ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ

Ραδιενέργεια

Ιστορικά στοιχεία Το 1896 ο Henri

Becquerel διαπίστωσε ότι ένα υλικό που περιείχε ουράνιο εξέπεμπε μια αόρατη ακτινοβολία, που διαπερνούσε το μαύρο χαρτί που κάλυπτε το ορυκτό και προσέβαλλε το φωτογραφικό φιλμ.

© A

CJC

Ass

oci

ati

on

Cu

rie e

t Jo

liot-

Curi

e

Henri Becquerel1896

Η μεγάλη ενέργεια αυτής της ακτινοβολίας, που εκπεμπόταν αυθόρμητα, δεν αντιστοιχούσε σε καμμιά από τις γνωστές πηγές εκπομπής ακτινοβολιών και για να εξηγηθεί, άρχισε η μελέτη του εσωτερικού του ατόμου.

Όταν ένας πυρήνας μεταπίπτει αυθόρμητα σε άλλο πυρήνα εκλύεται ενέργεια με ταυτόχρονη εκπομπή ακτινοβολίας.

© M

usé

e C

uri

e

Ο H. BecquerelΣτο εργαστήριό του

Ιστορικά στοιχεία

Οι ανακαλύψεις

1898 Pierre & Marie Curie εξαγωγή πολωνίου και ραδίου

Marie Curie1898

© A

CJC

Ass

oci

ati

on

Cu

rie e

t Jo

liot-

Curi

e

Pierre Curie1898

© A

CJC

Ass

oci

ati

on

Cu

rie e

t Jo

liot-

Curi

e

1895 Roëntgen ανακάλυψη ακτίνων Χ 1896 Becquerel ανακάλυψη της ραδιενέργειας σε ορυκτό ουρανίου

Pierre και Marie Curie

© A

CJC

© A

CJC

Ass

oci

ati

on C

uri

e e

t Jo

liot-

Curi

e

©

AC

JC

Το εργαστήριο

Pierre και Marie Curie στην έρευνα

Ραδιενέργεια Πολλά στοιχεία έχουν ισότοπα που είναι

ασταθή Οι πυρήνες τους διασπώνται σε άλλους με

ελευθέρωση ενέργειας Η διαδικασία ονομάζεται ραδιενέργεια


Τα ραδιενεργά ισότοπα λέγονται μητρικά ενώ τα προκύπτοντα ισότοπα θυγατρικά

Ραδιενεργά ισότοπα σημαντικά στη γεωλογία40K, 87Rb, 232Th, 238U, 235U

40K 40Ar 87Rb 87Sr 238U 206Pb

Κατά τη διάσπαση εκπέμπονται: Σωματίδια α

Πυρήνες ηλίου 42He

Σταματούν σε φύλλο χαρτιού Σωματίδια β-

ΗλεκτρόνιαΣταματούν σε φύλλο αλουμινίου

Ακτινοβολία γΗλεκτρομαγνητικήμειώνεται απόπαχύ στρώμα μολύβδου


Διάσπαση με εκπομπή σωματιδίων α

4

2Ηe

238

92U 234

90Th + α + γ + ενέργεια

Αρχικός μητρικός πυρήναςΘυγατρικός πυρήνας

Ζ = -2Α = -4

n

p

Εκπέμπεται ένα σωματίδιο α (42Ηe)

Ο ατομικός αριθμός (Ζ) ελαττώνεται κατά 2

Ο μαζικός αριθμός (Α) ελαττώνεται κατά 4

4

2Ηe

238

92U 234

90Th + α + γ + ενέργεια

Αρχικός μητρικός πυρήναςΘυγατρικός πυρήνας

Ζ = -2Α = -4

n

p


Εκπέμπεται ένα σωματίδιο α (42Ηe)

Ο ατομικός αριθμός (Ζ) ελαττώνεται κατά 2 Ισχύει η αρχή διατήρησης φορτίου; Ο μαζικός αριθμός (Α) ελαττώνεται κατά 4 Ισχύει η διατήρηση του συνολικου αριθμού νουκλεονίων;


β-

14

6C 14

7N + e- + ν- + ενέργεια

Αρχικός μητρικός πυρήνας Θυγατρικός πυρήνας

Ζ = +1Α = ίδιος

n

p

Διάσπαση β Εκπέμπεται ένα σωματίδιο β- (ηλεκτρόνιο)

