Nuklearna fizika

Univerzitet u Beogradu
Fizički fakultet







Seminarski rad
RADIOAKTIVNOST

"Osnovi fizike jezgra i čestica"
Prof. dr Ivan Aničin









U Beogradu Student
Januar 2007. god. Tanja Jevremović
Broj indeksa: 5050044




RADIOAKTIVNOST



Radioaktivnost predstavlja nuklearnu pojavu, tj. svojstvo nekih hemijskih elemenata, odnosno njihovih izotopa (razni vidovi atoma istog hemijskog elementa, imaju isti atomski broj – broj protona u atomskom jezgru i broj elektrona u atomskom omotaču, ali različit broj neutrona u jezgru i različitu masu atomskih jezgara) da emituju nevidljive čestice i zrake velike energije. Te čestice i zraci potiču iz atomskog jezgra. Opšte svojstvo radioaktivnih zrakova je da deluju na fotografsku ploču, da prodiru kroz razne materijale izvesnih debljina, da izazivaju jonizaciju gasovai fluorescenciju raznih tela.


OTKRIĆE RADIOAKTIVNOSI


Prirodna radioaktivnost

Pojava da X - zraci izazivaju fluorescenciju navela je (1896. godine) fizičara Anri Bekerela (Henri Becquerel) na ideju da ispita da li materije koje jako fosforesciraju i fluoresciraju, same po sebi emituju X – zrake. Ovu zavisnost Bekerel je hteo da ispita na uranovim rudama, za koje je tvrdio da stalno u mraku fluoresciraju. Za tu svrhu upotrebio je čistu so kalijum – uranil – sulfat, koja u mraku stalno svetli slabom zelenkastom luminiscentnom svetlošću.
Izazivanjem fotografske ploče, koja je prethodno bila uvijena u crnom papiru iznad koga se slučajno nalazila uranova so, Bekerel je konstatovao da je ploča na tom mestu pocrnela. Na osnovu toga zaključio je, da uranova so emituje neke nevidljive zrake, koji prolaze kroz papir i deluju na fotografsku ploču.
Daljim istraživanjem Bekerel je utvrdio, da zraci koje emituju uranova jedinjenja izazivaju jonizaciju vazduha, fluorescenciju i prolaze kroz papir, tanke pločice aluminijuma i bakra. Prema tome ovi zraci koje spontano emituju uran i njegova jedinjenja imaju slična svojstva kao X zraci. No, ipak ovi zraci nazvani su Bekerelovim zracima. Docnije 1899. godine, Bekerel je utvrdio da neki zraci skreću od svoga pravca prostiranja kad se nalaze u magnetnom polju. Ovom činjenicom je dokazano da se Bekerelovi zraci sastoje iz naelektrisanih čestica i prema tome su drukčije prirode nego X zraci. Uzrok Bekerelovim zracima nije tada bio poznat. To je dalo povoda pariskoj hemičarki Mariji Kiri (Marya Curie, rođena Sklodovski), po narodnosti Poljakinji da i ona započne istraživanje uranovih i drugih preparata koji otpučtaju ovakve zrake. Već posle godinu dana ona je utvrdila da mineral uraninit emituje pet puta jače zrake nego čist element uran. U saradnji sa svojim suprugom Pjer Kirijem (Pierre Curie), profesorom fizike u Parizu i asistentom Bemonom (Bemont) Marija Kiri započela je istraživanje sastojaka uraninita hemijskom analizom. Ona je utvrdila da se uraninit sastoji iz uranovog oksida i još nekih jedinjenja i elemenata među kojima se nalazi i bizmut.
Veoma je značajno da je Marija pomoću osetljivog elektroskopa uz primenu piezoelektriciteta i jonizacije vazduha izazvane aktivnošću zračne supstancije, merila zračenja pojedinih frakcija dobijenih iz uraninita. Takvim merenjem ona je utvrdila da bizmut dobijen iz uraninita ima 60 puta jače zračenje nego čist uran. Zajedno sa svojim suprugom Marija je zaključila da to zračenje nastaje usled prisustva neke količine nepoznatog elementa koji je ona u počast svoje otađžbine nazvala polonijum (Po). Sad se taj element naziva radijum (Ra).
Nezavisno od Šmita koji je 4. aprila 1898. godine u Erlangenu otkrio da i element torijum (Th) zrači isto kao i uran, Marija je takođe to isto otkrila i 12. aprila 1898. godine o tome izvestila Akademiju nauka u Parizu. Zatim je 26. decembra 1898. godine objavila da talog barijum-sulfata dobijen iz uraninita ima još veću moć zračenja od polonijuma usled prisustva jednog nepoznatog elementa. Ona je tom elementu dala ime radijum (lat. radiare = zračiti) i predložila da se lementi koji zrače Bekerelove zrake nazovu radioaktivni elementi , a to njihovo svojstvo radioaktivnost. Zraci koje emituju radioaktivni elementi otada se nazivaju radioaktivni zraci.
Pošto je francuski naučnik Debiern 1899. godine takođe otkrio jedan radioaktivan elemenat i nazvao ga aktinijum (Ac) to znači da je već početkom XX veka bilo poznato pet radioaktivnih elementa: U, Th, Po, Ac i Ra. Među ovima radijum je bio poznat kao važno terapijsko sredstvo za lečenje raka. Naime, pošto se pokazalo da radijumhlorid ima jaku radioaktivnost pariski lekar Danlo konstatovao je da se zraci koje emituje radijum mogu upotrebiti za lečenje raznih bolesti, lišajeva i raka.
Kasnije je ustanovljeno da su svi elementi iznad rednog broja 83 u Periodnom sistemu elemenata radioaktivni. Izuzetak čine neki lakši elementi kao što su kalijum, ribidijum, lutecijum i drugi, koji takođe ispoljavaju radioaktivno svojstvo ali znatno manjoj meri. Veliki broj naučnika je radio na otkrivanju prirodne radioaktivnosti. Oni su ustanovili da do tog zračenja dolazi spontano i stalno bez ikakvih spoljašnjih uticaja i da brzina zračenja ne zavisi od temperature, pritiska i slično.

