Czynniki fizyczne
środowiska bytowania
człowieka cz.1
Promieniowanie elektromagnetyczne
jonizujące i niejonizujące –
podział, charakterystyka, źródła
Środowis
ko
Czynniki abiotyczne
Czynniki biotyczne
• ukształtowanie powierzchni
terenu,
• typ gleby,
• czynniki chemiczne,
• klimat,
• wilgotność powietrza,
• temperatura,
• światło,
• ciśnienie atmosferyczne,
• promieniowanie i jonizacja
powietrza
• mikroorganizmy,
• makroorganizmy:
• rośliny
• zwierzęta
• bezkręgowce,
• kręgowce
Zanieczyszczenia
środowiska
• Zanieczyszczenie powietrza
SO
2
, NO
x
, CO, Pb, pyły
• Zanieczyszczenia wody:
pestycydy, węglowodory aromatyczne, fenole, metale
ciężkie
• Zanieczyszczenia gleby
metale ciężkie, nawozy sztuczne
• Skażenia promieniotwórcze
awarie urządzeń jądrowych, wybuchy bomb atomowych
• Zanieczyszczenie hałasem
• Zanieczyszczenie krajobrazu
• Zanieczyszczenie światłem
Główne czynniki fizyczne wpływające
na organizm człowieka
•Promieniowanie
elektromagnetyczne
•Hałas
•Wibracje
•Oświetlenie
Atom (z gr. atomos: "niepodzielny") –
najmniejszy składnik materii, któremu
można przypisać właściwości
chemiczne
Protony
Jądro atomowe
Neutrony
Chmura elektronowa
Na
24
11
Cl
35
17
X
A
Z
Z
liczba atomowa
A
liczba masowa
Izotopy - atomy tego samego
pierwiastka mające tę samą liczbę
protonów w jądrze
• Izotopy tego samego pierwiastka na ogół mają
zbliżone własności fizyczne i chemiczne
• Pierwiastki występują naturalnie zwykle jako
mieszanina izotopów
Podział izotopów
I podział izotopów:
• trwałe np. izotopy sodu i magnezu,
• nietrwałe np. izotopy molibdenu i uranu,
II podział izotopów:
• naturalne np. tryt i izotop platyny
• sztuczne np. izotopy siarki i krzemu
III podział izotopów:
• izotopy pierwotne, których czas półrozpadu ma
wartość przekraczającą 0,5 mld lat. Np.
40
K,
238
U,
232
Th
• izotopy wtórne np.:
226
Ra,
228
Ra,
222
Rn,
220
Rn,
210
Pb
• pierwiastki kosmogenne np.:
14
C,
7
Be,
10
Be,
3
H
Promieniowanie
Promieniowanie to wysyłanie i
przekazywanie energii na odległość
• Promieniowania
elektromagnetyczne
• Promieniowania korpuskularne
Promieniowanie
elektromagnetyczne
Wielkości charakteryzujące falę
• długość fali - odległość między sąsiednimi punktami,
w których pole magnetyczne i elektryczne jest takie
samo
• częstotliwość – liczba pełnych zmian pola
magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy
Długość fali
Ruch fali
Pole magnetyczne
Pole elektryczne
Podział promieniowania
elektromagnetycznego
(ze względu na częstotliwość)
Podział promieniowania
elektromagnetycznego
(ze względu na charakter)
1. Promieniowanie cieplne
Przykładem jest promieniowanie podczerwone
2. Promieniowanie hamowania
Przykładem jest promieniowanie rentgenowskie
3. Promieniowanie synchrotronowe
Zawiera typowo pasma podczerwone, widzialne,
ultrafioletu oraz promieniowania X
Podział promieniowania
elektromagnetycznego
(ze względu na sposób
oddziaływania)
10
20
10
18
10
16
10
15
10
12
10
8
10
4
Fale
radiowe
Mikrofale
Podczerwień
Światło
widzialne
Ultrafiolet
Promienie.
