fizicc483-nuclearc483

7/22/2019 fizicc483-nuclearc483

1/31

CURS 12CURS 12

ELEMENTE DE FIZICA NUCLEARA, RADIATIIELEMENTE DE FIZICA NUCLEARA, RADIATIINUCLEARENUCLEARE


2/31

I.I. FisiuneaFisiunea sisifuziuneafuziunea nuclearanucleara

I.1.1I.1.1 FisiuneaFisiunea nuclearanuclearaNucleeleNucleele grelegrele auau tendintatendinta de ade a eliminaelimina o parte dino parte din nucleoninucleoni,, transformandutransformandu--se inse in nucleenuclee maimaistabile custabile cu energieenergie dede legaturalegaturapepe nucleonnucleon maimaimica.mica.

ProceseleProceseleprinprin carecare nucleelenucleele grelegrele isiisimarescmarescenergiaenergia dede legaturalegaturapepe nucleonnucleonsuntsuntdezintegrareadezintegrarea sisifisiuneafisiunea nuclearanucleara..InInprocesulprocesuldede dezintegraredezintegrare nucleelenucleele grelegrele expulzeazaexpulzeaza unun nucleunucleudede iariarnucleelenucleele care emitcare emitparticuleparticule formeazaformeaza lanturilanturidede nucleenuclee aa carorcarormasamasa scadescadecucu catecate 44 u.a.mu.a.m ((unitatiunitatiatomiceatomice dede masamasa))panapana candcandsese ajungeajunge la unla un nucleunucleustabilstabildede masamasa multmultmaimaimica.mica.

He4

2

PbHePo 206

82

4

2

210

84

+

Po210

84 Pb206

82

Fig.1Fig.1 DezintegrareaDezintegrarea aa nucleuluinucleuluidede Po210

84

BilantulBilantulenergetic alenergetic alprocesuluiprocesuluidede dezintegraredezintegrare a ina in cazulcazulnucleuluinucleuluide :de :

2)( 21084

206

82

4

2

cMMMWPoPbHe

+= (1)(1)Po

210

84

W=(205.97446+4.002604W=(205.97446+4.002604--209.98287)*931209.98287)*931 eVeV== --5.45.4 eVeV

BilantulBilantulfiindfiindnegativnegativ=>=> nucleulnucleulde Pode Po esteesteinstabilinstabilinin raportraportcucu dezintegrareadezintegrarea ..Obs.:Obs.: energiaenergia rezultatarezultata inin urmaurma dezintegrariidezintegrariiaaesteestepreluatapreluata dedeparticuleleparticulele rezultaterezultate subsubforma deforma de energieenergie cineticacinetica..


3/31

I.1.2I.1.2 FisiuneaFisiunea stimulatastimulata

FisiuneaFisiunea nuclearanucleara stimulatastimulata aa fostfostdescoperitadescoperita dede catrecatre O. HahnO. Hahn sisiF.F. StrassmanStrassman in 1939.in 1939.

ReactiaReactia esteesteprodusaprodusa dede capturacaptura unuiunuineutron lent deneutron lent de catrecatre nucleulnucleuldede uraniuuraniu

nKrBaUUn 1

0

89

36

144

56

236

92

235

92

1

0 3+++

U23592

NucleeleNucleele dede sisirespectivrespectiv suntsuntinstabileinstabile datoritadatorita surplusuluisurplusuluidede neutronineutroni,,transformandutransformandu--seseprinprin dezintegraridezintegrarisuccesivesuccesive..

ReactiaReactia esteeste exoenergeticaexoenergetica,, degajandudegajandu--sese 200200 MeVdinMeVdin carecare ceacea maimaimare partemare parte esteestepreluatapreluata dede catrecatre elementeleelementele dede fisiunefisiune..

DatoritaDatorita cantitatiicantitatiimare demare de energieenergie degajatadegajata aceastaaceasta reactiereactie esteeste foartefoarte importantaimportanta dindinpunctpunctdede vederevedere energetic.energetic. PentruPentrucaca aceastaaceasta reactiereactie sasa sese autointretinaautointretina sese impuneimpune cacaneutroniineutroniirealizatirealizatiinin timpultimpulreactieireactieisasa fiefie incetinitiincetinitisisiutilizatiutilizatiinin noinoireactiireactiidede fisiunefisiune((probabilitateaprobabilitatea dede capturacaptura aa neutronilorneutronilordede catrecatre nucleelenucleele dede uraniuuraniuesteeste cucu atatatatmaimaimare cumare cucatcat vitezaviteza acestoraacestora esteeste maimaimica).mica).

ReactiaReactia inin lantlant:: neutroniineutroniidede reactiereactie suntsuntincetinitiincetiniticu uncu un mediumediumoderator format dinmoderator format din

nucleenuclee usoareusoare carecarepreiaupreiauprinprin ciocnireciocnire o parte dino parte din energiaenergia cineticacinetica aa neutronilorneutronilordede fisiunefisiune..CaCa moderatorimoderatorisese utilizeazautilizeaza apaapa,, apaapa greagrea,, grafitulgrafitulsausauberiliulberiliul..

Ba14456 Kr8936

Otto Hahn (1879Otto Hahn (1879--1968)1968) fizicianfizician sisichimistchimistgerman,laureatgerman,laureatalal PremiuluiPremiuluiNobel,Nobel,pionerpionerinin domeniuldomeniulradioactivitatiiradioactivitatiisisiradiochimieiradiochimiei((parinteleparintele chimieichimieinuclearenucleare).).

FredrichFredrich WilhelmWilhelm StrassmanStrassman (1902(1902--1980)1980) chimistchimistgermangerman..


4/31


5/31

I.2I.2 FuziuneaFuziunea nuclearanucleara

FuziuneaFuziunea nuclearanucleara reprezintareprezintaprocesulprocesuldede unireunire aa douadoua nucleenuclee usoareusoare

pentrupentrua forma una forma un nucleunucleumaimaigreugreu..