Ο ατομικός αριθμός (Ζ) αυξάνεται κατά 1 Ο μαζικός αριθμός (Α) παραμένει ίδιος

β-

1

0n 1

1p + e- + ν- + ενέργεια

Αρχικός μητρικός πυρήνας Θυγατρικός πυρήνας

Ζ = +1Α = ίδιος

n

p

Διάσπαση β Η εκπομπή του ηλεκτρονίου οφείλεται στην

διάσπαση ενός νετρονίου του πυρήνα σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο κι ένα αντινετρίνο

Διάσπαση β

Διάσπαση γ

• Εκπέμπεται φωτόνιο• Πραγματοποιείται κατά την αποδιέγερση του πυρήνα από μία διεγερμένη κατάσταση στη βασική• Α, Ζ, Ν δεν αλλάζουν

Το φάσμα των ακτίνων γ είναι γραμμικό

Διεγερμένες καταστάσεις πυρήνων προκύπτουν από διασπάσεις α και βΠ.χ.

238U → 234Th + α234Th → 234Pa* + β-

234Pa* → 234Pa + γ

Φυσική Ραδιενέργεια Η αλυσίδα

διασπάσεων του 238U που απαντάται στην φύση Καταλήγει σε 206Pb μετά από 14 αυθόρμητες διασπάσεις, στις οποίες περιλαμβάνονται 8 εκπομπές α και 6 εκπομπές β.

Διαχωρισμός των σωματιδίων α, β και γ

Τα σωματίδια α, β και γ μπορούν να διαχωριστούν με την βοήθεια ενος ηλεκτρικού ή ενός μαγνητικού πεδίου

Διεισδυτική ικανότητα των σωματιδίων α, β και γ Κατά τη διάσπαση εκπέμπονται:

Σωματίδια α Πυρήνες ηλίου 4

2HeΣταματούν σε φύλλο χαρτιού

Σωματίδια β-ΗλεκτρόνιαΣταματούν σε φύλλο αλουμινίου

Ακτινοβολία γΗλεκτρομαγνητικήμειώνεται απόπαχύ στρώμα μολύβδου

Ο αριθμός των πυρήνων (dN) που διασπώνται στη μονάδα του χρόνου (dt) είναι ανάλογος του συνολικού αριθμού (Ν) των υπαρχόντων πυρήνων

λ = σταθερά διασπάσεως του στοιχείου Είναι χαρακτηριστική για κάθε στοιχείο πχ. για το Ra (λ=0,0004273 ανά μονάδα χρόνου) Δηλώνει την πιθανότητα να διασπαστεί ένας

πυρήνας στη μονάδα του χρόνου Στα 10.000.000 άτομα Ra, διασπώνται 4273 ανά άδα

χρόνου

Ρυθμοί διάσπασης

-dN/dt = λ·Ν

Μονάδα μέτρησης Bq = 1 διάσπαση / s

Ακόμη Ci = 3.7 x 1010 Bq1 Ci η ενεργότητα ενός γραμμαρίου Ra.

Νόμος ραδιενέργειας

N: αριθμός των πυρήνων που παραμένουν μετά από χρόνο t

No = ο αριθμός των αρχικών πυρήνων σε χρόνο t=0

Ν = Νοe-λt

Χρόνος ημιζωής Ημιπερίοδος ζωής Τ είναι ο χρόνος που

απαιτείται για να διασπαστούν οι μισοί από τους αρχικούς πυρήνες ενός ραδιενεργού ισοτόπου

Για κάθε ισότοπο είναι σταθερή και δεν επηρεάζεται από κανένα χημικό ή φυσικό παράγοντα

Σταθερά διασπάσεως λ = 0,693/Τ N = Noe-λt N/No = e-λt Για την ημιπερίοδο ζωής Τ N/No = 1/2 1/2 = e-λT ln(1/2) = -λΤ -0,693 = -λΤ

λ = 0,693/Τ

Ως χρόνος υποδιπλασιασμού ή ημιζωής θεωρείται ο χρόνος που απαιτείται για τη διάσπαση του μισού αριθμού πυρήνων ενός ραδιενεργού ισοτόπου σε ένα δείγμα

Παράδειγμα: Χρόνος 0: Έναρξη διάσπασης ενός κιλού

ραδιενεργού υλικού Η διάσπαση του μισού κιλού θα συντελεστή σε μία

ημιπερίοδο ζωής Το μισό του υπολοίπου υλικού (1/4) θα διασπαστεί

σε μία άλλη ημιπερίοδο ζωής Το μισό του υπολοίπου (1/8), δηλαδή το ένα όγδοο,

σε μία άλλη, κ.ο.κ.

