Radiační biofyzika ~ radiobiologie •Přednáška 2 •2023 • Vícenásobné Nobelovy ceny •John Bardeen • Nobelova cena za fyziku (1956 a 1972). •Marie Curie-Sklodowská • Nobelova cena za fyziku (1903), • Nobelova cena za chemii (1911). •Frederick Sanger • Nobelova cena za chemii (1958 a 1980). http://www.converter.cz/nobel/vice-cen.htm Vznik RTG záření •Röntgen předpokládal, že pronikavé záření vzniká ve zředěném plynu katodové trubice, •nicméně další experimenty prokázaly, že RTG záření pochází z anody při interakci zabrzděných elektronů s materiálem anody. •Zdrojem rentgenového záření není tedy samotný výboj v plynu, kterým pouze procházejí urychlené elektrony na anodu. •Naopak odstranění (vyčerpání) plynu a použití žhavené katody zvýší účinnost vzniku RTG záření, čehož se využívá ve vakuových rentgenkách •k přeskočení výboje 1 cm dlouhého je zapotřebí napětí asi 25.000 volt. Vzduch totiž klade přechodu elektřiny ohromný odpor, který dá se i při poměrně krátké dráze překonat jen vysokým napětím •Zředíme-li však v rentgence vzduch, elektrický výboj proběhne při stejném napětí mnohem delší dráhu než za normálního tlaku •Interakce urychlených e- s polem jádra atomu • à brzdné záření • Brzdné RTG záření •Brzdné RTG záření je převažující typ záření vznikajícího v rentgence. •Vzniká zpomalením letícího elektronu blízko jádra atomu. Jádro je kladně nabité a přitahuje elektron, který změní směr letu a zpomalí. Rozdíl energie je přeměněn na záření různých frekvencí. •Čím blíže se dostane elektron k jádru a čím větší je jeho energie, tím větší bude energie vznikajícího kvanta RTG záření. •Charakteristiky brzdného záření tedy nezáleží na materiálu anody Brzdné RTG záření •Energie brzdného rentgenova záření nezávisí na materiálu terče (např. anody rentgenovy trubice), ale jen na rychlosti elektronů (tedy na velikosti napětí na anodě rentgenovy trubice) •Elektrony ale mohou být urychleny i jiným způsobem – v urychlovačích částic např. v tzv. lineárním urychlovači, betatronu, mikrotronu, u nichž se dosahuje výrazně vyšších energii než u rentgenovy trubice. •Brzdné záření se používá v lékařské diagnostice (např. PET, SPECT, CT), v radioterapii a v průmyslu v defektoskopii. Interakce urychlených e- s e- atomových obalů na vnitřních slupkách (K, L, M) à charakteristické RTG záření Charakteristické RTG záření ↑Z(anoda) à ↑E(RTGch) E(RTGch) = E(e2)-E(e1) Charakteristické rentgenové záření Rentgenka – zdroj RTG záření Obsah obrázku šipka Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku interiér, zavřít Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku patro, interiér, platforma, motor Popis byl vytvořen automaticky Vznik RTG záření, RENTGENKA Katodové trubice byly vlastně prvními jednoduchými urychlovači elektronů a později se z nich vyvinuly obrazovky (v jisté formě slouží i dnes jako zdroj e- pro urychlovače) Rentgenka, správně nazývaná rentgenová lampa (angl. X-ray tube). Obecně - vakuová elektronka Zjednodušeně je to trubice s vakuem uvnitř, jejíž součástí je (žhavená) katoda, která slouží jako zdroj elektronů. Tyto elektrony jsou urychlovány, dopadají na terčík neboli anodu, čímž vzniká rentgenové záření. Rentgenka tedy slouží k produkci rentgenového záření. Rentgenka •Z elektronického hlediska je rentgenka klasická dioda zapojená v obvodu s vysokým napětím cca 20–200 kV •Žhavená katoda (napojená na záporný pól) emituje elektrony, které jsou urychlovány silným elektrickým polem daným vysokým napětím mezi katodou a anodou. •Po dopadu na anodu tedy pronikají elektrony několika vrstvami atomů anody a prudce se brzdí, dokud neztratí svou kinetickou energii •Většina (99 %) jejich kinetické energie se přemění na teplo. Rentgenka se proto silně ohřívá a musí se chladit •Jen malá část kinetické energie elektronů zachycených anodou se přemění na RTG záření •RTG záření opouští anodu a vylétá z trubice ven. •Katoda tvořená spirálovitě navinutým tungstenovým/wolframovým vláknem (s příměsí thoria, které zvyšuje efektivitu emise elektronů a prodlužuje životnost katody) o tloušťce 0,2 mm, proto někdy nazývaná katodové vlákno, slouží k produkci elektronů. •Toto vlákno je elektricky připojeno ke žhavícímu obvodu. Při průchodu elektrického proudu o velikosti cca 6-8 A žhavícím obvodem, a tedy