Ydinfysiikka. Luento. Jyväskylän synklotroni. Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley.



Samankaltaiset tiedostot
Luento Ydinfysiikka. Ytimien ominaisuudet Ydinvoimat ja ytimien spektri Radioaktiivinen hajoaminen Ydinreaktiot

Atomin ydin. Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N

Ydinfysiikkaa. Tapio Hansson

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

2.2 RÖNTGENSÄTEILY. (yli 10 kv).

A Z X. Ydin ja isotoopit

MAAILMANKAIKKEUDEN PIENET JA SUURET RAKENTEET

FYSN300 Nuclear Physics I. Välikoe

Työturvallisuus fysiikan laboratoriossa

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

fissio (fuusio) Q turbiinin mekaaninen energia generaattori sähkö

55 RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY

6 YDINFYSIIKKAA 6.1 YTIMEN RAKENTEESTA

Ionisoiva säteily. Tapio Hansson. 20. lokakuuta 2016

Kemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö

Ydinfysiikka lääketieteellisissä sovelluksissa

NUKLIDIEN PYSYVYYS. Stabiilit nuklidit

SÄTEILEVÄ KALLIOPERÄ OPETUSMATERIAALIN TEORIAPAKETTI

VIII RADIOAKTIIVISEN HAJOAMISEN MUODOT

Ionisoiva säteily. Radioaktiiviset aineet ja ionisoiva säteily kuuluvat luonnollisena osana elinympäristöömme.

Tehtävänä on tutkia gammasäteilyn vaimenemista ilmassa ja esittää graafisesti siihen liittyvä lainalaisuus (etäisyyslaki).

Säteily ja suojautuminen Joel Nikkola

Säteilyannokset ja säteilyn vaimeneminen. Tapio Hansson

RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY

RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY


elektroni = -varautunut tosi pieni hiukkanen nukleoni = protoni/neutroni

raudan ja nikkelin paikkeilla: on siis mahdollista vapauttaa ytimen energiaa joko fuusioimalla tätä pienempiä ytimiä tai fissioimalla raskaampia.

Säteilyannokset ja säteilyn vaimeneminen

Kvanttimekaniikkaa yhdessä ulottuvuudessa

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

TKK, TTY, LTY, OY, ÅA, TY ja VY insinööriosastojen valintakuulustelujen fysiikan koe , malliratkaisut ja arvostelu.

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Säteilyn historia ja tulevaisuus

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Potentiaalikuopalla tarkoitetaan tilannetta, jossa potentiaalienergia U(x) on muotoa

FYS08: Aine ja Energia

Ionisoiva Säteily Koe-eläintöissä. FinLAS Seminaari Mari Raki, FT Lääketutkimuksen keskus Helsingin yliopisto

NUCLEAR PHYSICS I Final Exam Jan. 17, 2014

- Pyri kirjoittamaan kaikki vastauksesi tenttipaperiin. Mikäli vastaustila ei riitä, jatka konseptilla

Oppikirja (kertauksen vuoksi)

MODERNIA FYSIIKKAA, SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTTIÄ YO-TEHTÄVIEN LAAJENNUKSINA

Radioaktiivisen säteilyn läpitunkevuus. Gammasäteilty.

YDIN- JA SÄTEILYFYSIIKAN PERUSTEET

Aatofunktiot ja epätarkkuus

Piirrostehtiivissa merkitse nakyviin mahdollisimman paljon tietoa, jolla ilmaiset ymmartaneesi tarkasteltavan ilmion.

Luento5 8. Atomifysiikka

eriste C K R vahvistimeen Kuva 1. Geigerilmaisimen periaate.

ψ(x) = A cos(kx) + B sin(kx). (2) k = nπ a. (3) E = n 2 π2 2 2ma 2 n2 E 0. (4)

1 Johdanto. 2 Lähtökohdat

766326A Atomifysiikka 1 - Syksy 2013

Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley.

