¡Radioaktivita a ionizující záření ¡ ¡Karel Katovský ¡ ¡ ¡ ¡Ústav elektroenergetiky ¡Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií ¡Vysoké učení technické v Brně ¡ ¡ Přednáška v rámci výuky předmětu „MvZ216 Uran v mezinárodních vztazích a Česká republika “ 15. října 2012 •Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně •2 PŘEDNÁŠKA ¡Motivace ¡ ¡Historie objevování radioaktivity ¡ ¡Struktura jádra, radioaktivní přeměny ¡ ¡Ionizující záření – alfa, beta, gama, neutrony... ¡ ¡Zdroje ionizujícího záření ¡ ¡Přirozené ionizující záření ¡ ¡Atomový obal, atomové jádro (100 000 : 1 = Brno : puk) ¡ ¡Prvky, izotopické složení prvků ¡(periodická tabulka je 3D! – Table of nuclides) ¡ ¡Stabilní vs. nestabilní izotopy (uhlík, draslík: 12C/14C, 39K/40K) ¡ ¡Fyzikální vs. chemické vlastnosti (uran – 235U/238U) ¡ ¡Slupkový model jádra, energetické hladiny → gama ¡ ¡Elektronový obal, energetické hladiny → RTG záření X FYZIKA ATOMOVÉHO JÁDRA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 3 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 4 ¡Nukleosyntéza ¡ ¡Proces vedoucí od volných elementárních částic po složitá atomová jádra ¡ ¡Atomy a molekuly VZNIK PRVKŮ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 5 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 6 Periodicka_tabulkka Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 7 nukl2 Periodicka_tabulkka ¡Fyzikální vlastnost nestabilního přírodního nebo umělého radionuklidu (prvku, izotopu) ¡ ¡Doprovázena „transmutací“ vznikem chemicky odlišného prvku s jinými vlastnostmi (hovoříme o jaderné přeměně, slangově rozpadu) ¡ ¡Doprovázena přeměnou energie (uvolněním energie) ¡ ¡Doprovázena emisí částic a energetických kvant elektromagnetického pole (fotonů) ¡ ¡Pozor na „Radioaktivní záření“! RADIOAKTIVITA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 8 ¡Radioaktivita je jev, kdy dochází k samovolné vnitřní přeměně atomových jader, přičemž je emitováno vysokoenergetické záření. ¡ ¡Jádra vykazující tuto vlastnost se nazývají radionuklidy. RADIOAKTIVITA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 9 HISTORIE JADERNÉ FYZIKY Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 10 ZÁLEŽÍ NA TOM, JAK SE DO TOHO TŘÍSKNE Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 11 Periodicka_tabulkka ¡Historie objevování atomů, prvků, elektromagnetismu, vesmíru, spekter... ¡ ¡Henry Bequerel ¡ ¡Konrad Roentgen ¡ ¡Marie Curie-Skłodowská, Pierre Curie (Irene Curie-Joliot...) ¡ ¡Planck, Einstein, de Broglie, Rutherford, Bohr... ¡ ¡František Běhounek, Čestmír Šimáně ¡ HISTORIE Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 12 ¡ RADIOFOBIE VS. RADIOFILIE Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 13 C:\Users\kankovskjos\Desktop\LU_2013\obrázky\iradia[1].jpg •13 C:\Users\kankovskjos\Desktop\LU_2013\obrázky\untitled.bmp Soda atomique – zdraví které chutná Oblečení IRADIA a už vám nikdy zima nebude ¡Atomová oblačná komora ¡Zábavné, snadné, vzrušující ¡Obsahuje pouze bezpečný radioaktivní materiál ¡ ¡ ¡ ¡ •13 C:\Users\kankovskjos\Desktop\LU_2013\obrázky\tho-radia_b-1[1].jpg Zářivě krásná! http://postapo.cz/wp-content/gallery/radiace/001.jpg C:\Users\kankovskjos\Desktop\LU_2013\obrázky\radioactive-chocolate[1].jpg http://transact.up.n.seesaa.net/transact/image/radiummatches.jpg ¡Přeměna alfa ¡ ¡Přeměna beta (b-, b+, EC) ¡ ¡Přeměna gama ¡ ¡Exotické přeměny ¡ ¡Doprovodné jaderně-fyzikální jevy, emise gama záření, emise roentgenovského X-záření, brzdné Brehmsstrahlung záření PŘEMĚNY JADER, RADIOAKTIVITA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 14 ¡ RADIOAKTIVITA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 15 ¡ POLOČAS PŘEMĚNY (ROZPADU) Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 16 ¡Přímo ionizující ¡ §Proton, nabitá částice, přímo „vytrhává“ elektrony z atomových obalů ¡ ¡ ¡ ¡Nepřímo ionizující ¡ §Neutron, musí nejdříve reagovat s jádrem a poté nabité produkty reakce „vytrhnou“ elektrony z atomových obalů IONIZUJÍCÍ ZÁŘENÍ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 17 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 18 Periodicka_tabulkka ALFA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 19 Abb •ALFA Abb ¡silně ionizující záření ¡těžké nabité částice (náboj +2e, hmotnost 4u) ¡krátký dolet závisející na energii ¡alfa částice z rozpadu cca 5 MeV ¡ ¡dolet §jednotky cm ve vzduchu §desetiny mm v pevných látkách ¡ ¡„Podobně“ se chovají všechny těžké nabité částice i protony – Braggova křivka ¡ ¡Využití např. v požárních hlásičích, vybíjení statické elektřiny… VLASTNOSTI ZÁŘENÍ ALFA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 20 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 21 Periodicka_tabulkka BETA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 22 Abb •BETA Abb Abb ¡lehká nabitá částice (náboj 1e, hmotnost 1/2000u) ¡ ¡spojité spektrum (různé energie) ¡ ¡v rozpadech stovky keV, urychlovače >MeV ¡ ¡brždění v materiálem - „cik-cak“ zákon ¡ ¡v blízkosti jádra intenzivní brzdné záření (nabitá částice v el.-mag. poli) a záření X ¡ ¡dolet závisí na čísle Z a hustotě materiálu §až desítky cm ve vzduchu §desetiny až jednotky mm v materiálech ¡ ¡ VLASTNOSTI ZÁŘENÍ BETA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 23 ¡elektrony ¡ ¡pozitrony ¡ ¡doprovodné záření gama ¡ ¡Využití §PET – pozitronová emisní tomografie §Produkce záření X §Tloušťkoměry VLASTNOSTI ZÁŘENÍ BETA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 24 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 25 Periodicka_tabulkka GAMA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 26 Abb Abb ¡silně pronikavé, elektricky neutrální záření ¡ ¡pronikavost závisí na energii ¡ ¡a velmi silně na Z materiálu – čím větší, tím lepší stínění ¡ ¡ ¡koeficient zeslabení (attenuation factor) ¡ ¡Velice široké využití §Lekselův gama nůž §Defektoskopie, radiografie, radiometrie, hladinoměry, karotáže §Sterilizace zdravotnického materiálu, potravin; tvrzení um. hmot ¡ ¡ VLASTNOSTI ZÁŘENÍ GAMA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 27 Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 28 Periodicka_tabulkka NEUTRONY ¡ NEUTRONOVÉ „ZÁŘENÍ“ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 29 Abb •4-Be-9 + 2-He-4 → → 6-C-12 + 0-n-1 • •Reakce •(alfa,n) •(gama,n) •(p,n) •(n,štěpení) •d+t – fúze ¡neutrony nemají elektrický náboj (hmotnost ~1u jako proton) ¡ ¡nepřímo ionizující záření – ionizuje až produkt reakce s neutronem, ne sám neutron ¡ ¡reaguje rozptylem nebo absorpcí ¡ ¡ve vodě až desítky rozptylů před absorpcí – při každém