Sta vba atomového jádra. Jádro se skládá ze Z protonů a N neutronů Protony a neutrony souhrnně označujeme nukleony (= částice nalézající se v jádře), nukleonové číslo A=Z+N je součtem protonového čísla Z a neutronového čísla N. - PowerPoint PPT Presentation
32
Stavba atomového jádra Jádro se skládá ze Z protonů a N neutronů Protony a neutrony souhrnně označujeme nukleony (= částice nalézající se v jádře), nukleonové číslo A=Z+N je součtem protonového čísla Z a neutronového čísla N. Protony a neutrony patří mezi baryony = těžké fermiony (částice s polocelým spinem) 235 - U U U 235 92 235 Značení X A Z Prvek X je dán protonovým číslem Z Protonové číslo určuje též počet elektronů v neutrálním atomu A = 235 235 nukleonů Z = 92 92 protonů 235-92 = 143 neutronů
Transcript
Stavba atomového jádraJádro se skládá ze Z protonů a N neutronůProtony a neutrony souhrnně označujeme nukleony (= částice nalézající se v jádře), nukleonové číslo A=Z+N je součtem protonového čísla Z a neutronového čísla N.Protony a neutrony patří mezi baryony = těžké fermiony (částice s polocelým spinem)
235-U
U U 23592
235
Značení XAZ
Prvek X je dán protonovým číslem ZProtonové číslo určuje též počet elektronů v neutrálním atomu
Hmotnost atomuHmotnost protonu a hmotnost neutronu jsou téměř shodné a 1840 krát lehčí než elektron hmotnost elektronů je zanedbatelná a hmotnost jádra je dána počtem nukleonů
Uvedený přibližný vztah nezohledňuje změnu hmotnosti jádra způsobením vazebné jaderné energie
pp
npJ
enpatom
AmmNZ
NmZmm
ZmNmZmm
)(
mp= 1,6726.10-27 kg
mn= 1,6750.10-27 kg
me= 9,11.10-31 kg
Hmotnostní deficit (defekt) mPři vytvoření jádra ze Z protonů a N neutronů se uvolní vazebná energie, tj. sníží se energie vzniklého jádra výsledné jádro je lehčí než součet hmotností nukleonů
Snížení je úměrné uvolněné vazebné energii stabilní jádra jsou výrazněji lehčí, než součet hmotností nukleonů
Atomová hmotnostní jednotka – definována jako 1/12 hmotnosti atomu izotopu 12C
mu= 1,6605.10-27 kg
2c
Em
mNmZmm
J
npJ
Hmotnostní deficit (defekt) mJak velká je jaderná vazebná energie v atomu izotopu 12C?
Hmotnost atomu 12C je podle definice přesně rovna 12 mu
MeVeV
JJ
kg
kg
9010.602,1
10.44,1
10.44,110.3.10.596,1
10.596,1
10.6605,1.1210.6750,1.610.6726,1.6
1266
19
11
1128282
28
272727
mcE
m
m
mmmm
mNmZmm
mNmZmm
unp
Jnp
npJ
Hmotnostní deficit (defekt) mJak velká je jaderná vazebná energie atomu 7Li, je-li jeho hmotnost rovna 7,016 mu?
Atomová hmotnostní jednotka mu je rovna mu=1,6605.10-27 kg, mp=1,6726.10-27 kg , mn=1,6750.10-27 kg.
MeVeV
JJ
kg
kg
9,3710.602,1
10.096,6
10.096,610.3.10.77,6
10.77,6
10.6605,1.016,710.6750,1.410.6726,1.3
016,743
19
12
1228292
29
272727
mcE
m
m
mmmm
mNmZmm
unp
Jnp
Hmotnostní deficit (defekt) mJak velká je jaderná vazebná energie částice , je-li její hmotnost rovna 4,0026 mu?
Atomová hmotnostní jednotka mu je rovna mu=1,6605.10-27 kg, mp=1,6726.10-27 kg , mn=1,6750.10-27 kg.
MeVeV
JJ
kg
kg
5,2710.602,1
10.4,4
10.4,410.3.10.89,4
10.89,4
10.6605,1.0026,410.6750,1.210.6726,1.2
0026,422
19
12
1228292
29
272727
mcE
m
m
mmmm
mNmZmm
unp
Jnp
Hmotnostní deficit (defekt) mPorovnejte vazebné energie na jeden nukleon uvedených jader
MeV5,27E
MeVLi
9,377 E
MeVC
9012 E MeV MeVC
5712/90/12 ,AE
MeV MeVLi
41,57/9,37/7 AE
MeV MeV 88,64/5,27/ AE
Hmotnostní deficit (defekt) mJaká energie (v MeV) se uvolní při jaderné reakci p + 7Li → + , je-li hmotnost atomu lithia m(7Li)=7,016 mu a m()=4,0026 mu? Atomová hmotnostní jednotka mu je rovna mu=1,6605.10-27 kg.
mmmm
mmmm
p
p
2
2
7
7
Li
Li
MeVeV
JJ
kg
kg
8,1610.602,1
10.703,2
10.703,210.3.10.003,3
10.003,3
10.6605,1.0026,4.2016,710.6726,1
19
12
1228292
29
2727
mcE
m
m
IzotopyAtomy, jejichž jádra mají stejný počet protonů ( jádra jednoho prvku), odlišují se však počtem neutronů
Velmi podobné fyzikální a chemické vlastnosti (kromě radioaktivních), neboť chemické vlastnosti závisejí na struktuře atomového obalu, tj. počtu elektronů, který je roven počtu protonů, tj. totožný pro izotopyRozdílná hmotnost jádra rozdílná hustota chemických látek s různými izotopy možnost separace izotopůRadioaktivita odlišných izotopů je výrazně odlišná!
