Starojumi.Radioaktivitāte.

P. Puķītis. Fizika 12. klasei: 112.-126. lpp.

Sasniedzamie rezultāti• Izskaidro atoma kodola īpašības, izmantojot protonu–

neitronu modeli.

• Apraksta atoma un atoma kodola starojuma rašanos.

• Izmantojot funkcionālās sakarības, aprēķina starojuma viļņa garumu un frekvenci.

• Skaidro radioaktīvo izotopu sabrukšanu, lietojot pussabrukšanas perioda jēdzienu.

• Zina α, β un γ starojuma reģistrācijas un novērošanas metodes.

Siltumstarojums

• Visi ķermeņi, kuru temperatūra ir virs absolūtās nulles (-273 oC), izstaro elektromagnētiskā starojuma kvantus (fotonus), izmantojot iekšējo enerģiju– zemā temperatūrā – infrasarkano staru diapazonā– vairāku simtu oC temperatūrā – arī redzamā gaisma– augstākā temperatūrā – arī UV starojums

• Nemainīga temperatūra (termodinamiskais līdzsvars) – izstarošana un absorbcija ir līdzsvarā

Stefana – Bolcmana likums

• Siltumstarojuma jauda P, kuru izstaro ķermeņa virsma, ir tieši proporcionāla absolūtās temperatūras T ceturtajai pakāpei un ķermeņa virsmas laukumam S

P = σ ε T4 Sσ (sigma) – Stefana-Bolcmana konstante σ=5,67 10∙ -8 W/(m2 K∙ 4)ε (epsilon) – emisijas koeficients

Absolūti melnam ķermenim ε=1, ūdenim ε=0,92

Siltumstarojuma spektrs• Sakarsētu ķermeņu siltumstarojuma spektrs ir

nepārtraukts• Nepārtrauktā spektrā katrai ķermeņa temperatūrai

atbilst viļņa garums λ, kur starojumam vislielākais jaudas blīvums I.

Luminiscentais starojums• Starojumu, kuru rada ķermeņi, ja atomi ierosināti

bez karsēšanas, sauc par luminiscento starojumu• Vielas spīd kādu laiku pēc atomu ierosināšanas

– fluorescence – pēcspīdēšanas ilgums sekundes daļas– fosforescence - pēcspīdēšanas ilgums vairākas minūtes,

stundas

http://giphy.com/search/fluorescence http://giphy.com/search/phosphorescent

Rentgenstarojums jeb X-starojums• EMV ar viļņu garumu 10-9 līdz 10-14 m• Dabiskie avoti – Saule un citas zvaigznes• Medicīnā un tehnikā iegūst ar rentgenlampām

http://giphy.com/search/xray

Rentgenstarojuma kvanta enerģija

• Rentgenstarojuma kvanta maksimālā enerģija Wmax atkarīga no lampai pieslēgtā sprieguma U:

m – elektrona masav – elektrona ātrums pie katoda

e – elektrona lādiņš

mv2

2= eU

Rentgenstarojuma kvanta enerģija

• Rentgenstarojumam ir maksimālā enerģija Wmax, ja visa kinētiskā enerģija pārvēršas kvanta enerģijā, tāpēc

hcλ = eU h – Planka konstante

c- gaismas ātrumsλ – viļņa garums

Rentgenstarojuma viļņa garums

• Īsākais rentgenstarojuma viļņa garums

hceUλ =

λ – viļņa garumsh – Planka konstante

c- gaismas ātrumse – elektrona lādiņš

U - spriegums

Kodola sastāvs• Atoma kodols sastāv no daļiņām – nukloniem

– protons• lādiņš – viena elementārā lādiņa vienība (q = 1e)• pieraksts: p (apakšējais skaitlis – lādiņš e

vienībās, augšējais – masa u vienībās)– neitrons• bez lādiņa• pieraksts: n (apakšējais skaitlis – nav lādiņa,

augšējais – masa u vienībās)