---

PRIRODA RADIOAKTIVNOG ZRAČENJA

Mada su opšta svojstva radioaktivnog zračenja bila poznata odmah po otkriću radioaktivnosti, ipak se tada o njihovoj suštini nije ništa znalo. Već 1900. godine bilo je poznato da jedan deo radioaktivnih radijacija može da skreće u magnetnom polju. Istovremeno je Raderfort (Ernest Rutherford) na osnovu ispitivanja prolaza radioaktivnih zraka kroz tanke listie aluminijuma utvrdio da kod radijacije uranovih jedinjenja ima dve vrste zraka. Onu vrstu zraka koji ne mogu da prođu kroz aluminijumsku pločicu deblju od 0,002 cm, Raderford je nazvao α – zracima, a onu vrstu, koja je prolazila kroz deblje sloveje, nazvao je β – zracima.
Francuski naučnik Vilard otkrio je 1900. godine i treću vrstu radioaktivnih zraka za koje je utvrdio da imaju veliku prodornu moć id a ne skreću u magnetnom polju. Ovi zraci nazvani su γ – zraci. Otada je poznato da prirodno radioaktivne materije zrače trovrsne zrake, koji se mogu međusobno razdvojiti u jakom magnetnom ili električnom polju i obeležavaju se grčkim slovima α, β i γ.

