Radioaktivni raspad i Raioaktivne serije

1
Radioaktivni raspad i Raioaktivne serije
2
Energija veze i stabilnost jezgra

• Ukupna masa jezgra je uvijek manja od mase
  sastavnih dijelova jezgra radi masene
  akvivalencije, negativne potencijalne energije
  koja se pripisuje privlacnoj sili medu
  nukleonima. Ova razlika u masama cijelog i
  rastavljenog jezgra zove se DEFEKT MASE (?m).
• ?m Zmp Nmn mat
• Kada se defekt mase pretvori u energiju, dobije
  se ENERGIJA VEZE jezgra
• Ev ?m c2
• Jasno je da ce jezgra sa vecim brojem nukleona
  imati i vecu energiju veze. Zato je korisno
  racunati energiju veze po nukleonu.
• Skoro sva stabilna jezgra imaju energiju veze po
  nukleonu u rasponu od 6 do 9 MeV/nukleon. Najvecu
  energiju veze po nukleonu imaju jezgra blizu A
  60.

3
Energija veze
Kada se cetiri protona udruže da formiraju jezgro
4He
nastaje defekt mase
Defekt mase predstavlja ogromni iznos energije
koji se racuna po Ajnšatajnovoj relaciji, Emc2,
i obicno se izražava u Mev-ima
56Fe
4
Energija veze po nukleonu

• Ovaj dijagram se koristi da
• se uporedi relativna stabilnost
• raznih nukleona. On ima
• maksimum blizu A 56.
• Krivulja naglo raste
• demonstrirajuci ekat ekraniranja
• nuklearne sile.
• Na njoj imamo oštre pikove za
• cvrsto vezane par-par nuklide
• 4He, 12C, i 16O

5
Stabilnost jezgra

• U prirodi postoje samo 92 hemijska elementa
  (još 12 umjetno proizvedenih) a poznato je oko
  2500 razlicitih nuklida od kojih je 350
  prirodnih a 2100 umjetnih. Vecina nuklida je
  nestabilna radioaktivna, a samo ih je oko 300
  stabilnih.
• Pogodna kombinacija protona i neutrona cini
  jezgru stabilnom, cim je drugacije, jezgra
  nastoji da se izbacivanjem nukleona približiti
  stabilnoj konfiguraciji.
• 1896 Becquerel je slucajno otkrio radioaktivnost
  u spojevima koji sadrže uran. Nakon niza
  eksperimenata zakljucio je da se to zracenje
  spontano emitira, da je prodorno, da zacrnjuje
  fotografsku emulziju i da jonizuje gasove. Takva
  spontana emisija zracenja nazvana je
  radioaktivnost.
• Marie i Pierre Curie su izucavali
  radioaktivnost, te otkrili dva do tada nepoznata
  elementa, oba radioaktivna, nazvana polonijum i
  radijum.

6
Stabilnost jezgra

• Vecina jezgara su nestabilne strukture koje se
  raspadaju i pretvaraju se u nove nuklide
  emitujuci pri tome cestice i elektromagnetno
  zracenje.
• Vremenska skala ovih procesa raspada (tj.
  pretvaranja jednog jezgra u drugo) ide od dijela
  mikrosekunde do milijardi godina.
• Obicno postoji samo jedan ili dva stabilna
  izotopa svakog elementa. Samo na 4 mjesta i to za
  A 96, A 124, A 130 i A 136, imamo po 3
  stabilna izotopa.
• Niti jedno jezgro sa Zgt83 i Agt209 nije stabilno
• Razlog nestabilnosti je natjecanje izmedu
  privlacnih nuklearnih i Kulonovih odbojnih
  sila. Pri velikim Z ili A odbijanje uvijek
  prevlada.
• Drugi izvor nestabilnosti nastaje zbog tzv.
  efekta uparivanja. Jezgro je stabilno ako ima
  paran broj protona i neutrona (2He4 je vrlo
  stabilno jezgro).
• Ako je pak odnos neutron proton neadekvatan,
  jezgro je nestabilno cak i onda kada A i Z ne
  prelaze granice pomenute ranije (Zgt83 i Agt209 ).

