starojumi. radioaktivitāte
TRANSCRIPT
Starojumi.Radioaktivitāte.
P. Puķītis. Fizika 12. klasei: 112.-126. lpp.
Sasniedzamie rezultāti• Izskaidro atoma kodola īpašības, izmantojot protonu–
neitronu modeli.
• Apraksta atoma un atoma kodola starojuma rašanos.
• Izmantojot funkcionālās sakarības, aprēķina starojuma viļņa garumu un frekvenci.
• Skaidro radioaktīvo izotopu sabrukšanu, lietojot pussabrukšanas perioda jēdzienu.
• Zina α, β un γ starojuma reģistrācijas un novērošanas metodes.
Siltumstarojums
• Visi ķermeņi, kuru temperatūra ir virs absolūtās nulles (-273 oC), izstaro elektromagnētiskā starojuma kvantus (fotonus), izmantojot iekšējo enerģiju– zemā temperatūrā – infrasarkano staru diapazonā– vairāku simtu oC temperatūrā – arī redzamā gaisma– augstākā temperatūrā – arī UV starojums
• Nemainīga temperatūra (termodinamiskais līdzsvars) – izstarošana un absorbcija ir līdzsvarā
Stefana – Bolcmana likums
• Siltumstarojuma jauda P, kuru izstaro ķermeņa virsma, ir tieši proporcionāla absolūtās temperatūras T ceturtajai pakāpei un ķermeņa virsmas laukumam S
P = σ ε T4 Sσ (sigma) – Stefana-Bolcmana konstante σ=5,67 10∙ -8 W/(m2 K∙ 4)ε (epsilon) – emisijas koeficients
Absolūti melnam ķermenim ε=1, ūdenim ε=0,92
Siltumstarojuma spektrs• Sakarsētu ķermeņu siltumstarojuma spektrs ir
nepārtraukts• Nepārtrauktā spektrā katrai ķermeņa temperatūrai
atbilst viļņa garums λ, kur starojumam vislielākais jaudas blīvums I.
Luminiscentais starojums• Starojumu, kuru rada ķermeņi, ja atomi ierosināti
bez karsēšanas, sauc par luminiscento starojumu• Vielas spīd kādu laiku pēc atomu ierosināšanas
– fluorescence – pēcspīdēšanas ilgums sekundes daļas– fosforescence - pēcspīdēšanas ilgums vairākas minūtes,
stundas
http://giphy.com/search/fluorescence http://giphy.com/search/phosphorescent
Rentgenstarojums jeb X-starojums• EMV ar viļņu garumu 10-9 līdz 10-14 m• Dabiskie avoti – Saule un citas zvaigznes• Medicīnā un tehnikā iegūst ar rentgenlampām
http://giphy.com/search/xray
Rentgenstarojuma kvanta enerģija
• Rentgenstarojuma kvanta maksimālā enerģija Wmax atkarīga no lampai pieslēgtā sprieguma U:
m – elektrona masav – elektrona ātrums pie katoda
e – elektrona lādiņš
mv2
2= eU
Rentgenstarojuma kvanta enerģija
• Rentgenstarojumam ir maksimālā enerģija Wmax, ja visa kinētiskā enerģija pārvēršas kvanta enerģijā, tāpēc
hcλ = eU h – Planka konstante
c- gaismas ātrumsλ – viļņa garums
Rentgenstarojuma viļņa garums
• Īsākais rentgenstarojuma viļņa garums
hceUλ =
λ – viļņa garumsh – Planka konstante
c- gaismas ātrumse – elektrona lādiņš
U - spriegums
Kodola sastāvs• Atoma kodols sastāv no daļiņām – nukloniem
– protons• lādiņš – viena elementārā lādiņa vienība (q = 1e)• pieraksts: p (apakšējais skaitlis – lādiņš e
