1. Predavanje 3 Radioaktivni raspadi
Nuklearna fizika
Predavanje 3
Radioaktivni raspadi
dr.sc. Nikola Godinović
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

2. Sadržaj Što je Radioaktivnost Alfa raspad Doze zračenja
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

3. Radioaktivnost
U prirodi postoji samo 92 kemijska elementa + (još 12 umjetno proizvedenih) a poznato je oko 1500 različitih nuklida od kojih je 350 prirodnih a 1100 umjetnih. Većina nuklida je nestabilna (oko 1200) - radioaktivna
Pogodna kombinacija protona i neutrona čini jezgru stabilnom, čim je drugačije jezgra se nastoji izbacivanjem nukleona približiti stabilnoj konfiguraciji.
1896 Becquerel je slučajno otkrio radioaktivnost u spojevima koji sadrže uran. Nakon niza eksperimenata zaključio je da se to zračenje spontano emitira, da je prodorno, da zacrnjuje fotografsku emulziju i da ionizira plin. Takva spontana emisija zračenja nazvana je radioaktivnost.
Marie i Pierre Curie sustavno izučavali radioaktivnosti, te otkrili dva do tada nepoznata elementa, oba radioaktivna, nazvana polonij i radij.
Sustavna eksperimentalna istraživanja radioaktivnosti zajedno s Rutherfordovim raspršenjem alfa čestica ukazala su da je radioaktivnost rezultat raspada nestabilne jezgre
Utvrđeno je da postoje tri tipa radioaktivnosti:
alfa raspad – jezgra spontano emitira jezgru helija
beta raspad –jezgra spontano emitira elektron
ili pozitron (antielektron)
gama raspad – jezgra spontano emitira gama zraku
– foton visoke energije
Uhvat elektrona (p+e->n)
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

4. Radioaktivnost Alfa raspad Beta raspadi Gama raspad
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

5. Uvod Ne čini svaka kombinacija neutrona i protona jezgru stabilnom.
Brojne jezgre su radioaktivne.
Energijske razine u jezgri se popunjavaju kako bi se dostigla konfiguracije minimalne energije tj. maksimalne stabilnosti
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

6. Karta nuklida i radioaktivnost
Slika lijevo prikazuje defekt mase u ovisnosti o broju protona i neutrona u jezgri za lagane jezgre.
Dolina u slici lijevo je područje stabilnih jezgri.
Jezgre bogate protonima emisijom -čestica “spuštaju se u dolinu“
Jezgre s viškom neutrona “spuštaju se u dolinu” emisijom elektrona – beta raspad
Defekt mase m
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

7. Radioaktivni elementi u prirodi
Neki radioaktivni elementi koje nalazimo u prirodi
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

8. Svako radioaktivno zračenje je ionizirajuće zračenje kao i rendgensko i gornji dio UV zračenja jer je energija već od praga za ionizaciju tkiva koja iznosi oko 10 eV.
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

9. Radioaktivnost u ljudskom tijelu
Radioaktivni elementi u ljudskom tijelu
Radioactive  Isotope
Half Life (years)
Isotope Mass in the Body (grams)
Element Mass in the Body (grams)
Activity within  the Body (Disintegrations/sec)
Potassium 40
1.26 x 109
0.0165
140
4,340
Carbon 14
5,730
1.6 x 10-8
16,000
3,080
Rubidium 87
4.9 x 1010
0.19
0.7
600
Lead 210
22.3
5.4 x 10-10
0.12 15
Tritium (3H)
12.43
2 x 10-14
7,000 7
Uranium 238
4.46 x 109
1 x 10-4
3 - 5
Radium 228
5.76
4.6 x 10-14
3.6 x 10-11 5
Radium 226
1,620 3
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

10. Energija vezanja -čestice je 28,3 MeV
Radioaktivnost - uvod
Radioaktivnost je bila misterija
uzorak radioaktivnog materijala spontano emitira energiju (narušenje zakona očuvanja energije)
Energije -čestice koju emitira radioaktivni uzorak su 4 do 6 puta manje od Coulombove barijere
Ogroman raspon u vremenu poluživota od do 1020 sekundi?
Objašnjenje:
Specijalna teorija relativnosti (ekvivalencija mase i energije)
Kvantna mehanika (tunel efekt)
Energija vezanja -čestice je 28,3 MeV
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