rozptylu může předávat energii ¡ ¡pronikavost závisí na energii, materiálu a hustotě §složitá závislost, liší se materiál od materiálu – většinou desítky cm (i metry a desítky m) ¡ VLASTNOSTI NEUTRONOVÉHO ZÁŘENÍ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 30 ¡Přirozené §kosmické záření (+indukované např. C-14, H-3, tzv. kosmogenní) §záření zemské kůry (rozpadové řady) §primordiální radionuklidy ¡ ¡ ¡ ¡Umělé §jaderné reaktory §urychlovače §radionuklidové zdroje §neptuniová rozpadová řada ¡ ZDROJE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 31 ¡ KOSMICKÉ ZÁŘENÍ Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 32 obr_1 obr_4 ¡ URAN-RADIOVÁ ŘADA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 33 U-238 4.5.109y 9 Th-234 24.1d Rn-222 3.82 d Po-216 3.05 m Pb-214 26.8 m Bi-214 19.9 m Po-214 164 µs Pb-210 22.3 y Bi-210 5.01 d Po-210 138d Pb-206 stable Pa-234 1.2m U-234 2.5.105y Th-230 7.7.104y Ra-226 1600 y ¡ URAN-AKTINIOVÁ ŘADA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 34 U-235 7.108y Th-231 25.6h Pa-231 3.3.104a Th-227 18.8d Ac-227 22a Ra-223 11.4d Fr-223 22m At-219 0.9m Rn-219 3.9s At-215 100µs Bi-215 7.4m Po-215 1.8ms Po-211 0.52s0 Pb-211 36.1m Pb-207 stabile Tl-207 4.8m Bi-211 2.15m Pb Bi Po Rn Fr Th Pa U Tl At Ra Ac ¡ URANOVÉ ŘADY Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 35 ¡ THORIOVÁ ŔADA Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 36 Th-231 25.6h Th-227 18.8d Ac-227 22a Ra-223 11.4d Fr-223 22m At-219 0.9m Rn-219 3.9s At-215 210µs Bi-215 7.4m Po-215 1.8ms Po-211 0.52s0 Pb-211 36.1m Pb-207 stabile Tl-207 4.8m Bi-211 2.15m Pb Bi Po Rn Fr Th Tl At Ra Ac Th-232 1.4.1010y Th-228 1.9y Ac-228 6.13h Ra-224 3.64d Rn-220 55.6s Po-216 0.15s Po-212 0.3µs Pb-212 10.6h Pb-207 stabile Tl-208 3.1m Bi-212 60.6m Ra-228 5.7y ¡ RADON Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 37 ¡ PRIMORDÁLNÍ (PRIMÁRNÍ) RADIONUKLIDY Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 38 prednas4 ¡ KOSMOGENNÍ RADIONUKLIDY Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 39 nuklid symbol poločas zdroj Přírodní aktivita Uhlík 14 14C 5730 let Interakce kosmického záření s atomy dusíku 0.22 Bq/g v organických materiálech Tritium 3H 12.3 let Interakce kosmického záření s atomy dusíku, kyslíku a lithia 1.2 x 10-3 Bq/kg Beryllium 7 7Be 53.28 dní Interakce kosmického záření s atomy dusíku a kyslíku 0.01 Bq/kg ¡Záření vzniká díky procesům v elektronovém obalu atomu §Na rozdíl od záření gama, které má vždy původ v atomovém jádře ¡Charakteristické rentgenové záření ¡Brzdné „rentgenové“ záření (Bremsstrahlung) ZÁŘENÍ X (RTG A BRZDNÉ ZÁŘENÍ) Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 40 http://astronuklfyzika.cz/VnitrniKonverze.gif Rentgenka_2 ¡Primárně výzkumná, ale stále častěji průmyslová a medicínská zařízení (elektronové urychlovače, protonová-hadronová terapie, terapie těžkými ionty) URYCHLOVAČE ČÁSTIC Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 41 http://www.osel.cz/_popisky/120_/1208243794.jpg ¡Vojtěch Ullmann – AstroNuklFyzika ¡ ¡Marie Dufková a materiály ČEZ, a.s. ¡ ¡prof. Hála (VUT): Radioaktivita ¡ ¡doc. Švec (VŠB): IZ a ochrana před IZ ZDROJE Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 42 ¡ DĚKUJI ZA POZORNOST Karel Katovský, Vysoké učení technické v Brně 43 oráč