Powstawanie

Powstawanie

promieniowania

promieniowania

jonizującego

jonizującego

korpuskularnego i

korpuskularnego i

elektromagnetycznego.

elektromagnetycznego.

Oksana Huk

Oksana Huk

Atom

Atom

Najmniejsza część pierwiastka

Najmniejsza część pierwiastka

zachowująca jego właściwości.

zachowująca jego właściwości.

Elementarne składniki atomu:

Elementarne składniki atomu:

Protony, elektrony, neutrony.

Protony, elektrony, neutrony.

Elektrony

Elektrony



Elektrony w atomach poruszają się w wokół małego,

Elektrony w atomach poruszają się w wokół małego,

dodatniego

dodatniego

jądra

jądra

w obszarach zwanych

w obszarach zwanych

powłokami

powłokami

elektronowymi

elektronowymi

bądź orbitalami. Zachowanie elektronu w

bądź orbitalami. Zachowanie elektronu w

atomie zdeterminowane jest przez elektromagnetyczne

atomie zdeterminowane jest przez elektromagnetyczne

oddziaływanie z dodatnim jądrem oraz pozostałymi

oddziaływanie z dodatnim jądrem oraz pozostałymi

elektronami.

elektronami.



Obojętny atom-

Obojętny atom-

posiada tyle samo elektronów (powłoki) co

posiada tyle samo elektronów (powłoki) co

protonów (jądro).

protonów (jądro).



Dostarczenie energii z zewnątrz powoduje

Dostarczenie energii z zewnątrz powoduje

wzbudzenie

wzbudzenie

elektronów

elektronów

do wyższych stanów bądź jonizację atomu

do wyższych stanów bądź jonizację atomu

(oderwanie elektronu). Zwykle w procesach takich

(oderwanie elektronu). Zwykle w procesach takich

wzbudzane są tylko elektrony z najwyższych powłok

wzbudzane są tylko elektrony z najwyższych powłok

zwanych walencyjnymi, jednak promieniowanie o dużej

zwanych walencyjnymi, jednak promieniowanie o dużej

energii wzbudza lub odrywa od atomu elektrony z

energii wzbudza lub odrywa od atomu elektrony z

głębszych powłok.

głębszych powłok.

Jądro atomowe (nuklid)

Jądro atomowe (nuklid)

protony + neutrony =

protony + neutrony =

nukleony

nukleony



Protony

Protony



Obdarzone elementarnym

Obdarzone elementarnym

dodatnim ładunkiem

dodatnim ładunkiem

elektrycznym

elektrycznym

e=1,6021*10

e=1,6021*10

-19

-19

C

C



m

m

p

p

=1839,6 m

=1839,6 m

e

e

(spoczynkowa)

(spoczynkowa)



Neutrony

Neutrony



Elektrycznie obojętny

Elektrycznie obojętny



Masa 0,1% większa od

Masa 0,1% większa od

masy protonu i wynosi

masy protonu i wynosi

m

m

n

n

=1836,6 m

=1836,6 m

e

e

Liczba masowa, liczba

Liczba masowa, liczba

atomowa

atomowa



A- liczba masowa

A- liczba masowa

(protony + neutrony)

(protony + neutrony)



Z- liczba atomowa

Z- liczba atomowa

(protony)

(protony)



E- symbol

E- symbol

pierwiastka

pierwiastka



N=A-Z

N=A-Z

A

Z

E



Atomy tego samego pierwiastka,

Atomy tego samego pierwiastka,

mające tę samą liczbę atomową,

mające tę samą liczbę atomową,

oznaczone tym samym symbolem, a

oznaczone tym samym symbolem, a

różniące się liczbą masową

różniące się liczbą masową

nazywamy

nazywamy

izotopami

izotopami

, np. izotopy

, np. izotopy

wodoru:

wodoru:

1

2

3

1

1

1

,

,

H H H



Jądra atomowe o tej samej liczbie

Jądra atomowe o tej samej liczbie

nukleonów A, różniące się liczbą

nukleonów A, różniące się liczbą

atomową Z nazywamy

atomową Z nazywamy

izobarami

izobarami

, np.