7
Nuklearna stabilnost

• U periodnom sistemu elemenata ima nešto više od
  100 razlicitih elemenata.
• Nuklearna fizika poznaje nešto više od 260
  stabilnih jezgara, dakle na svaki element u
  prosjeku otpada po 2,5 izotopa. Naravno, ta
  raspodjela nije ravnomjerna.
• Uocena je tendencija nukleona da se uparuju od
  264 stabilna nuklida cak njih 158 ima paran broj
  protona Z i paran broj neutrona N, 49 ima neparan
  Z i paran N a samo cetiri elementa imaju neparno
  i Z i N
• U prirodi ne postoje teža jezgra od jezgra
  Urana. Ako su ikada i postojali mora da su se
  raspala tako brzo da od njih nisu preostali
  mjerljivi iznosi.

8

• Ne cini svaka kombinacija neutrona i protona
  jezgru stabilnom.
• Brojne jezgre su radioaktivne.
• Energetski nivoi u jezgri se popunjavaju kako bi
  se dostigla konfiguracije minimalne energije tj.
  maksimalne stabilnosti

9
Karta nuklida sa periodom poluraspada
10
(No Transcript)
11
Produkti radioaktivnog raspada

• eksperimentalna istraživanja radioaktivnosti
  zajedno s Rutherfordovim rasijanjem alfa cestica
  ukazala su da je radioaktivnost rezultat raspada
  nestabilne jezgre
• Utvrdeno je da postoje tri tipa radioaktivnosti
• alfa raspad jezgra spontano emitira jezgru
  helija
• beta raspad jezgra spontano emitira elektron
• ili pozitron (antielektron)
• gama raspad jezgra spontano emitira gama zraku
• foton visoke energije
• Zahvat elektrona (pe-gtn)

12
Period poluraspada ugljika C14
13
Radioaktivni raspad

• - Radioaktivni roditelj jezgro se pretvara
  (raspada) u kcerka jezgro
• - Vjerovatnost da ce se raspad dogoditi u
  jedinici vremena se definiše kao l
• konstanta radioaktivnog raspada l ne zavisi od
  vremena
• srednji život se definira kao ?1/l

N0
t1/2 5730y
5730
14
Half Life
Period poluraspada Broj godina u kojima se 1/2
pocetnog broja atoma U se transformira u Pb
15
Racunanje aktivnosti
- Obicno se izražava u raspadima u minuti (dpm),
primjer 14C aktivnost 13.56 dpm / gram C
- Pošto je aktivnost linearno zavisna od N,
može da se zamijeni sa N u jednacini
Primjer racunanja aktivnosti
Koliko se dezintegracija 14C dogodilo u 1g
drvenog uzorka iz 1808 godine? T200
godina t1/2 5730god pa je l 0.693/5730god
1.209e-4 /god N0A0/l pa je
N0(13.56dpm60m/sat24sat/dan365dana/god)
/1.209e-4 5.90e10 atoma N(14C)N(14C)0e-(1.209e
-4/y)200god 5.76e10 atoma Broj raspada N0-N
2.4e9
16
Zakon radioaktivnog raspada

• Svaki nukleus ima odredenu vjerovatnost raspada u
  jedinici vremena. Ništa ne može da utice na to (
  temperatura, pritisak, okolina...itd.)
• izuzetak vrlo veliki pritisci promoviraju
  zahvat elektrona
• Ovo znaci da u prosjeku kad imamo veliki broj
  atoma broj raspada po jedinici vremena je
  proporcionalan broju prisutnih atoma.
• Zato je u zatvorenom sistemu

(3.1)

• N Broj roditelj-jezgara u trenutku t
• l konstanta raspada vjerovatnosti raspada u
  jedinici vremena (mjeri se u s1). Integracija
  daje

(3.2)

• No pocetni broj roditelj jezgara u trenutku t
  0.