IzobaryAtomy, jejichž jádra mají stejný počet nukleonů, ale odlišují se počtem protonů ( jádra odlišných prvků)
Přibližně stejná hmotnost jádra
Odlišné chemické vlastnosti (jádra odlišných prvků)
Přechod mezi sousedními izobary zprostředkovává rozpad (-, +)
Co Ni 6027
6028Příklady
Np U 23893
23892
Pu U 23894
23892
IzomeryAtomy (jádra) o stejném protonovém i neutronovém čísle, které se však liší energetickým stavem jádra
Obdobně jako elektrony atomového obalu mohou obsazovat různé energetické hladiny, mohou i protony a neutrony obsazovat různé jaderné energetické hladiny
Přechod mezi izomery (z excitovaného stavu do nižšího nebo přímo nejnižšího = základního stavu) zprostředkovává rozpad , tj. vyslání vysokoenergetického fotonu
)Tc( TcTc *9943
m9943
9943
Příklad
metastabilní (excitované) technecium
Částice a antičásticeKe každé částici existuje antičástice (někdy je identická s částicí), která má stejnou hmotnost, ale opačné hodnoty elektrického náboje a dalších „nábojů“ a čísel
Proton p+, antiproton p-
Elektron e-, pozitron e+
Elektronové neutrino , elektronové antineutrino
(obojí elektricky neutrální)
Při srážce částice se svou antičásticí dochází k anihilaci, částice a antičástice zaniknou a uvolněná energie se vyzáří ve formě dvou fotonů letících opačnými směry
Využito v PET (pozitronová emisní tomografie)
e e
2 e e- MeV511,02 cmE e
Radioaktivní záření Vzniká v jádře atomů při změně energetického stavu jádra – následek emise či adsorbce částice
Vlnová délka < 300 pm
Energie 100 keV až 10 MeV
Silně ionizujícíFotoelektrický jev (dominantní do 0,5 MeV)
Comptonův rozptyl (dominantní 0,5 – 5 MeV)
Tvorba elektron – pozitronových párů (e- , e+)Opačný proces k anihilaci páru částice – antičástice
Pouze u fotonů s energií větší než 2mec2 1 MeV
Pouze za účasti interakce s další částicí (atomem) e e-
Vnitřní konverze záření Foton emitovaný jádrem vyrazí elektron z vnitřní vrstvy atomového obalu
Těžký atom vysoké protonové číslo velká elektrostatická energie vnitřních elektronů
Vyražený elektron s velkou energií a ionizační schopností ionizuje prostředí
Augerův elektron
Přeskok elektronu z vyšší vrstvy na uvolněné místo vnitřní vrstvy vznik RTG záření
zářič může být zdrojem sekundárního záření a RTG záření
Radioaktivní rozpad Emitování jádra hélia z jádra těžkého atomu (A >150)a jeho transmutace = přeměna na jiný prvek
Při rozpadu se zachovává nukleonové a protonové číslo
Vzniklý těžký aniont má Z elektronů a Z-2 protonů náboj 2-
Za zákona zachování energie a hybnosti je jednoznačně určena energie částice i dceřinného jádra
Díky vysoké hmotnosti částice dochází ke zpětnému rázu, jádro získává dostatečnou energii k ionizaci
24
2-2 He X X 4
2AZ
AZ
242
-2 He Tl Bi 20881
21283
Částice = 242He
242
-2 He Rn Ra 22286
22688 poločas rozpadu 1622 let
Radioaktivní rozpad Souvislost poločasu rozpadu s uvolněnou energií
Vysoká uvolněná energie vysoká pravděpodobnost přeměny malý poločas rozpadu
Jádro Poločas rozpadu v s Ek v MeV
Po21284
Po21184
Ra22488
Am24195
710.04,3
52,0
510.14,3
1010.48,1
776,8
434,7
681,5
532,5
Radioaktivní rozpad -
Podstatou rozpadu - je přeměna neutronu na proton, elektron a elektronové antineutrino
Poločas rozpadu volného neutronu je 15 minut
Hmotnost neutronu je vyšší než hmotnost protonu a elektronu může docházet k samovolnému rozpadu (mn=1,6750.10-27 kg, mp=1,6726.10-27 kg, me=9,11.10-31 kg =0,0009.10-27 kg)
Při - rozpadu se jeden neutron v jádře přemění na proton, elektron a antineutrino se vyzáří
(Anti)neutrina jsou téměř nedetekovatelná
e -01- e p n 1
110
eA
ZAZ
-0
1- e X X 1 e -01- e N C 14
714
6
Částice (-) = -e
Radioaktivní rozpad -
Energetické spektrum elektronů je spojité od nulové hodnoty až po maximální
