introductie fysische achtergronden ioniserende straling Sytze Brandenburg sb/radsaf2003/1

Transcriptie

1 introductie fysische achtergronden ioniserende straling Sytze Brandenburg sb/radsaf2003/1

2 ioniserende straling wat is het atoomfysica elementaire deeltjes fysica waar komt het vandaan atoomfysica kernfysica elementaire deeltjes fysica wat doet het atoomfysica chemie biologie sb/radsaf2003/2

3 bindingsenergie waarom valt materie niet uiteen in de bouwstenen aantrekkende krachten tussen de bouwstenen aarde: vaste stof: moleculen: atoom: zwaartekracht electro-magnetische kracht electro-magnetische kracht electro-magnetische kracht atoomkern: sterke kern-kracht zwakke kern-kracht electro-magnetische kracht energie nodig om de bouwstenen uit elkaar te halen sb/radsaf2003/3

4 massa en energie consequentie Einsteins relativiteitstheorie (1905): massa m is een maat voor energieinhoud E E = mc 2 lichtsnelheid c = x 10 8 m/s opname/afgifte van energie leidt tot een toename/afname van de massa E = ( m)c 2 sb/radsaf2003/4

5 massa en energie eenheden massa kg energie J = kg m 2 /s 2 (joule) ev = 1.6 x J (electronvolt) electronlading 1.6 x C atomaire massa eenheid (1/12 massa 12 C-atoom) 1.66 x kg = 1.49 x J/c 2 = MeV/c 2 1 mol 12 C-atomen weegt 12 gram getal van Avogadro 6.02 x per mol proton massa 1.67 x kg = 1.50 x J/c 2 = MeV/c 2 electron massa 9.1 x kg = 8.19 x J/c 2 = 511 kev/c 2 sb/radsaf2003/5

6 massa en energie chemische reacties verbranding van aardgas CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O kj/mol massa 80 gram/mol massaverschil m = -9 x10-9 gram/mol m/m = -1.1 x sb/radsaf2003/6

7 massa en energie ionisatie waterstofatoom ionisatie energie 13.6 ev = 2.2 x J massa 1.67 x kg massaverschil m = 2.4 x kg m/m = 1.5 x energie + sb/radsaf2003/7

8 massa en energie kernreactie in sterren 3 4 He 12 C massa 4 He amu = 6.65 x kg massa 12 C 12 amu = x kg massa verschil m = -1.3 x kg m/m = -6.5 x 10-4 vrijkomende energie = 1.2 x J = 7.3 MeV sb/radsaf2003/8

9 ioniserende straling wat is het atoomfysica elementaire deeltjes fysica waar komt het vandaan atoomfysica kernfysica elementaire deeltjes fysica wat doet het atoomfysica chemie biologie sb/radsaf2003/9

10 opbouw atoom straal 0.5 nm (5 x m) afstand atomen in vaste stof moderne microscopische technieken (AFM, STM) massa geconcentreerd in kern met straal 10 fm (10-14 m) Rutherford (1911) en moderne kernfysische experimenten drie soorten elementaire deeltjes in de kern: protonen en neutronen om de kern: electronen aantal electronen = aantal protonen electronen in vaste banen (schillen) om de kern electro-magnetische kracht protonen - electronen sb/radsaf2003/10

11 4He neutron lading0 proton lading+1 masa excitatieionisatie electron lading-1 masa 1/20 1 bouw atoom 4 He L-schil N M L K-schil excitatie K ionisatie proton lading +1 massa 1 neutron lading 0 massa 1 electron lading -1 massa 1/2000 sb/radsaf2003/11

12 bouw atoom K-schil 7 Li N M L L-schil proton lading +1 massa 1 neutron lading 0 massa 1 electron lading -1 massa 1/2000 K sb/radsaf2003/12

13 bouw atoom K-schil 7 Li N M L L-schil proton lading +1 massa 1 neutron lading 0 massa 1 electron lading -1 massa 1/2000 K sb/radsaf2003/13

14 excitatie K-schil 7 Li N M L-schil geladen deeltje foton L excitatie K foton E f = B K - B L geladen deeltje sb/radsaf2003/14

15 verval: foton emissie K-schil 7 Li N M L L-schil verval K foton E f = B K - B L foton sb/radsaf2003/15

16 verval: Auger-proces K-schil 7 Li N M L-schil L K KLL Auger emissie E KLL = B K - B L - B L electron sb/radsaf2003/16

17 excitatie K-schil 7 Li N M L-schil foton L excitatie K foton E f = B L - B M geladen deeltje M-schil geladen deeltje sb/radsaf2003/17

18 verval: foton emissie K-schil 7 Li N M L L-schil K verval foton E f = B L - B M M-schil foton sb/radsaf2003/18

19 ionisatie K-schil 7 Li N M ionisatie L L-schil geladen deeltje foton K foton E f > B K geladen deeltje electron sb/radsaf2003/19