, np.

14

14

14

6

7

8

,

,

C N O



Jądra zawierające taką samą liczbę

Jądra zawierające taką samą liczbę

neutronów (A-Z), a mają różne liczby

neutronów (A-Z), a mają różne liczby

Z i A nazywami

Z i A nazywami

izotonami

izotonami

, np.

, np.

6

7

9

2

3

5

,

,

He Li B



Istnieją nuklidy promieniotwórcze o

Istnieją nuklidy promieniotwórcze o

tych samych wartościach liczb

tych samych wartościach liczb

masowej A i atomowej Z, które różnią

masowej A i atomowej Z, które różnią

się energią, czyli właściwościami

się energią, czyli właściwościami

promieniotwórczymi (energia

promieniotwórczymi (energia

emitowanych cząstek, okres

emitowanych cząstek, okres

połowicznego rozpadu). Nazywamy je

połowicznego rozpadu). Nazywamy je

izomerami

izomerami

.

.

Promień jądra atomowego

Promień jądra atomowego



Jądra mają rozmiary rzędu 10

Jądra mają rozmiary rzędu 10

-14

-14

– 10

– 10

-

-

15

15

m, co stanowi około 1/100000

m, co stanowi około 1/100000

rozmiaru atomu. Jednak to w jądrze

rozmiaru atomu. Jednak to w jądrze

skupione jest ponad 99,9% masy

skupione jest ponad 99,9% masy

atomu.

atomu.



Promień jądra o liczbie masowej A:

Promień jądra o liczbie masowej A:

3

15

1,4

10

R

A

m

-

=

�

Masa jąder atomowych

Masa jąder atomowych

Energia wiązania jądra

Energia wiązania jądra



Podawana w

Podawana w

jednostkach atomowych

jednostkach atomowych

. Masa jąder węgla z definicji

. Masa jąder węgla z definicji

wynosi 12 jednostek atomowych. Wartość atomowej jednostki

wynosi 12 jednostek atomowych. Wartość atomowej jednostki

masy wynosi 1,661x10

masy wynosi 1,661x10

-27

-27

kg

kg



Jest mniejsza niż suma mas składników jądra. Różnica ∆M między

Jest mniejsza niż suma mas składników jądra. Różnica ∆M między

masą nukleonów wchodzących w skład jądra a masą jądra M

masą nukleonów wchodzących w skład jądra a masą jądra M

nazywamy defektem masy:

nazywamy defektem masy:



Korzystając z

Korzystając z

równoważności Einsteina

równoważności Einsteina

pomiędzy masą a energią

pomiędzy masą a energią

(E=mc

(E=mc

2

2

), po pomnożeniu ∆M przez c

), po pomnożeniu ∆M przez c

2

2

otrzymujemy wzór,

otrzymujemy wzór,

określający

określający

∆E wiązania jądra:

∆E wiązania jądra:

(

)

( , )

p

n

M

Z m

A Z m

M Z A

�

�

D =

� + -

� -

�

�

2

2

(

)

( , )

p

n

E

M c

Z m

A Z m

M Z A c

�

�

D =D � =

� + -

� -

�

�

�



Średnia energia wiązania przypadająca na jeden nukleon-

Średnia energia wiązania przypadająca na jeden nukleon-

dzielimy

dzielimy

otrzymaną zależność przez liczbę nukleonów A (wyrażana w MeV)

otrzymaną zależność przez liczbę nukleonów A (wyrażana w MeV)

1Mev=10

1Mev=10

6

6

eV 1eV=1,602x10

eV 1eV=1,602x10

-19

-19

J

J



Zależna jest ona od liczby nukleonów w jądrze

Zależna jest ona od liczby nukleonów w jądrze

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/53/Binding_energy_curve_-_common_isotopes.svg/400px-