ObservatieObservatie::

ProcesulProcesuldede fuziunefuziune nuclearanucleara nu senu se realizeazarealizeaza in modin mod spontanspontan inin conditiiconditiinaturalenaturale dindin cauzacauza fortelorfortelorelectrostaticeelectrostatice dede respingererespingere marimaridintredintre nucleelenucleele

incarcateincarcate cucu sarcinasarcina electricaelectricapozitivapozitiva..

ProceseleProcesele dede fuziunefuziune nuclearanucleara au loc laau loc la temperaturitemperaturifoartefoarte inalteinalte sisisuntsuntsursasursaenergieienergieisolaresolare..

Fig.3Fig.3 FuziuneaFuziunea nuclearanucleara dintredintrenucleelenucleele dede deuteriudeuteriusisitritiutritiu

H2

1

H3

1

He4

2

HenHH 4

2

1

0

3

1

2

1 ++

ExempluExemplu:: fuziuneafuziunea dintredintre nucleelenucleele dede deuteriudeuteriusisitritiutritiu((bombabomba cucu hidrogenhidrogen))

BilantulBilantulenergetic inenergetic inprocesulprocesuldede fuziunefuziune::

2

31

21

42

10 cmmmmW HHHen

+=

W=(4.002604+1.008665W=(4.002604+1.008665--2.0141022.014102--3.016049)*931=3.016049)*931=--17.5817.58 MeVMeV

(2)(2)

Obs.:Obs.: neutronulneutronulsisinucleulnucleulde Hede He vorvorpreluaprelua

energiaenergia rezultatarezultata inin urmaurma reactieireactieidede fuziunefuziunesun forma desun forma de energieenergie cineticacinetica..


6/31

II.II. RadiatiiRadiatiinuclearenucleare

RadiatiileRadiatiile nuclearenucleare suntsuntformateformate dindinparticuleparticule nuclearenucleare ((protoniprotoni,,neutronineutroni, e, e--, e, e++,, ,, nucleenuclee atomiceatomice (ex.(ex. deuteriudeuteriu,, heliuheliu)))) emiseemise dede nucleelenucleeleinstabileinstabile..

RadiatiileRadiatiile nuclearenucleare sese obtinobtinprinprin accelerareaaccelerareaparticulelorparticulelornuclearenucleare

sausaudindin dezintegrareadezintegrarea nucleelornucleelorradioactive.radioactive.RadioactivitateaRadioactivitatea esteeste definitadefinita caca fiindfiindprocesulprocesulspontanspontan dede

dezintegraredezintegrare aa unuiunuinucleunucleuinstabilinstabilsisiemisiaemisia dede radiatiiradiatiinuclearenucleare..

StabilitateaStabilitatea unuiunuinucleunucleuesteeste data dedata de numarulnumaruldede nucleoninucleonidin caredin care

esteeste alcatuitalcatuitsisiraportulraportuldintredintre numarulnumaruldedeprotoniprotonisisineutronineutroni..

PentruPentrunucleelenucleele usoareusoare unun numarnumaraproximativaproximativegalegaldedeprotoniprotonisisineutronineutroniesteeste necesarnecesarpentrupentrustabilitateastabilitatea acestoraacestora..

PentruPentrunucleelenucleele grelegrele raportulraportuldintredintre numarulnumaruldede neutronineutronisisiprotoniprotonicrestecreste iariarnucleelenucleele sese indeparteazaindeparteaza dede stareastarea dede echilibruechilibru. In. Inaceastaaceasta situatiesituatie, in, in nucleelenucleele grelegrele sese vorvorproduceproduce modificarimodificaricarecare vorvortindetindesasa aducaaduca nucleulnucleulintrintr--oo starestare maimaistabilastabila.. StabilizareaStabilizarea nucleelornucleelorgrelegrele sese

poatepoate facefaceprinprin unulunuldindin celecele treitreimodurimoduridede dezintegraredezintegrare radioactive.radioactive.


7/31

II.1II.1 ModuriModuridede dezintegraredezintegrare radioactivaradioactiva

II.1.1II.1.1 DezintegrareaDezintegrarea DezintegrareaDezintegrarea are loc cuare loc cu emisiaemisia dedeparticuleparticule ( ).( ).UnUn nucleunucleupoatepoate fifistabilstabilinin raportraportcucu emisiaemisia uneiuneiparticuleparticule dacadaca energiaenergia

dede legaturalegatura aaparticuleiparticuleia ina in nucleunucleuesteestepozitivapozitiva ((WWlegleg>0)>0) sausauinstabilinstabildacadaca

WW

legleg82) sisicare nu ocare nu o

configuratieconfiguratie stabilastabila aa numaruluinumaruluidedeprotoniprotonisisineutronineutroni..AcesteAceste nucleenuclee grelegrele vorvortindetinde sprespre oo configuratieconfiguratie stabilastabilaprinprin emisiaemisia uneiuneiparticuleparticule sausauprintrprintr--oo serieserie dedeemisiiemisiidedeparticuleparticule ..


8/31

dezintegraredezintegrare

Fig.4Fig.4 DezintegrareaDezintegrarea aa nucleuluinucleuluidede seaborgiuseaborgiu((seabrgiumseabrgium))SeaborgiuSeaborgiuesteeste un elementun element sinteticsintetic.. RutherfordiuRutherfordiuesteeste tot un elementtot un element

sinteticsinteticsisiradioactivradioactiv..II.1.2II.1.2 DezintegrareaDezintegrarea

Experimental seExperimental se constataconstata caca uneleunele nucleenucleepotpot emiteemite spontanspontan electronielectronisausaupozitronipozitroni.. RadiatiaRadiatia electronicaelectronica sese numestenumeste radiatieradiatie -- iariarradiatiaradiatiapozitronicapozitronica sesenumestenumeste radiatieradiatie ++..

