Životní prostředí pro přírodní vědy RNDr. Pavel PEŠAT, PhD. KAP FP TU Liberec
[email protected] tel. 3293
Radioaktivita.
Přímo
a nepřímo ionizující záření. Interakce záření s látkou. Detekce záření, Dávka a dávkový ekvivalent. Ionizující záření a radioaktivní nuklidy v životním prostředí. Atomový zákon.
Literatura 1) Halliday, D., Resnick, R., Walker, J.: Fyzika. Část 5, Moderní fyzika, ISBN 80-214-1868-0 2) E-fyzika, kolektiv autorů (ve slovenštině), 3) Státní ústav pro jadernou bezpečnost 4) Legislativa Atomový zákon č. 18/1997 Sb. Vyhláška č. 307/2002 Sb., o radiační ochraně, ve znění novely č. 499/2005 Sb.
Veličiny a jednotky jaderné fyziky
Energie: 1 eV = q × U ≈ 1,6 × 10−19 C × 1 V = 1,6 × 10−19 J Atomová hmotnostní jednotka: u ≈ 1,66053886 × 10−27 kg ≈ 931,49 MeV
E = mc2
Délková míra: 1 × 10−15 m = 1 fm
Země v noci (NASA)
http://apod.gsfc.nasa.gov/apod/ap001127.html
JADERNÁ ENERGIE Energie uvolňovaná při jaderných přeměnách. (exoergické reakce) 1. Radioaktivita (emise částic α, β- , β+ , γ) 2. Jaderné štěpení
3. Jaderná fúze
JADERNÁ ENERGIE
Mírové využití: ČEZ: Jaderná energetika Dukovany Temelín Jaderné havárie: Černobyl, Fukušima 1
Vojenské využití: Atomová / Vodíková bomba Technet: Jaderné zbraně: Testováno na
lidech, zvířatech i Zemi
Hirošima Bikini Car Bomba
Chemické prvky v přírodě Mendělejevova tabulka prvků Mapa izotopů Zápis:
A = hmotnostní (nukleonové) číslo Z = protonové číslo N = neutronové číslo
Radioaktivita Radioaktivita Zákon
radioaktivního rozpadu −dn = λndt, integrací n = n0e −λt,
n0 … počet částic v čase t = 0.
Přírodní
radionuklidy Indukovaná radioaktivita Proč jsou jádra nestabilní?
Rozpadová schémata - příklady
počet emitovaných částic může být podstatně větší než aktivita
Hmotnost atomů a atomových jader
Pro nadbytek energie Měření hmotnosti v hmotnostních spektrometrech (spektrografech) (Mattauchův spektrograf) Δm/m = 1/10 × 10−8
Proti zákony zachování, výběrová pravidla
Snímek ze spektrometru
rozlišení pro u = 16 atom. hmotnostních jednotek
Hmotnostní schodek Δm
Vazbová energie jádra B
[MeV] 8 6 4 2 50
100
150
200
A
Obr.14.1.3.1 Závislosť väzbovej energie pripadajúcej na jeden nukleón od nukleónového čísla A.
Jaderné štěpení 235 + n1→ U 92 0
147 + La 57
87 + 2 n1 Br 35 0
Ek štěpných trosek: 2,64 × 10-11J E neutrin: 1,76 × 10-12J E γ, neutronů, elektronů: ≈10-13J celkem na jedno štěpení: 3,17 × 10-11J
Spektrum hmotností produktů štěpení 235U, povšimněte si logaritmické stupnice výtěžku
Zdroje radioaktivity
Přirozené: pozemské, mimozemské (kosmické záření). Umělé: lékařské aplikace, jaderné testy, průmyslové aplikace (materiálový výzkum, trasování, energetika).
dávka z přirozených zdrojů Kosmické záření
8%
Radon
44%
Záření zemské kůry
10%
Konzumace potravin
21%
Lékařské aplikace
16%
Ostatní malé zdroje
1%
Jaderná energetika
0,01%
Interakce jaderného záření s látkou
Účinný průřez
j… hustota toku nalétávajících částic ω … plošná hustota center reakce v terčíku A … celková zasažená plocha terčíku
Základní dělení jaderného záření
Přímo ionizující záření (NABITÉ)
těžké nabité částice elektrony
Nepřímo ionizující záření (NENESE NÁBOJ)
fotony gamma záření neutrony
Ionizační ztráty
Charakteristika látky: koncentrace elektronů, ionizační potenciál
Lineární brzdná
schopnost
Závislost ionizačních ztrát energie dE/dx na energii částice Ek v jednotkách klidové energie částice mc2 :pokles úměrný 1/v2
Braggova křivka : počet iontů vytvořených na jednotkové dráze částice
Dolet těžkých nabitých částic
Průchod elektronů látkou
Ionizační ztráty Brzdné záření
Interakce záření gamma Fotoelektrický jev Comptonův rozptyl Tvorba elektron-pozitronových párů
Fenomenologický vztah pro zeslabení:
OCHRANA PŘED IONIZUJÍCÍM ZÁŘENÍM LEGISLATIVA České republiky Atomový zákon č. 18/1997 Sb. Vyhláška č. 307/2002 Sb., o radiační ochraně, ve znění novely č. 499/2005 Sb.