i katodovým vláknem, dochází vlivem velké teploty (2.000 °C) k termoemisi elektronů (Edisonův efekt). http://www.sukupova.cz/rentgenka-a-produkce-rentgenoveho-zareni/ Konstrukce rentgenky •Anoda (napojená na kladný pól) je zhotovena z těžkého materiálu (nejčastěji z wolframu), který má vysoký bod tání i vysokou elektronovou hustotu, takže dopadající elektrony jsou velkou odpudivou silou prudce brzděny, čímž se podle zákonitostí elektrodynamiky část jejich kinetické energie mění v brzdné elektromagnetické záření, resp. fotony RTG záření (díky vyššímu atomovému číslu se zvyšuje produkce fotonů rentgenového záření) •Aby se zabránilo tepelnému zničení anodového terčíku, je potřeba vhodně zvolit materiál anody a taktéž dostatečně odvádět nepotřebné teplo. Pro lepší odolnost terčíku se do wolframu přidává přibližně 10 % rhenia. • • Konstrukce rentgenky •V mamografii se místo wolframového terčíku používá terčík molybdenový a rhodiový à poté měď pro co nejúčinnější odvod tepla • http://www.sukupova.cz/rentgenka-a-produkce-rentgenoveho-zareni/ •Evakuovaná baňka rentgenky, ve které je umístěna katoda i anoda, je obvykle vyrobena ze skla a její hlavní funkcí je udržování vakua v trubici. •Chlazení + stínění: Baňka je obtékána olejem, který tak odvádí teplo z rentgenky. Baňka bývá ještě uschována v krytu, jehož součástí je i olovo, které slouží k odstínění nepotřebného mimoohniskového záření Konstrukce rentgenky •Rotor, případně rotuje celá rentgenka http://www.sukupova.cz/rentgenka-a-produkce-rentgenoveho-zareni/ 99 % E urychlených e- = Q à nutné účinné chlazení Generace a některé typy rentgenek 1.Rentgenky se studenou katodou 2.Rentgenky se žhavenou katodou 3.Rentgenky se žhavenou katodou a rotující anodou 4.Rentgenky s žhavenou katodou rotující celé 1. 2. 3. 4. REGULACE PRODUKCE RTG NA RENTGENCE •Rentgenka má tři základní zdroje napájení: 1.Žhavící (katodové) napětí 2.anodové napětí 3.Zdroj pro rotaci anody • Anodové napětí •Minimální vlnová délka (tj., maximální energie) RTG spektra záleží na voltáži urychlovacího napětí a nezáleží na materiálu anody: •Pokud máme urychlovací napětí V, potom energie E předaná okolí elektronem na anodě je dána vztahem: • • •Pro výpočet minimální vlnové délky, λmin, pak platí Duane-Huntův zákon a Plankova rovnice pro energii kvanta záření: • •…a tedy: • http://www.saburchill.com/physics/equations_AN/AN_37.gif http://www.saburchill.com/physics/equations_AN/AN_12.gif http://www.saburchill.com/physics/equations_AN/AN_38.gif maximal energy at a keV = tube kV average energy = about 1/3 of the maximum energy. Kde: e = elementární náboj elektronu U (Ua) = anodové napětí h = Planckova konstanta 1. Anodové (urychlovací) napětí Emax(1) Emax(2) Emax(3) 5-Runners-Share-Their-Morning-Routines-Rachel – BĚŽEC+ old-man-walking-with-a-cane-underwood-archives.jpg (712×900) | Old man walking, Old man with cane, Walking with a cane horse-racing-2714846_960_720 - Coolzine Here Is The Difference Between 4 Major Racing Series - Business Insider Japan confirms F-35A fighter jet crashed; remaining aircraft still grounded Určuje urychlení emitovaných e- tzn., jejich energii a následně tvrdost RTG záření 2. Katodový (žhavící) proud (žhavení katody) •(+ čas expozice) určuje intenzitu termoemise e- na katodě •a následně intenzitu RTG záření emitovaného rentgenkou •Zvyšuje se expozice (kvalita) snímků •Průměrný proud rentgenkou se pohybuje v rozmezí jednotek mA – až asi 200 mA, okamžitý proud může být i podstatně vyšší (v pulzním režimu). •Spektrum – většinou si představíme obrázek viditelného světla rozloženého na jednotlivé barvy, červenou, oranžovou, žlutou, zelenou… SPEKTRA RTG záření Characteristic and Continuous X-rays | Properties | Solved Problems Vlnová délka Energie Relativní frekvence •U RTG záření, které je neviditelné, spektrum představuje graf relativní intenzity záření vynesené proti vlnové délce. (totéž lze samozřejmě udělat i pro viditelné světlo) Ve spektrech pozor na energii versus vlnovou délku Vlnová délka Energie Intensity (relative frequency) SPEKTRA RTG záření X-ray spectrum of a tungsten anode (without filtering) at tube acceleration voltages of 150 kVp (peak kilo-voltage). •Změna směru à akcelerace elektronu à à emise el.