DezintegrareaDezintegrarea --::DacaDaca raportulraportuldintredintre numarulnumaruldede neutronineutronisisirespectivrespectivnumarulnumaruldedeprotoniprotoni

esteestepreaprea mare, un neutron dinmare, un neutron din nucleunucleusese vava transformatransformain protonin proton iariarnucleulnucleulvava

eliberaelibera un electron:un electron:

(6)(6)


9/31

DezintegrareaDezintegrarea b+:b+:

DacaDaca raportulraportuldintredintre numarulnumaruldede neutronineutronisisiprotoniprotoniesteestepreaprea micmic,, nucleulnucleul

vava emiteemite ununpozitronpozitron (e(e++

) in) in urmaurma transformariitransformariiunuiunuiprotonproton intrintr--un neutron.un neutron.RadiatiaRadiatia formataformata dindinpozitronipozitronipoartapoarta denumireadenumirea dede radiatieradiatie ++..

dezintegraredezintegrare --

dezintegraredezintegrare ++

Fig.5Fig.5 DezintegrareaDezintegrarea sisi+

ParticuleleParticulele sisipoartapoartadenumireadenumirea de neutrinode neutrino sisirespectivrespectivantineutrino.antineutrino.

NeutrinoNeutrino suntsuntparticuleparticule cucumasamasa dede repausrepaus nulanula,, suntsuntneutreneutre dindin

punctpunctdede vederevedere electricelectric sisise potse potdeplasadeplasa cucu vitezeviteze apropiateapropiate dede vitezavitezaluminiiluminii.. EleElepotpot traversatraversa foartefoarte facilfacilsubstantasubstanta ((materiamateria obisnuitaobisnuita)) sisisuntsuntextremextrem dede dificildificildede detectatdetectat..

II.1.3II.1.3 CapturaCaptura dede electronielectroni

InIn acestacestprocesproces un electronun electron esteeste captatdecaptatde unun nucleunucleuiariarinin urmaurma acesteiacesteicapturicapturiun proton seun proton se vava transformatransforma intrintr--un neutron.un neutron.AcestAcestprocesproces esteeste specficspecfic

nucleelornucleelorcu uncu un numarnumarmare demare deprotoniprotonisisidindinpunctpunctdede vederevedere alal stabilitatiistabilitatiinucleuluinucleului,,procesulprocesulesteeste similar cusimilar cu celceldede emitereemitere dede radiatiiradiatii++..

(7)(7)

~


10/31

II.1.4II.1.4 EmisiaEmisia dede radiatiiradiatiiRadiatiileRadiatiile suntsuntradiatiiradiatiielectromagneticeelectromagnetice dede frecventafrecventa inaltainalta ((energieenergie

mare). Estemare). Este emisaemisa dede nucleelenucleele aflateaflate intrintr--oo starestare metastabilametastabila sisicarecare trectrecinin stareastareafundamentalafundamentalaprinprin emisiaemisia unuiunuifotonfoton ..

Fig.6Fig.6 DezintegrareaDezintegrarea

DezintegrareaDezintegrarea poatepoate apareapareinin urmaurma uneiuneidezintegraridezintegrari sausau sausauinin exploziileexploziile nuclearenucleare.. RadiatiileRadiatiile suntsuntformaforma ceacea maimaienergeticaenergetica aaradiatiilorradiatiilorelectromagneticeelectromagnetice..

Fig.7Fig.7AdancimeaAdancimea dedepenetrarepenetrare aa atmosfereiatmosfereiterestreterestre dede catrecatre

radiatiileradiatiileelectromagneticeelectromagnetice


11/31

II.2II.2 LegeaLegea dezintegrariidezintegrariiradioactiveradioactive

Orice sistem cuantic aflat intr-o stare excitata (metastabila) se va

dezecita, tinzand spre o stare stabila de energie mai mica.

Legea dezintegrarii radioactive prezice cum se modifica in timp numarul

de nuclee radioactive dintr-o substanta radioactiva data.

Radioactivitatea se produce sub trei fome , si .Dezintegrarea radioactiva reprezinta un proces spontan de eliberare de

energie sub forma de particule radioactive si/sau de radiatii electromagnetice ().Cele trei moduri de dezintegrare radioactiva respecta legile clasice de

conservare: conservarea energiei, conservarea impulsului, conservarea

momentului cinetic, conseravrea sarcinii electrice, conservarea numarului denucleoni si conservarea numarului de leptoni (electroni, pozitroni, neutrino si

antineutrino).

Consideram un proces de dezintegrare radioactiva:

redezintegradeprodusearadioactivredezintegra X

HeThU 4

2

234

90

238

92 +ExempluExemplu::

ePaTh 0123491

23490 +

dezintegraredezintegrare

dezintegraredezintegrare (Pa(Pa ProtactiniuProtactiniu))


12/31

presupunempresupunem::

SubstantaSubstanta radioactivaradioactiva sese compunecompune dintrdintr--unun numarnumarfoartefoarte mare demare de nucleenuclee

radioactive.radioactive.NucleeleNucleele radioactive nu seradioactive nu se dezintegreazadezintegreaza simultansimultan..

NucleeleNucleele radioactive seradioactive se dezintegreazadezintegreaza intrintr--oo anumitaanumitaperioadaperioada dede timptimp..

Nu seNu sepoatepoatepreziceprezice momentulmomentulde la care unde la care un nucleunucleuse vase va dezintegradezintegra..

InInprocesulprocesuldede dezintegraredezintegrare radioactivaradioactiva,, nucleelenucleele radioactive seradioactive se dezintegreazadezintegreazalala intamplareintamplare..

LegeaLegea dezintegrariidezintegrariiradioactivearadioactivea fostfoststbilitastbilita dede catrecatre E. RutherfordE. Rutherford sisiF.F.Soddy (1903).Soddy (1903).

AuAu observatobservatcaca vitezaviteza dede denintegraredenintegrare aa uneiuneisubstantesubstante radioactive (radioactive (dN/dtdN/dt)) esteesteproportionalaproportionala cucu cucucantitateacantitatea initialainitiala dede substantasubstanta radioactivaradioactiva ((N(tN(t)).)).

)(*)(

tN

dt

tdN= (8)(8)

ConstantaConstanta sese numestenumeste constantaconstanta aa dezintegrariidezintegrariiradioactive (radioactive (constantaconstantaradioactivaradioactiva) a) a substanteisubstanteiXX sisiesteeste egalaegala cucuprobabilitateaprobabilitatea dede dezintegraredezintegrare ininunitateaunitatea dede timptimp..