Na slici je prikazano ponašanje α, β i γ zraka u jakom magnetnom polju. Za oglede Raderford je upotrebio RaC. Da bi se dobilo što jače skretanje zraka radioaktivna materija RaC koja se nalazi u olovnom sudiću O stavlja se u evakuisani sud A. Ispod poklopca na vrhu suda A nalazi se fotografska ploča F, kako bi se videlo skretanje zraka. Kad se sud A nalazi između magnetnih polova N i S, koji su postavljeni kao na slici onda će α – zraci malo skrenuti od svog smera ulevo, β – zraci će skrenuti jako udesno, dok γ – zraci uopšte neće skrenuti. Na osnovu pravila leve ruke koji se odnosi na dejstvo magnetnog polja na struju i nastalog skretanja radioaktivnog zračenja proizilazi da su α – zraci nosioci pozitivnog elektriciteta, β – zraci negativnog elektriciteta, a γ – zraci su električno neutralni.
Isti zaključci se izvode in a osnovu ponašanja radioaktivnih zrakova u električnom polju.
Kasnijim ispitivanjima ovih zrakova ustanovljena su ostala njihova svojstva i priroda. Treba imati u vidu da pojedini radioaktivni elementi emituju ili samo α – zrake ili samo β – zrake a γ – zrake samo jedni elementi, dok ih drugi emituju ili uz α – zrake ili uz β – zrake. Samo izuzetno nekoliko radioaktivnih elemenata emituju sve tri vrste zraka kao na primer RaC, ThC i AcC.


Alfa čestice


Za α – zrake je utvrđeno da su slični kanalskim zracima, dakle, korpuskuralne su prirode. Pošto se sastoje iz pozitivno naelektrisanih čestica razumljivo je da skreću u električnom i magnetnom polju po istim zakonima kao i kanalski zraci. Ovo je Raderford zaključio na osnovu toga što je primenom Tomsonove metode mogao da odredi njihovo specifično naelektrisanje qα / mα , gde je qα naelektrisanje jedne α – čestice a mα njena masa i iznosi 4,822 . 104 Coul/g, a mα = 6,636 10-34 g odnosno mα = 4mH.
Prema tome masa jedne α – čestice je jednaka četvorostrukoj masi atoma vodonika što odgovara masi jednog atoma helijuma. Identičnost α – čestica sa helijumom eksperimentalno su dokazali Radeford i Rojds 1909. godine. To su čestice koje se sastoje iz dva protona i dva neutrona, što znači d aim je naelektrisanje +2e, a masa im je četriri puta veća od mase protona odnosno neutrona. Izletanjem iz supstancije α – čestice jonizuju vazduh i time se usporavaju. One imaju relativno malu prodornu moć, pa ih može zaustaviti list hartije ili aluminijumska folija debljine 0,06 mm. Usled velike mase i relativno male brzine α – čestice na svom putu kroz vazduh obrazuju veliki broj jonskih parova uz utrošak određene energije. Put na kome one vrše jonizaciju naziva se domet α – čestica. Na kraju dometa (koji iznosi 3 – 4 cm) α – čestice prelaze u neutralne atome helijuma. Domet α – čestica zavisi i od vrste radioaktivne supstancije koja ih emituje.
α – čestice deluju na fotografsku ploču (na kojoj ostavljaju kratke i široke tragove) i izazivaju fluorescenciju na nekim supstancijama.


Beta čestice


Sva ispitivanja su pokazala da se β – zraci ponašaju slično katodnim zracima. To je ukazivalo da je i njihova priroda ista. Da bi dokazao sličnost između β i katodnih zraka Bekerel je merio skretanje zraka u električnom i magnetnom polju in a osnovu toga odredio njihovu brzinu kao i naelektrisanje. Po Bekerelovim rečima “ovi rezultati su potpuno istog reda veličine kao kod katodnih zraka”. Kasnijim radovima je dokazano da su β – zraci isto kao i katodni zraci struja brzih elektrona.
Radioaktivni izvori emituju β – čestice brzinama koje su približne brzini svetlosti. Brzine β – čestica su različite što zavisi od prirode radioaktivnog elementa. Oni su znatno prodorniji od α – čestica, tako da mogu proći kroz list hartije debljine 1 mm dok ih zaustavlja aluminijumska pločica debljine 5 mm. Domet β – čestica u vazduhu je oko 100 puta veći nego α – čestica. Interesantno je da su β – čestice slabiji jonizatori gasova. Njihov trag na fotografskoj ploči je znatno tanji i duži pa se po tome lako identifikuju.
S obzirom na velike brzine kojima se kreću, njihova masa je znatno veća nego masa elektrona u mirovanju m0, i izračunava se pomoću Ajnštajnove relacije


