1. Wstęp teoretyczny

1. Atom

Atomy składają się z trzech rodzajów cząstek: protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony upakowane są w jądrze, które zajmuje w atomie pozycję centralną, elektrony zaś krążą wokół niego. Przeciętna jego średnica wynosi jedną lub dwie dziesięciomiliardowe części metra.

Jądro atomowe to centralna część każdego atomu, w której skoncentrowana jest niemal cała masa atomu. Istnienie masywnych jąder atomowych o objętości stanowiącej tylko niewielką część objętości całego atomu zostało stwierdzone w 1911 roku przez E. Rutherforda i jego współpracowników. Nie znamy kształtu jądra, ale najczęściej przyjmujemy, że jest on kulisty.

Jądro składa się z protonów (ich liczbę Z nazywa się liczbą atomową) i neutronów. Składniki jądra czyli protony i neutrony nazywamy nukleonami (liczba A nukleonów w jądrze zwana jest liczbą masową tego jądra. Jądra atomowe o tej samej liczbie protonów a różnej liczbie neutronów nazywamy izotopami (jądra tego samego pierwiastka)

Proton - cząstka elementarna (jądro atomu lekkiego H), masa spoczynkowa to 1,007595 j.m.at o ładunku +1. Uwalnia się w niektórych przemianach jądrowych (nienaturalnych). Przyspieszane w akceleratorach do wysokich energii wywołują wiele reakcji jądrowych.

Neutron - cząstka elementarna, masa spoczynkowa to 1,0088 j.m.at. ładunek elektryczny równy jest zeru. Występują w większej ilości niż protony, ale mogą istnieć w stanie związanym wewnątrz jądra. W stanie wolnym jest promieniotwórczy i pospada się wg. Poniższego schematu:

N p⁽⁺⁾+e^(-)+ν

Izotopy trwałe - izotopy naturalne lub sztuczne, których jądra nie ulegają samotnej przemianie promieniotwórczej.

Izotopy nietrwałe - ulegają samorzutnym przemianom jądrowym. Rozróżniamy naturalne i sztuczne.

Pierwiastki o liczbie Z
84 (Polon, Astat, Radon, Frans, Rad, aktyn, Tor, Protaktyn, Uran) są promieniotwórcze.

Pierwiastki możemy podzielić na:

• pierwiastki czyste (występujących w przyrodzie): Be, F, Na, Al, P, Mn, Co, As, J, Cs, Au, Bi - nie mają izotopów. Istnieją izotopy pierwiastków czystych, ale wszystkie są otrzymywane sztucznie i są promieniotwórcze(niektóre mogą być tzw. długożyjące np. ¹⁴C^*- 5725 lat)

• pierwiastki mieszane

1. Promieniotwórczość

Promieniotwórczość - to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder połączone z emisją cząstek beta, cząstek alfa oraz dochodzi do rozszczepienia jądra atomowego z dodatkowym uwolnieniem neutronów lub do przemiany izomerycznej. Wszystkim tym przemianom towarzyszy wysyłanie kwantów promieniowania γ. Na przemianę jądra nie mają wpływu czynniki zewnętrzne takie jak: temperatura, pole magnetyczne czy skupienie materiału promieniotwórczego.

Promieniotwórczość możemy podzielić na promieniotwórczość:

• naturalną (towarzysząca przemianom jądrowym izotopów występujących w przyrodzie)

• sztuczną (zachodzącą w jądrach atomów otrzymywanych sztucznie - poprzez bombardowanie jąder trwałych pierwiastków cząstkami alfa oraz beta).

Najkrócej i najprościej mówiąc promieniowanie jest to wysyłanie i przekazywanie energii na odległość. Trzy główne rodzaje promieniowania: elektromagnetyczne, jądrowe, energii fal sprężystych.

Naturalne atomy promieniotwórcze np. znajdujące się w rudzie uranowej. Sztuczne, wytwarzane są z trwałych atomów przez bombardowanie elementami jądra atomowego (neutrony, protony, cząstki α), w wyniku czego wyrzucają z siebie z ogromną prędkością cząstki, można posłużyć się określeniem fragmenty samych atomów. Posiadają one olbrzymi ładunek energii kinetycznej zwarzywszy na ich niewielkie rozmiary. Pochodzą one z małego, masywnego jądra macierzystego atomu promieniotwórczego, co wskazuje na ogromne pokłady energii jądrowej. Część z niej wyzwala się w przemianach promieniotwórczych. W dzisiejszych czasach technologie pozwalają na produkowanie nietrwałych promieniotwórczych atomów (izotopy), co pozwala znacznie przyspieszyć reakcje wyzwalania energii jądrowej.