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/53/Binding_energy_curve_-_common_isotopes.svg/400px-

Binding_energy_curve_-_common_isotopes.svg.png

Binding_energy_curve_-_common_isotopes.svg.png

Siły jądrowe

Siły jądrowe

siły, które wiążą ze sobą protony i neutrony w jądrze atomowym. Są

siły, które wiążą ze sobą protony i neutrony w jądrze atomowym. Są

szczególnym przypadkiem oddziaływań silnych.

szczególnym przypadkiem oddziaływań silnych.

Ich właściwości:

Ich właściwości:



krótki zasięg

krótki zasięg



są siłami

są siłami

przyciągającymi,

przyciągającymi,

dla bardzo małych odległości między

dla bardzo małych odległości między

nukleonami stają się siłami

nukleonami stają się siłami

odpychającymi

odpychającymi



w przybliżeniu siły p-p, n-p i n-n są równe

w przybliżeniu siły p-p, n-p i n-n są równe



występują tylko w jądrach atomowych, bo są

występują tylko w jądrach atomowych, bo są

krótkozasięgowe

krótkozasięgowe



siła tych oddziaływań jest ok. stokrotnie większa od sił

siła tych oddziaływań jest ok. stokrotnie większa od sił

elektrostatycznych

elektrostatycznych



wykazują niezależność od ładunku elektrycznego

wykazują niezależność od ładunku elektrycznego



występują tylko pomiędzy nukleonami

występują tylko pomiędzy nukleonami



mają charakter

mają charakter

dwuciałowy

dwuciałowy

, tzn. obecność innych nukleonów ma

, tzn. obecność innych nukleonów ma

niewielki wpływ na oddziaływanie pary nukleonów

niewielki wpływ na oddziaływanie pary nukleonów



wykazują tzw.

wykazują tzw.

wysycenie

wysycenie

: za pomocą sił jądrowych oddziałują na

: za pomocą sił jądrowych oddziałują na

siebie tylko najbliżej leżące nukleony

siebie tylko najbliżej leżące nukleony

Rozpady promieniotwórcze

Rozpady promieniotwórcze



Trwałość jąder atomowych zależy od liczby nukleonów (A)

Trwałość jąder atomowych zależy od liczby nukleonów (A)

oraz od stosunku N/Z

oraz od stosunku N/Z



Najtrwalsze nukleony- 25≤A≤150 (energia wiązania

Najtrwalsze nukleony- 25≤A≤150 (energia wiązania

przypadająca na jeden nukleon jest największa)

przypadająca na jeden nukleon jest największa)



Jądra o parzystych liczbach N i Z są trwalsze od jąder gdzie

Jądra o parzystych liczbach N i Z są trwalsze od jąder gdzie

jedna z tych liczb jest nieparzysta.

jedna z tych liczb jest nieparzysta.



Trwałe są jądra o takiej samej liczbie protonów i neutronów.

Trwałe są jądra o takiej samej liczbie protonów i neutronów.



Liczba neutronów wyraźnie różna od liczby protonów-

Liczba neutronów wyraźnie różna od liczby protonów-

tendencja do rozpadu

tendencja do rozpadu

β

β



Wszystkie ciężkie jądra A≥210 są promieniotwórcze

Wszystkie ciężkie jądra A≥210 są promieniotwórcze

(rozpadają się).

(rozpadają się).



Dla jąder o Z≤83 nie ma żadnego trwałego izotopu.

Dla jąder o Z≤83 nie ma żadnego trwałego izotopu.

Promieniotwórczość

Promieniotwórczość



Właściwość wzbudzonych jąder

Właściwość wzbudzonych jąder

atomów do samorzutnego rozpadu i

atomów do samorzutnego rozpadu i

emisji cząstek

emisji cząstek

α

α

,

,

β

β

, fotonów

, fotonów

γ

γ

.