STÁTNÍ ÚŘAD PRO JADERNOU BEZPEČNOST
SÚJB
Základní veličiny
Stochastické:
s různou pravděpodobností nabývají různých hodnot, nelze předem stanovit, lze změřit, např. energie sdělená látce E = Ein – Eout
Nestochastické:
v principu lze předem vypočítat, např. střední hodnota stochastické veličiny, střední energie sdělená látce <E> .
Základní veličiny
Aktivita
A = dN/dt
Počet radioaktivních přeměn v radioaktivním materiálu, vztažený na jednotku času Poločas rozpadu je doba, za kterou se přemění polovina celkového počtu atomárních jader ve vzorku t1/2 = (1/λ) . ln(2)
Aktivita měrná (A/m) Aktivita objemová (A/V) Aktivita plošná (A/S) Aktivita molová (A/n)
Základní veličiny
Tok (Fluence) prošlých částic
Φ = dN/dS charakteristika pole ionizujících částic
Základní veličiny
Dávka D = dE/dm
Střední energie E sdělená ionizujícím zářením látce v objemovém elementu, ve kterém je hmotnost látky dm Jednotka: Joule/kilogram = Gray (Gy) Starší jednotka: 1 rad = 0,01Gy
KERMA = kinetic energy released in material (pro nepřímo ionizující záření) Expozice (pro fotonové záření)
Ekvivalentní dávka
HT= wRDTR Jednotka: Sievert [Sv]
wR ..radiační váhový faktor dle tabulky 1 přílohy č. 5 vyhlášky č. 307/2002 Sb.
Efektivní dávka
E= Σ(wTHT)
wR ..tkáňový váhový faktor dle tabulky 2 přílohy č. 5 vyhlášky č. 307/2002 Sb.
Dávkový ekvivalent
H= QD
Q ..jakostní činitel dle tabulky 3 přílohy č. 5 vyhlášky č. 307/2002 Sb.
Stručný přehled biologických účinků záření
Účinky záření:
Deterministické účinky
smrt buňky, změna metabolismu buňky, změna genetické informace. akutní nemoc z ozáření (intenzita projevu roste s dávkou, existuje práh dávky, radiační zánět kůže).
Stochastické účinky
Předpokládá se bezprahový, lineární vztah mezi dávkou a účinkem, závislost účinků na dávce má statistický charakter, při nízkých dávkách nelze odlišit od „spontánně vzniklých případů“, zhoubné nádory.
Optimalizace a limity ozáření dle Vyhlášky č. 307/2002 Sb.
Optimalizace radiační ochrany (§ 17 vyhlášky). Obecné limity (§ 17 vyhlášky):
Limity pro radiační pracovníky (§ 20 vyhlášky):
základní hodnota: 1 mSv za rok.
základní hodnota: 100 mSv za 5 za sebou jdoucích kalendářních let).
Limity pro učně a studenty (§ 21 vyhlášky) Odvozené limity. Omezování ve zvláštních případech.
Detektory záření
Detekce důsledků interakce záření s látkou:
primárně ionizace.
Plynové (Geiger-Mullerova trubice). Polovodičové (dioda v závěrném směru). Filmové (dozimetry). Scintilační.
Základní princip polovodičového detektoru Průchod částice p-n přechodem zapojeném v závěrném směru způsobí ionizaci – průraz.
+
n
-
- + - ++ + +- - + - + - +
p
Klasifikace zdrojů (Hlava II Vyhlášky 307/2002 Sb.)
Zprošťovací úrovně – limity, pod kterými lze se zdroji pracovat, jako by nebyly. Nevýznamné zdroje. Drobné zdroje. Jednoduché zdroje. Významné zdroje. Velmi významné zdroje (jaderný reaktor).