W pewnych warunkach jądro zamiast „wyrzucić” mały odłamek, rozpada się na niemal równe części. To proces rozszczepienia, który dostarcza większą porcje energii i jest źródłem dodatkowych neutronów powodujących rozszczepienie sąsiednich jąder atomowych, stwarza tym samym możliwość powstania wybuchowej reakcji łańcuchowej (Hiroszima, Nagasaki).

Rozszczepieniu mogą ulegać, tylko niektóre bardzo ciężkie jądra np. Uran, Pluton. Jednak jądra lekkich atomów (np. H) łącząc się ze sobą po kilka w cięższe jądra, powodują wyzwalanie energii jest to synteza jądrowa. Tylko w ekstremalnych warunkach, w wysokich temperaturach (gwiazdy), prędkość bezwładnego ruchu cząsteczek jest w stanie osiągnąć taką wartość, że przy zderzeniu możliwa jest synteza jądrowa (termonuklearna). Ogromna ilość energii, podtrzymuje temperaturę i doprowadza do dalszej reakcji łańcuchowej.

Bomba wodorowa

Zawiera ciekła mieszaninę 2 izotopów wodoru:

Deuteru
i Trytu

Inicjatorem wybuchu bomby wodorowej jest wybuch „zwykłej” bomby jądrowej (uranowej lub plutonowej), wytwarzającej temperaturę kilku milionów stopni wystarczającej do termo syntezy Helu z deuteru i trytu. Promieniowanie całkowitego zniszczenia wynosi 10-12 km.

Przemianami promieniotwórczymi rządzą prawidłowości o charakterze statycznym.

PROMIENIOWANIE α - strumień cząstek α (jąder ₂⁴He) wyrzucanych z jąder izotopów promieniotwórczych ulegających rozpadowi α. Duża masa i duży ładunek powodują ze ich zasięg jest mały (do 3 cm w powietrzu), ale towarzyszy temu bardzo duża energia (2-9 MeV).

Cząstki alfa są wytwarzane przez jądra pierwiastków promieniotwórczych, jak np. uran i rad. Proces ten określa się jako rozpad alfa. Przykładowa reakcja rozpadu alfa:

₈₈²²³ Ra ₈₆²¹⁹Rn +₂⁴He

Jądro, które wyemituje cząstkę alfa pozostaje zwykle w stanie wzbudzonym, co wiąże się z dodatkową emisją kwantu gamma. W rozpadzie alfa udział biorą oddziaływania silne.

PROMIENIOWANIE β - strumień szybko poruszających się cząstek β wysyłanych przez izotopy promieniotwórcze ulegające przemianie β. Mają energie od ułamków MeV do kilki MeV.

Promieniowanie beta powstaje podczas rozpadu beta, jest strumieniem elektrony e^- i pozytony e⁺ poruszających się z prędkością zbliżoną do prędkości światła. Zostaje ono silnie pochłaniane przez materię, przez którą przechodzi. Promieniowanie to jest zatrzymywane już przez miedzianą blachę. Zasięg - 10 cm. Biorąc pod uwagę masę i ładunek (
g i

PROMIENIOWANIE
- promieniowanie elektromagnetyczne λ<0,2Å. Zakres promieniowania gamma częściowo pokrywa się z zakresem promieniowania rentgenowskiego. W wielu publikacjach rozróżnienie promieniowania gamma oraz promieniowania X opiera się na ich źródłach, a nie na długości fali. Promieniowanie gamma wytwarzane jest w wyniku przemian jądrowych albo zderzeń jąder lub cząstek subatomowych, a promieniowanie rentgenowskie, w wyniku zderzeń elektronów z atomami. Promieniowanie gamma jest promieniowaniem jonizującym i przenikliwym. Nazwa promieniowania gamma pochodzi od greckiej litery
. Zasięg do 100m. Energia kwantu promieniowania
(fotonu) hν - kilka MeV.

W wyniku przemian promieniotwórczych powstają nowe jądra, są one w stanie wzbudzonym, ich przejściu do niższego poziomu energetycznego towarzyszy emisja
.

IZOMERIA JĄDER - zjawisko występowania jąder atomowych w różnych stanach energetycznych. Jądra izomeryczne mają identyczną liczbę protonów i neutronów. Jądro o wyższym stanie energetycznym przechodzi w niższy, trwalszy, z emisją kwantu gamma lub zmienia się w inne jądro, które dalej ulega rozpadowi beta. Izomeria jąder atomowych obejmuje nieraz kilka stanów energetycznych, np. w przypadku antymonu ¹²⁴Sb znane są jądra izomeryczne o czasach połowicznego rozpadu 1,3 min, 21 min i 53,7 dnia. Zjawisko izomerii jądrowej odkrył w 1921 O.Hahn.