-mag záření. •Pokud akcelerace dostatečná à kvantum uvolněného záření energeticky odpovídá RTG záření. •Pokud elektron prolétne velmi blízko jádra (jako např. elektron e3 na obrázku vlevo) může být jeho kinetická energie uvolněna v jediném kvantu •Toto je tedy největší možné kvantum předatelné elektrony za daných podmínek a odpovídá nejkratší vlnové délce emitovaného záření RTG BRZDNÉ RTG záření – energetické spektrum Brzdné záření – předchozí slide •Elektron e3: Elektron ztratí veškerou svou energii již při první kolizi, jeho celková energie se přemění na kinetickou energii fotonu E = hfmax •The λmin corresponds to fmax. •Elektron e1 a e2: Pro velkou energii elektronů neztratí většina z nich svou energii při první kolizi, ale při různém počtu kolizí à různé vlnové délky fotonů X delší než λmin a energie menší než Emax. •Spektrum je proto kontinuální An electron from the primary beam dislodges an electron from the K shell of a Si atom in the sample. An electron from the L shell fills the vacancy and a Si Kα X-ray is generated. The energy of the X-ray is equal to the ionization energy of the K shell minus the ionization energy of the L shell. The Open Door Web Site : IB Physics : ATOMIC and NUCLEAR PHYSICS : X-RAY SPECTRA SPECIFICKÉ RTG ZÁŘENÍ Naming convention for Characteristic X-ray lines is the Siegbahn notation: •The first component of the name is the element involved, e.g. Si. •The second component is the electron shell that was ionized to produce the X-ray, e.g. K, L or M. •The third component reflects the relative intensity of the line within each shell, e.g. α is the most intense line, followed by β and γ. •The lines within each shell make up a family, or series, of lines for that shell, e.g., the K family comprises the Kα and Kβ X-ray lines. •In the Si spectrum, the lowest energy X-ray line is the Si Lα line; the line at 1.74 keV is the Si Kα line and the line at ~1.83 keV is the Si Kβ line. EK > EL > EM •Slupka K má v elektronovém obalu nejvyšší ionizační energii (neboli kritickou ionizační energii) •K-elektrony jsou nejpevněji přitahovány k jádru; to znamená, že k odebrání elektronu z této slupky potřebujeme nejvíce energie •Čím dále jsou pak další slupky od jádra vzdáleny, tím je ionizační energie nižší. •Elektrony na jednotlivých slupkách a podslupkách mají tedy své specifické ionizační energie, •… a ty se liší pro různé prvky, •Např. pro křemík (Si) je ionizační energie na slupce K 1.84 keV, zatímco pro platinu (Pt) tato hodnota činí 78.4 keV. • • CHARAKTERISTICKÉ RTG záření •There is a relationship between the energy of the characteristic X-ray lines for each element and its atomic number (Z): •E ∝ Z2 •This means that as the atomic number increases, the Kα X-ray line, for example, will plot at a higher energy in the spectrum. (This relationship, known as Moseley’s Law, was discovered by Henry Moseley in 1913) •The lines in the spectrum (the peaks of intensity) are named after the energy level to which an electron falls Moseley's law: Characteristic X-Ray - an overview | ScienceDirect Topics 1/λ ∝ Z2 Např.: •Pro Si je ionizační energie na slupce K 1.84 keV, •zatímco pro Pt tato hodnota činí 78.4 keV. •Elektrony v elektronovém obalu mají určité energie a pohybují se tak na určitých energetických hladinách neboli elektronových slupkách. •Nejblíže k jádru je nejenergetičtější slupka (hladina) K, •směrem od jádra pak následovaná slupkami L, M, N, O, P a Q. •Vyjma slupky K mají všechny další slupky své podslupky à elektrony v těchto podslupkách se nepatrně liší svými energiemi. • • • CHARAKTERISTICKÉ RTG záření Schematický nákres atomu znázorňující jádro obklopené elektronovými slupkami K, L a M. Slupka K může mít maximálně 2 e- Slupka L má 3 podslupky a maximálně 8 e- Slupka M má 5 podslupek a maximálně 18 e- atd. K K L Energy spectra of the x-rays radiated from the metal targets. a Acceleration voltage V a dependence of the x-ray spectra measured for W-target. b Target dependence of the x-ray spectra measured for the Ti, Cu, Mo, and W at V a = 50 kV. (Kita S. et al. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 103, 064505 2008) Různé materiály anody Různá urychlovací napětí kV Z 22 29 42 74 Urychlovací napětí Žhavící proud katody Různé materiály anody Filtrace nízkoenergetických fotonů •As each element has specific ionization energies for each subshell, so the difference between the energies is characteristic of the element involved in producing the X-ray photon. •For Si, the ionization energy of the K shell is 1.84 keV, the ionization energy of the L shell is ~0.10 keV and the ionization energy of the M shell is ~0.01 keV. •The Characteristic X-ray spectrum for Si shows three spectral lines. •The line at low energy (~0.09 keV) results from ionization of the L shell with an electron from the M shell filling the vacancy: E = 0.10 – 0.01 keV. (This line would be at or below the limit of detection for most EDS detectors.) •The line at ~1.74 keV results from ionization of the K shell with an electron from the L shell filling the vacancy (E = 1.84 – 0.10 keV), •whereas the smaller peak at higher energy (~1.83 keV) results from ionization of the K shell and an electron from the M shell filling the vacancy (E = 1.84 – 0.01 keV). The ideal Characteristic X-ray spectrum for Si. The Characteristic X-ray lines, Kα, Kβ and Lα, have discrete energies. EK > EL > EM PŘÍKLAD Possible X-ray photon interaction processes with the matter: (a)photoelectric absorption (fotoefekt); (b)Compton scattering; (c)pair production. INTERAKCE RTG záření s hmotou X ray photon X ray photon X ray photon INTERAKCE RTG záření s hmotou •RTG záření integruje s atomy tkáně dvěma procesy: fotoefekt a Comptonův rozptyl (tvorba elektron-pozitronových párů zde nenastává vzhledem k nízké energii fotonů). •Oba tyto procesy se podílejí na rozdílné absorpci záření v jednotlivých tkáních v závislosti na tloušťce, hustotě látky a protonovém čísle atomů. •Právě na této rozdílné absorpci RTG záření v různých tkáních jakož i jejich fyziologických či patologických stavech je založena RTG diagnostika. Vlastnosti RTG záření (paprsky X) •RTG záření je pronikavé elektromagnetické záření o velmi krátkých vlnových délkách 10-11 m to 10-8 m (0.01 – 10 nm) a vysokých frekvencích. •prochází hmotou i vakuem, jeho intenzita slábne se čtvercem vzdálenosti od zdroje •šíří se přímočaře •má ionizační účinky (což znamená, že množství energie, které nese, stačí na uvolnění elektronu z atomu). •Efekty RTG záření: •Luminiscenční efekt. Rentgenové záření má schopnost přeměnit se na viditelné záření, ale pouze při interakci s určitými látkami. •Fotochemický efekt. Působením RTG záření na fotografický materiál dochází ke změnám v jeho chemickém složení. •Ionizační efekt. Energie, kterou rentgenové záření nese, je postačující k ionizaci atomů nebo molekul ozářené látky. To znamená, že při působení na elektricky neutrální atomy se z nich stávají elektricky nabité ionty. Měkké a tvrdé RTG záření •Roentgenovy trubice mohou být vyčerpány buď více nebo poněkud méně •v prvním případě (vysoké vakuum) vzniká tvrdé RTG záření (<0.1 nm) •v druhém případě (nižší vakuum) měkké RTG záření (>0.1 nm) •Měkké RTG trubice: vydávají paprsky, které jsou hustými tělesy snadno pohlcovány, tak že dávají např. obrázky ruky velmi pěkné, s ostře vyznačenými rozdíly mezi kostmi a masem •tvrdé RTG trubice: vysílají paprsky, které jsou poměrně málo pohlcovány a proto nejsou obrazy lidského těla příliš zřetelné • Tvrdé záření RTG vs. záření gama •Vlnové délky nejenergičtější části RTG záření se částečně překrývají s vlnovými délkami záření gama. RTG a gama záření není rozlišováno podle energie (častá chyba vyučovaná na středních školách) •Rozlišujeme je však podle původu: •RTG: vzniká v elektronovém obalu atomu (excitace/ionizace à deexcitace s emisí RTG fotonu), •záření gama: vzniká následkem deexcitace atomového jádra X g PRVNÍ LÉKAŘSKÁ APLIKACE RTG > Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky •Lancet, 23. ledna 1896 •Roentgenovy paprsky použity pro detekci úlomku nože v páteři opilého námořníka, který byl po rvačce díky tomuto zranění paralyzován, dokud mu nebyl úlomek vyjmut. •Poté se RTG diagnostika prudce rozvíjí jak v Evropě tak USA A technician takes an X-ray fluoroscope of a female patient. Fluoroscope exams delivered much more radiation exposures than modern X-rays. (National Cancer Institute, public domain) Just Months After Its Discovery, the X-Ray Was in Used in War