20 verval: foton emissie K-schil 7 Li N M L L-schil K foton E f = B K - B L foton sb/radsaf2003/20

21 excitatie, ionisatie en verval elementen met hoger atoomgetal (Z) excitatie en ionisatie vanuit diepgelegen schil cascade van fotonen en/of Auger electronen competitie tussen foton-emissie en Auger-proces Z < 30 Auger-proces dominant Z > 30 foton-emissie dominant energie Auger-electronen < 60 kev maximale overgangsenergie H 10 ev 120 nm (UV) Pb 75 kev 0.02 nm (Röntgen) sb/radsaf2003/21

22 elementen H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Ku Rf Db Sg Bh Hs Mt Lanthaniden La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Actiniden Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lw alleen niet-stabiele, radioactieve isotopen, komen niet van nature voor alleen niet-stabiele, radioactieve isotopen, komen van nature voor sb/radsaf2003/22

23 ioniserende straling wat is het atoomfysica elementaire deeltjes fysica waar komt het vandaan atoomfysica kernfysica elementaire deeltjes fysica wat doet het atoomfysica chemie biologie sb/radsaf2003/23

24 bouw atoomkern protonen en neutronen (nucleonen) proton massa amu lading 1 neutron massa amu lading 0 aantrekkende sterke kern-kracht proton - proton proton - neutron neutron - neutron afstotende electro-magnetische kracht proton - proton straal < 10 fm (10-14 m) lichte kernen (A 40): N/Z 1 zware kernen N/Z steeds groter ( neutron-lijm ) compensatie electro-magnetische afstoting protonen sb/radsaf2003/24

25 bouw atoomkern schillenstruktuur (cf. atoombouw) excitatie proton (neutron) naar schil met hogere energie discrete energieën botsing met andere kern absorptie van γ-straling sb/radsaf2003/25

26 bouw atoomkern verval door uitzending van γ-straling (electro-magnetische straling) conversie-electronen (zware kernen) protonen, neutronen etc. discrete energieën overgangsenergie ~1 kev - ~ 10 MeV sb/radsaf2003/26

27 conversie nucleaire overgangsenergie overgedragen aan atomair electron E ce = E nucl - B ce sterkst voor K-schil (electron dichtbij kern) sterkst voor zware kernen (idem) bij lage overgangsenergie vrijwel volledig geconverteerd conversie coëfficiënt verhouding conversie-electronen/γ-fotonen α = N ce /N γ fractie conversie electronen f ce = α/(1+ α) sb/radsaf2003/27

28 atoomkern: bindingsenergie bindingsenergie [MeV/nucleon] massagetal sb/radsaf2003/28

29 atoomkern: bindingsenergie lichte kernen (A < 60) bindingsenergie neemt toe met A energiewinst door fusiereacties tussen lichte kernen energieproductie in sterren zware kernen (A > 200) bindingsenergie neemt af met A energiewinst door splijten kerncentrale vorming kernen met A > 60 neutron-vangst + β - -verval in ster-explosies sb/radsaf2003/29

30 nucliden sb/radsaf2003/30 zwart stabiel rood β+ verval/ electronvangst blauw β- verval geel α verval groen spontane splijting

31 radioactiviteit massa-/energieverschil kernen groter dan massa van deeltje dat uitgezonden moet worden voor overgang waarom geen onmiddelijk uit elkaar vallen uitgezonden deeltje moet door een barrière volgens klassieke fysica geen verval, quantumfysisch verschijnsel vervalskans/halveringstijd afhankelijk hoogte en breedte barrière sb/radsaf2003/31

32 radioactiviteit E snel verval traag verval afstand stabiel (E < 0) sb/radsaf2003/32

33 vervalskans A(t) aantal vervallende kernen per tijdseenheid (activiteit) N(t) aantal kernen dat kan vervallen fysische eigenschappen tijdsonafhankelijk vervalskans per tijdseenheid van individuele kern tijdsonafhankelijk afstand kernen >> afmetingen kern geen wisselwerking tussen kernen vervalskans individuele kern onafhankelijk van aantal A(t) = λ N(t) sb/radsaf2003/33

34 eenheid activiteit becquerel (Bq) 1 desintegratie (verval) per seconde kleine eenheid curie (Ci) aantal desintegraties in 1 gram puur 226 Ra levensduur 1580 jaar 3.7 x Bq grote eenheid sb/radsaf2003/34

35 vervalskans ( ) dn t dt dn t ( ) dt dn t ( ) ( ) ( ) Nt ( ) ( ) ( ) = A t; A t =λnt ( ) = λnt = λ dt ln Nt = λ t+ C ( ) = λ = ( ) ( ) =λ ( ) λ Nt Cexp( t);c N0 A t N0exp( t) sb/radsaf2003/35