.



Naturalna promieniotwórczość.

Naturalna promieniotwórczość.

Prawo rozpadu

Prawo rozpadu

promieniotwórczego

promieniotwórczego



Liczba jąder rozpadających się w jednostce

Liczba jąder rozpadających się w jednostce

czasu dN/dt jest proporcjonalna do liczby N

czasu dN/dt jest proporcjonalna do liczby N

jąder istniejących, czyli tych, które nie

jąder istniejących, czyli tych, które nie

uległy rozpadowi:

uległy rozpadowi:

λ

λ

–stała rozpadu promieniotwórczego, oznacza

–stała rozpadu promieniotwórczego, oznacza

prawdopodobieństwo rozpadu promieniotwórczego

prawdopodobieństwo rozpadu promieniotwórczego

nuklidu w czasie

nuklidu w czasie

dN

N

dt

l

=-

Okres połowicznego rozpadu

Okres połowicznego rozpadu

N

N

0

0

- liczba jąder pierwiastka w chwili t=0

- liczba jąder pierwiastka w chwili t=0

N- liczba jąder pierwiastka po czasie t

N- liczba jąder pierwiastka po czasie t

t, e- podstawa logarytmu naturalnego

t, e- podstawa logarytmu naturalnego

0

t

N N e

l

-

=

http://www.stantop.pl/fiza/IPJ/rys2r1.JPG

http://www.stantop.pl/fiza/IPJ/rys2r1.JPG

Rozpad

Rozpad

α

α



Jądra helu

Jądra helu



Ek cząsteczek

Ek cząsteczek

alfa mieści się w granicach

alfa mieści się w granicach

2-9 MeV. Zależna jest od stałej rozpadu i

2-9 MeV. Zależna jest od stałej rozpadu i

determinuje okres połowicznego rozpadu.

determinuje okres połowicznego rozpadu.



Prawdopodobieństwo rozpadu jest tym

Prawdopodobieństwo rozpadu jest tym

większe im większa liczba Z.

większe im większa liczba Z.



Jądra bardzo ciężkich atomów A≥210

Jądra bardzo ciężkich atomów A≥210

4

4

2

2

A

A

Z

Z

X

Y

a

-

-

�

+

4

2

He

Rozpad

Rozpad

β

β

β

β

Rozpad β

Rozpad β

+

+

Rozpad β

Rozpad β

-

-

Wychwyt

Wychwyt

elektronu orbitalnego

elektronu orbitalnego

Rozpad

Rozpad

β

β

-

-



Z jądra wyrzucany elektron

Z jądra wyrzucany elektron



Poprzedzone przemianą w jądrze neutronu

Poprzedzone przemianą w jądrze neutronu

w proton, elektron i antyneutrino

w proton, elektron i antyneutrino



Zachowane: energia, pęd, spin, ładunek

Zachowane: energia, pęd, spin, ładunek

elektryczny, liczba nukleonów

elektryczny, liczba nukleonów



Nadmiar neutronów w stosunku do

Nadmiar neutronów w stosunku do

protonów

protonów

1

1

0

0

1

1

n

p

e v

+

-

�

+

+%

0

1

1

A

A

Z

Z

X

Y

v

b

+

-

�

+

+%

Rozpad

Rozpad

β

β

+

+



Z jąder emitowane

Z jąder emitowane

pozytony

pozytony

(dodatnie elektrony)

(dodatnie elektrony)



Przemiana protonu w neutron,

Przemiana protonu w neutron,

pozyton i neutrino:

pozyton i neutrino:



Nadmiar protonów do liczby

Nadmiar protonów do liczby

neutronów.

neutronów.

1

1

0

1

0

1

p

n

e v

+

+

�

+

+

0

1

1

A

A

Z

Z

X

Y

v

b

-

+

�

+

+

Rozpady

Rozpady

β

β

+

+

i β

i β

-

-



Ek emitowanych cząstek

Ek emitowanych cząstek

nie jest

nie jest

stała

stała

, lecz tworzy

, lecz tworzy

widmo ciągłe

widmo ciągłe

.