11. Neki alfa emiteri i vremena poluživota
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

12. Detecting radiation A Geiger counter
Radiation ionizes (removes electrons) atoms in the counter
Leaves negative electrons and positive ions.
Ions attracted to anode/cathode, current flow is measured
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

13. Zakon radioaktivnog raspada
1/ - srednje vrijeme života jezgre
Radioaktivni raspad je statističke prirode, ne možemo predvidjeti kad će se određena jezgra raspasti, ali možemo izračunati vjerojatnost da se proces dogodi.
Brzina kojom se radioaktivni uzorak raspada (-dN/dt) proporcionalan je broju radioaktivnih jezgri u uzorku
dN/dt=-N, - konstanta raspada (vjerojatnost da jezgra jedinici vremena emitira alfa, beta, gama česticu) koja određuje brzinu raspada radioaktivne jezgre i ovisi o tipu nuklida.
Broj neraspadnutih jezgri u nekom radioaktivnom uzorku nakon t vremena ako je početni broj jezgri bio No je:
Vrijeme poluživota T1/2 je vremenski interval unutar kojeg se raspadne polovina jezgri.
Aktivnost – broj raspada u jedinici vremena, jedinica za aktivnost je 1Ci=3,7x1010 raspada/s, odnosno 1 Bq= 1 raspad/s
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

14. Visina Coulombove barijere -procjena
Alfa čestica emitirana je iz 212Po, procijenite Coulombovu barijeru na površini jezgre.
Energija alfa čestice je 8,9 MeV < 30 MeV ???
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

15. a-raspad DEsep≈6MeV per nucleon for heavy nuclei
DEbind(42a)=28.3 MeV > 4*6MeV
Neutrons
Protons
Alphas
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

16. Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

17. Kvantno- mehanički opis alfa raspada
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

18. Kvantno- mehanički opis alfa raspada
Model oblika potencijalne jame za -česticu energije 8,78 MeV koju emitira 212Po s vremenom poluživota od 0,3 s (eksperimentalni podatak).
Kad se uzme u račun da se
širina i visina barijere mijenjaju
Segment height
Probability  of tunneling
21.9
1.20 x10^-5
16.4
1.74 x 10^-4
13.2
1.43 x 10^-3
11.0
.98 x 10^-2
9.4
.85 x 10^-1
Product of probabilities
2.47 x 10^-15
Separation of centers of alpha and nucleus at edge of barrier
9.1 fm
Height of barrier
26.4 MeV
Radius at which barrier drops to alpha energy
26.9 fm
Width of barrier seen by alpha
17.9 fm
Alpha's frequency of hitting the barrier
1.1 x 10^21/s
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

19. Kvantno- mehanički opis alfa raspada
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

20. Tunel efekt
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

21. Usporedba računa i eskperimenta
Energija  (MeV)
T1/2 (s) 4 9
10-6
1018
Jako dobro slaganje izmjerenih vremena poluživota i izračunatih za gotovo sve alfa emitere.
o-eksperimenta
račun
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

22. Radioaktivni nizovi
Većina radionuklida koju nalazimo u prirodi su članovi jednog od 4 radioaktivna niza.
A=4n
A=4n+3
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

23. Radioaktivni nizovi A=4n+2 A=4n+1
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

24. Jedinice u radioaktivnosti
1 curie = amount of material that will produce 3.7 x 1010 nuclear decays per second.
1 becquerel = amount of material which will produce 1 nuclear decay per second.
1 Cuirie = 3.7 x 1010
The rad is defined as an absorbed dose of 0.01 joules of energy per kilogram of tissue.
The gray is defined as 1 joule of deposited energy per kilogram of tissu
assess the risk of radiation, the absorbed dose is multiplied by the relative biological effectiveness
of the radiation to get the biological dose equivalent in rems o rsieverts.
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