X
Częstotliwość
[Hz]
Promienie.
gamma
1.Promieniowanie jonizujące – obejmuje
najwyższe zakresy częstotliwości
i najmniejsze zakresy długości fal
2. Promieniowani niejonizujące –
obejmuje najniższe zakresy częstotliwości
i największe zakresy długości fal
Promieniowanie
elektromagnetyczne
jonizujące
Promieniowanie
jonizujące
Promieniowanie gamma
Atom obojętny
Kation
Elektron
Jonizacja to zjawisko odrywania elektronów od atomu.
W jego wyniku z obojętnego elektrycznie atomu powstaje
naładowany dodatnio jon i elektron
promieniowanie X
promieniowanie γ
promieniowanie α
promieniowanie β
promieniowanie
neutronowe
Źródła promieniowania
jonizującego
1. Naturalne źródła promieniowania jonizującego:
• Promieniowanie kosmiczne
W wyniku tego promieniowania powstają głównie tryt, beryl i
14
C
• Promieniotwórcze izotopy pierwiastków zawarte w skorupie
ziemskiej
–
Promieniowanie radonu, głównie w domach
Okres połowicznego rozpadu tego pierwiastka wynosi 4 dni
W Polsce od 1995 r. obowiązuje zakaz oddawania do użytku
mieszkań, w których efektywne stężenie równowagi radonu
przekroczy 200 Bq/m
3
• Izotopy naturalne w organizmie –
40
K,
14
C i
3
H
• Żywność i woda pitna –
- buraki ćwikłowe – izotop rubidu
87
Rb,
- mięso ryb – izotopy uranu i niklu
- wody lecznicze – izotop radonu
Źródła promieniowania
jonizującego
2. Sztuczne źródła promieniowania
jonizującego:
• Diagnostyka medyczna
• Radioizotopy stosowanie w medycynie,
przemyśle, rolnictwie, badaniach naukowych,
• Reaktory jądrowe – eksplozje i awarie reaktorów,
• Próbne wybuchy jądrowe,
• Odpady promieniotwórcze,
• Górnictwo i przeróbka rud uranu,
• Niektóre nawozy mineralne,
• Niektóre przedmioty codziennego użytku
Udział różnych źródeł promieniowania
jonizującego w średniej dawce skutecznej
otrzymanej przez statystycznego
mieszkańca Polski w 2006 roku
Promieniowanie korpuskularne
• Cząstki, o masie spoczynkowej większej
od zera zdolne do zjonizowania ośrodka
• Najczęściej spotykanymi cząstkami są:
1.
Cząstki α
2.
Elektrony (β
-
) i ich antycząstki pozytony (β
+
)
3.
Neutrony
4.
Protony
5.
Inne rodzaje promieniowania korpuskularnego
Cząstki α
są emitowane podczas rozpadu
promieniotwórczego α
Cząstka α
Jądro
Jądro z pomniejszoną o dwa liczbą
protonów i neutronów
Ogólny schemat reakcji
He
Y
X
A
Z
A
Z
4
2
4
2
W ten sposób rozpadają się jądra pierwiastków ciężkich, o stosunkowo
dużej masie atomowej. Przykładowymi źródłami izotopowymi cząstek
alfa są: polon (Po), rad (Ra), pluton (Pu), tor (Th) i uran (U)
Elektrony β
-
Rozpadowi β
-
towarzyszy emisja promieniowania beta
(elektronów), promieniowania γ i antyneutrin elektronowych
A, B- jądra pierwiastków chemicznych
C - elektron
e
v
e
p
n
e
A
Z
A
Z
v
e
Y
X
1
Przykłady izotopów,
które ulegają
rozpadowi β
-
:
Co-60, Na-24, C-14, H-3
D - antyneutrino elektronowe
Ogólny schemat reakcji
Elektrony β+
A, F- jądra pierwiastków
chemicznych
C - pozyton
D - neutrino elektronowe
e
v
e
n
p
energia
e
A
Z
A
Z
v
e
Y
X
1
Ogólny schemat reakcji
Przykłady
izotopów,
które ulegają
rozpadowi β
+
:
11
C,
13
N,
15
O,
18
F i
22
Na.