.

(różny możliwy podział energii

(różny możliwy podział energii

między elektron a neutrino czy

między elektron a neutrino czy

pozyton a neutrino)

pozyton a neutrino)



Suma energii emitowanych podczas

Suma energii emitowanych podczas

rozpadu jest

rozpadu jest

stała

stała

.

.

Wychwyt elektronu

Wychwyt elektronu

orbitalnego

orbitalnego



Przekształcenie neutronu w proton w

Przekształcenie neutronu w proton w

jądrze (elektron z powłoki K)

jądrze (elektron z powłoki K)



Towarzyszy emisja neutrina

Towarzyszy emisja neutrina



Jądro zwiększa o 1 liczbę porządkową.

Jądro zwiększa o 1 liczbę porządkową.

1

0

1

1

1

0

p

e

n v

+

-

+

�

+

0

1

1

A

A

Z

Z

X

e

Y v

-

+

+

�

+

Przemiana

Przemiana

γ

γ



Emisja fotonu

Emisja fotonu

γ

γ

(kwant promieniowania

(kwant promieniowania

elektromagnetycznego o bardzo dużej energii

elektromagnetycznego o bardzo dużej energii

od 1 MeV do 4 MeV)

od 1 MeV do 4 MeV)



Po przejściu jądra pierwiastka

Po przejściu jądra pierwiastka

promieniotwórczego ze stanu wzbudzonego do

promieniotwórczego ze stanu wzbudzonego do

stanu o niższej energii.

stanu o niższej energii.



Zazwyczaj towarzyszy przemianom

Zazwyczaj towarzyszy przemianom

α lub β

α lub β

*

A

A

Z

Z

X

X g

�

+

Promieniowanie X

Promieniowanie X

Promieniowanie rentgenowskie

Promieniowanie rentgenowskie

to

to

rodzaj promieniowania

rodzaj promieniowania

elektromagnetycznego, którego

elektromagnetycznego, którego

długość fali mieści się w zakresie od

długość fali mieści się w zakresie od

10

10

pm do 10 nm

pm do 10 nm

. Zakres promieniowania

. Zakres promieniowania

rentgenowskiego znajduje się pomiędzy

rentgenowskiego znajduje się pomiędzy

ultrafioletem i promieniowaniem

ultrafioletem i promieniowaniem

gamma. Znanym skrótem nazwy jest

gamma. Znanym skrótem nazwy jest

promieniowanie rtg

promieniowanie rtg

.

.

Widmo fal

Widmo fal

elektromagnetycznych

elektromagnetycznych

Promieniowanie X

Promieniowanie X

Promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się w praktyce (np.

Promieniowanie rentgenowskie uzyskuje się w praktyce (np.

w

w

lampie rentgenowskiej

lampie rentgenowskiej

) poprzez wyhamowywanie

) poprzez wyhamowywanie

rozpędzonych elektronów na materiale o dużej (powyżej 20)

rozpędzonych elektronów na materiale o dużej (powyżej 20)