25. Dozimetrija
Alfa čestice – jezgre helija jedva prolaze kroz list papira
Beta čestice – elektroni (pozitroni) prolaz kroz nekoliko milimetra aluminija
Gama čestice – fotoni prolaze kroz nekoliko centimetara olova
Utjecaj zračenja na ljude se iskazuje preko:
Apsorbirana doza – apsorbirana energija po jedinici mase (Gy-gray), stara jedinica je rad, 1Gy=1 J/kg=100 rad. Uobičajneo je izjava: “ Doza gama zračenja od 3 Gy koju primi čitavo tijelo u kratkom vremenskom intervalu uzrokovat će smrt u 50 % slučajeva”. Srednja doza koju primi čovjek u godini dana od prirodnih i umjetnih radioaktivnih izvora je oko 2 mGy.
Ekvivaletnna doza – različiti tipovi zračenja mogu isporučiti istu dozu ( energiju po jedinici mase) ali ne uzrokuju iste biološke efekte. Ekvivalentna doza zračenja izražava biološki utjecaj apsorbirane doze tako da apsorbiranu dozu množi s numeričkim faktorom RBE-relativni biološki utjecaj. RBE=1 za X-zrake i elektrone, RBE=5 za spore neutrone, RBE=20 za alfa zrake.
SI jedinica ekvivalentne doze je 1 sivert (Sv). Preporuka je da neprofesionalna osoba ne primi ekvivalentnu dozu zračenju veći od 5 mSv u godini dana.
Prilikom leta avionom ljudi su izloženiji kozmičkom zračenju. U 900 sati leta u godini dana ekvivalentna doza iznosi oko 5,4 mSv, što prelazi dopuštenu granicu od 5 mSv u godini dana.
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

26. Dozimetrija
Alfa čestice – jezgre helija jedva prolaze kroz list papira
Beta čestice – elektroni (pozitroni) prolaz kroz nekoliko milimetra aluminija
Gama čestice – fotoni prolaze kroz nekoliko centimetara olova
Utjecaj zračenja na ljude se iskazuje preko:
Apsorbirana doza – apsorbirana energija po jedinici mase (Gy-gray), stara jedinica je rad, 1Gy=1 J/kg=100 rad. Uobičajena je izjava: “ Doza gama zračenja od 3 Gy koju primi čitavo tijelo u kratkom vremenskom intervalu uzrokovat će smrt u 50 % slučajeva”. Srednja doza koju primi čovjek u godini dana od prirodnih i umjetnih radioaktivnih izvora je oko 2 mGy.
Ekvivaletnna doza – različiti tipovi zračenja mogu isporučiti istu dozu ( energiju po jedinici mase) ali ne uzrokuju iste biološke efekte. Ekvivalentna doza zračenja izražava biološki utjecaj apsorbirane doze tako da apsorbiranu dozu množi s numeričkim faktorom RBE-relativni biološki utjecaj. RBE=1 za X-zrake i elektrone, RBE=5 za spore neutrone, RBE=10 za alfa zrake.
SI jedinica ekvivalentne doze je 1 sivert (Sv). Preporuka je da neprofesionalna osoba ne primi ekvivalentnu dozu zračenju veći od 5 mSv u godini dana.
Prilikom leta avionom ljudi su izloženiji kozmičkom zračenju. U 900 sati leta u godini dana ekvivalentna doza iznosi oko 5,4 mSv, što prelazi dopuštenu granicu od 5 mSv u godini dana.
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

27. Relativni biološki efekt (RBE)
Studije pokazuje da biološka oštećenja izazvana zračenjem jako ovise o tipu zračenja.
Ista doza alfa zračenja uzrokuje više oštećenja nego jednak doza protona, a a više nego ista doza elektrona ili gama zraka.
Ekvivalentna doza se dobije množenjem apsorbirane doze (rad ili Gray) s kvalitativnim faktorom relativne biološke efikasnosti.
Rem=kvalitativni faktor (RBE) x rad
Sievert (Sv)= kvalitativni faktor (RBE) x Gray
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

28. Efektivna ekvivalentna doza
Uz kvalitativni faktor kojim se iskazuje relativna biološka efikasnost pojedinih tipova zračenja, potrebno je uzeti u račun i faktor rizika kojim se iskazuje da su neki organi osjetljivi na zračenje.
Tako su najosjetljiviji organi, jajnici i testisi.
Kad se ekvivalentna doza pomnoži s faktorom rizika za pojedine organe dobije se efektivna ekvivalentna doza.
Preuzeto iz: Radiation-Doses, Effects
Risk, United nations Enviroment Programe. Prevod, Nolit, Beograd
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