36 vervalskans t ( ) ( ) ( ) Nt = N0 A τ dτ t ( ) ( ) ( ) ( ) = ( ) λ ( ) 0 Nt = N0 λn0 exp( λτ)dτ Nt N0 N0 0 exp( λτ) λ ( ) = ( ) ( ) [ λ ] Nt N0 N0 exp( t) 1 t 0 t 0 sb/radsaf2003/36

37 verval: lineaire grafiek N(t)/N(0) A(t)/A(0) λt sb/radsaf2003/37

38 verval: semi-logaritmische grafiek N(t)/N(0) A(t)/A(0) λt sb/radsaf2003/38

39 vervalskans halveringstijd na halveringstijd T 1/2 activiteit gehalveerd: A(T 1/2 ) = 1/2 A(0) aantal radioactieve kernen gehalveerd: N(T 1/2 ) = 1/2 N(0) N(T 1/2 ) = N(0) exp(-λt 1/2 ) = 1/2 N(0) exp(-λt 1/2 ) = 1/2 - λt 1/2 = ln(1/2) = -ln(2) T 1/2 = ln(2)/λ = 0.693/λ sb/radsaf2003/39

40 radioactiviteit: halveringstijd β - -verval 35 Na 138 La β + -verval 13 O 138 La electronvangst 178 Ta 92 Ni α-verval 219 Pa 144 Nd 1.5 ms jaar 8.5 ms jaar 9.3 minuut 3.6 x 10 7 jaar 53 ns 2.3 x jaar algemene regel kortere halveringstijd hogere energie deeltjes sb/radsaf2003/40

41 typen verval β - emissie (Z, N) (Z+1, N-1) + electron + anti-neutrino zwakke kern-kracht β + emissie (Z, N) (Z-1, N+1) + positron + neutrino zwakke kern-kracht electron vangst (Z, N) (Z-1, N+1) + neutrino zwakke kern-kracht + electro-magnetische kracht α emissie (Z, N) (Z-2, N-2) + α-deeltje ( 4 He-kern) sterke kernkracht spontane splijting (Z, N) 2 fragmenten ~(Z/2, N/2) + (2-3) n sterke kern-kracht + electro-magnetische kracht sb/radsaf2003/41

42 β-verval en electronvangst aantal nucleonen constant: isobaren sb/radsaf2003/42

43 β - verval atoommassa (M a ) kernmassa (M k ) + Z x electronmassa (m e ) β - -verval (Z, N) (Z+1, N-1) + β - + ν M k (Z, N) > M k (Z+1, N-1) + m e M a (Z, N) > M a (Z+1, N-1) beschikbare energie wordt verdeeld over electron en anti-neutrino electron energie varieert tussen 0 en E max E gem 1/3 E max E ( )( ) gem = 13Emax Z Emax sb/radsaf2003/43

44 β- verval (Z, N) Õ (Z+1, N-1) + β- + ν Ma(Z, N) > Ma(Z+1, N-1) continue energiespectrum E < Emax sb/radsaf2003/44

45 β + verval atoommassa (M a ) kernmassa (M k ) + Z x electronmassa (m e ) β + -verval (Z, N) (Z-1, N+1) + β + + ν M k (Z, N) > M k (Z-1, N+1) + m e M a (Z, N) > M a (Z-1, N+1) + 2m e beschikbare energie wordt verdeeld over positron en neutrino electron energie varieert tussen 0 en E max E gem 0.4 E max E gem β + > E gem β - β + door atoomkern afgestoten β - door atoomkern aangetrokken sb/radsaf2003/45

46 β + verval: annihilatiestraling positron anti-deeltje electron positron + electron annihilatie omzetting in twee fotonen E γ = m e c 2 sb/radsaf2003/46

47 β+ verval (Z, N) Õ (Z-1, N+1) + β+ + ν Ma(Z, N) > Ma(Z-1, N+1) + 2me continue energiespectrum E < Emax sb/radsaf2003/47

48 electronvangst atoommassa (M a ) kernmassa (M k ) + Z x electronmassa (m e ) electronvangst (Z, N) + electron (Z-1, N+1) + ν M k (Z, N) + m e > M k (Z-1, N+1) M a (Z, N) > M a (Z-1, N+1) meestal uit K-schil Röntgen-straling en/of Auger-electronen bij hoge Z concurrerend met β + -verval K-electronen dichtbij de atoomkern bij lage Z alleen als β + -verval energetisch niet mogelijk sb/radsaf2003/48

49 electronvangst (Z, N) + electronõ (Z-1, N+1) + ν Ma(Z, N) > Ma(Z-1, N+1) Röntgen- en γ-straling en Auger-electronen met discrete energieën sb/radsaf2003/49

50 α-verval M k (Z, N) > M k (Z-2, N-2) + M k (2, 2) M a (Z, N) > M a (Z-2, N-2) + M a (2, 2) discrete energieën sb/radsaf2003/50

51 spontane splijting kern valt uiteen in twee lichtere kernen neutronen lichtere kernen Z ~ A ~ vrijkomende energie ~ 200 MeV sb/radsaf2003/51