liczbie atomowej

liczbie atomowej

(promieniowanie hamowania

(promieniowanie hamowania

), efektem

), efektem

czego jest powstanie promieniowania o charakterystyce

czego jest powstanie promieniowania o charakterystyce

ciągłej, na którym widoczne są również piki pochodzące od

ciągłej, na którym widoczne są również piki pochodzące od

promieniowania charakterystycznego anody (rozpędzone

promieniowania charakterystycznego anody (rozpędzone

elektrony wybijają elektrony z atomów anody). Luki po

elektrony wybijają elektrony z atomów anody). Luki po

wybitych elektronach na dolnych powłokach elektronowych

wybitych elektronach na dolnych powłokach elektronowych

pozostają puste do czasu, aż zapełnią je elektrony z wyższej

pozostają puste do czasu, aż zapełnią je elektrony z wyższej

powłoki. Elektron przechodząc z wyższego stanu emituje

powłoki. Elektron przechodząc z wyższego stanu emituje

kwant promieniowania rentgenowskiego - następuje emisja

kwant promieniowania rentgenowskiego - następuje emisja

charakterystycznego promieniowania X. Promieniowanie X

charakterystycznego promieniowania X. Promieniowanie X

powstaje także w wyniku

powstaje także w wyniku

wychwytu elektronu

wychwytu elektronu

, tj. gdy jądro

, tj. gdy jądro

przechwytuje znajdujący się na powłoce K elektron, w

przechwytuje znajdujący się na powłoce K elektron, w

wyniku czego powstaje wolne miejsce, na które spadają

wyniku czego powstaje wolne miejsce, na które spadają

elektrony z wyższych powłok i następuje emisja kwantu X.

elektrony z wyższych powłok i następuje emisja kwantu X.

Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma



Wysokoenergetyczna forma

Wysokoenergetyczna forma

promieniowania

promieniowania

elektromagnetycznego

elektromagnetycznego



Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma

wytwarzane jest w wyniku

wytwarzane jest w wyniku

przemian jądrowych

przemian jądrowych

albo

albo

zderzeń jąder lub cząstek

zderzeń jąder lub cząstek

subatomowych, a

subatomowych, a

promieniowanie

promieniowanie

rentgenowskie, w wyniku

rentgenowskie, w wyniku

zderzeń elektronów z

zderzeń elektronów z

atomami

atomami

.

.



Promieniowanie gamma

Promieniowanie gamma

jest

jest

promieniowaniem

promieniowaniem

jonizującym

jonizującym

i

i

przenikliwym

przenikliwym

.

.

Źródła promieniowanie

Źródła promieniowanie

gamma

gamma



Przemiana jądrowa

Przemiana jądrowa

– jądra atomowe izotopów

– jądra atomowe izotopów

promieniotwórczych po rozpadzie znajdują się w

promieniotwórczych po rozpadzie znajdują się w

stanie wzbudzonym. Powrót do stanu

stanie wzbudzonym. Powrót do stanu

podstawowego, o niższej energii, powoduje emisję

podstawowego, o niższej energii, powoduje emisję

fotonu gamma.

fotonu gamma.



Reakcja syntezy

Reakcja syntezy

– dwa jądra atomowe zderzają się,

– dwa jądra atomowe zderzają się,

tworząc nowe jądro w stanie wzbudzonym. Jego

tworząc nowe jądro w stanie wzbudzonym. Jego

przejściu do stanu podstawowego może towarzyszyć

przejściu do stanu podstawowego może towarzyszyć

emisja jednego lub wielu kwantów gamma.

emisja jednego lub wielu kwantów gamma.



Anihilacja

Anihilacja

– zderzenie

– zderzenie

cząstki i antycząstki

cząstki i antycząstki

, np.

, np.

elektronu i pozytonu, powoduje zniknięcie obu tych

elektronu i pozytonu, powoduje zniknięcie obu tych

cząstek i emisję co najmniej dwóch fotonów gamma

cząstek i emisję co najmniej dwóch fotonów gamma

Literatura

Literatura



F. Jaroszyk (red.), „Biofizyka”, PZWL,

F. Jaroszyk (red.), „Biofizyka”, PZWL,

Warszawa, 2001.

Warszawa, 2001.



J. Sawicka, A. Janich-Kilian,

J. Sawicka, A. Janich-Kilian,

W. Cejner-

W. Cejner-

Mania, G. Urbańczyk „Tablice

Mania, G. Urbańczyk „Tablice

Chemiczne”, Podkowa, Gdańsk 2002

Chemiczne”, Podkowa, Gdańsk 2002



www.wikipedia.pl

www.wikipedia.pl