Constanta deConstanta de dezintegraredezintegrare esteeste independentaindependenta dede timptimp sisiesteeste specificaspecifica tipuluitipuluidede

nucleenuclee care secare se dezintegreazadezintegreaza..


13/31

Obs.:Obs.:

OO functiefunctie aa careicareivitezaviteza dede variatievariatie esteesteproportionalaproportionala cucu valoareavaloarea

initialainitiala (t=0)(t=0) esteeste oo functiefunctie exponentialaexponentiala !!!! SolutiaSolutia ecuatieiecuatiei8 (8 (obtinutaobtinutaprinprin integrareaintegrarea acesteiaacesteia)) esteeste::

teNtN

=

0)(

2/1

0

0

2/1 2)(

TeN

NTN

==

(9)(9)undeunde::

NN00 reprezintareprezinta numarulnumarulinitial deinitial de nucleenuclee radioactive ;radioactive ;

reprezintareprezinta constantaconstanta radioactivaradioactiva aa elementelorelementelordindin care estecare este alcatuitaalcatuitasubstantasubstanta radioactivaradioactiva..

IntervalulIntervaluldede timptimp necesarnecesarpentrupentrua reduce laa reduce lajumatatejumatate numarulnumarulinitial deinitial deatomiatomiradioactiviradioactiviNN00 sese numestenumeste timptimp dede injumatatireinjumatatire (T(T1/21/2).).

)2ln(2/1 =T

(10)(10)

(11)(11)


14/31

2/12/1

693.0)2ln(

TT== (12)(12)

timpultimpul((exprimatexprimatcaca sisiunun multiplumultiplude T1/2)de T1/2)

1/21/2 1/2 1/2 1/2

Fig.8Fig.8 VariatiaVariatia inin timptimp aanumaruluinumaruluidede nucleenuclee

radioactiveradioactive

FiecareFiecare elementelement radioactivradioactivare unare untimptimp dede injumatatireinjumatatire specificspecific

4.54.5 miliardemiliarde anianiUraniuUraniu--2382388.078.07 zilezileIodIod--131131

15 ore15 oreSodiuSodiu--24245.265.26 anianiCobaltCobalt--6060

16001600 anianiRadiuRadiu--226226400.000400.000 anianiClorClor--3636

0,00180,0018 secundesecundePoloniuPoloniu--215215

57305730 anianiCarbonCarbon--1414

14.314.3 zilezileFosforFosfor--242460.5 minute60.5 minuteBismutBismut--212212

TimpulTimpuldedeinjumatatireinjumatatire

ElementulElementulTimpulTimpuldedeinjumatatireinjumatatire

ElementulElementul


15/31

Obs.:Obs.:

TimpulTimpuldede injumatatireinjumatatire variazavariaza de lade la catevacateva fractiunifractiunidede secundasecunda lala miliardemiliarde dede

anuanu..TimpulTimpuldede injumatatireinjumatatire esteeste masuramasura aa stabilitatiistabilitatiiunuiunuinucleunucleu..

NiciNiciooproceduraprocedura chimicachimica sausaufizicafizica nunupoatepoate modificamodifica vitezaviteza dede dezintegraredezintegrare aauneiuneisubstantesubstante radioactive.radioactive.

ActivitateaActivitatea mediemedie NumimNumim activitateaactivitatea caca fiindfiindnumarulnumaruldede dezintegraridezintegraripepe secundasecunda aa unuiunuiesantionesantionradioactivradioactivXX compuscompus dintrdintr--unun numarnumarN deN de nucleenuclee radioactive.radioactive.

ActivitateaActivitatea mediemedie se exprima in SI becquerel (Bq) (sse exprima in SI becquerel (Bq) (s--11). O). O altaalta unitateunitate dede masuramasura

aa

activitatiiactivitatii

mediimedii

este Curie (Ci) (1Ci=3.7*10este Curie (Ci) (1Ci=3.7*101010

ss--11

))

t

N

t

ntA

=

=)( (13)(13)

teNA = 0

)2ln(

)(tNA=

(14)(14)

(15)(15)

Antoine Henri Becquerel (1852Antoine Henri Becquerel (1852--1908)1908)fizicianfizician francezfrancez,, laureatlaureatalal PremiuluiPremiuluiNobelNobelpentrupentruFizicaFizica (1903),(1903), descoperitordescoperitoralal radioactivitatiiradioactivitatiialaturialaturide Mariede Marie sisiPierre Curie.Pierre Curie.


16/31

II.2.1II.2.1 DatareaDatarea cucu ajutorulajutorulcarbonuluicarbonuluiradioactivradioactiv

DatareaDatarea cu carboncu carbon esteeste oo metodametoda dede dataredatare radiometricaradiometrica carecare utilizeazautilizeazaizotopulizotopulnatural de carbonnatural de carbon 1414CCpentrupentrudeterminareadeterminarea varsteivarsteimaterialelormaterialelorcarecarecontincontin carbon (carbon (organismelororganismelorcare aucare au muritmuritsisicare incare in timpultimpulvietiivietiiauau consumatconsumatCOCO22).).

CarbonulCarbonulareare doidoiizotopiizotopistabilistabili1212CC sisi1313C. DeC. De asemeneaasemenea existaexista sisiizotopulizotopulinstabilinstabil1414C alC al carbonuluicarbonului,, acestaacesta avandavandunun timptimp mediumediudede viataviata de 5730 dede 5730 deaniani..

Fig. 9Fig. 9 ProducereaProducerea izotopilorizotopilorde carbon (de carbon (1414C)C)

1414CC1414NN

--ee

Fig. 10Fig. 10 DezintegrareaDezintegrarea izotopilorizotopilor1414CC

IzotopulIzotopul1414C seC se combinacombina cucu oxigenuloxigenulatmosfericatmosfericformandformandCOCO22.. OrganismeleOrganismele viivii

carecare facfacschimbschimb de COde CO22 cucu atmosferaatmosfera vorvorinmagazinainmagazina sisio micao mica cantitatecantitate dede 1414C.C.