11

10

Ķīmisko elementu pieraksts

• Katru ķīmisko elementu apzīmē ar simbolu• Ar tādu pašu simbolu apzīmē kodolu, pierakstot

apzīmējumam divus skaitļus:– Z – protonu skaits– A – nuklonu skaits (A=Z+N jeb

nuklonu skaits = protonu + neitronu skaits)

X He U

AZ

42

23892

Izotopi

• Izotopi - viena un tā paša ķīmiskā elementa atomu kodoli, kas atšķiras ar neitronu skaitu N kodolā:

H H Hūdeņradis deitērijs tritijs

99,985% 0,015% iegūst mākslīgi n

11

21

31

Spēki atoma kodolā

• Starp nukloniem (protoni un neitroni) darbojas • gravitācijas pievilkšanās spēki (ļoti mazi),• kodolspēki• Starp protoniem darbojas Kulona atgrūšanās spēki• Kodolspēks ir stiprās mijiedarbības spēks, kas• darbojas starp visām kodola daļiņām• darbības rādiuss kodola lielumā• katra daļiņa miejiedarbojas ar noteiktu skaitu nuklonu

Kodolu saites enerģija• Kodolu saites enerģija ir vienāda ar darbu, kas

jāpadara, lai atoma kodolu sadalītu pa atsevišķiem nukloniem, nepiešķirot tiem kinētisko enerģiju

• Saites enerģiju aprēķina pēc Einšteina formulas:W = mc2

• Masas defekts: kodola masa ir mazāka nekā protonu un neitronu miera masa (daļa matērijas no vielas formas pārvēršas lauka formā)

Δm = Z m∙ p + N m∙ n - mk

Saites enerģijas noteikšana Noteikt saites enerģiju litija atoma kodolam Li!

1) no tabulas: litija kodola masa m = 7,01435 u2) protonu skaits Z=3 (1 prot. masa u vienībās 1,0073)

3) neitronu skaits N=7-3=4 (1 neitr. masa u vienībās 1,0087)

4) masas defekts Δm = 3 1,0073 + 4 1,0087 - 7,01435 = 0,04235 u∙ ∙1u = 1,7 10∙ -27 kg Δm = 1,7 10∙ -27 0,04235 = 7,1995 10∙ ∙ -29 kg5) Saites enerģija W = mc2 = 7,1995 10∙ -29 (3 10∙ ∙ 8)2 = 6,48 10∙ -12 J

73

Kodola stabilitāte

• Lai raksturotu kodola stabilitāti, salīdzina kodolu īpatnējo saites enerģiju w (saites enerģija uz vienu nuklonu)

• w =

• Piemēram, Li w=

WZ+N

6,48∙10-12

3+4= 9,3 ∙10-12 J/nuklonu

Jo lielāka īpatnējā saites enerģija, jo kodols stabilāks

Kodola stabilitāte• Kodolfizikā saites enerģiju bieži

izsaka megaelektronvoltos (MeV)• Litija kodola saites enerģija ir

W=39,6 MeV, īpatnējā saites enerģija w=5,65 MeV/nuklonu

• Grafikā parādīta īpatnējās saites enerģijas atkarība no nuklonu skaita

• Stabilāki kodoli, kas satur 50-60 nuklonu

Radioaktivitāte• Radioaktivitāte ir parādība, ka nestabili kodoli bez

ārējas iedarbības “sabrūk”.• Biežākie sabrukšanas veidi:• α sabrukšana (izdalās He kodoli)

Th Ra + He• β sabrukšana • β mīnus – kodols izstaro elektronu e• β plus – kodols izstaro pozitronu (elektrona

antidaļiņu) e

22890

22488

42

0-1

01

Radioaktivitāte• Biežākie sabrukšanas veidi:• γ sabrukšana (izdalās γ kvants, kodola stabilitāte

palielinās)

http://www.dialektika.lv/2016_08_01_archive.html

Radioaktīvo vielu sabrukšanas likums

• Katram radioaktīvajam izotopam ir noteikts pussabrukšanas periods T – laiks, kurā sabrūk puse no šī laika sākumā esošiem kodoliem

