Cursus Stralingsveiligheid niveau 4 2006 L. Niesen Atoom- en Kernfysica Cursus Stralingsveiligheid niveau 4 2006 L. Niesen

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: AZX Isotopen: nucliden met dezelfde Z en verschillende N Isobaren: nucliden met dezelfde A Isomeren: nucliden met dezelfde Z en N, maar in verschillende energieniveaus

Begin van nuclidenkaart Zie http:// atom.kaeri.re.kr

Atoommassa’s Atomaire massa eenheid u = m (12C)/12 1 u = 1,66054 10-27 kg = 1,66054 10-24 g Proton: mp=1,0073 u neutron: mn = 1,0087 u Atoommasa van nuclide: ongeveer A.u (maar niet precies!) Atoommassa van element ma u: gewogen gemiddelde van de atoommassa’s van zijn stabiele isotopen In ma gram van dit element zitten ma/(ma u) = 1/u = 6,0023 1023 atomen: getal van Avogadro NA

Electronenstructuur van het atoom De electronenwolk rond de kern is ongeveer 104 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 (LI, LII, LIII), 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)

Energieniveaus en bindingsenergie Energieniveaus van het waterstofatoom (in eV) 1eV = 1,60 10-19 J Eio 13,6 (ionisatie) 12,75 De bindingsenergie Bi is de energie nodig om een electron vanuit niveau Ei buiten het atoom te krijgen (te ioniseren) Dus: Bi = Eio – Ei en Bi - Bj = Ej - Ei E3 12,1 B2 E2 10,2 B1 E1

Röntgen (X-ray) emissie Auger proces 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 Auger electron e- E3 E3 E2 E2 e- e- X-ray E1 E1 hn = hc / l = E2 - E1 = B1 – B2 EA = E2 – E1 – B3 = B1 - B2 - B3

Radioactief verval Activiteit: A(t) = -dN/dt = lN (t) met N(t) het aantal radioactieve atomen Oplossing: A (t) = A (0) e –lt l heet vervalconstante (in s-1) Levensduur: t =1 / l Activiteit in Becquerel (Bq) = s-1 Massa dragervrije radioactieve stof als activiteit bekend is: N (t) = t A (t) , massa = N (t). atoommassa. u = N (t) . atoommassa / NA Halveringstijd T1/2 : A (0) / 2 = A (T1/2) = A (0) exp { - l T1/2 } Hieruit volgt: l T1/2 = ln (2) of T1/2 = ln (2) . t = 0,693. t Alternatieve schrijfwijze verval: e - lt = exp { ln (2) (- lt / ln (2) } = 2 –t /T1/2

Radioactieve vervalswijzen: b- verval Algemeen: AZ X ® AZ+1Y + e- + n Antineutrino is massaloos en heeft geen lading; vliegt vrijwel overal doorheen. Neemt wel een deel van de energie mee!

b+ verval en electronvangst Electronvangst (Electron Capture): p + e- ® n + n Of algemeen: AZ X + e- ® AZ-1Y + n Electron komt uit een binnenschil en wordt gevolgd door Röntgen of Auger emissie. Alternatief heet b+ verval: p ® n + e+ + n Of algemeen: AZ X ® AZ-1Y + e+ + n Het positron e+ is het antideeltje van het electron en annihileert daarmee: e+ + e- ® 2 hn met hn = mec2 = 0,511 MeV Einstein!

a-verval Zware kernen kunnen soms energie winnen door een a-deeltje uit te zenden: AZ X ® A-4Z-2Y +42He 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.

g-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 g-verval. Typerende energie: 1MeV. 57Co 270 d 57Fe EC 136 keV 122 keV 14,4 keV Een aangeslagen kerntoestand die voldoende lang leeft noemen we een isomeer (vb: 99mTc (6h) en 99Tc (2,1 105 j) )

Inwendige (interne) conversie In plaats van een g 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: a = Nce / Ng Partiele conversiecoefficient aK , aL, etc. Fractie gammaverval bij de-excitatie: 1/ (1+a) Energie K-conversie electron: EK = Eg - BK

Kernsplijting Zware kernen (bijvoorbeeld 235U en 239Pu) kunnen spontaan splijten wanneer ze een neutron invangen. De brokstukken zijn niet altijd gelijk, met massaverdelingen rond 105 en 135. Reden: nucleonen zijn veel sterker gebonden rond A=100 dan rond A=230, dus energiewinst.