17
Definicije nekih posebnih velicina

• Prosjecni život t nuklida roditelja se odreduje
  odnosom trenutnog broja jezgara roditelja i
  brzine raspada (aktivnosti)

• Vrijeme poluraspada t1/2 jezgra je vrijeme za
  koje se raspadne polovina od pocetnog broja
  jezgara, tj. vrijeme nakon kojeg ostane pola
  pocetnih jezgara roditelja

(3.3)

• Aktivnost se obicno oznacava kao (N)A i
  predstavlja broj raspada u jedinici vremena

(3.4)
18
Age Equation D Do N(e?t-1) D broj atoma
kcerke N broj neraspadnutih jezgara
roditelja Do broj pocetnih atoma kcerke e
eksponenc. funkcija ?? konstanta raspada t
vrijeme
Radioaktivni izotopi se spontano raspadaju i
stvaraju izotope potomke. Radioaktivni raspad je
spontan i konstantan. Kako se radioaktivna
jezgra roditelja raspadaju, jezgra kceri se
stvaraju (crvena krivulja). Ako možete mjeriti
odnos atoma roditelja i kceri u nekom sistemu
izotopa, možete naci da je T 1/? ln(D - D0)/N
1.
19
Cetiri tipa radioaktivnog raspada

• alfa (a) raspad - izbacuje se jezgro helijuma
  4He (2p 2n)
• 2) beta (?) raspad promjena naboja jezgra,
  ocuvanje mase
• 3) gama (g) raspad emisija fotona, nema
  promjene A ili Z
• 4) Spontana fisija - za Z92 i iznad,
  stvaraju se dva manja jezgra

20
(No Transcript)
21
Alpha decay the nucleus of the radioactive
isotope emits and alpha (?) particle, comprising
of 2 neutrons and 2 protons. The atomic number
of the isotope decreases by 2, while the mass
number decreases by 4. 234U decays to 230Th by
alpha decay.
22
Beta Emission (Decay) a neutron emits a beta (?)
particle (similar to an electron) and is
tranformed into a proton. The atomic number of
the atom has increased by one while the mass
number remains unchanged. The decay of 14C to
14N occurs via ?? emission.
23
Electron (?)- Capture a proton captures an
electron and is transformed into neuton and emits
a gamma (?) particle. The atomic number of the
atom has decreased by one while the mass number
remains unchanged. The decay of 40K to 40Ar
occurs via ??capture.
24
a-raspad

• Emisija a-cestice ili 4He jezgra (2 neutrona, 2
  protona)

Roditelj jezgro smanjuje maseni broj za 4,
atomski broj za 2. Primjer 238U -gt 234Th
4He Relacije masa-energija 238U 238.0508
amu 234Th 234.0436 4He 4.00260 Defekt mase
0.0046 amu 6.86x10-13 J/raspadu 1.74x1012
J/kg 238U
Na ovaj nacin se raspadaju jezgra teža od 209Bi
sa odnosom proton/neutron ratio duž regiona
stabilnosti
25
b- raspad

• Emisija elektrona (i antineutrina) tokom
  konverzije neutrona u proton

Maseni broj se ne mijenja, atomski broj poraste
za 1. primjer 87Rb -gt 87Sr e n Relacija
masa - energija 87Rb 86.909186 amu 87Sr
86.908882 Defekt mase 0.0003 amu
4.5x10-14 J/decay 3.0x1011 J/kg 87Rb
Ovako se raspadaju jezgra sa viškom neutrona u
odnosu na dolinu stabilnosti
26
b- raspad i zahvat elektrona

• Emisija pozitrona (i neutrina) ili zahvat jednog
  elektrona iz unutrašnje ljuske tokom konverzije
  protona u neutron

