Powerpoint-præsentation

Radioaktivt henfald og ioniserende 

stråling 1 

Jørgen Gomme 

Grundbegreber 

Atomets og kernens opbygning, energiniveauer 

Henfaldsprocesser 

F02

Grundlæggende begreber 

– Atomets opbygning 

– Energiniveauer 

– Stabile og ustabile 

nuklider 

Henfaldstyper 

– -henfald 

– h f ld 

-henfald – -henfald – EC 

– IT 

Andre henfaldstyper… 

Oversigt 

KKursets t hjemmeside: 

hj id 

– Aktuelt kursus 

– Kursus uge for uge 

2013 Isotopteknik F02 (JG) 2

Grundlæggende gg begreber g

Strålingstypers afbøjning i et magnetfelt 

Tidli Tidlige f forsøg med d 

strålingens afbøjning i et 

magnetfelt gav 

oplysning om masse og 

ladning 


Atomer, , kerner og g elementarpartikler... 

p 


er 

ukleone 

Nu 

Den klassiske atommodel 


De vigtigste elementarpartikler 

Navn Symbol Masse 

(u) 

Masse (kg) Ladning 

Neutron n 1.008665 1.6749 × 10 -27 0 

Proton p 1.007276 1.6726 × 10 -27 +1 

Elektron e – 0.000549 9.1091 × 10 -31 –1 

Positron e + 0.000549 9.1091 × 10 -31 +1 

Neutrino 0 0 0 

Foton 0 0 0 

1 u (atommasseenhed) = 1.664 ×10 -27 kg 


Nuklider 

En nogenlunde stabil (ikke-transient) (ikke transient) samling af nukleoner 

med givne værdier af A og Z kaldes et nuklid 

Massetal = A (antal protoner + neutroner) 

Atomnummer = Z (antal protoner) 

A 

X Z 


Isotoper 

Nuklider med samme antal protoner (Z = konstant), men 

forskelligt antal neutroner kaldes isotoper. 

Forskellige g isotoper p af et ggrundstof 

har samme kemiske 

egenskaber (Z = konstant, samme placering i det periodiske 

system) 

Forskellige isotoper af et grundstof har forskellige fysiske 

egenskaber 

11 6C 

13 6C 

14 

6 

C 

= ”samme samme sted” sted 

6CC 

12 


Nogle isotoper af kulstof (C) 

* 

* 

Nuklid Z N A 

11 6C 

12 

6C 

13 6C 

14 

6 

C 

6 5 11 

6 6 12 

6 7 13 

6 8 14 

12 C udgør 98.93 % af naturligt forekommende kulstof (C) 


Energienheder 

FFysiske i k systemers t energiindhold, ii dh ld og ændringer d i hheri… i 

Atom- og kernefysik: energienheden elektronvolt (eV). 

Makroskopiske fænomener: energienheden joule (J) 

1 eV = 1.602 × 10-19 J 

4.45 × 10-26 kWh 

1 keV = 10 3 eV 

1 MeV = 106 1 MeV = 10 ev 6 ev 

1 GeV = 10 9 eV 


Energiniveauer g i kærnen og g henfald... 


Atomkernens energiindhold 

Energitilstandene i kernen er kvantiserede – dvs dvs. kun nogle 

bestemte energiniveauer er tilladte 

Kernen kan overgå fra én energitilstand til en anden: 

– Tilførsel af energi udefra kan løfte kernen til et højere 

energiniveau (ekscitation) 

– Afgivelse af energi fører til et lavere energiniveau 

Eksciterede tilstande 

Grundtilstand 


Energiindhold – atomkærne og atom 

Kvantiserede energitilstande 

Atomkernen: 

Atomet: 

Tilførsel af energi 

(ekscitation) 

eller 

Kærnen ”dannes” dannes i en 

eksciteret tilstand 

Henfald og 

energiudsendelse 

g 

Diskrete energispring – 

svarende til liniespektrum 

Forskellige 

henfaldsprocesser 

Tilførsel af energi (ekscitation) 