https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e3/Technic_of_roentgenotherapy_to_treat_epit heleoma_of_the_face_-_1915.jpg/325px-Technic_of_roentgenotherapy_to_treat_epitheleoma_of_the_face_- _1915.jpg X-ray apparatus used for treatment of epithelioma of the face, 1915. The tube is in a localizing shield, and a perforated sheet of metal is securely fashioned to the surface by adhesive plaster X-ray treatment of tuberculosis in 1910 Radioterapie paprsky X Research Article: https://www.birpublications.org/doi/epdf/10.1259/bir.1926.0081 Research Article: https://www.birpublications.org/doi/epdf/10.1259/bir.1926.0081 IR and Tuberculosis Radiační biofyzika 2 Objev přirozené radioaktivity a další vývoj Martin Falk, falk-at-ibp.cz, Biofyzikální ústav AVČR, Brno http://nuclear-knowledge.com/wsimages/10_terrorism_01.jpg 18. května 1896, Antoine Henri Becquerel Objev přirozené radioaktivity Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky http://image.slidesharecdn.com/anorganika-new07-101109015839-phpapp02/95/hic-06-vyvoj-anorganicke-c hemie-50-728.jpg?cb=1317867312 (1852/12/15 - 1908/08/25) How can such a "nothing spot" lead to a Nobel Prize? Jeden z prvních snímků paprsku X Wilhelma Röntgena zachycuje levouz ruku vědcovy manželky Anny Berthy Ludwig. Foto: Wilhelm Göntgen, Publiuc Domain. Inspirace pro Becquerelův objev 1. FASCINACE OBJEVEM „MAGICKÝCH“ PAPRSKŮ X •Wilhelm Conrad Röntgen krátce předtím zjistil, že záření vznikající při průchodu elektronů vakuovou trubicí dokáže pronikat pevnými látkami a zanechávat stopy na fotografické desce, stejně jako obyčejné světlo. Snímek kostí ruky i s kovovým prstenem jeho manželky obletěl svět a uvedl vědce do varu. Záření, které dokáže zobrazovat věci dosud neviditelné! •20. února 1895. Jako řádný člen francouzské Akademie věd se Becquerel spořádaně dostavil na zasedání této ctihodné instituce, aby tu vyslechl přednášku svého kolegy a přítele jeho otce Henriho Poincarého [poňtaré] o Röntgenových pokusech s katodovými paprsky. > http://vesmir.cz/wp-content/uploads/2016/05/wilhelmrontgen.jpg Další inspirace pro Becquerelův objev •EXPERIMENTY světélkování látek ve slunečním světle JEHO OTCE. •(otcem H.B. byl Alexandre Edmond Becquerel, 1820-1891, též významný fyzik) Becquerel's idea Obsah obrázku zeď, interiér, světlo Popis byl vytvořen automaticky http://vesmir.cz/wp-content/uploads/2016/05/wilhelmrontgen.jpg Jeden z prvních snímků paprsku X Wilhelma Röntgena zachycuje levouz ruku vědcovy manželky Anny Berthy Ludwig. Foto: Wilhelm Göntgen, Publiuc Domain. Obsah obrázku text, osoba, zeď, muž Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku osvětlené, tmavé, barvy, barevné Popis byl vytvořen automaticky (+) (-) Phosphorescence + X-rays ??? ? Catodic rays + X-rays ! Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky Aren't visible light and invisible X-rays produced together by the same mechanism? ?! •H. Becquerela tak napadlo, zdali světélkující nerosty také nevydávají paprsky X…. •EXPERIMENT 1: •Nejprve si myslel, že nerosty mohou vydávat tajemné neviditelné záření jen tehdy, když viditelně světélkují. fluorescence paprsky-X ? Epochální Becquerelův experiment •Dal vybrané kameny z otcovy sbírky na slunce, a když se dostatečně "nasvítily" a začaly samy pěkně zářit, •položil je na světlotěsně zabalené fotografické desky (alternativně: dal důkladně světlotěsně zabalení fotografické desky na několik hodin na slunce) •a po čase je vyvolal Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky Image result for sun VÝSLEDEK BECQUERELOVA EXPERIMENTU: •Nestačil divit!! • •Většina desek zůstala naprosto nezměněná, jen pod několika vzorky zčernaly • •Uranové soli a sklo pod UV-světlem světélkují podobně jako katodový konec trubice emitující paprsky X, •to H. B. fascinovalo a dovedlo ho to k vykonání dalšího převratného experimentu… Obsah obrázku zeď, interiér, světlo Popis byl vytvořen automaticky EXPERIMENT II. •Ukázalo se, že jde o fluoreskující soli uranu! Obsah obrázku interiér, jídlo, kukuřice Popis byl vytvořen automaticky Becquerelovo záření •černání fotografických desek způsobují všechny sloučeniny obsahující uran, zatímco luminiscencí se vyznačují jen některé jeho soli • •Jiné fosforeskující látky naopak neznámé záření nevyzařovaly •Becquerel se podivným