Maseni broj se ne mijenja, atomski broj se
smanjuje za 1. primjeri 40K -gt 40Ar e
n 50V e -gt 50Ti n g U pozitronskoj
emisiji vecina energije se emituje kroz
materija-antimaterija anihilaciju. U zahvatu
elektrona gama-zrak odnosi višak energije ray
carries off the excess energy.
Ovi raspadi se najcešce dogadaju kod nukleusa
koji imaju više protona u odnosu na dolinu
stabilnosti
27
U PbSerije
Ovo je radioaktivna serija, u kojoj uran
(roditelj) se transformira kroz 14 koraka u olovo
(kci).
28
U,Th-Pb sistem

• 238U se transformira u 206Pb kroz seriju od 8
  a-raspada i6 b-raspada, od kojih svaki ima svoju
  sopstvenu konstantu raspada..

29
Radioactive Decay Processes
A chain decay involves the radioactive decay of
intermediate radioactive daughter atoms that
eventually decay to stable daughter such as the
decay of 238U to 206Pb.
30
(No Transcript)
31
U-Th-Pb serije (lanci) raspada
32
(No Transcript)
33
Beta raspad na karti nuklida

• Ugljik-14 se beta minus raspadom transformira u
  azot-14 i elektron (i neutrino)
• 6C ? 7N -1e n (b- decay)

14
14
0
Z poraste za jedan
Z
N
N se smanji za jedan
34
Beta minus raspad na karti nuklida

• Negativni beta-raspad stvara kcerku nuklid
  nagore-lijevo u odnosu na nuklid roditelja
• 6C ? 7N -1e n (b- decay)

14
14
0
Z 7
Z poraste za 1
Z 6
N 8
N se smanji za 1
N 7
35
Beta-plus raspad na karti nuklida

• Kiseonik-15 se raspada beta-plus raspadom na
  azot-15 i pozitron (i neutrino)
• 8O ? 7N 1e n (b raspad)

15
15
0
Z se smanji za jedan
Z
N
N poraste za jedan
36
Beta-plus raspad na karti nuklida

• Pozitivni beta-raspad stvara kcerku nuklid na
  poziciji koja je dole desno u odnosu na
  roditelja
• 8O ? 7N 1e n (b raspad)

15
15
0
Z 8
Z opadne za jedan
Z 7
N poraste za jedan
N 7
N 8
37
Zahvat elektrona (Electron capture -EC)
7
7
0

• 4Be -1e ? 3Li (and an X-ray)
• Ovaj proces ima isti rezultat kao b raspad,
  osim što se ne emituje beta - cestica.

38
PrimjeriRaspad Urana i Radijuma

• Raspad uranijuma (U) se predstavlja nuklearnom
  reakcijom
• što se piše i kao
• Ili, raspad radijuma (Ra)
• ili

39
(No Transcript)
40

41
Radioactive Decay Processes
Branched Decay represents a decay process where
the radioactive isotope can decay to more than
one radiogenic daughter atom. For example 40K
can decay to either 40Ca (88.2 of the time) or
40Ar (11.8 of the time).
Jednostavni raspad radioaktivni izotop se
pretvara u atom kceri. Na primjer, radiocarbon
(14C) ce uvijek da se transformira u azot (14N).
42
Odredivanje starosti uzorka

• Radioaaktivni 14C se proizvodi u našoj atmosferi
  tako što se atomi 14N bombarduju neutronima koje
  proizvode kosmicki zraci.
• Kada živi organizam umre, prestaje njegovo
  unošenje 14C , i odnos 14C / 12C ( R)
  opada pošto se 14C transformira. U periodu od
  prije 9000 godina odnos 14C / 12C je bio viši
  nego danas za faktor 1.5.
• Pošto period poluraspada 14C iznosi 5730 godina,
  zgodno je koristiti ovaj odnos 14C/12C za
  odredivanje starosti uzorka u periodu od 45,000
  godina.

