De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

Atoom- en kernfysica Cursus Stralingsveiligheid niveau 3 2012-2013 L. Niesen.

Verwante presentaties


Presentatie over: "Atoom- en kernfysica Cursus Stralingsveiligheid niveau 3 2012-2013 L. Niesen."— Transcript van de presentatie:

1 Atoom- en kernfysica Cursus Stralingsveiligheid niveau L. Niesen

2 Opbouw van het atoom Atoom bestaat uit: positieve kern met daarin positieve protonen en neutrale neutronen Er omheen “cirkelen” negatieve elektronen Aantal protonen: Z (bepaalt het element) aantal neutronen: N aantal nucleonen: A = Z+N Nuclide: bepaalde combinatie van Z en N (of Z en A) notatie: A Z X Isotopen: nucliden met dezelfde Z en verschillende N Isobaren: nucliden met dezelfde A Isomeren: nucliden met dezelfde Z en N, maar in verschillende energieniveaus

3 Periodiek systeem van de elementen, geordend op atoomnummer Z

4 Atoommassa’s Atomaire massa eenheid u = m ( 12 C)/12 1 u = 1, kg = 1, g Proton: m p =1,0073 u neutron: m n = 1,0087 u Atoommassa van nuclide: ongeveer A.u (maar niet precies!) Atoommassa van element A.u: gewogen gemiddelde van de atoommassa’s van zijn stabiele isotopen In m a gram van dit element zitten A/(A.u) = 1/u = 6, atomen: getal van Avogadro N A 1 mol van een chemische stof = A m gram, met A m de molecuulmassa (som van de massa's van de atomen in het molecuul)

5 Elektronenstructuur van het atoom De elektronenwolk rond de kern is ongeveer 10 4 keer zo groot als de kern. De positie van de electronen is onbepaald,maar de energie is scherp bepaald. Laagste energie: K-schil, maximaal 2 electronen Volgende schil: L-schil (L I, L II, L III ), maximaal 8 electronen In volgorde van oplopende energie: M-, N-, O-schil, etc. In neutraal atoom zitten Z electronen, die van onderop de beschikbare toestanden bezetten. Electronen in de hoogste energietoestanden bepalen de chemische eigenschappen van het atoom (element)

6 Energieniveaus en bindingsenergie Energieniveaus van het waterstofatoom (in eV) 1eV = 1, J 0 10,2 12,1 12,75 13,6 (ionisatie) E1E1 B1B1 E2E2 B2B2 E3E3 De bindingsenergie B i is de energie nodig om een electron vanuit niveau E i buiten het atoom te krijgen (te ioniseren) Dus: B i = Eio – E i en B i - B j = E j - E i Eio

7 Excitatie Ionisatie en excitatieschema van een Na atoom

8 Wat gebeurt er als er een electron in een laag energieniveau weg is (gat in binnenschil) Röntgen (X-ray) emissie dominant bij hoge Z Auger proces dominant bij lage Z e- X-ray Auger electron E1E1 E1E1 E2E2 E3E3 E2E2 E3E3 h  hc /  E 2 - E 1 = B 1 – B 2 E A = E 2 – E 1 – B 3 = B 1 - B 2 - B 3

9 Relatieve waarschijnlijkheid voor Röntgenemissie K LILI LIILII L III Kα 2 Kα 1 Binnenschillen en Röntgenemissie

10 Het electromagnetisch spectrum Golfkarakter neemt af, en deeltjeskarakter neemt toe naarmate de frequentie groter wordt ELFVLFradiomagnetronIRUVröntgengamma niet ioniserendioniserend frequentie (Hz) golflengte (m)

11 Bindingsenergie van nucleon in kern Bindingsenergie correspondeert met massaverlaging Einstein: E = mc 2 1u = 931,6 MeV Massa’s van kernen vergelijken is dus energieën vergelijken!

12 Excitatieenergieën van kernen

13 Begin van nuclidenkaart Zie atom.kaeri.re.kr

14 Radioaktiviteit Radioaktiviteit: atoomkern kan spontaan energie verliezen door het uitzenden van deeltjes en/of electromagnetische straling (fotonen). Langs de baan van de deeltjes (incl. fotonen) worden atomen geioniseerd en soms van hun plaats gestoten. Dit geeft aanleiding tot schade, bijvoorbeeld in weefsel.

