Powerpoint-præsentation
Powerpoint-præsentation
Powerpoint-præsentation
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
Radioaktivt henfald og ioniserende<br />
stråling 1<br />
Jørgen Gomme<br />
Grundbegreber<br />
Atomets og kernens opbygning, energiniveauer<br />
Henfaldsprocesser<br />
F02
Grundlæggende begreber<br />
– Atomets opbygning<br />
– Energiniveauer<br />
– Stabile og ustabile<br />
nuklider<br />
Henfaldstyper<br />
– -henfald<br />
– h f ld<br />
-henfald – -henfald – EC<br />
– IT<br />
Andre henfaldstyper…<br />
Oversigt<br />
KKursets t hjemmeside:<br />
hj id<br />
– Aktuelt kursus<br />
– Kursus uge for uge<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 2
Grundlæggende gg begreber g
Strålingstypers afbøjning i et magnetfelt<br />
Tidli Tidlige f forsøg med d<br />
strålingens afbøjning i et<br />
magnetfelt gav<br />
oplysning om masse og<br />
ladning<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 4
Atomer, , kerner og g elementarpartikler...<br />
p<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 5
er<br />
ukleone<br />
Nu<br />
Den klassiske atommodel<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 6
De vigtigste elementarpartikler<br />
Navn Symbol Masse<br />
(u)<br />
Masse (kg) Ladning<br />
Neutron n 1.008665 1.6749 × 10 -27 0<br />
Proton p 1.007276 1.6726 × 10 -27 +1<br />
Elektron e – 0.000549 9.1091 × 10 -31 –1<br />
Positron e + 0.000549 9.1091 × 10 -31 +1<br />
Neutrino 0 0 0<br />
Foton 0 0 0<br />
1 u (atommasseenhed) = 1.664 ×10 -27 kg<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 7
Nuklider<br />
En nogenlunde stabil (ikke-transient) (ikke transient) samling af nukleoner<br />
med givne værdier af A og Z kaldes et nuklid<br />
Massetal = A (antal protoner + neutroner)<br />
Atomnummer = Z (antal protoner)<br />
A<br />
X Z<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 8
Isotoper<br />
Nuklider med samme antal protoner (Z = konstant), men<br />
forskelligt antal neutroner kaldes isotoper.<br />
Forskellige g isotoper p af et ggrundstof<br />
har samme kemiske<br />
egenskaber (Z = konstant, samme placering i det periodiske<br />
system)<br />
Forskellige isotoper af et grundstof har forskellige fysiske<br />
egenskaber<br />
11 6C<br />
13 6C<br />
14<br />
6<br />
C<br />
= ”samme samme sted” sted<br />
6CC<br />
12<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 9
Nogle isotoper af kulstof (C)<br />
*<br />
*<br />
Nuklid Z N A<br />
11 6C<br />
12<br />
6C<br />
13 6C<br />
14<br />
6<br />
C<br />
6 5 11<br />
6 6 12<br />
6 7 13<br />
6 8 14<br />
12 C udgør 98.93 % af naturligt forekommende kulstof (C)<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 10
Energienheder<br />
FFysiske i k systemers t energiindhold, ii dh ld og ændringer d i hheri… i<br />
Atom- og kernefysik: energienheden elektronvolt (eV).<br />
Makroskopiske fænomener: energienheden joule (J)<br />
1 eV = 1.602 × 10-19 J<br />
4.45 × 10-26 kWh<br />
1 keV = 10 3 eV<br />
1 MeV = 106 1 MeV = 10 ev 6 ev<br />
1 GeV = 10 9 eV<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 11
Energiniveauer g i kærnen og g henfald...<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 12
Atomkernens energiindhold<br />
Energitilstandene i kernen er kvantiserede – dvs dvs. kun nogle<br />
bestemte energiniveauer er tilladte<br />
Kernen kan overgå fra én energitilstand til en anden:<br />
– Tilførsel af energi udefra kan løfte kernen til et højere<br />
energiniveau (ekscitation)<br />
– Afgivelse af energi fører til et lavere energiniveau<br />
Eksciterede tilstande<br />
Grundtilstand<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 13
Energiindhold – atomkærne og atom<br />
Kvantiserede energitilstande<br />
Atomkernen:<br />
Atomet:<br />
Tilførsel af energi<br />
(ekscitation)<br />
eller<br />
Kærnen ”dannes” dannes i en<br />
eksciteret tilstand<br />
Henfald og<br />
energiudsendelse<br />
g<br />
Diskrete energispring –<br />
svarende til liniespektrum<br />
Forskellige<br />
henfaldsprocesser<br />
Tilførsel af energi (ekscitation)<br />
Elektron til højere energiniveau<br />
Energiudsendelse (EMS, lys)<br />
Liniespektrum<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 14
Radioaktivt henfald<br />
– ustabile kerner / nuklider<br />
Radioaktive (ustabile) ( ) kerner (nuklider) ( ) henfalder, , fordi<br />
de derved kan afgive energi (reducere energiindhold)<br />