Elektron til højere energiniveau 

Energiudsendelse (EMS, lys) 

Liniespektrum 


Radioaktivt henfald 

– ustabile kerner / nuklider 

Radioaktive (ustabile) ( ) kerner (nuklider) ( ) henfalder, , fordi 

de derved kan afgive energi (reducere energiindhold) 

Forskellige g henfaldsprocesser p 

– afhængigt af kernekonfiguration og energiniveau 

– og dermed forskellige typer af ioniserende stråling 

Vi skal senere gennemgå 7+ henfaldsprocesser og div. afledte fænomener 


nergi 

En 

Henfald fører til formindskelse af kernens 

energiindhold = større stabilitet 

A 

X Z 

Z 


Energiniveauer i kernen 

Kernen kan kun antage bestemte energiniveauer 

Radioaktivt henfald er ensbetydende med spring fra et højere 

til et lavere energiniveau (afgivelse af energi) 

Energiafgivelsen kan være ledsaget af en omkonfigurering af 

kernen 

– Udskillelse af nukleoner 

– Forskydning af forholdet mellem protoner og neutroner 

Energi 

2013 Isotopteknik F02 (JG) 17 

Z

C-isotoper C isotoper, Z = 6 (et eksempel) 

Nuklid Halveringstid Henfaldsenergi Dominerende stråling 

(MeV) 

og energi (MeV) 

9 C 00.1265 1265 s 16 16.497 497 + + 15 15.48 48 

10 C 19.308 s 3.651 EC, 0.718 

11 C 20.33 min 1.982 + 0.962 

12 C (stabil) 

13 C (stabil) 

14 C 5700 a 00.157 157 00.157 157 

15 C 2.449 s 9.772 4.473, 5.298 

16 C 0.747 s 8.012 4.569 * 

17 C 0.193 s 13.16 11.31, 1.85 * 


Z 

N = Z 

Kernens stabilitet: 

Balance mellem antal neutroner og protoner 

N 


Z 

N 

Kernekortet i uddrag 


Z 

N 

Kernekortet med C-isotoper 

C isotoper 


Henfaldet er et stokastisk fænomen 

DDet t er umuligt li t at t forudsige, f d i hvornår h å en radioaktiv di kti 

kerne vil henfalde (sønderdeles) 

F For et t givet i t nuklid klid er der d veldefineret ld fi t sandsynlighed 

d li h d 

for at en kerne henfalder inden for et bestemt 

tidsrum 

 

Henfaldskontanten f ld k 

 

sandsynligheden for henfald i tidsenheden 

Henfaldskonstanten f ld k har h dimensionen d T 1 (f 1 

-1 (fx s-1 ) 


Henfaldskontanten 

Henfaldskonstanten 

– sandsynligheden for henfald i tidsenheden 

Henfaldskonstanten er karakteristisk for det enkelte nuklid 

(værdi findes ved tabelopslag) 

Eksempler på henfaldskonstanter: 

– 10C: 3 60 10-2 s-1 10C: = 3.60 10 2 s 1 

– 11 C: = 5.66 10 -4 s -1 

– 14C: = 3.83 10-12 s-1 C: 3.83 10 s 

– 15 C: = 2.83 10 -1 s -1 


Henfaldstyper... yp -henfald 


Tunge radioaktive nuklider 

-henfald henfald 

Reduktion af masse og energi 

q: energi Den vundne energi (q) 

svarer til massetabet (m) ( ) 

Betingelse for henfald: q > 0 

2 

qmc 2 

E mc 


Kinetisk energi og bevægelsesmængde 

-henfald 

Se Isotopteknik 1, side 137 

Bevarelse af energi og impuls 

Løsning: 

-partiklens tikl ki kinetiske ti k energi i 

pmv 1 

E Ekin mv 

2 

HHovedparten d t af f hhenfaldsenergien f ld i bli bliver til ki kinetisk ti k energi i f for 

-partiklen 

– en mindre del overføres til datterkernen (rekyl) 


2

-spektrum for 226 spektrum for Ra Ra. 