5B. Radioaktiivisen isotoopin puoliintumisajan määrittäminen

Z = VARAUSLUKU eli JÄRJESTYSLUKU (= protoniluku) N = NEUTRONILUKU A = NUKLEONILUKU; A = N + Z (= neutr. lkm + prot. lkm)

FY8_muistiinpanot. Opettajamme tekemät PowerPoint-muistiinpanopohjat puuttuvat tästä tiedostosta tekijänoikeussyistä. 10. marraskuuta :00

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

FL, sairaalafyysikko, Eero Hippeläinen Keskiviikko , klo 10-11, LS1

Radioaktiivisten jätteiden kartoitus kiihdytinlaboratoriossa

RADIOHIILIAJOITUS. Pertti Hautanen. Pro Gradu -tutkielma Jyväskylän yliopisto, Fysiikan laitos 2017 Ohjaaja: Matti Leino

Kosmologia ja alkuaineiden synty. Tapio Hansson

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Hajoamiskaaviot ja niiden tulkinta (PHYS-C0360)

Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.

EXPLORANIUM GR-130 minispec- Gammaspektrometrin käyttöohje

Sädehoidosta, annosten laskennasta ja merkkiaineista. Outi Sipilä sairaalafyysikko, TkT

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

SÄTEILY- JA YDINTURVALLISUUSKATSAUKSIA. Ihmisen radioaktiivisuus. Säteilyturvakeskus Strålsäkerhetscentralen Radiation and Nuclear Safety Authority

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

GEIGERIN JA MÜLLERIN PUTKI

Työssä tutustutaan hajoamislakiin ja määritetään 137 Ba:n viritystilan kev keskimääräinen elinaika ja puoliintumisaika.

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Lääketiede Valintakoeanalyysi 2015 Fysiikka. FM Pirjo Haikonen

Kurssin opettaja Timo Suvanto päivystää joka tiistai klo koululla. Muina aikoina sopimuksen mukaan.

Atomimallit. Tapio Hansson

Työ 55, Säteilysuojelu

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista.

Fysiikka 9. luokan kurssi

PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2016

Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet

Radioaktiivinen hajoaminen

25A40B 4h. RADIOAKTIIVINEN SÄTEILY

c) Missä ajassa kappale selvittää reitin b-kohdan tapauksessa? [3p]

Soklin radiologinen perustila

Kosmologia: Miten maailmankaikkeudesta tuli tällainen? Tapio Hansson

Hiukkasfysiikan luento Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

Neutriinofysiikka. Tvärminne Jukka Maalampi Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto

Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN

Alkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen:

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Tehtävänä on vertailla eri säteilylähteiden säteilyvoimakkuutta (pulssia/min).

LaFy IV, Ydinfysiikka

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

lyijyajoituksella Pro Gradu Mikko Koikkalainen 8. lokakuuta 2013 Ohjaaja: Ari Jokinen JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO FYSIIKAN LAITOS

Radionuklideja on seuraavia neljää tyyppiä jaoteltuna syntyperänsä mukaan: Taulukko VII.1. Eräitä kevyempiä primäärisiä luonnon radionuklideja.

Energia, energian säilyminen ja energiaperiaate

Fysiikka 1. Fysiikka 1, Fysiikka luonnontieteenä, Tammi (2009) MAOL-taulukot, Otava

raudan ja nikkelin paikkeilla: on siis mahdollista vapauttaa ytimen energiaa joko fuusioimalla tätä pienempiä ytimiä tai fissioimalla raskaampia.

Transkriptio:

Ydinfysiikka Atomin ydin kuuluu silmillemme näkymättömään maailmaan, mutta ydinfysiikan ilmiöt ovat osa modernia teknologiaa. Esim ydinvoima, ydinfysiikan käyttö lääketieteessä, ydinjätteet. Luennon tavoite: Ytimen rakenteen ymmärtäminen ja tutustuminen eräisiin ydinfysiikan sovellutuksiin. Luento 9 Luento 4 Jyväskylän synklotroni.

Ydinfysiikka Aiheet: Ytimen rakenne Ytimen pysyvyys Vahva voima Kuorimalli Radioaktiivinen säteily ja radioaktiivisuus Ytimen hajoamisen mekanismit Ydinfysiikan biologiset sovellutukset

Läksyt

Protons and neutrons together are referred to as A. Nuclei. B. Neutrinos. C. Nucleons. D. Mesons. E. Leptons.

Protons and neutrons together are referred to as A. Nuclei. B. Neutrinos. C. Nucleons. D. Mesons. E. Leptons.