Χρόνος ημιζωής

Χρόνος ημιζωήςΌταν οι ποσότητες του μητρικού και του θυγατρικού είναι ίσες (αναλογία 1:1), γνωρίζουμε ότι έχει παρέλθει μία ημιπερίοδος ζωής και ότι η ηλικία του δείγματος είναι 10 εκ. χρόνιαΌταν η αναλογία είναι 1:3 σημαίνει ότι έχουν παρέλθει δύο ημιπερίοδοι ζωής και η ηλικία του δείγματος είναι 20 εκ. χρόνιαΌταν η αναλογία είναι 1:32 η ηλικία του δείγματος είναι 50 εκ. χρόνια

Χρόνος υποδιπλασιασμού ή ημιζωής

Αρ

ιθμ

ός π

υρ

ήνω

ν %

Ημιπερίοδοι ζωής

Μητρικοί πυρήνες Ν

Θυγατρικοί πυρήνες D*1/2

1/4

1/81/16 1/32

Ν = Νο · e-λt

Ν αριθμός αδιάσπαστων πυρήνων σε χρόνο t

Νoαρχικός αριθμός πυρήνων

λ σταθερά διασπάσεως

Χρόνοι ημιζωής ραδιενεργών στοιχείων

Ραδιενεργό στοιχείοΣταθερό ισότοπο

(προϊόν διάσπασης) Ημιπεριόδος ζωής(εκατ. χρόνια Ma)

Ουράνιο-238

238U Μόλυβδος-206 206Pb 4.500 Ma

Ουράνιο-235

235U Μόλυβδος-207 207Pb 713 Ma

Θόριο-232 232Th Μόλυβδος-208 208Pb 14.100 Ma

Ρουβίδιο-87 87Rb Στρόντιο-87 87Sr 47.000 Ma

Κάλιο-40 40K Αργό-40 40Ar 1.300 Ma

Ραδιοχρονολόγηση

Ραδιοάνθρακας Για χρονολόγηση πιο πρόσφατων γεγονότων

χρησιμοποιείται το ραδιενεργό ισότοπο του άνθρακα, ο 14C, γνωστός και ως ραδιοάνθρακας

Επειδή η ημιπερίοδος ζωής του είναι μόλις 5730 χρόνια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη χρονολόγηση γεγονότων από τους ιστορικούς χρόνους αλλά και για γεγονότα της πρόσφατης γεωλογικής ιστορίας - μέχρι 75.000 χρόνια


Σχηματισμός ραδιοάνθρακα Σχηματίζεται συνεχώς στην ανώτερη ατμόσφαιρα

ως αποτέλεσμα βομβαρδισμού κοσμικής ακτινοβολίας (πυρηνικά σωματίδια υψηλής ενέργειας)

Διάσπαση πυρήνων αερίων και απελευθέρωση νετρονίων

Απορρόφηση νετρονίων από το 14 7 Ν αναγκάζοντας τον πυρήνα του να εκπέμπει ένα πρωτόνιο

Ο Ατομικός αριθμός του Ν μειώνεται κατά ένα - γίνεται 6 - με συνέπεια τη δημιουργία ενός νέου στοιχείου του 14 6 C


Ο ραδιοάνθρακας ενώνεται με οξυγόνο προς σχηματισμό CO2 και απορροφάται από τους ζώντες οργανισμούς

Ολοι οι οργανισμοί περιέχουν ένα μικρό ποσοστό ραδιοάνθρακα

Στους ζώντες οργανισμούς ο διασπώμενος ραδιοάνθρακας αντικαθίσταται συνεχώς και έτσι η αναλογία του 14 6C προς το πιο κοινό ισότοπο του άνθρακα, τον 12

6 C, παραμένει σταθερή


Όταν όμως ο οργανισμός πεθάνει, παύει να απορροφά διοξείδιο του άνθρακα και συνεπώς δεν παίρνει ραδιοάνθρακα για να αντικαταστήσει τον διασπώμενο

Αντίθετα το ποσοστό του ραδιοάνθρακα εντός του νεκρού οργανισμού μειώνεται βαθμιαία καθώς αυτός διασπάται προς σχηματισμό 14Ν με εκπομπή β-σωματιδίων

Συγκρίνοντας λοιπόν τις αναλογίες του 14C και του 12C σε ένα δείγμα , μπορούμε να προσδιορίσουμε την ηλικία του

Ευχαριστώ

ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ

Documents