Forskellige g henfaldsprocesser p<br />
– afhængigt af kernekonfiguration og energiniveau<br />
– og dermed forskellige typer af ioniserende stråling<br />
Vi skal senere gennemgå 7+ henfaldsprocesser og div. afledte fænomener<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 15
nergi<br />
En<br />
Henfald fører til formindskelse af kernens<br />
energiindhold = større stabilitet<br />
A<br />
X Z<br />
Z<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 16
Energiniveauer i kernen<br />
Kernen kan kun antage bestemte energiniveauer<br />
Radioaktivt henfald er ensbetydende med spring fra et højere<br />
til et lavere energiniveau (afgivelse af energi)<br />
Energiafgivelsen kan være ledsaget af en omkonfigurering af<br />
kernen<br />
– Udskillelse af nukleoner<br />
– Forskydning af forholdet mellem protoner og neutroner<br />
Energi<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 17<br />
Z
C-isotoper C isotoper, Z = 6 (et eksempel)<br />
Nuklid Halveringstid Henfaldsenergi Dominerende stråling<br />
(MeV)<br />
og energi (MeV)<br />
9 C 00.1265 1265 s 16 16.497 497 + + 15 15.48 48<br />
10 C 19.308 s 3.651 EC, 0.718<br />
11 C 20.33 min 1.982 + 0.962<br />
12 C (stabil)<br />
13 C (stabil)<br />
14 C 5700 a 00.157 157 00.157 157<br />
15 C 2.449 s 9.772 4.473, 5.298<br />
16 C 0.747 s 8.012 4.569 *<br />
17 C 0.193 s 13.16 11.31, 1.85 *<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 18
Z<br />
N = Z<br />
Kernens stabilitet:<br />
Balance mellem antal neutroner og protoner<br />
N<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 19
Z<br />
N<br />
Kernekortet i uddrag<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 20
Z<br />
N<br />
Kernekortet med C-isotoper<br />
C isotoper<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 21
Henfaldet er et stokastisk fænomen<br />
DDet t er umuligt li t at t forudsige, f d i hvornår h å en radioaktiv di kti<br />
kerne vil henfalde (sønderdeles)<br />
F For et t givet i t nuklid klid er der d veldefineret ld fi t sandsynlighed<br />
d li h d<br />
for at en kerne henfalder inden for et bestemt<br />
tidsrum<br />
<br />
Henfaldskontanten f ld k<br />
<br />
sandsynligheden for henfald i tidsenheden<br />
Henfaldskonstanten f ld k har h dimensionen d T 1 (f 1<br />
-1 (fx s-1 )<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 22
Henfaldskontanten <br />
Henfaldskonstanten<br />
– sandsynligheden for henfald i tidsenheden<br />
Henfaldskonstanten er karakteristisk for det enkelte nuklid<br />
(værdi findes ved tabelopslag)<br />
Eksempler på henfaldskonstanter:<br />
– 10C: 3 60 10-2 s-1 10C: = 3.60 10 2 s 1<br />
– 11 C: = 5.66 10 -4 s -1<br />
– 14C: = 3.83 10-12 s-1 C: 3.83 10 s<br />
– 15 C: = 2.83 10 -1 s -1<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 23
Henfaldstyper... yp -henfald<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 24
Tunge radioaktive nuklider<br />
-henfald henfald<br />
Reduktion af masse og energi<br />
q: energi Den vundne energi (q)<br />
svarer til massetabet (m) ( )<br />
Betingelse for henfald: q > 0<br />
2<br />
qmc 2<br />
E mc<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 25
Kinetisk energi og bevægelsesmængde<br />
-henfald<br />
Se Isotopteknik 1, side 137<br />
Bevarelse af energi og impuls<br />
Løsning:<br />
-partiklens tikl ki kinetiske ti k energi i<br />
pmv 1<br />
E Ekin mv<br />
2<br />
HHovedparten d t af f hhenfaldsenergien f ld i bli bliver til ki kinetisk ti k energi i f for<br />
-partiklen<br />
– en mindre del overføres til datterkernen (rekyl)<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 26<br />
2
-spektrum for 226 spektrum for Ra Ra.<br />
-stråling stråling er monoenergetisk<br />
226 Ra<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 27
Energi<br />
Kernen mister energi; Z<br />
reduceres med to enheder,<br />
og A med 4 enheder<br />
Henfaldsskema Henfaldsskema, -henfald henfald<br />
<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 28<br />
Z
Evt Evt. efterfølgende -emission<br />
emission<br />
Hvis datterkernen har et restindhold af energi<br />
-henfaldet henfaldet fører i dette tilfælde til en eksciteret kerne kerne.<br />
Denne henfalder senere under udsendelse af -stråling.<br />
c<br />
E h h (Isotopteknik 1, side 36)<br />
<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 29