Który z rozpadów promieniotwórczych β – β
+
czy β
-
występuje częściej?
Przenikliwość różnych typów promieniowania
alfa
beta
gamma
papier
aluminium
ołów
Szereg promieniotwórczy - zespół
pierwiastków promieniotwórczych
powstający w wyniku następujących po sobie
rozpadów
Rozpad promieniotwórczy β
Rozpad promieniotwórczy α
Izotop trwały
Izotop promieniotwórczy o długim okresie półtrwania
209
Bi
206
Pb
207
Pb
208
Pb
Rodzaje szeregów
promieniotwórczych
1. szereg promieniotwórczy uranowo-radowy
Rodzaje szeregów
promieniotwórczych
2. szereg promieniotwórczy torowy
Rodzaje szeregów
promieniotwórczych
3. szereg promieniotwórczy uranowo-aktynowy
Rodzaje szeregów
promieniotwórczych
4. szereg promieniotwórczy neptunowy
Reguła
Soddy’ego-Fajansa
β
-
β
+
α
Promieniowanie gamma
nie powoduje zmian w jądrze
największa częstotliwość
najmniejsza długość fali
Źródła promieniowania
gamma
1. Przemiana jądrowa
Źródła promieniowania
gamma
2. Reakcja
syntezy
Źródła promieniowania
gamma
3. Anihilacja
Diagram Feynmana
przedstawiający anihilację
elektronu z pozytonem.
Powstaje foton, który
następnie produkuje parę
kwark-antykwark.
Antykwark emituje gluon.
Zastosowanie promieniowania
gamma
• Bomba kobaltowa stosowana w:
– lecznictwie
– defektoskopii
– sterylizacji żywności
– chemii radiacyjnej
• Diagnostyka nowotworów
• Pomiar grubości np. papieru, blach
• Geologia otworowa
• Badanie procesów przemysłowych
Aktywność promieniotwórcza -
tempo rozpadu jąder
promieniotwórczych
dt
dN
t
N
t
A
)
(
)
(
λ – stała rozpadu
promieniotwórczego
N(t) – liczba jąder
radionuklidu w chwili t
Jednostki aktywności
promieniotwórczej
Curie (Ci)
1 Ci
1g Ra
Szybkość
rozpadu
1 Ci
3,7·10
10
/ s
Szybkość
rozpadu
Jednostki aktywności
promieniotwórczej
GBq
Bq
Ci
37
1010
7
,
3
1
1
1
1
s
Bq
Szybkość
rozpadu
Jednostka
bardzo mała
Bekerel (Bq)
Próbka o aktywności 1 Bq
1 rozpad/s
1 Bq
Okres połowicznego rozpadu
nie zależy od otoczenia chemicznego
t
e
A
A
0
Okres połowicznego rozpadu
średni czas, po którym połowa jąder danego
pierwiastka ulegnie przemianie
N – liczba jąder które uległy rozpadowi
t - czas
N
0
– pierwotna liczba jąder
λ – stała rozpadu
Aktywność pierwiastka
zmniejsza się o połowę
2
1
2
1
693
,
0
2
ln
T
T
Okres połowicznego
rozpadu
A
(t
)
-
a
kt
yw
n
o
ść
(
lic
zb
a
r
a
d
io
a
kt
y
w
n
y
ch
j
ą
d
e
r)
t - czas
Atomy radioaktywne
Atomy stabilne
Pierwiast
ek
T½
5
Li
3,047·10
-22
s
17
F
64,7 s
11
C
20,3 min
211
Rn
14,6 godz
65
Zn
244,26 dni
242
Am
100 lat
226
Ra
1599 lat
238
U
4,46 mld lat
128
Te
2,2·10
24
lat
Promieniowanie
rentgenowskie - historia
• 1895 r. – W. C. Röentgen odkrył
promieniowanie X
• 1897 r. – odkrycie zjawiska
promieniotwórczości przez Becquerel’a i
obszerniejsze wyjaśnienie go przez
Skłodowską-Curie
• 1903 r. – Nagroda Nobla z fizyki dla Marii i
Piotra Curie oraz dla Henri’ego Becquerel’a
za odkrycie zjawiska promieniotwórczości
Promieniowanie
rentgenowskie