17/31

CandCandun organismun organism moaremoare nunu vorvormaimaiexistaexista schimburischimburide COde CO22 intreintre acelacelorganismorganism sisimediulmediulexterior.exterior. RaportulRaportuldintredintre numarulnumaruldede izotopiizotopide carbonde carbon 1414CC sisinumarulnumarulizotopiizotopistabilistabili1212C seC se vava diminuadiminua inin timptimp datoritadatorita dezintegrariidezintegrariiizotopilorizotopilor1414C.C. RaportulRaportuldintredintre numarulnumaruldede izotopiizotopide carbonde carbon 1414CC sisirespectivrespectiv1212CCpentrupentrumoleculelemoleculele ((cece contincontin carbon) de lacarbon) de la suprafatasuprafatapamantuluipamantuluiesteeste de 1.3x10de 1.3x10--1212 iariaraceastaaceasta valoarevaloare sesepresupunepresupune ca aca a ramasramas constantaconstanta celcelputinputin de lade la creareacreareaatmosfereiatmosferei

CunoscandCunoscandnivelulniveluldede activitateactivitate alal unuiunuiesantionesantion dede materiematerie organicaorganica,,putemputemdeterminadetermina continutulcontinutuldede 1414C existent inC existent in acelacelesantionesantion.. CunoscandCunoscandraportulraportulinitialinitial

intreintre cantitateacantitatea dede 1414CC sisi1212C, seC, se vavaputeaputea determinadetermina varstavarsta esantionuluiesantionuluirespectivrespectiv..

t (t (aniani))

1414

C(%)

C(%)

Fig. 11Fig. 11 DatareaDatarea cucu 1414CC


18/31

II.3II.3 InteractiuneaInteractiunea radiatiilorradiatiilornuclearenucleare cucu

substantasubstantaRadiatiileRadiatiile nuclearenucleare interactioneazainteractioneaza cucu atomiiatomiisubstanteisubstanteipepe care ocare o strabatstrabat,,producandproducandoo serieserie dede efecteefecte..

RadiatiileRadiatiile nuclearenucleare se impart inse impart in douadoua categoricategoriinin functiefunctie dede sarcinasarcina

electricaelectrica aaparticulelorparticulelorcare lecare le formeazaformeaza::-- radiatiiradiatiiformateformate dindinparticuleparticule incarcateincarcate cucu sarcinasarcina electricaelectrica ((protoniprotoni,,particuleparticule,, fragmentefragmente dede fisiunefisiune,, electronielectroni,,pozitronipozitroni),),-- radiatiiradiatiiformateformate dindinparticuleparticule neutreneutre ((fotonifotoni sisineutronineutroni).).

II.3.1II.3.1 InteractiuneaInteractiunea radiatiilorradiatiilornuclearenucleare formateformate dindinparticuleparticuleincarcateincarcate cucu sarcinasarcina electricaelectrica cucu substantasubstanta

LaLa trecereatrecereaprintrprintr--unun anumitanumitmediumediu((substantasubstanta),), radiatiileradiatiile formateformate dindin

particuleparticule incarcateincarcate cucu sarcinasarcina interactioneazainteractioneaza cucu atomiiatomiisisimoleculelemoleculele din caredin careesteeste alcatuitalcatuitmediulmediulrespectivrespectivproducandproducandionizariionizarisausauexcitariexcitarialeale acestoraacestora. In. Inproceseleprocesele dede excitareexcitare sausauionizareionizare,,particuleleparticulele carecare formeazaformeaza radiatiaradiatia nuclearanuclearatransferatransfera o parte dino parte din energiaenergia lorlorcineticacinetica mediuluimediuluipepe carecare--ll strabatstrabat.. DrumulDrumulmediumediustrabatutstrabatutde ode oparticulaparticula incarcataincarcata cucu sarcinasarcina electricaelectrica sese numestenumesteparcursparcurs liniarliniar..

MarimeaMarimeaparcursuluiparcursuluiliniarliniardepindedepinde dede naturanatura mediuluimediuluisisidede sarcinasarcina electricaelectrica aaparticuleiparticulei..


19/31

II.3.2II.3.2 InteractiuneaInteractiunea radiatiilorradiatiilornuclearenucleare formateformate dindinparticuleparticuleneutreneutre cucu substantasubstanta

TrecereaTrecerea fotonilorfotonilorXX sausauprinprin substantasubstanta esteeste insotitainsotita dede douadoua efecteefecte::efectefectfotoelectricfotoelectricsisiefectefectCompton.Compton.LegeaLegea dede atenuareatenuare aa fotonilorfotonilor

II00 II

xxFig.12Fig.12AtenuareaAtenuarea unuiunuifasciculfasciculdede fotonifotoni lala

trecereatrecereaprintrprintr--ununanumitanumitmediumediu

ScadereaScaderea intensitatiiintensitatiifascicoluluifascicoluluiesteeste

proportionalaproportionala cucuintensitateaintensitateafascicoluluifascicoluluisisicucu sisicucugrosimeagrosimea stratuluistratuluidedesubstantasubstanta strabatutstrabatut::

xx x+x+xx

xII = )0( (16)(16)

(17)(17)

==coeficientcoeficientdede atenuareatenuare liniaraliniara aa fotonilorfotonilor..CoeficientulCoeficientuldede atenuareatenuare liniaraliniara depindedepinde dede naturanatura substanteisubstanteistrabatutestrabatute dede fotoniifotonii..

xeII

=

0


20/31

InteractiuneaInteractiunea neutronilorneutronilorcucu substantasubstanta

NeutroniiNeutroniipotpot interactionainteractiona cucu nucleelenucleele dindin mediulmediulpepe carecare--ll strabatstrabat,,

provocandprovocandreactiireactiinuclearenucleare..NeutronulNeutronulfiindfiindneutruneutrudindinpunctpunctdede vederevedere electric,electric,patrundereapatrunderea sasa inin

nucleunucleununu esteeste impiedicataimpiedicata dede fortelefortele dede respingererespingere electrostaticaelectrostatica iariarprobabilitateaprobabilitatea de a producede a produce reactiireactiinuclearenucleare esteeste foartefoarte mare.mare.