-henfald henfald og efterfølgende -henfald henfald<br />
<br />
<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 30
Eksempel: Henfaldsskema of -data for 226 Ra<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 31
Eksempel: Henfaldsdata for 226 Ra<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 32
Henfaldstyper... yp -henfald etc.<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 33
-henfald<br />
– simpel antagelse<br />
q > 0<br />
forkert<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 34
q > 0<br />
henfald henfald<br />
korrekt<br />
Der udsendes både en negativ -partikel og en<br />
antineutrino (sidstnævnte kan ikke registreres)<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 35
-stråling stråling har et kontinuert energispektrum<br />
Middelenergi<br />
Maksimalenergi<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 36
Henfaldsskema Henfaldsskema, -henfald henfald<br />
<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 37
Eksempel: Henfaldsskema og -data for 14 C<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 38
Eksempel: -spectrum for 14 C<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 39
-henfald henfald og efterfølgende -henfald henfald<br />
Hvis datterkernen har et restindhold af energi<br />
henfaldet henfaldet fører i dette tilfælde til en eksciteret kerne kerne.<br />
Denne henfalder senere under udsendelse af -stråling<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 40
Henfaldsskema, – -henfald og efterfølgende<br />
-henfald<br />
<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 41
Eksempel: Henfaldsskema og –data for 24 Na<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 42
D Der udsendes d d både båd en positiv ii<br />
-partikel (positron) og en<br />
neutrino (sidstnævnte<br />
registreres it ikke) ikk)<br />
Evt. efterfølgende -emission<br />
henfald henfald<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 43
Henfaldsskema<br />
henfald og evt. efterfølgende -henfald<br />
<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 44
Auger-elektroner<br />
Røntgenstråling<br />
Eksempel: Decay scheme and -data for 11 C<br />
Annihilationsstråling å<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 45
Eksempel: -spektrum for 11 Eksempel: spektrum for C<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 46
Elektronindfangning:<br />
Alt ti til + Alternativ til h f ld<br />
+ -henfald<br />
Indfangning af orbitalelektron<br />
Elektronindfangning (EC)<br />
D Der udsendes d d fra f kernen k udelukkende<br />
d l kk d<br />
en neutrino (der ikke kan registreres)<br />
Fjernelse af en orbitalelektron udsendelse af karakteristisk røntgenstråling<br />
eller Auger-elektroner fra atomet.<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 47
Henfaldsskema Henfaldsskema, henfald henfald og EC<br />
EC <br />
Kan evt. efterfølges af -henfald<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 48
Auger-electroner<br />
g<br />
Røntgenstråling<br />
Example: Decay scheme and -data for 11 C<br />
Annihilationsstråling å<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 49
-henfald henfald, isomer overgang (IT)<br />
Afgivelse af energi fra en eksciteret<br />
kerne (efter - eller -henfald, EC<br />
etc.)<br />
-stråling er altid monoenergetisk<br />
(diskrete energier, liniespektrum) <br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 50
Eksempel: Henfaldsskema og -data for 24 Na<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 51
Det elektromagnetiske spektrum<br />
Vi skelner mellem røntgenstråling og -stråling<br />
på grundlag af strålingens oprindelse:<br />
røntgen-stråling: EMS fra atomet<br />
-stråling: EMS fra kernen<br />
10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 10-13 10-14 10 1 10-2 10-3 10-4 10 5 10 6 10 7 10 8 10-9 10 10 10 11 10-12 10 13 10-14 EMS = elektromagnetisk stråling 25 eV<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 52
-henfald henfald<br />
-henfald -henfald henfald<br />
EC<br />
IT<br />
Resumé<br />
Fortsættelse i forelæsning F03<br />
Annihilation<br />
Internal conversion (IC)<br />
Røntgenstråling (karakteristisk)<br />
Auger-elektroner<br />
Spontan fission<br />
AAndre d henfaldsprocesser<br />
h f ld<br />
Konsekutive henfald<br />
Sammenfatning Sammenfatning, henfaldstyper<br />
Tabeller og henfaldsskemaer<br />
2013 Isotopteknik F02 (JG) 53
2013 Isotopteknik F02 (JG) 54