43
Radiougljik se stvara u atmosferi sudarom
neutrona sa atomima azota (Azot ima 7 protona i 7
neutrona u jezgru). Neutron izbacuje proton iz
azotnih jezgara zamjenjujuci ga sa neutronom.
Broj protona se smanjuje za 1 (sad ih je 6), ali
maseni broj ostaje isti (14). Jezgro sada ima 6
protona i 8 neutrona in its nucleus and form the
isotope 14C (radiocarbon). C-14 is radioactive
and decays with a half-life of 5730 years back to
Nitrogen (14N). The 14C atoms rapidly form CO2
gas and then exchanged between the atmosphere,
hydrosphere and biosphere. As long as the
organism is alive it will continually exchange
carbon within its reservoir and remain in
equilibrium as new carbon is replenished. After
the organism dies the 14C clock is set as the
ratio of 14C/stable carbon (12C and 13C)
decreases as 14C decays to 14N.

• Radiougljik se stvara u atmosferi sudarom
  neutrona sa atomima azota (Azot ima 7 protona i 7
  neutrona u jezgru).
• Neutron izbacuje proton iz azotnih jezgara
  zamjenjujuci ga sa neutronom. Broj protona se
  smanjuje za 1 (sad ih je 6), ali maseni broj
  ostaje isti (14).
• Jezgro sada ima 6 protona i 8 neutrona i daje
  izotop ugljika 14C (radiocarbon). C-14 je
  radioaktivan i raspada se s periodom poluraspada
  od 5730 years pretvarajuci se tako ponovo u azot
  (14N).
• C-14 atomi rapidno formiraju CO2 gas koji se tada
  razmjenjuje izmedu atmosfere hidrosfere i
  biosfere. Sve dok je organizam živ on ce
  kontinuirano izmjenjivati ugljik sa svojom
  okolinom i održavati nivo ugljika koji se s jedne
  strane raspada, ali sa druge nadoknaduje i tako
  se održava stalnim. Nakon što organizam umre C14
  se samo raspada, a ne nadoknaduje pa odnos
  C14/stabilni ugljik (12C and 13C) se smanjuje jer
  se 14C transformira u 14N.

44
Alfa raspad

• Polonium-210 raspada alfa raspadom na olovo-206 i
  alfa cesticu
• 84Po ? 82Pb 2He
• Broj protona opada (84 ? 82) i broj neutrona
  opada (126 ? 124).
• Svaki alfa raspad smanjuje Z za 2 i N za 2.
• Kci nuklid se stvara dijagonalno dolei lijevo na
  karti nuklida. http//www-nds.iaea.org/nudat2/in
  dex.jsp

210
206
4
45
Radioaktivne serije

• Postoje tri glavne radioaktivne serije (lanca)
  koje se oznacavaju simbolima važnih izotopa u
  seriji U-238, Th-232, U-235
• Sve ove serije završavaju stabilnim izotopom
  olova Pb.
• Prirodne rude urana i torijuma sadrže sve nuklide
  iz serije u odredenoj ravnotežnoj koncentraciji.
  

46
Radioaktivna serija Torijum-232
47
Radioaktivna serija Uran-238
48
Radioaktivna serija Uran-235
49
Lanci raspada za U-238 i Th-232
50
Kvalitativna slika karte nuklida

• Stabilni nuklidi su u dijagonali karte nuklida
  oko koje su nestabilni nuklidi.
• Što su nuklidi dalje od dijagonale, to su više
  nestabilni imaju krace periode polutaspada.
• Nuklidi sa jedne strane dijagonale su b- emiteri,
  a oni sa druge strane su b emiteri.
• Teški nuklidi se raspadaju alfa raspadom i
  pretvaraju se u nuklide koji su bliži centralnoj
  liniji stabilnosti.
• Egzoticni raspadi spontane fisije, p, ili n.

51
Karta nuklida sa periodom poluraspada