15 Radioactief verval Activiteit: A(t) = -dN/dt = N  t  met N(t) het aantal radioactieve atomen Oplossing: A (t) = A (0) e – t  heet vervalconstante (in s -1 ) Levensduur:  Activiteit in Becquerel (Bq) = s -1

16 Massa dragervrije radioactieve stof als activiteit bekend is: N (t) =  A (t), m = N (t). atoommassa. u = N (t). atoommassa / N A Specifieke activiteit: A / m = λ N A / atoommassa (in Bq / kg) (dragervrij) Halveringstijd T 1/2 : A (0) / 2 = A (T 1/2 ) = A (0) exp { - T 1/2 } Hieruit volgt: T 1/2 = ln (2) of T 1/2 = ln (2).  = 0,693.  Alternatieve schrijfwijze verval: e - t = exp { ln (2) (- t / ln (2) } = 2 –t /T1/2 Oude eenheid van activiteit: 1 Curie (Ci) is de activiteit van 1 gram radium. 1 Ci= 3, Bq. Grootteorde activiteit van een standaardbronnetje: 100 kBq (3  Ci)

17  -verval Zware kernen kunnen soms energie winnen door een  - deeltje uit te zenden: A Z X  A-4 Z-2 Y He De energiewinst is in de meeste gevallen 5-8 MeV. Vanwege impulsbehoud neemt de nieuwe kern een fractie 4/A van de vervalsenergie mee als terugstootenergie (  100 keV). Dit zorgt voor een verplaatsing van  30 nm in een vaste stof.

18 Voorbeeld α- verval Door de korte dracht is α- straling alleen gevaarlijk bij inwendige besmetting. Maar dan is het juist extra gevaarlijk doordat er in een klein volume veel energie vrijkomt.

19 Radioactieve vervalswijzen:  - verval Algemeen: A Z X  A Z+1 Y + e - + Antineutrino is massaloos en heeft geen lading; vliegt vrijwel overal doorheen. Neemt wel een deel van de energie mee! Voor elektron geldt: E gem ≈ 1/3 E max Elektron energieën uit het  - verval van 210 Bi

20 Voorbeelden van  - verval  - verval: verschuiving naar linksboven in de nuclidenkaart. A blijft gelijk! Q = {m( 14 C) – m( 14 N)} c 2 waarbij m( 14 C) de massa van het 14 C atoom is

21  + verval en electronvangst Electronvangst (Electron Capture): p + e -  n + Of algemeen: A Z X + e -  A Z-1 Y + Electron komt uit een binnenschil en wordt gevolgd door Röntgen of Auger emissie. Alternatief heet  + verval: p  n + e + + Of algemeen: A Z X  A Z-1 Y + e + +

22 Voorbeeld electronvangst Q = {m(Z) – m(Z-1)} c 2 Voorbeeld positronemissie Beschikbare kinetische energie voor positron en neutrino samen: {m( 11 C) – m( 11 B) – 2m e } c 2 (Atoommassa's, geen kernmassa's) Beide typen verval leiden tot een verschuiving naar rechtsonder op de nuclidenkaart

23 Het positron  e + is het antideeltje van het electron en annihileert daarmee: e + + e -  h met h  = m e c 2 = 0,511 MeV Voorbeeld van positron spectrum bij 13 N verval = 0,4 E ,max

24  -verval Kernen hebben net als electronen verschillende energieniveaus.Het radioactief verval gaat in het algemeen naar een aangeslagen (hogere energie) toestand en daarna via electromagnetische straling naar de grondtoestand. Dit heet  -verval. Typerende energie: 1MeV. 57 Co270 d 136 keV122 keV 14,4 keV 57 Fe Een aangeslagen kerntoestand die voldoende lang leeft noemen we een isomeer (vb: 99m Tc (6h) en 99 Tc (2, j) )

25 Gammastraling en interne conversie Gammastraling is elektromagnetische straling met korte golflengte Conversie: elektron uit binnenschil neemt overgangsenergie mee.

26 Inwendige (interne) conversie In plaats van een  uitzenden kan een kern ook energie kwijtraken door het over te dragen aan een electron in een binnenschil (K, L), wat dan uit het atoom verdwijnt. Dit proces heet interne conversie (K-conversie,L-conversie). Gaat (uiteraard) gepaard met Röntgen- en/of Auger emissie. Conversiecoefficient:  N ce / N  Partiele conversiecoefficient  K,  L, etc. Fractie gammaverval bij de-excitatie: 1/ (1+  ) Energie K-conversie electron: E K = E  - B K

27 Isobaren Bij elke vorm van beta radioaktiviteit blijft het massagetal A constant. Dwz: beta aktiviteit gebeurt tussen isobaren. Oneven A: altijd 1 stabiele isobaar Even A: vaak twee stabiele isobaren Reden: protonen en neutronen zijn graag samen in paren

28 Moeder-dochter relatie 3 compartimenten systeem

29 Lang levende moeder. Dochter groeit in met karakteristieke tijd  2 = λ 2 -1 Speciale gevallen Kort levende moeder. Ingroei dochter bepaald door λ 1, verval bepaald door λ 2


Download ppt "Atoom- en kernfysica Cursus Stralingsveiligheid niveau 3 2012-2013 L. Niesen."

Verwante presentaties


Ads door Google