vienībās, augšējais – masa u vienībās)– neitrons• bez lādiņa• pieraksts: n (apakšējais skaitlis – nav lādiņa,
augšējais – masa u vienībās)
11
10
Ķīmisko elementu pieraksts
• Katru ķīmisko elementu apzīmē ar simbolu• Ar tādu pašu simbolu apzīmē kodolu, pierakstot
apzīmējumam divus skaitļus:– Z – protonu skaits– A – nuklonu skaits (A=Z+N jeb
nuklonu skaits = protonu + neitronu skaits)
X He U
AZ
42
23892
Izotopi
• Izotopi - viena un tā paša ķīmiskā elementa atomu kodoli, kas atšķiras ar neitronu skaitu N kodolā:
H H Hūdeņradis deitērijs tritijs
99,985% 0,015% iegūst mākslīgi n
11
21
31
Spēki atoma kodolā
• Starp nukloniem (protoni un neitroni) darbojas • gravitācijas pievilkšanās spēki (ļoti mazi),• kodolspēki• Starp protoniem darbojas Kulona atgrūšanās spēki• Kodolspēks ir stiprās mijiedarbības spēks, kas• darbojas starp visām kodola daļiņām• darbības rādiuss kodola lielumā• katra daļiņa miejiedarbojas ar noteiktu skaitu nuklonu
Kodolu saites enerģija• Kodolu saites enerģija ir vienāda ar darbu, kas
jāpadara, lai atoma kodolu sadalītu pa atsevišķiem nukloniem, nepiešķirot tiem kinētisko enerģiju
• Saites enerģiju aprēķina pēc Einšteina formulas:W = mc2
• Masas defekts: kodola masa ir mazāka nekā protonu un neitronu miera masa (daļa matērijas no vielas formas pārvēršas lauka formā)
Δm = Z m∙ p + N m∙ n - mk
Saites enerģijas noteikšana Noteikt saites enerģiju litija atoma kodolam Li!
1) no tabulas: litija kodola masa m = 7,01435 u2) protonu skaits Z=3 (1 prot. masa u vienībās 1,0073)
3) neitronu skaits N=7-3=4 (1 neitr. masa u vienībās 1,0087)
4) masas defekts Δm = 3 1,0073 + 4 1,0087 - 7,01435 = 0,04235 u∙ ∙1u = 1,7 10∙ -27 kg Δm = 1,7 10∙ -27 0,04235 = 7,1995 10∙ ∙ -29 kg5) Saites enerģija W = mc2 = 7,1995 10∙ -29 (3 10∙ ∙ 8)2 = 6,48 10∙ -12 J
73
Kodola stabilitāte
• Lai raksturotu kodola stabilitāti, salīdzina kodolu īpatnējo saites enerģiju w (saites enerģija uz vienu nuklonu)
• w =
• Piemēram, Li w=
WZ+N
6,48∙10-12
3+4= 9,3 ∙10-12 J/nuklonu
Jo lielāka īpatnējā saites enerģija, jo kodols stabilāks
Kodola stabilitāte• Kodolfizikā saites enerģiju bieži
izsaka megaelektronvoltos (MeV)• Litija kodola saites enerģija ir
W=39,6 MeV, īpatnējā saites enerģija w=5,65 MeV/nuklonu
• Grafikā parādīta īpatnējās saites enerģijas atkarība no nuklonu skaita
• Stabilāki kodoli, kas satur 50-60 nuklonu
Radioaktivitāte• Radioaktivitāte ir parādība, ka nestabili kodoli bez
ārējas iedarbības “sabrūk”.• Biežākie sabrukšanas veidi:• α sabrukšana (izdalās He kodoli)
Th Ra + He• β sabrukšana • β mīnus – kodols izstaro elektronu e• β plus – kodols izstaro pozitronu (elektrona
antidaļiņu) e
22890
22488
42
0-1
01
Radioaktivitāte• Biežākie sabrukšanas veidi:• γ sabrukšana (izdalās γ kvants, kodola stabilitāte
palielinās)
http://www.dialektika.lv/2016_08_01_archive.html
