (NASA) http://apod.gsfc.nasa.gov/apod/ap001127.html
JADERNÁ ENERGIE Energie uvolňovaná při jaderných přeměnách. (exoergické reakce) 1. Radioaktivita (emise částic α, β -, β +, γ) 2. Jaderné štěpení 3. Jaderná fúze
JADERNÁ ENERGIE Mírové využití: ČEZ: Jaderná energetika Dukovany Temelín Jaderné havárie: Černobyl, Fukušima 1 Vojenské využití: Atomová / Vodíková bomba Technet: Jaderné zbraně: Testováno na lidech, zvířatech i Zemi Hirošima Bikini Car Bomba
Chemické prvky v přírodě Mendělejevova tabulka prvků Mapa izotopů Zápis: A = hmotnostní (nukleonové) číslo Z = protonové číslo N = neutronové číslo
Radioaktivita Radioaktivita Zákon radioaktivního rozpadu dn = λndt, integrací n = n 0 e λt, n 0 počet částic v čase t = 0. Přírodní radionuklidy Indukovaná radioaktivita Proč jsou jádra nestabilní?
Rozpadová schémata - příklady počet emitovaných částic může být podstatně větší než aktivita
Hmotnost atomů a atomových jader Pro nadbytek energie Měření hmotnosti v hmotnostních spektrometrech (spektrografech) (Mattauchův spektrograf) Δm/m = 1/10 10 8 Proti zákony zachování, výběrová pravidla
Snímek ze spektrometru rozlišení pro u = 16 atom. hmotnostních jednotek
Hmotnostní schodek Δm Vazbová energie jádra B
[MeV] 8 6 4 2 50 100 150 200 Obr.14.1.3.1 Závislosť väzbovej energie pripadajúcej na jeden nukleón od nukleónového čísla A. A
Jaderné štěpení 92U 235 + 0 n 1 57 La 147 + 35 Br 87 + 2 0 n 1 E k štěpných trosek: 2,64 10-11 J E neutrin: 1,76 10-12 J E γ, neutronů, elektronů: 10-13 J celkem na jedno štěpení: 3,17 10-11 J
Spektrum hmotností produktů štěpení 235 U, povšimněte si logaritmické stupnice výtěžku
Zdroje radioaktivity Přirozené: pozemské, mimozemské (kosmické záření). Umělé: lékařské aplikace, jaderné testy, průmyslové aplikace (materiálový výzkum, trasování, energetika). dávka z přirozených zdrojů Kosmické záření 8% Radon 44% Záření zemské kůry 10% Konzumace potravin 21% Lékařské aplikace 16% Ostatní malé zdroje 1% Jaderná energetika 0,01%
Interakce jaderného záření s látkou
Účinný průřez j hustota toku nalétávajících částic ω plošná hustota center reakce v terčíku A celková zasažená plocha terčíku
Základní dělení jaderného záření Přímo ionizující záření (NABITÉ) těžké nabité částice elektrony Nepřímo ionizující záření (NENESE NÁBOJ) fotony gamma záření neutrony
Ionizační ztráty Charakteristika látky: koncentrace elektronů, ionizační potenciál Lineární brzdná schopnost
Závislost ionizačních ztrát energie de/dx na energii částice E k v jednotkách klidové energie částice mc 2 :pokles úměrný 1/v 2
Braggova křivka : počet iontů vytvořených na jednotkové dráze částice
Dolet těžkých nabitých částic
Průchod elektronů látkou Ionizační ztráty Brzdné záření
Interakce záření gamma Fotoelektrický jev Comptonův rozptyl Tvorba elektron-pozitronových párů Fenomenologický vztah pro zeslabení:
OCHRANA PŘED IONIZUJÍCÍM ZÁŘENÍM LEGISLATIVA České republiky Atomový zákon č. 18/1997 Sb. Vyhláška č. 307/2002 Sb., o radiační ochraně, ve znění novely č. 499/2005 Sb. STÁTNÍ ÚŘAD PRO JADERNOU BEZPEČNOST SÚJB
Základní veličiny Stochastické: s různou pravděpodobností nabývají různých hodnot, nelze předem stanovit, lze změřit, např. energie sdělená látce E = E in E out Nestochastické: v principu lze předem vypočítat, např. střední hodnota stochastické veličiny, střední energie sdělená látce <E>.
Aktivita Základní veličiny A = dn/dt Počet radioaktivních přeměn v radioaktivním materiálu, vztažený na jednotku času Poločas rozpadu je doba, za kterou se přemění polovina celkového počtu atomárních jader ve vzorku t 1/2 = (1/λ). ln(2) Aktivita měrná (A/m) Aktivita objemová (A/V) Aktivita plošná (A/S) Aktivita molová (A/n)
Základní veličiny Tok (Fluence) prošlých částic Φ = dn/ds charakteristika pole ionizujících částic
Základní veličiny Dávka D = de/dm Střední energie E sdělená ionizujícím zářením látce v objemovém elementu, ve kterém je hmotnost látky dm Jednotka: Joule/kilogram = Gray (Gy) Starší jednotka: 1 rad = 0,01Gy KERMA = kinetic energy released in material (pro nepřímo ionizující záření) Expozice (pro fotonové záření)
Ekvivalentní dávka H T = w R D TR Jednotka: Sievert [Sv] w R..radiační váhový faktor dle tabulky 1 přílohy č. 5 vyhlášky č. 307/2002 Sb.
Efektivní dávka E= Σ(w T H T ) w R..tkáňový váhový faktor dle tabulky 2 přílohy č. 5 vyhlášky č. 307/2002 Sb.
Dávkový ekvivalent H= QD Q..jakostní činitel dle tabulky 3 přílohy č. 5 vyhlášky č. 307/2002 Sb.
Stručný přehled biologických účinků záření Účinky záření: smrt buňky, změna metabolismu buňky, změna genetické informace. Deterministické účinky akutní nemoc z ozáření (intenzita projevu roste s dávkou, existuje práh dávky, radiační zánět kůže). Stochastické účinky Předpokládá se bezprahový, lineární vztah mezi dávkou a účinkem, závislost účinků na dávce má statistický charakter, při nízkých dávkách nelze odlišit od spontánně vzniklých případů, zhoubné nádory.
Optimalizace a limity ozáření dle Vyhlášky č. 307/2002 Sb. Optimalizace radiační ochrany ( 17 vyhlášky). Obecné limity ( 17 vyhlášky): základní hodnota: 1 msv za rok. Limity pro radiační pracovníky ( 20 vyhlášky): základní hodnota: 100 msv za 5 za sebou jdoucích kalendářních let). Limity pro učně a studenty ( 21 vyhlášky) Odvozené limity. Omezování ve zvláštních případech.
Detektory záření Detekce důsledků interakce záření s látkou: primárně ionizace. Plynové (Geiger-Mullerova trubice). Polovodičové (dioda v závěrném směru). Filmové (dozimetry). Scintilační.
Základní princip polovodičového detektoru Průchod částice p-n přechodem zapojeném v závěrném směru způsobí ionizaci průraz. n + - + + + + + + + + - - - - - - - - - p
Klasifikace zdrojů (Hlava II Vyhlášky 307/2002 Sb.) Zprošťovací úrovně limity, pod kterými lze se zdroji pracovat, jako by nebyly. Nevýznamné zdroje. Drobné zdroje. Jednoduché zdroje. Významné zdroje. Velmi významné zdroje (jaderný reaktor).