zářením z nitra uranu dál intenzívně zabýval a zjistil, že: Becquerelův experiment •Rok po Poincarého přednášce (24. února 1896) Becquerel informoval Akademii o svém objevu: "Uran vydává záření pronikající hmotou i bez vysokého napětí katodové trubice." •To byl nepochybně významný poznatek, ale k objevu přirozené radioaktivity stále ještě nesměřoval. •Becquerel se totiž stále ještě domníval, že záření souvisí s luminiscencí uranových solí •vedly ho k tomu i chyby v jeho experimentech týkajících se vlastností objeveného záření (Martins, Roberto de Andrade. „ BECQUEREL’S EXPERIMENTAL MISTAKES „ in Historical Essays on Radioactivity. Extrema: Quamcumque Editum, 2021. URAN – • Protonové číslo: 92, Teplota tání: 1 130 °C, Teplota varu: 3 900 °C, Molární hmotnost: 238,03 g·mol-1, Hustota: 19 050 kg·m-3 •nejtěžší přirozeně se vyskytující prvek na Zemi (Z=92) •prvek s „nakumulovanou silou supernov“ •objev U změnil svět od základu Roku 1789 objevil německý chemik a lékárník Martin Heinrich Klaproth novou rudu. Vymyslel si pro ni název uran podle planety, objevené právě v tomto desetiletí. Izolace URANU •Eugène-Melchior Péligot [péligò] (1811–1890, Paříž) •francouzský chemik •1841 jako první izoloval čistý kovový uran a použil termín „uranyl“ (pro označení žlutých solí uranu). •Uran začal být zajímavý pro barvení skla, stále však trpělivě čekal, až přijde jeho čas… OBROVSKÁ ENERGIE URANU •H, He, (Li) – prvotní nukleogeneze (celý vesmír do cca. 3 vteřin po velkém třesku) + jaderná fůze v prvních hvězdách •Li, Be, B: specifický vznik v mezihvězdném prostoru (interakce produktů supernov s kosmickým zářením?). •Těžší prvky až po železo: Obrovský tlak hmoty zažehl v nitrech hvězd termojadernou fúzi, jež po spotřebování H „spaluje“ hélium... následkem postupně vznikají těžší prvky až po železo •ANI JADERNÁ FŮZE OVŠEM NESTAČÍ K PRODUKCI PRVKŮ >Fe • Image result for vazebná energie à Vznik lehkých a těžších prvků Vznik nejtěžších prvků  URAN •Dnes je již U ve Sluněční soustavě vzácný •Nicméně, jeho pomalý rozpad je hlavním zdrojem zahřívání kůry Země, zodpovídá za U •Před 4.5 mld let – vznik Země z hmoty, jež obsahuje uran vyprodukovaný erupcemi dávných supernov kontinentální drift (asi ale i participace dalších fenoménů) à vulkanická aktivity à existence života • Becquerelův experiment III. – A ZASE TA NÁHODA! Image result for drawer photographic uranium becquerel Bylo zřejmé, že sluncem vyvolané světélkování nebylo příčinou expozice desek. http://www.iomtoday.co.im/images/news/2018/307_....cloudy.jpg Když chtěl pokus opakovat, neočekávaně se zatáhlo ... rozhodl se proto experiment odložit a neexponované desky i s uranem uklidil na několik dní do šuplíku Posléze desky ale přesto z nejasných pohnutek vyvolal, a byl udiven ještě více: opět ztmavly! Becquerelovo záření •Becquerel se podivným zářením z nitra uranu dál intenzívně zabýval a zjistil, že: Obsah obrázku text, klipart Popis byl vytvořen automaticky Becquerel zjistil některé další zajímavé charakteristiky záření vycházejícího z uranu: https://www2.lbl.gov/abc/wallchart/chapters/03/graphics/Image9.gif •ionizuje vzduch •lze jej odklonit pomocí magnetického pole. •Tento poznatek zveřejnil v roce 1899. Vyplývalo z něj, že se neznámé záření (přinejmenším z určité části) skládá z elektricky nabitých částic. •Na jeho podstatu však přijít nedokázal. > RADIOAKTIVITA, Marie a Pierre Curieovi • Marie Sklodowska-Curie (1867-1934) Pierre Curie (1859-1906) Obsah obrázku sladký Popis byl vytvořen automaticky •Curieovi již v roce 1896 zjistili, že stejné záření jako uran vydávají také sloučeniny thoria - na světě tedy existuje přinejmenším ještě jeden „zářící“ prvek •(prvenství objevu bylo nicméně přiřknuto Gerhardu Carlemu Schmidtovi) • •Marie a Pierre Curie začali svou experimentální práci systematickým studiem uranu a jeho sloučenin, přičemž měřili a tabelovali jejich ionizační proudy. Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky Electrometer apparatus developed by Pierre Curie and his brother Jacques for the precise measurement of very weak currents (of the order of tenths of picoamperes) following their discovery of piezoelectricity in 1880. IONIZING CHAMBER Radioaktivita, Marie a Pierre Curieovi • •Zobecnění Becquerelova objevu •Tehdy Marie Curie pro tuto vlastnost (které se zpočátku říkalo Becquerelovy paprsky) poprvé použila název radioaktivita. •Objevitel záření (H.B.) však o fyzikální zvěčnění svého jména nakonec přece jen nepřišel: byla po něm pojmenována jednotka radioaktivity (1 Becquerel [1 Bq] vyjadřuje takovou aktivitu zdroje při níž se za 1 sec rozpadne 1 atom) Obsah obrázku text, stůl, stůl na jedné noze Popis byl vytvořen automaticky Radioaktivita, Marie a Pierre Curieovi •M a P Curie brzy zjistili, že s horninami a radioaktivitou něco nesedí: •Radioaktivita nerostů uranitu a chalkolitu byla mnohem vyšší, než by odpovídalo zastoupení uranu a thoria ve vzorcích Image result for smolinec Uranium (Ilustrasi) https://me-confidential.com/wp-content/uploads/2015/09/Iran-300x236.jpg https://ih1.redbubble.net/image.221640511.1185/flat,750x1000,075,f.jpg https://ih1.redbubble.net/image.221640511.1185/flat,750x1000,075,f.jpg https://ih1.redbubble.net/image.221640511.1185/flat,750x1000,075,f.jpg https://ih1.redbubble.net/image.221640511.1185/flat,750x1000,075,f.jpg https://ih1.redbubble.net/image.221640511.1185/flat,750x1000,075,f.jpg https://ih1.redbubble.net/image.221640511.1185/flat,750x1000,075,f.jpg https://ih1.redbubble.net/image.221640511.1185/flat,750x1000,075,f.jpg SMOLINEC ČISTÝ URAN / URANOVÉ SOLI >> ? •Jediným logickým vysvětlením bylo, že rudy obsahují další dosud neznámé prvky, jejichž radioaktivita je ještě výrazně vyšší. ? ? Marie Curie‘s next brilliant idea > Obsah obrázku text, ukazatel skóre Popis byl vytvořen automaticky •According to the periodic table, new elements have been predicted but have not yet been isolated > > •If there was a large content of them, they would have already been isolated •It means, the unknown radioactive elements in pitchblende must be very small in number, but they must be incredibly radioactive! Image result for pechblende PECHBLENDE (SMOLINEC Z JÁCHYMOVA) https://www.offroadsafari.cz/files/width/1024/768/6lehn-vita-skotnica.jpg Jáchymov, dnešní ČR, kdysi dávno… Na začátku byly stříbrné mince, které byly raženy v Jáchymově v Krušných horách. Německý název pro Jáchymov byl Joachimstal a ta mince, která se tam razila, se nazývala joachimstaler. A protože to bylo dlouhé slovo, bylo zkracováno na taler. Z toho se pak vyvinulo čeké tolar. To se šířilo do různých zemí Evropy, protože tyto mince měly dobrý zvuk, a dostaly se i do Anglie, kde byly přijaty v podobě dollar. Když v 18. století hledaly Spojené státy získaly nezávislost, hledaly vhodný název pro svoje oficiální platidlo, protože se chtěly odlišit od Francie, Anglie atd., a sáhly po tomto pojmenování dollar, které od 16. století v Anglii žilo, ale nebylo prakticky využíváno. Takže v původu amerického dolaru je český tolar, který vznikl z jáchymovské mince na počátku 16. století." (etymolog z Ústavu českého jazyka a komunikace Filosofické fakulty UK PhDr. Jiří Rejsek). Stříbrné doly PECHBLENDE (SMOLINEC) Po roce 1515 se rozvíjí těžba stříbra v Jáchymově V dolech se těžily nejdříve stříbrné rudy, později rudy kobaltu a arsenu Během těžby někdy horníci narazily na žílu podivné horniny, jejíž nalezení znamenalo pro horníky „smůlu“ Nazvali ho proto PECHBLENDE (pech = smůla, blende = nekov) z toho SMOLINEC (nosící smůlu), později nazýván URANIT Obsah obrázku houba, poleva, zavřít Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku text, mapa, perokresba Popis byl vytvořen automaticky 1. 2. 3. PROČ “SMOLINEC” ? PROČ „SMOLINEC“ ? •jednak vypadá jako pryskyřice (smůla), •pak ho mohli takto označit horníci ve stříbrných dolech, protože se vyskytuje tam, kde se nevyskytuje stříbro, a mohl jim tak přinášet smůlu v těžbě. •Jako třetí původ smolného označení se nabízí možnost, že si horníci spojili jeho nálezy se zvýšenou úmrtností kolegů, i když se v té době ještě nevědělo o rakovině plic a její spojitosti s touto horninou (a jejími štěpnými produkty). PECHBLENDE (SMOLINEC) Smolinec proto nejprve končil na haldách kolem dolů jakožto naprosto bezcenný materiál… Marie a Pierre Curieovi a smolinec z Jáchymova > > Image result for mapa cr jachymov Marie a Pierre Curieovi – objev nových radioaktivních prvků, polonia a radia Malé množství radia vyelektrolyzované na tenký měděný plíšek a překryté polyurethanem