LaLa trecereatrecerea unuiunuifasciculfasciculdede neutronineutroniprintrprintr--unun mediumediuacestiaacestia suntsuntabsorbitiabsorbitidede substantasubstanta mediuluimediuluirespectivrespectiv,, legelege dede atenuareatenuare fiindfiindsimilarasimilara celeicelei

pentrupentrufotoniifotonii..MaterialeleMaterialele care au ocare au oprobabilitateprobabilitate mare demare de capturacaptura aa neutronilorneutronilorsuntsunt

sisi ..AcesteAceste materialemateriale suntsuntfolositefolositepentrupentruecranareaecranarea neutronilorneutronilor..

B10

5

Cd113

38

Fig.13Fig.13AtenuareaAtenuarea radiatiilorradiatiilornuclearenucleare


21/31


22/31

anodanod

ionion

gazgazatomicatomic

electronelectron

fereastrafereastra

catodcatod

instrument deinstrument de masuramasura

substantasubstanta radioactivaradioactiva

DetectorulDetectorulGeigerGeiger--MMllerller

ContorulContorulesteeste formatformat dintrdintr--unun condensatorcondensatorcilindriccilindricinchisinchis intrintr--un tub deun tub de sticlasticla..AnodulAnodulesteeste un firun fir subtiresubtire coaxial cucoaxial cu cilindrulcilindrulcatodiccatodic.. ElectroziiElectroziisuntsuntlegatilegatila ola osursasursa dede tensiunetensiune (cc(cc ~10~1022 V).V). DatoritaDatorita configuratieiconfiguratieicondensatoruluicondensatoruluiintensitateaintensitateacampuluicampuluielectric inelectric in apropiereaapropierea anoduluianoduluiesteeste foartefoarte mare. Lamare. La trecereatrecerea uneiunei

particuleparticule incarcateincarcate seseproducproducperechiperechielectronelectron--ion inion in gazulgazuldindin cilindrucilindru.. ElectroniiElectroniiprodusiprodusisuntsuntacceleratiacceleratiputernicputernicinspreinspre anodanodsisiproducproducaltealte ionizariionizari,, rezultandrezultandintrintr--oo avalansaavalansa dede electronielectroni. In circuit. In circuit apareapare unun curentcurentdede descarcaredescarcare dede scurtascurta durataduratacarecare vavapermitepermite numarareanumarareaparticulelorparticulelornuclearenucleare carecare traverseazatraverseaza contorulcontorul..

Fig. 14Fig. 14 ContorulContorulGeigerGeiger--MMllerller

Hans Geiger (1882Hans Geiger (1882--1945)1945)

fizicianfizician germangerman inventatorinventatoralalcontoruluicontoruluidede radiatiiradiatii bazatbazatpepe fenomenulfenomenuldede ionizareionizare sisialal nucleuluinucleuluiatomic (exp.atomic (exp.MardsenMardsen--Geiger).Geiger).

WalterWalter MMllerller(1905(1905--1979)1979)fizicianfizician germangerman cunoscutcunoscutmaimaimultmultpentrupentruimbunatatirileimbunatatirile contoruluicontoruluiinventantinventantdede catrecatre HansHansGeiger.Geiger.


23/31


24/31

Radiaiile care ptrund n organism sunt mai mult sau mai puin absorbite. n cazulesuturilor vii, interaciunea radiaiilor cu acestea produce aceleai fenomene. Ionii

produi n urma ionizrii reacioneaz chimic cu acizii nucleici din nucleele celulelor

vii dnd natere unor produi toxici. esuturile cele mai sensibile sunt organelehematopaltice, mucoasele, organele interne, esuturile musculare, esuturile osoase,esutul nervos.

Iradierea n doze bine determinate poate avea efecte pozitive (n radioterapie,distrugerea celulelor tumorale).

Iradierea necontrolatpoate duce la accidente acute imediatei accidente cronice.

Mecanismele absorbiei radiaiilor variaz n funcie de natura acestora. n cazulradiaiei, acestea sunt complet absorbite de organismele vegetalei animale pe oadncime de 0,1 mm iar radionuclizii nu sunt periculoi. Radiaiile pot ptrunde norganism circa 1 cm, iar radionuclizii care le produc sunt periculoi pentruesuturilesuperficiale. Radiaiile X, i neutronii trec prin organe umane iar radionuclizii care le

produc sunt periculoi.

Boala de iradiere poart numele de boala actinic.

n locurile n care apar doze de radiaii mai mari dect cele maxime admise, seimpune luarea unor msuri de protecie prin ecranarea surselor radioactive. mpotrivafluxului de radiaii se utilizeaz ecrane din material cu Z mare (Pb), mpotriva fluxuluide radiaii se utilizeaz ecrane din material cu Z mic (Al) iar mpotriva fluxului deradiaii se folosete ca moderator apa greai grafitul iar ca absorbant cadmiuliborul.

n10


25/31

II.5II.5 MrimiMrimiiiunitunitiidozimetricedozimetrice

PentruPentruaa caracterizacaracteriza efecteleefecteleproduseproduse lala iradiereairadierea diferitelordiferitelormaterialemateriale inclusivinclusivaacorpurilorcorpurilorvii,vii, esteeste necesarnecesarss studiemstudiem schimbrileschimbrile dedeproprietproprietii((mecanicemecanice,,termicetermice,, electriceelectrice,, magneticemagnetice etc.)etc.) cece au locau loc nn urmaurma iradieriiiradierii,,precizndprecizndefecteleefecteleacestoraacestora..

EfecteleEfecteleproduseproduse depinddepinddede maimaimulmuliifactorifactori:: naturanatura,, energiaenergiaiidistribudistribuiaia

radiaradiaiiloriiloriinaturanatura, forma de, forma de agregareagregare,, combinacombinaiaia chimicchimiciistructurastructura corpuluicorpuluiiradiatiradiat..