m = m0 / √ 1 – v2/c2



m – masa β – čestice u kretanju
v – brzina β – čestice
c – brzina svetlosti

Energije β – čestica su vrlo različite i zavise od vrste radioaktivne supstancije koja ih emituje. Zbog manje mase, oni u električnom i magnetnom polju više skreću od α – čestica.


Gama zraci


Za razliku od α i β – zraka, koji imaju korpuskularnu prirodu γ – zraci predstavljaju elektromagnetne talase male talasne dužine. Priroda ovog zračenja je ista kao i priroda svetlosti samo je razlika u talasnoj dužini i svojstvima koja su time uslovljena. Ovi zraci su znatno prodorniji od rendgenskih zrakova. Mogu proći i kroz olovnu ploču debljine 20 cm. Njihov domet u vazduhu je znatno veći nego α i β – zrakova, ali im je jonizaciona moć znatno manja. I ovi zraci deliju na fotografsku ploču.
Iz prethodnog izlaganja može se zaključiti da su α i β – zraci korpuskularne prirode, α – zraci su analogni kanalskim zracima, a β – zraci katodnim zracima. Ova analogija se odnosi samo na njihovu prirodu, ali među njima postoje i bitne razlike. γ – zraci su analogni rendgenskim zracima, al ii među njima postoje bitne razlike. Prema tome,
Radioaktivno zračenje je složene prirod, naime neki zraci su talasne a neki korpuskularne prirode.


Veštačka radioaktivnost


Kod prirodne radioaktivnosti imamo primer spontane transmutacije jednog elementa u neki drugi. Odmah se postavilo pitanje da li se može in a koji način ostvariti veštačkim putem transmutacija (preobražaj) nekog elementa. Radeford je uspeo da prvi u istoriji ostvari jednu takvu promenu. On je ispitivao zavisnost dometa α – čestica od pritiska i od vrste gasa. Supružnici Kiri prvi su 1934. godine pomiću nuklearnih reakcija dobili veštačke radioaktivne elemente. To su izotopi nekih elemenata kojih gotovo nema u prirodi jer im je vreme poluraspada vrlo kratko te brzo prelaze u stabilna jezgra.
Veštački radioaktivni elementi imajku primenu u medicini (radioaktivni jod), poljoprivredi, šumarstvu, prehrambenoj industriji i uopšte u nauci i tehnici.



Zaključak


Prirodna radioaktivnost Zemljine kore, vazduha i vode je uglavnom stalna i takvoj meri da ne deluje štetno na živa bića. Međutim, sve veća opasnost postoji od povećanja količine veštačkih radioaktivnih materija, prvenstveno radioaktivnog zagađiivanja vazduha koje nastaje usled intezivne prerade urana, proizvođenja radioaktivnih izotopa, nuklearne energije a naročito usled radioaktivnih padavina izazvanih nuklearnim eksplozijama atomskih bombi. Međunarodna komisija usvojila je 1950. godine da je za čoveka dozvoljena doza zračenja 0,3 r za nedelju dana. Za sada se smatra da je doza od 400 – 500 r smrtonosna ako se primi u kratkom vremenu. Radioaktivno zračenje samo u granicama dozvoljene doze može služiti za terapijske svrhe kao što je slučaj u vodama i vazduhu poznatih radioaktivnih banja i klimatskih lečilišta. Međutim velike količine radioaktivnog zračenja izazivaju teška oboljenja pa i smrt.