k zabránění reakce se vzduchem (stříbřitý kov alkalických zemin) •Radium dostalo název z latinského radius – paprsek. •POLONIUM (Po) •stříbřitě bílý, silně radioaktivní kov •Existuje 42 izotopů polonia s atomovou hmotností 194 až 218 (izotopy = liší se počtem neutronů) •Nejprve identifikovali polonium, které bylo 150x radioaktivnější než uran. •Později ještě objevili radium, jehož aktivita byla dokonce 900x vyšší než u uranu. Proto ho také pojmenovali „radium“ = zářící Image result for polonium Image result for radium 34 známých radioaktivních izotopů, s nukleonovými čísly 201 až 234 Tm = 1600 let Tm 124 let Maria Curie-Skłodowska •Během I. sv. války prosadila zřízení polních rentgenologických stanic, které z pozice vedoucího vojenské lékařské buňky organizovala a řídila. Tyto stanice vyšetřily více než 3.000.000 miliony případů zranění vojáků. •Po válce cestovala po světě a iniciovala zakládání Ústavů pro léčbu rakoviny. V této době patří mezi její žáky František Běhounek – zakladatel československé atomové fyziky. V roce 1925 Marie Curie-Sklodowská navštěvuje město, které stálo na počátku její vědecké kariéry – Jáchymov. Zde sfárala do dolu Svornost a navštívila i lázně. Zde prokázala neúčinnost pitných kúr a naopak vhodnost koupelí v radiové vodě. https://images.ctfassets.net/eqlypemzu8y5/6DVCp4U7QIuTWABLJpZaHB/d546898955c56dafd3417286c7227df8/M Curie_DISCOVERY_asset10_downsaved.jpg?w=1000&fm=jpg&fl=progressive&q=90 •Zemřela v nemocnici Sallanches v Savoy u Paříže (1934, 67 let) na aplastickou anémii, kterou si pravděpodobně přivodila absolutní absencí ochranných opatření při práci s radioaktivními látkami. •Pro zásluhy na poli vědy byly její ostatky v roce 1995 slavnostně přeneseny do pařížského Panteonu. Marie Curie driving the Renault car that she converted into a radiological unit during the first World War, 1917 Prvenství Marie Curie-Skłodowské, 7. 11. 1867 - 4. 7. 1934 •Z Polska odešla do Francie, kde v roce 1891 složila jako první žena v historii přijímací zkoušky na fakultu fyziky a chemie pařížské Sorbonny. •Becquerel na doporučení Pierra nabídl Marii doktorandské studium ve své laboratoři. •V roce 1903 jako první žena na světě obdržela i titul doktora fyziky na Sorbonně. •Díky své práci byla jako první žena na světě dvakrát oceněna Nobelovu cenou, navíc ve dvou oborech: •Nejprve v roce 1903 za fyziku (společně s Becquerelem) za zkoumání radiačních jevů •Poté v roce 1911 za chemii za objev a izolaci polonia a radia (společně s Pierrem) •jmenována na místo svého zesnulého manžela a stala se tak historicky první profesorkou na Sorbonně. •V roce 1925 navštívila Jáchymov a některé její připomínky k lázeňským procedurám se používají dodnes. Dnes její jméno nese lázeňský hotel Curie. • • BOHUSLAV BRAUNER Český chemik •Spektra smolince à čáry patřící neznámým prvkům •Žádá vídeňské ministerstvo školství o zakoupení uranové hlušiny z jáchymovských dolů, ale zamítnuto •O cca. 25 let později, ta samá žádost, avšak od manželů Curieových a přes jiné ministerstvo je schválena… 1903: Nobelova cena za fyziku za objev radioaktivity, spolu s Pierrem a A.H. Becquerelem Image result for objev přirozené radioaktivity Image result for ester ledecká 1911: druhá Nobelova cena, nyní za chemii, za izolaci radia a objev polonia, plus další objevy ohledně radioaktivity Image result for stupně vítězů Image result for nobel prize Image result for nobel prize Fenomenální Marie Curie-Sklodowska https://www.epa.gov/sites/production/files/2019-02/sample_timeline.jpg http://image.slidesharecdn.com/anorganika-new07-101109015839-phpapp02/95/hic-06-vyvoj-anorganicke-c hemie-50-728.jpg?cb=1317867312 Image result for objev přirozené radioaktivity Image result for pierre curie Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923) 1903 Nobelova cena za fyziku; 1911 NC za chemii Marie Curie První žena oceněná Nobelovou cenou Původně měl být ale oceněn jen Becquerel a Pierre Curie!! 1901 vůbec první NB za fyziku Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku mapa Popis byl vytvořen automaticky Obsah obrázku text Popis byl vytvořen automaticky •Objev paprsků X vedl až k jisté posedlosti •Zdravotní rizika tehdy ještě neznámá à aplikace paprsků X a ‚radioaktivity‘ všude, kde se dalo“