EfecteleEfectele biologicebiologice aleale radiaradiaiiloriilordepinddepinddede cantitateacantitatea dede energieenergie absorbitabsorbit de lade laacesteaceste radiaradiaiiiidede ctrectre materiamateria vie.vie.

1)1) MrimeaMrimea care acare a fostfostintrodusintroduspentrupentruaa caracterizacaracteriza energiaenergia absorbitabsorbit dedeunitateaunitatea dede masmas esteeste dozadoza energeticenergetic absorbitabsorbit (D).(D).

DD reprezintreprezint raportulraportuldintredintre energiaenergia absorbitabsorbitiimasamasa substansubstaneieicare acare a absorbitabsorbitaceastaceast cantitatecantitate dede energieenergie..

mWD

= (18)(18)

[ ]

[ ]

[ ] )(GrayGykgJ

m

W

D SI

SI

SI ===

Louis Harold Gray (1905Louis Harold Gray (1905--1965)1965) fizicianfizicianenglezenglezcare acare a avutavutcontributiicontributiiimportanteimportante legate delegate de efecteleefectele biologicebiologicealeale radiatiilorradiatiilor,, fondatorfondatoralal

radiobiologieiradiobiologiei


26/31

1 Gy este doza care transfer unei mase omogene de 1 kg o energie de 1 J.

Alt unitate de msur este rad (roentgen de doz absorbit).

DozaDoza absorbitabsorbit nn unitateaunitatea dede timptimp sese numenumetete dozdoz debit.debit.

tmW

tDd

=

=

[ ]

[ ]s

Gyd

h

radd

SI =

=

(19)(19)

Gy10kg/J10

1

kg10

J1010

g

erg100rad1 2

23

72

==

==

1 Gy = 100 rad

1 rad reprezint cantitatea de radiaie care cedeazntr-un kg de substan energia de10-2 J.


27/31

TransferndTransferndaceluiaaceluiaiimaterial omaterial o cantitatecantitate egalegal dede energieenergie,, dardarde lade la diferitediferiteradiaradiaiiii,, acaciuneaiunea acestoraacestora esteeste diferitdiferit. De. De exempluexemplu,, radiaradiaiaia esteeste maimaieficaceeficacedectdect..

PentruPentruaa apreciaaprecia efecteleefectele iradieriiiradieriiss--aa introdusintrodus caca mrimemrime caracteristiccaracteristicinteracinteraciuniiiuniiradiaradiaieie substansubstan,, dozadoza dede ionizareionizare ((termenultermenulaa fostfostintrodusintrodus maimaintintinn radioterapieradioterapie, ca, ca echivalentechivalentpentrupentrudozadoza dede medicamentemedicamente administratadministrat).).

DozaDoza dede ioniioni reprezintreprezint sarcinasarcina electricelectricprodusprodusprinprin ionizareionizareiireprezintreprezint

raportulraportuldintredintre sarcinasarcina electricelectric Q aQ a ionilorionilorproduproduiidede radiaradiaiileiile nuclearenucleare ntrntr--ununvolumvolum dede aeraeriimasamasa m am a aceluiaceluivolumvolum..

m

QD = (20)(20)

DebitulDebituldozeidozeidede ioniioniesteeste datdatdede relarelaiaia::

t

Dd = (21)(21) [ ] RD SI 1= (Rontgen)

1 R1 R reprezintreprezint dozadoza dede radiaradiaieieXX sausau care producecare produce nn condicondiiiiinormalenormale oo sarcinsarcin1/31/3 1010--99 CC ntrntr--unun volumvolum dede aeraeruscatuscatiiesteeste echivalentechivalentcucu dozadoza energeticenergetic dede1,2931,293 GyGy..


28/31

DozaDoza biologicbiologic (B)(B)

PentruPentruaaputeaputea comparacompara diferitediferite radiaradiaiiiicucu aceeaaceeaiienergieenergie,, dupdup efecteleefectele lorlor, s, s--aaintrodusintrodus factorulfactoruldede eficacitateeficacitate biologicbiologic relativrelativ ..

DozaDoza biologicbiologic sese folosefolosetetepentrupentruorganismeleorganismele vii:vii:

B =B = dozadoza energeticenergetic 22) 22)EficacitateaEficacitatea biologicbiologic relativrelativ reprezintreprezint raportulraportuldintredintre energiaenergia absorbitabsorbit dede

esutesutlala iradiereairadierea cu ocu o radiaradiaieie datdatiienergiaenergia absorbitabsorbit dede esutesutla ola o iradiereiradiere cu ocu o

radiaradiaieie standardstandardpentrupentrua producea produce efecteefecte biologicebiologice identiceidentice..DozaDoza biologicbiologic BB esteeste dozadoza dede energieenergiepreluatpreluat de lade la radiaradiaiaia incidentincident carecare

produce,produce, nn condicondiiiiiidenticeidentice,, aceleaaceleaiiefecteefecte biologicebiologice caca iidozadoza de 1de 1 GyGyaaradiaradiaiiloriilorstandard (X,standard (X, la 200la 200 keVkeV).).

UnitateaUnitatea dede msurmsur esteeste::

[B] = 1[B] = 1 rem(roentgenrem(roentgen echivalentechivalentmen)men)[B][B]SISI=1=1 SievertSievert=100=100 remrem

PentruPentruradiaradiaiiiiX,X, ,, ,, factorulfactoruldede eficacitateeficacitate biologicbiologic relativrelativ esteeste = 1,= 1,pentrupentruneutronineutroni termicitermici = 10,= 10, iariarpentrupentruneutronineutronirapizirapizi = 2,5.= 2,5.

DebitulDebituldozeidozeibiologicebiologice esteeste::

t

Bb = [ ] h

remb

1=

[ ] sSi

b IS 1

1.. =

(23)(23)

Rolf MaximilianRolf Maximilian SievertSievert(1896(1896--1966)1966) fizicianfiziciansuedezsuedez, a, a avutavutcontributiicontributiiimportanteimportante inindomeniuldomeniulfiziciifiziciimedicalemedicale studiindstudiindefecteleefectele

biologicebiologice aleale radiatiilorradiatiilor..