29. Primjer - radioaktivnost
Gama doza od 3 Gy je letalna doza – 50% ljudi koji prime ovu dozu umre. Ako se ekvivalentna doza primi u obliku topline, koliki je porast temperature. Za specifični toplinski kapacitet ljudskog tijela uzmite vrijednost specifičnog toplinskog kapaciteta vode c=4180 J/kgK.
Očito oštećenja izazvana zračenjem nemaju nikakve veze s zagrijavanjem tijela. Oštećenja nastaju na razini DNA i tako utječu na promjene u biološkim i kemijskim procesima.
Alfa zrake zaustavlja list papira i jedva prodire kroz
vanjske slojeve epitela na koži.
1-2 cm živog tkiva
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

30. Prirodni izvori radioaktivnosti
Prirodni izvori: Kozmičko zračenje, radioaktivni izotopi koje nalazimo u prirodi.
Uz ove izvore postoje još i izvori zračenja uzrokovani nuklearnim eksplozijama, izvorima koji se koriste u medicini i industriji.
Nešto manje od polovice čovjekove izloženosti prirodnom zračenju potječe od kozmičkog zračenja.
Kozmičko zračenje dolazi iz dubine međuzvjezdanog prostora i sa Sunca.
Čovjek na morskoj razini primi godišnje oko 300 mikroSv, a na 2000 m primi nekoliko puta veću dozu.
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

31. Prirodni izvori radioaktivnosti
Najzastupljeniji radioaktivni izotopi koje nalazimo u prirodi su: 40K i 87Rb.
U prosjeku dvije trećine doze zračenja koju ljudi primaju iz prirodnih izvora potječe od radioaktivnih tvari u zraku koje udišemo ili unosimo prehranom. Jedan dio potječe od kalija, koji tijelo apsorbira, skupa s neradioaktivnim izotopom (kalij je bitan za organizam). A veći dio potječe od elemenata koji nastaju raspadanjem 238U i 232Th. U ovim radioaktivnim nizovima nastaju olovo-210 i polonij-210 i uglavnom ulaze u tijelo prehranom, i jedan i drugi su skoncentrirani u ribi i rakovima (škampi & jastozi nisu baš najbolji za prehranu  !)
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

32. Prirodni izvori radioaktivnosti -radon
Tek nedavno je postalo jasno da je od svih prirodnih izvora zračenja, nevidljivi plin, bez okusa i mirisa, sedam i po puta teži od zraka, a koji se zove radon, najvažniji. 86Rn –radon (plemeniti plin), najstabilniji izotop radon-222 ima vrijeme poluživota od 3,8 dana. Radon se alfa raspadom raspada na polonij-218.
Procjenjuje se da na radon zajedno sa svojim radioaktivnim jezgrama kćerkama otpada 3/4 godišnje doze zračenja koju osoba primi iz zemaljskih prirodnih izvora i oko polovine doze iz svih prirodnih izvora. Većina ove doze se prima udisanjem u zatvorenim prostorima.
Postoje dva izotopa radona: radon-222 ( nastaje u radioaktivnom nizu urana-238) i radon 220 (nastaje u radioaktivnom nizu torija-232.
Radon-222 ima oko 20 puta jače djelovanje od radona 220. Mada u biti najveći dio zračenja potječe od radionuklida koji nastaju raspadanjem radona, a ne od samog plina radona. Radon najvećim dijelom izbija iz tla.
Ljudi su najviše izloženi radonu u zatvorenim prostorima,
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

33. Prirodni izvori radioaktivnosti -Radon
Građevinski materijalu sadrže torij i radij iz kojih nastaje radon.
U Švedskoj se nekoliko desetljeća koristio stipsni škriljac za proizvodnju betona, koji je uzidan u oko kuća. A naknadno se pokazalo da je ovaj škriljac radioaktivan.
Radioaktivni građevinski materijali: fosforni gips, cigle od blata koji je nuspordukt u proizvodnji aluminija, šljaka iz visokih peći i lebdeći pepel od sagorijevanja ugljena.
222Rn+218Po
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