1.3 KRZYWA ROZPADU PROMIENIOTWÓRCZEGO

Zależność aktywności danego izotopu promieniotwórczego od czasu zwane jest krzywą ropadu promieniotwórczego.

J= f(t) lub N= f(t)

Czas po którym N₀ (J) spada do połowy wartości początkowej nazywana jest okresem połowicznego zaniku lub okresem półtrwania.

W danym momencie mamy N₀ atomów, liczba rozpadów w jednostce czasu:

Czyli:

Po scałkowaniu:

Każdy izotop promieniotwórczy charakteryzuje się swoją wartością λ (stała rozpadu), określa ona szybkość zaniku radioaktywności.

Większość pierwiastków ma kilka izotopów trwałych. Analiza właściwości izotopów stabilnych istniejących w przyrodzie jak i promieniotwórczych uzyskanych sztucznie stwierdza, że: stosunek liczby protonów do liczby neutronów musi zamykać się w pewnych granicach, by jądro było stabilne.

Ścieżka stabilności pokazuje znane w przyrodzie stabilne jądra (czarne kwadraciki) o określonej wartości A i Z. Kwadraciki czerwone reprezentują znane niestabilne jądra, które rozpadają się w różnym czasie na skutek procesów promieniotwórczych lub w wyniku rozszczepienia. Zwróćmy uwagę, że ścieżka stabilności odchyla się od prostej Z=N w stronę nadmiaru neutronów. Związane to jest z faktem, że oddziaływania jądrowe są krótkozasięgowe w odróżnieniu od dalekozasięgowych oddziaływań kulombowskich (odpychanie elektrostatyczne). Tak więc protony odpychają się z siłą proporcjonalną do (każdy z każdym) podczas gdy oddziaływania jądrowe są proporcjonalne do A (nukleon przyciąga tylko najbliższych sąsiadów). Nadmiar nieodpychających się neutronów kompensuje szybszy wzrost sił kulombowskich. Ścieżka stabilności urywa się dla Z=84 i cięższe jądra są już niestabilne. Nie znamy trwałych (niepromieniotwórczych), cięższych pierwiastków.

do Z=20

Z = A-Z 2Z=A Z=A/2

l. protonów= l. neutronów

gdy Z>20

stabilne są te, gdy A-Z>Z A>2Z A/2>Z

nadmiar protonów jest coraz większy

Jeżeli izotop wykracza poza ścieżkę stabilności, to staje się promieniotwórczy, a jego typ rozpadu będzie zależał od tego, czy jest nadmiarowo-neutronowym, czy też nadmiarowo-protonowym względem tej ścieżki. Na ogół, im dalej odchodzi się od ścieżki stabilności, tym krótsze są czasy zużycia izotopów.

Promieniotwórczość sztuczna

Przyspieszanie w akceleratorach (cyklon, betatron) protonów, deuteronów, cząstek α. Reakcje te zapisuje się:

(p,n) (p,γ) (D,n) (D,p) (α,n)

2. Część doświadczalna

Z wykorzystaniem licznika Geigera

pierwiastek	Pz [pA/kg]	Pp [μSr/h]	Dopuszczalny czas Tmax [godz]
Uran	7	0,973	102,77
Tor	15	2,085	47,96
Rad	44	6,116	16,35
Uran na tekturze	2	0,278	359,7
Tor na tekturze	2	0,278	359,7
Ołów + Rad	3
Po zdjęciu osłony
Tor	16	2,224	45
Uran	35	4,865	21
Rad	700	97,3	1,03

Uran - octan uranylocynkowy

Tor - octan toru

Rad - Czujnik pokryty farbą radową

Najbardziej promieniotwórczy jest Rad, dopuszczalny czas dla czujnika pokrytego farbą radową o niewielkim rozmiarze to 16 godzin, jest to krotki czas w porównaniu z Torem (47 h) czy Uranem (102 h). Zastosowanie płytki z ołowiu w przypadku Radu wpływa na duży spadek P_z z 44 do 3, świadczy to o zatrzymywaniu promieniowania przez ołów.

Gdy zbadano te same pierwiastki naklejone na tekturę o znacznie mniejszych rozmiarach i masie dla Uranu i Toru dopuszczalny czas wynosił 359 h. Wniosek: im mniejsza masa tym mniejsza promieniotwórczość i dłuższy dopuszczalny czas (T_max).

Po zdjęciu osłony urządzenia zauważono radykalną zmianę wartości P_z, najlepiej jest to zauważyć na przykładzie Radu gdzie P_z wzrosło do 700, co oczywiście świadczy o skróceniu dopuszczalnego czasu (T_max) do 1 godziny.

---