• Urānam U238 4,5 10∙ 9 gadi (4 500 000 000 gadi)• Rādijam Ra226 1617 gadi• Rādijam Ra222 3,8 diennaktis• Ogleklim C14 20,4 minūtes• Polonijam Po212 3 10∙ -7 sekundes

Radioaktīvo vielu sabrukšanas likums

• Nesabrukušo kodolu skaitu var aprēķināt pēc sakarības

• N – nesabrukušo kodolu skaits• N0 – radioaktīvās vielas kodoli sākumā• T – pussabrukšanas periods• t - laiks

Radioaktīvā starojuma īpatnības

Starojuma veids

Jonizācijas spēja

Caurspiešanās spēja

α Liela (ļoti bīstama)

Vismazākā (aiztur papīra lapa)

β Vidēja Vidēja (audos vairāki mm)

γ MazaLiela

(iekļūst dziļi, izdala lielu enerģiju)

Starojuma doza• Absorbētā doza Da – enerģija, ko ķermeņa masas

vienība saņēmusi apstarošanas rezultātā• SI mērvienība – grejs Gy: katrs ķermeņa masas kg

saņēmis 1 J jonizējošā starojuma (3-4 greji/mēnesī nogalina 50% cilvēku)

• Ekvivalentā doza De – ņem vērā starojuma veidu (bīstamību). De = wr Da (wr – bīstamības koeficients)

• mērvienība – zīverts Sv (4 Sv – staru slimība, mirst 60%)• wr neitroniem ir 5-10, α starojumam līdz 20

Starojuma doza

• Rentgens R – noteikta kvantu plūsmas intensitāte• 1 Sv = 100 R

• Dabiskais radioaktīvais fons – Latvijā 0,2 ϻSv/h, ne vairāk kā 2 mSv gadā

• Papildus gada laikā var uzņemt 1 mSv

Starojuma mērīšanas ierīces

• Geigera-Millera skaitītājs• scintilāciju skaitītājs• Vilsona kamera

http://collectionsonline.nmsi.ac.uk/detail.php?type=related&kv=454591&t=objects

https://www.sahmriresearch.org/our-research/research-facilities-and-equipment/general-equipment/scintillation-counter http://giphy.com/search/gas-chamber

Radioaktīvo izotopu izmantošana• Medicīna (diagnostika, ārstēšana)• Enerģijas iegūšana (kodolbaterijas, AES)• Iežu un fosīliju vecuma noteikšana• Defektoskopija (detaļu bojājumu noteikšana)• Bruņošanās

https://answersingenesis.org/geology/carbon-14/doesnt-carbon-14-dating-disprove-the-bible/

Sasniedzamie rezultāti• Izskaidro atoma kodola īpašības, izmantojot protonu–

neitronu modeli.

• Apraksta atoma un atoma kodola starojuma rašanos.

• Izmantojot funkcionālās sakarības, aprēķina starojuma viļņa garumu un frekvenci.

• Skaidro radioaktīvo izotopu sabrukšanu, lietojot pussabrukšanas perioda jēdzienu.

• Zina α, β un γ starojuma reģistrācijas un novērošanas metodes.

Papildus informācijas avoti:• http://www.dzm.lu.lv/fiz/IT/F_12/default.aspx@tabid=3&id=450.html • https://www.fizmix.lv/fiztemas/atoms-un-atoma-kodols-10/dazada-veida-starojumi • http://www.uzdevumi.lv/p/fizika/12-klase/atoms-un-atoma-kodols-3335

• Атомная физика https://interneturok.ru/physics/11-klass

Materiāli krievu valodā:

JAUTĀJUMI?