-stråling stråling er monoenergetisk 

226 Ra 


Energi 

Kernen mister energi; Z 

reduceres med to enheder, 

og A med 4 enheder 

Henfaldsskema Henfaldsskema, -henfald henfald 

 


Z

Evt Evt. efterfølgende -emission 

emission 

Hvis datterkernen har et restindhold af energi 

-henfaldet henfaldet fører i dette tilfælde til en eksciteret kerne kerne. 

Denne henfalder senere under udsendelse af -stråling. 

c 

E h h (Isotopteknik 1, side 36) 

 


-henfald henfald og efterfølgende -henfald henfald 

 

 


Eksempel: Henfaldsskema of -data for 226 Ra 


Eksempel: Henfaldsdata for 226 Ra 


Henfaldstyper... yp -henfald etc. 


-henfald 

– simpel antagelse 

q > 0 

forkert 


q > 0 

henfald henfald 

korrekt 

Der udsendes både en negativ -partikel og en 

antineutrino (sidstnævnte kan ikke registreres) 


-stråling stråling har et kontinuert energispektrum 

Middelenergi 

Maksimalenergi 


Henfaldsskema Henfaldsskema, -henfald henfald 

 


Eksempel: Henfaldsskema og -data for 14 C 


Eksempel: -spectrum for 14 C 


-henfald henfald og efterfølgende -henfald henfald 

Hvis datterkernen har et restindhold af energi 

henfaldet henfaldet fører i dette tilfælde til en eksciteret kerne kerne. 

Denne henfalder senere under udsendelse af -stråling 


Henfaldsskema, – -henfald og efterfølgende 

-henfald 

 


Eksempel: Henfaldsskema og –data for 24 Na 


D Der udsendes d d både båd en positiv ii 

-partikel (positron) og en 

neutrino (sidstnævnte 

registreres it ikke) ikk) 

Evt. efterfølgende -emission 

henfald henfald 


Henfaldsskema 

henfald og evt. efterfølgende -henfald 

 


Auger-elektroner 

Røntgenstråling 

Eksempel: Decay scheme and -data for 11 C 

Annihilationsstråling å 


Eksempel: -spektrum for 11 Eksempel: spektrum for C 


Elektronindfangning: 

Alt ti til + Alternativ til h f ld 

+ -henfald 

Indfangning af orbitalelektron 

Elektronindfangning (EC) 

D Der udsendes d d fra f kernen k udelukkende 

d l kk d 

en neutrino (der ikke kan registreres) 

Fjernelse af en orbitalelektron udsendelse af karakteristisk røntgenstråling 

eller Auger-elektroner fra atomet. 


Henfaldsskema Henfaldsskema, henfald henfald og EC 

EC 

Kan evt. efterfølges af -henfald 


Auger-electroner 

g 

Røntgenstråling 

Example: Decay scheme and -data for 11 C 

Annihilationsstråling å 


-henfald henfald, isomer overgang (IT) 

Afgivelse af energi fra en eksciteret 

kerne (efter - eller -henfald, EC 

etc.) 

-stråling er altid monoenergetisk 

(diskrete energier, liniespektrum) 


Eksempel: Henfaldsskema og -data for 24 Na 


Det elektromagnetiske spektrum 

Vi skelner mellem røntgenstråling og -stråling 

på grundlag af strålingens oprindelse: 

røntgen-stråling: EMS fra atomet 

-stråling: EMS fra kernen 

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 


-henfald henfald 

-henfald -henfald henfald 

EC 

IT 

Resumé 

Fortsættelse i forelæsning F03 

Annihilation 

Internal conversion (IC) 

Røntgenstråling (karakteristisk) 

Auger-elektroner 

Spontan fission 

AAndre d henfaldsprocesser 

h f ld 

Konsekutive henfald 

Sammenfatning Sammenfatning, henfaldstyper 

Tabeller og henfaldsskemaer

Powerpoint-præsentation

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?