29/31

LimitaLimita anualanual dede ncorporarencorporare, LAI,, LAI, esteeste activitateaactivitatea minimminim,, exprimatexprimat nn becquerelibecquereli,,rezultatrezultat de la unde la un radionuclidradionuclidncorporatncorporattimptimp de un an, dede un an, de ctrectre omulomuldede referinreferin definitdefinitdedeCIPR (ICPR InternationalCIPR (ICPR International CommisionCommision of Radiological Protection),of Radiological Protection), ncorporarencorporare carecare

antreneazantreneaz fie ofie o valoarevaloare aa echivalentuluiechivalentuluidozeidozeiangajatangajatde 50de 50 mSvmSv, fie o, fie o valoarevaloare aaechivalentuluiechivalentuluidozeidozeiangajatangajatde 150de 150 mSvmSvpentrupentrucristalincristalin,, sausaude 500de 500 mSvmSvpentrupentrucelelaltecelelalteorganeorgane sausauesuturiesuturi.

IntrebariIntrebaritesttest grilagrila

1)1) BifatiBifatienunturileenunturile corectecorecte:: Nucleele atomice contin un numar egal de protoni si neutroni.

Stabilitatea unui nucleu este determinata de valoarea energiei de lagatura al acestuia.

Modelul picatura de lichid explica stabilitatea mare a nucleelor formate din grupari de 2protoni si 2 neutroni.

Modelul in paturi presupune existenta unor nivele energetice nucleare care pot fi ocupate

de cel mult doi nucleoni identici si cu spinul paralel.

Principiul de excluziune al lui Pauli este valabil si in cazul nucleelor atomice.

2) BifatiBifatienunturileenunturile corectecorecte:: Procesul de fisiune nucleara este specific nucleelor grele care au tendinta de a se

transforma in nuclee mai usoare cu o energie de legatua mai mare.

Procesul de fisiune nucleara este un proces spontan, exoenergetic.

Fuziunea nucleara este un proces spontan.

Fuziunea nucleara este un proces endoenergetic.

Fuziunea nucleara este specifica nucleelor usoare.


30/31

3)3) BifatiBifati enunturileenunturile corectecorecte::

Dezintegrarea radioactiva este un proces spontan exoenergetic.

Radioactivitatea se produce sub trei fome si . Conservarea energiei, conservarea impulsului, conservarea momentului cineticsunt specifice doar proceselor de dezintegrare radiactica.

Conseravrea sarcinii electrice, conservarea numarului de nucleoni si

conservarea numarului de leptoni sunt specifice proceselor de dezintegrare

radioactiva.

In procesul de dezintegrare radioactiva nucleele se dezintegreaza simultan.

4) Ce sunt radiatiile ?Electroni,

Protoni,

Nuclee de heliu.Pozitroni.

5) Ce semnificaie are timpul mediu de via?Jumatate din timpul necesar ca radioactivitatea substanei sa dispar.

Timpul necesar ca radioactivitatea substanei screasccu jumatate dinvaloarea iniial.Timpul necesar ca radioactivitatea substanei sa se reduca la jumatate.Timpul in care numarul de nuclee radioactive se reduce la jumatate din valoarea

initiala.

Jumatate din timpul necesar pentru reducerea radiactivitatii probei la jumatate.

6)6) C t difi l t iC t difi l t i i l d l i t d t iti l d l i t d t it


31/31

6)6) Cu cat se modificnumarul atomicCu cat se modificnumarul atomic i numrul de masa al unui atom cand acesta emite oi numrul de masa al unui atom cand acesta emite oparticulaparticula ??Numarul atomic creNumarul atomic crete cu 2 si numarul de masa crete cu 2 si numarul de masa crete cu 4.te cu 4.

Numarul atomic descreNumarul atomic descrete cu 2 si numarul de masa crete cu 2 si numarul de masa crete cu 4.te cu 4.Numarul atomic creNumarul atomic crete cu 2 si numarul de masa descrete cu 2 si numarul de masa descrete cu 4.te cu 4.Numarul atomic descreNumarul atomic descrete cu 2 si numarul de masa cu 4.te cu 2 si numarul de masa cu 4.Numarul atomic descreNumarul atomic descrete cu 4 si numarul de masa cu 2.te cu 4 si numarul de masa cu 2.

7) Bifa7) Bifai enuni enunurile corecte:urile corecte:

Valoarea energiei de legturper nucleon caracterizeazstabiliValoarea energiei de legturper nucleon caracterizeazstabilitatea nucleelor atomice.tatea nucleelor atomice.Nucleele cele mai stabile sunt nucleele cu numrul de mascupriNucleele cele mai stabile sunt nucleele cu numrul de mascuprinsns ntre 40ntre 40 i 140.i 140.ForForele nucleare au un caracter de saturaele nucleare au un caracter de saturaie.ie.Volumul nucleului este proporVolumul nucleului este proporional cu numrul de protoni din nucleuional cu numrul de protoni din nucleu..ForForele nucleare acele nucleare acioneazdoarioneazdoar ntre particulele nuclearentre particulele nucleare ncarcate cu sarcinelectricncarcate cu sarcinelectric..

8) Bifai enunurile corecte:

In procesele de dezintegrare alfa si de fisiune nuclearIn procesele de dezintegrare alfa si de fisiune nuclear, nucleele grele, nucleele grele i mresc energiai mresc energiade legtura per nucleonde legtura per nucleon..In cazulIn cazul n care pot avea loc,n care pot avea loc,dezintegrarea alfa si fisiunea nuclearsunt procesedezintegrarea alfa si fisiunea nuclearsunt procese

spontane.spontane.Fuziunea nucleareste specificnucleelor uFuziunea nucleareste specificnucleelor uoare.oare.Fuziunea nuclearnu necesitun aport energetic iniFuziunea nuclearnu necesitun aport energetic iniial.ial.Procesul de fuziune nucleareste un proces endoenergetic nucleaProcesul de fuziune nucleareste un proces endoenergetic nuclear.r.

fizicc483-nuclearc483

Documents