Radioaktīvo vielu sabrukšanas likums
• Katram radioaktīvajam izotopam ir noteikts pussabrukšanas periods T – laiks, kurā sabrūk puse no šī laika sākumā esošiem kodoliem
• Urānam U238 4,5 10∙ 9 gadi (4 500 000 000 gadi)• Rādijam Ra226 1617 gadi• Rādijam Ra222 3,8 diennaktis• Ogleklim C14 20,4 minūtes• Polonijam Po212 3 10∙ -7 sekundes
Radioaktīvo vielu sabrukšanas likums
• Nesabrukušo kodolu skaitu var aprēķināt pēc sakarības
• N – nesabrukušo kodolu skaits• N0 – radioaktīvās vielas kodoli sākumā• T – pussabrukšanas periods• t - laiks
Radioaktīvā starojuma īpatnības
Starojuma veids
Jonizācijas spēja
Caurspiešanās spēja
α Liela (ļoti bīstama)
Vismazākā (aiztur papīra lapa)
β Vidēja Vidēja (audos vairāki mm)
γ MazaLiela
(iekļūst dziļi, izdala lielu enerģiju)
Starojuma doza• Absorbētā doza Da – enerģija, ko ķermeņa masas
vienība saņēmusi apstarošanas rezultātā• SI mērvienība – grejs Gy: katrs ķermeņa masas kg
saņēmis 1 J jonizējošā starojuma (3-4 greji/mēnesī nogalina 50% cilvēku)
• Ekvivalentā doza De – ņem vērā starojuma veidu (bīstamību). De = wr Da (wr – bīstamības koeficients)
• mērvienība – zīverts Sv (4 Sv – staru slimība, mirst 60%)• wr neitroniem ir 5-10, α starojumam līdz 20
Starojuma doza
• Rentgens R – noteikta kvantu plūsmas intensitāte• 1 Sv = 100 R
• Dabiskais radioaktīvais fons – Latvijā 0,2 ϻSv/h, ne vairāk kā 2 mSv gadā
• Papildus gada laikā var uzņemt 1 mSv
Starojuma mērīšanas ierīces
• Geigera-Millera skaitītājs• scintilāciju skaitītājs• Vilsona kamera
http://collectionsonline.nmsi.ac.uk/detail.php?type=related&kv=454591&t=objects
https://www.sahmriresearch.org/our-research/research-facilities-and-equipment/general-equipment/scintillation-counter http://giphy.com/search/gas-chamber
Radioaktīvo izotopu izmantošana• Medicīna (diagnostika, ārstēšana)• Enerģijas iegūšana (kodolbaterijas, AES)• Iežu un fosīliju vecuma noteikšana• Defektoskopija (detaļu bojājumu noteikšana)• Bruņošanās
https://answersingenesis.org/geology/carbon-14/doesnt-carbon-14-dating-disprove-the-bible/
Sasniedzamie rezultāti• Izskaidro atoma kodola īpašības, izmantojot protonu–
neitronu modeli.
• Apraksta atoma un atoma kodola starojuma rašanos.
• Izmantojot funkcionālās sakarības, aprēķina starojuma viļņa garumu un frekvenci.
• Skaidro radioaktīvo izotopu sabrukšanu, lietojot pussabrukšanas perioda jēdzienu.
• Zina α, β un γ starojuma reģistrācijas un novērošanas metodes.
Papildus informācijas avoti:• http://www.dzm.lu.lv/fiz/IT/F_12/default.aspx@tabid=3&id=450.html • https://www.fizmix.lv/fiztemas/atoms-un-atoma-kodols-10/dazada-veida-starojumi • http://www.uzdevumi.lv/p/fizika/12-klase/atoms-un-atoma-kodols-3335
• Атомная физика https://interneturok.ru/physics/11-klass
Materiāli krievu valodā:
JAUTĀJUMI?