Tříčásticový rozpad
Zákon zachování energie a hybnosti
Maximální energie vyzářených elektronů0,02 MeV u tritia
13,4 MeV u boru
Nejtěžší izotop podléhající - rozpadu , konkurencí rozpad
H31
B125
Es25599
Radioaktivní rozpad +
Podstatou rozpadu + je přeměna protonu na neutron, pozitron a elektronové neutrino
Hmotnost protonu je vyšší než hmotnost neutronu nemůže docházet k samovolnému rozpadu volného protonu, ale může k této přeměně docházet v jádře atomu
Při + rozpadu se jeden proton v jádře přemění na neutron, pozitron a neutrino se vyzáří
e e n p 01
10
11
eA
ZAZ
e X X 011 e e B C 0
1115
116
Částice + = e
Radioaktivní rozpad - záchyt KZachycení elektronu z první slupky obalu (slupka K) jádrem a následná jaderná reakce
eA
ZAZ XeX -0
1- 1
Přeměna atomu, změna protonového čísla jako při rozpadu +
e SeeBr -01-
8034
8035
Rozpadové řadyU238
92
Np23793
Th23290
U23592 Aktiniová
Uranová
Neptuniová
Thóriová
Th23190
Np23593
Ra22788
Pa23191
Ac22789
U23192
Čtyři rozpadové řady dány snížením počtu nukleonů o 4 při rozpadu a zachováním počtu nukleonů při rozpadu
Rozpadové řady končí stabilními izotopy olova
82Pb (bizmutu 83Bi)
Příprava radioizotopůStabilní externí zářič
Požadujeme časově neproměnnou, konstatní aktivitu (přibližně, s časem klesá)
Látky s dlouhým poločasem rozpadu
Interní zářičPoužití pro značení chemických látek pro jadernou magnetickou rezonanci (NMR), pozitronovou emisní tomografii (PET)
Krátký poločas rozpadu (rychlé odbourání)
Dostatečná radioaktivita pro diagnostiku vs. co nejnižší dávka pro organismus
zářiče
TcTc Mo * 9943
9943
9942
-β
66 h 6,01 h
NiNi Co * 6028
6028
6027
-β
1925 d
Zákony zachování v jaderných reakcíchPři všech radioaktivníchpřeměnách se zachovává:
Celková energie celková relativistická hmotnost
Celková hybnostElektrický nábojNukleonové číslo
Protonové číslo se nezachovává pokud dochází k přeměně mezi protonem a neutronem, jinak ano
Zachovává se pseudoprotonové číslo, které vychází z náboje elementárních částic zachování náboje
Y XYX
2
2
1
1
2
2
1
1
A
Z
A
Z
AZ
AZ
2121 AAAA
2/ cEmmmm YXYX
2121 ZZZZ
Radioaktivní rozpadyDoplňte produkty rozpadů
Th23490
βe
-ePa 0
1234
91 Th23090
2-2 HeRa 42
22688
α
Radioaktivní rozpadyDoplňte produkty rozpadů
Rn22686
βeeAt 0
1226
85 HeHeLi 42
42
73?H1
1
Doplňte naznačené jaderné reakce, tj. nukleonová a protonová čísla, chemické značky prvků nebo částic. (Anti)neutrina neuvádějte. a) -eU 239
Pozitronová emisní tomografie (PET)Založena na emisi pozitronů a jejich následné anihilaci s elektrony prostředí
Podání radioaktivního uhlíku 11C, který podléhá + rozpadu → emise pozitronu
Ideální je podání cukru (glukózy C6H12O6) značené uhlíkem 11C – nádorové množící se buňky potřebují energii, proto budou místem zvýšené spotřeby cukru → místem zvýšené emise pozitronůPoločas rozpadu 11C je 20 minut – výhodné pro diagnostiku a odbourání nuklidu, náročné na rychlou přípravu nuklidu 11C → roboty, manipulátory
e e B C 01
115
116
Pozitronová emisní tomografie (PET)
Pozitronová emisní tomografie (PET)Anihilace pozitronu s elektronem – svojí antičásticí
Emitovaný pozitron anihiluje s elektronem látky za vzniku dvou fotonů (gama kvant) letících opačnými směry a odnášejícími celkovou relativistickou energii pozitronu a elektronu
Vznik dvou opačně letících fotonů (oproti jednomu) je diktován podmínkou zachování hybnosti a energie → obrovská výhoda pro zobrazování
- +e+e- MeV
5,0
2 00
E
eEeEE
Pozitronová emisní tomografie (PET)SPECT – single photon emission computed tomography
Zaznamenával pouze intenzitu dopadajících fotonů na věnec detektorů
Nové generace PETZaznamenávají pouzesimultánní signályna opačných stranách věnce potlačení šumu,vysoká rozlišovací schopnost(3 mm)