i jego podział
Podział
promieniowania
rentgenowskiego:
• Twarde promieniowanie
rentgenowskie
(λ = 5 pm-100 pm)
• Miękkie promieniowanie
rentgenowskie
(λ = 0,1 nm-10 nm)
Własności promieni X
• wszelkie substancja są dla promieni X
przejrzyste
• są niewidzialne, ale wywołują fluorescencję
• wywołują jonizację powietrza
• w próżni mają prędkość światła
• rozchodzą się po liniach prostych
• powodują utratę ładunku
• nie są odbijane i załamywane, nie można
ich skupić za pomocą soczewek
Źródła promieniowania
rentgenowskiego
1.Lampy rentgenowskie
(napięcie anodowe przyspiesza emitowane przez katodę
elektrony, nadając im dużą energię kinetyczną)
wyhamowanie i odbicie elektronu
przez atom W
wybicie przez elektron
elektronu atomu W
Źródła promieniowania
rentgenowskiego
Emisja kwantu
promieniowania X
Spadek elektronów
z wyższych powłok
Jądro przechwytuje elektron
z powłoki K
2. Wychwyt elektronu
Źródła promieniowania
rentgenowskiego
3. Poruszające się po okręgu elektrony
w synchrotronach
(promieniowanie synchrotronowe)
Taśma klejąca a
promieniowanie
rentgenowskie
• możliwość wielokrotnego wykorzystywania taśmy
• brak potrzeby zatrudniania licznego personelu
• większe bezpieczeństwo i niższe koszty eksploatacji
Podczas odrywania fragmentów taśmy klejącej powstaje
wystarczająca dawka promieni X, by wykonać zdjęcie kości palca
lub całej dłoni
Zalety
Zastosowanie promieniowania X
• Defektoskopia
• Analiza rentgenospektralna
• Fizyka jądrowa
• Astronomia
• Przemysł (działanie bakteriobójcze)
Zastosowanie promieniowania X w
medycynie
• Zdjęcia rentgenowskie
• Tomografia komputerowa
• Angiografia
• Radioterapia
Promieniowanie
elektromagnetyczne
niejonizujące
Promieniowanie elektromagnetyczne
niejonizujące
• Energie charakteryzujące pola elektromagnetyczne
niejonizujące nie powodują jonizacji cząstek materii
• Podział pól elektromagnetycznych w zależności od
częstotliwości
– pola stałe (0-1 Hz)
– pola wolnozmienne (1-300 Hz)
– pola szybkozmienne (300 Hz – 300 GHz)
• Zakresy widma promieniowania
elektromagnetycznego niejonizującego
– Optyczny rozciągający się od 1 mm do 100 nm
– Radiowy rozciągający się od fal najdłuższych do
długości 1 mm
Źródła pól elektromagnetycznych
niejonizujących
1. Naturalne
– promieniowanie słoneczne
– promieniowanie kosmiczne
– pole elektromagnetyczne kuli ziemskiej
2. Sztuczne
– sztuczne źródła stałych i wolnozmiennych
pól elektromagnetycznych
– sztuczne źródła szybkozmiennych pól
elektromagnetycznych – ogólnie
urządzenie telekomunikacyjne i
radiolokacyjne
Promieniowanie
optyczne
promieniowanie podczerwone
(IR – infrared radiation)
promieniowanie widzialne
(VR – visible radiation)
promieniowanie ultrafioletowe
(UV – ultrafiolet radiation)
Promieniowanie
podczerwone
Każde ciało o temperaturze większej od zera bezwzględnego
emituje promieniowanie cieplne
Podzakresy promieniowania podczerwonego
pro
mi
en
iow
an