34. Radijacijska oštećenja-dozvoljene doze
Zakonska regulativa definira maksimalnu dopuštenu dozu od 2-5 mSv/godina, za profesionalce dozvoljena maksimalna godišnja doza je 50 mSv/godina.
Za dozu od 1 Sv 1 od 20 ljudi umre od raka, 1 od umre od raka za dozu od 1 mSv.
Srednja doza koju primi čovjek od radioaktivnih izvora je oko 2,7 mSV, a najvći je doprinos radona od 1,3 mSv, radionulidi u stijenam, tlu, zgradama doprinose 0,4 mSV, kozmičko zračenje 0, 28 mSV, medicinska primjena 0,22 mSv, prehrana 0,2 mSv. (CT snimak 8 mSv !!)
Vrlo je teško definirati koja je maksimalna dozvoljena doza sigurna pogotovo kad su u pitanju male doze zračenja.
Prilikom korištenja rendgenskog snimanja svakako treba vrlo promišljen odvagnuti o štetnim i lošim učincima.
Termoelektrane na ugljen zbog ispušnih plinova su do 100 puta opasnije za zdravlje nego nuklearna elektrana istog kapaciteta koja pouzdano radi.
Naravno usporedba nije jednostavna, jer ozbiljan nuklearni akcident može uzrokovati znatno veća radioaktivna zagađenja. Radijacija poslije Černobil (1986) je uzrokovala smrt desetke tisuća ljudi i brojne genetske bolesti. Fallout iz Černobila sadržavao je 131I T1/2=8 dana, ali i dugoživuće izotope 137Cs (T1/2=29 godina), 90Sr (T1/2=29 godina), 93Zr(T1/2=1,1 milijun godina), 106Ru(T1/2=1 godina) i 60Co(T1/2=5,6 godina)
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

35. Primjena radioaktivnosti - Braggova krivulja
Ostavljen energija inozacijskog zračenja po dubini
Pažljivom fokusacijom i kontrolom energije snopa može se deponirati energija u “baš tom volumenu” tkiva.
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

36. Primjena radioaktivnosti
Slabi radioaktivni izvor 241Am (vrijeme poluživota 432 y) ionizira zrak u komori detektora.
Pri određenom naponu na detektoru teče stalna struja zbog ionizacije zraka u komori.
Kad se pojavi dim u zraku i uđe u komoru, ioni se vežu uz molekule dima, struja se smanji i detektor aktivira.
Radioaktivni alfa emiteri se koriste za napajanje srčanih pacemaker-a. i svemirskih letjelica.
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

37. Ispitivanje starosti materijala – datiranje ugljikom
Raspad bilo koje radioaktivne jezgre ne ovisi o okolini. Omjer broja stabilnih jezgri kćerki i jezgri majki ovisi o vremenu, što je broj jezgri kćerki veći to je uzorak stariji. Radionuklid 14C ima vrijeme poluživota T1/2=5730 godina. Stalna je proizvodnja izotopa 14C u višim slojevima atmosfere, 1 atom 14C na 1013 atoma 12C. Formira se molekula ugljičnog dioksida CO2, jedna na 1013 sadrži 14C umjesto 12C. Kroz biološke procese, fotosinteza, disanje, CO2 ulazi u tkivo, uspostavi se dinamička ravnoteža tako da svako živo biće sadrži fiksnu količinu 14C u formi CO2. Kad prestanu biološki procesi, nema više izmjene radiougljika s atmosferom i količina 14C se smanjuje. Mjereći količinu 14C po gramu organskog tkiva može se odrediti koliko je vremena prošlo od trenutka smrti organizma. Datiranje pouzdano do godina.
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

38. Primjer
Komad drveta na arheološkom nalazištu ima aktivnost 14C od 13 raspada u minuti po gramu. Aktivnost živog drveta je 16 raspada u minuti po gramu. Kad je drvo uginulo?
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB

39. Metoda Jezgra majka Stabilna jezgra kćerka Vrije poluživota
Geološko datiranje
Datiranje radioaktivnim ugljikom je ograničeno na godina. Za starija, geološka datiranja nužno je koristiti radionuklide čija je vrijeme poluraspada znatno veće, reda nekoliko milijardi godina.
Najstarija stijena čija je starost oko 3,8 milijarde godina je nađena na Grenlandu.
Metoda Jezgra majka Stabilna jezgra kćerka Vrije poluživota
(milijarde godina)
Kalij - Argon 40K Ar ,3
Rubidij - Stroncij 87Rb Sr
Torij - Olovo 232Th Pb ,9
Uran - Olovo 235U Pb ,7
Uran - Olovo 238U Pb ,5
Energija i okoliš, Nikola Godinovic, FESB