ie
po
dc
ze
rw
on
e
bli
ski
e
pro
mi
en
iow
an
ie
po
dc
ze
rw
on
e
śre
dn
ie
pro
mi
en
iow
an
ie
po
dc
ze
rw
on
e
da
lek
ie
pro
mi
en
iow
an
ie
po
dc
ze
rw
on
e
su
bm
ilim
etr
ow
e
długość fali
Źródła promieniowania
podczerwonego
1. Naturalne
• Słońce
– szerokość geograficzna
– wysokość nad poziomem morza
• energia wnętrza Ziemi
– rzeźba terenu
– rodzaj powierzchni
2. Sztuczne
• urządzenie przetwarzające inne rodzaje energii
w energię cieplną
• rozgrzane elementy procesu technologicznego
• urządzenia wykorzystujące aktywną energii z
zakresu podczerwieni
Promieniowanie podczerwone -
zastosowanie
• Noktowizja: bierna i czynna
• Pomiar odległości
• Przekaz danych w światłowodzie
• Zdjęcia satelitarne
• Spektroskopia IR
• Obserwacja kosmosu
• Badanie historii obrazu malarskiego
Promieniowanie
ultrafioletowe
Techniczny podział
promieniowania ultrafioletowego
daleki ultrafiolet
bliski ultrafiolet
Promieniowanie ultrafioletowe
Podział promieniowania ultrafioletowego ze względu
na działanie na człowieka
UV-C
nie dociera do powierzchni Ziemi
w niewielkim stopniu (1%) dociera
do powierzchni Ziemi
UV-A
UV-B
długość
fali
Źródła promieniowania
ultrafioletowego
1. Naturalne
• Słońce - emituje ultrafiolet w zakresie
UV-A, UV-B i UV-C
2. Sztuczne
• źródła żarowe i łukowe
• źródła wyładowcze w gazach
Zastosowanie
promieniowania
ultrafioletowego
• Dezynfekcja
• Zastosowanie kosmetyczne - solaria
• Zastosowanie medyczne
– leczenie żółtaczki u nowowrodków
– choroba gośćcowa
– krzywica
– anemia
– leczenie laryngologiczne
– leczenie łuszczycy
– przewlekłe zapalenie oskrzeli
– trądzik pospolity
• Uzdatnianie wody pitnej
• Fluorescencja substancji
Fale radiowe
Źródła fal radiowych:
• naturalne
– gwiazdy
– radiogalaktyki
– wyładowania atmosferyczne
• sztuczne
– zamierzone: nadajnik radiowy
– zakłócenia: silniki komutatorowe,
komputery, kuchenka mikrofalowa
Pasma fal radiowych
Fale bardzo długie
Fale długie
Fale średnie
Fale krótkie
Fale ultrakrótkie
Częstotliwość
Długość
fali
Literatura
• Aniołczyk H.: „Pola elektromagnetyczne. Źródła – oddziaływanie – ochrona” – Oficyna
Wydawnicza Instytutu Medycyny Pracy im. prof. Jerzego Nofera, Łódź, 2000
• Błoński M.: „Osobista elektrownia atomowa”
• Byczewska Z. i Dawydzik L.: „Medycyna pracy w praktyce lekarskiej” – Oficyna
Wydawnicza Instytutu Medycyny Pracy im. prof. Jerzego Nofera, Łódź, 1999
• Indulski J.A.: „Higiena pracy. Zagrożenia fizyczne i biologiczne. Działania ochronne”,
tom II – Oficyna Wydawnicza Instytutu Medycyny Pracy im. prof. Jerzego Nofera, Łódź,
1999
• http://www.postcarbon.pl/2008/01/05/elektrownie-atomowe/
• http://library.thinkquest.org/19662/high/pol/nuclear-reactor.html
• http://chemia.viii-lo.krakow.pl/energetyka/
• http://www.iwiedza.net/encyklo/jleter.html
• www.energy15.republika.pl
• www.iwiedza.net/encyklo
• www.if.pw.edu.pl/.../zal03/sobolewski/praca1.htm
Dziękuję za
uwagę