How many kinds of ionizing radiation are there? A. One B. Two C. Three D. Four E. Five

How many kinds of ionizing radiation are there? A. One B. Two C. Three D. Four E. Five

50% of the nuclei in a radioactive sample decay in one half life. What percent decay in two half lives? A. 100% B. 75% C. 50% D. 25%

50% of the nuclei in a radioactive sample decay in one half life. What percent decay in two half lives? A. 100% B. 75% C. 50% D. 25%

The nuclear density A. increases as the nuclear radius increases. B. decreases as the nuclear radius increases. C. stays roughly constant as the nuclear radius increases. D. depends on the ratio of neutrons to protons.

The nuclear density A. increases as the nuclear radius increases. B. decreases as the nuclear radius increases. C. stays roughly constant as the nuclear radius increases. D. depends on the ratio of neutrons to protons.

The strong force is an attractive force between A. two protons. B. two neutrons. C. a proton and a neutron. D. both A and B. E. all of A C.

The strong force is an attractive force between A. two protons. B. two neutrons. C. a proton and a neutron. D. both A and B. E. all of A C.

The line of stability shows that, in general, stable nuclei have A. more neutrons than protons. B. more protons than neutrons. C. roughly equal numbers of protons and neutrons. D. more protons than electrons. E. more neutrons than electrons.

The line of stability shows that, in general, stable nuclei have A. more neutrons than protons. B. more protons than neutrons. C. roughly equal numbers of protons and neutrons. D. more protons than electrons. E. more neutrons than electrons.

Peruskäsitteet ja esimerkkejä

Atomin mittasuhteet.

Nukleonit Ydin koostuu kahdenlaisista hiukkasista: protoneista ja neutroneista. Protoneista ja neutroneista käytetään yhteisnimitystä nukleonit. Protonien lukumäärä ytimessä Z on alkuaineen järjestysluku eli atomiluku. Massaluku A = Z + N, jossa N on neutroniluku. Massaluku on ytimen nukleonien kokonaismäärä.

Atomin massa Atomien massat ilmaistaan atomimassayksikön u avulla. Se määritellään niin, että hiilen isotoopin 12 C massa on tasan 12 u. SI-yksiköissä 1 u = 1.6605 10 27 kg. Atomimassayksikkö esitetään usein energiayksikön MeV avulla: 1 u = 931.49 MeV/c 2. Tarkista, että MeV/c 2 :lla on massan yksikkö.

Stabiilit (siniset) ja epästabiilit (punaiset) ytimet. Huomaa, että neutronien suhteellinen osuus kasvaa ydinten suuretessa.

Ydinten stabiilisuus Stabiilit ytimet sijaitsevat (Z,N)-kartassa lähellä ns. stabiilisuuskäyrää. Kaikki vismutin jälkeiset ytimet eli ne, joille Z > 83, ovat epästabiileja. Epästabiilit ytimet muodostavat vyön stabiilisuuskäyrän molemmin puolin. Kevyimmät ytimet (Z < 16) ovat stabiileja, kun N Z. Kun Z kasvaa, neutronien suhteellinen osuus protoneihin verrattuna kasvaa kiihtyvästi.

Ytimen sidosenergia on se, energia, joka tarvitaan ytimen hajottamiseen erillisiksi nukleoneiksi.

Sidosenergia Ytimien sidosenergiat ovat kymmeniä ja satoja MeV:ejä, samaa luokkaa kuin monien alkeishiukkasten massaenergiat. Kokeellinen tosiasia: ytimen massa m nuc on pienempi kuin ytimen muodostavien Z protonin ja N neutronin massat yhteensä. Mikä mitataan, on atomin massa atomic, ei ytimen massa. Atomin massa m atom on m nuc ynnä ytimen ympärillä olevien Z elektronin massa Zm e. Sidosenergia on siten jossa kaikki massat annetaan atomimassayksikössä u.

Ytimen koko R = r 0 A 1/3 r 0 = 1.2fm=1.2 10 15 m Tiheys ρ nuc = A u = 2.3 10 17 kg/m 3 4 3 πr 0A 3

Atomien sidosenergiat. Sidosenergia = energia, joka vaaditaan elektronin irrottamiseen perustilassa olevasta atomista eli atomin ionisoimiseen.

Esimerkki: Raudan sidosenergia QUESTION:

Esimerkki: Raudan sidosenergia

Esimerkki: Raudan sidosenergia

Ytimien sidosenergiakäyrä

Vahvalla voimalla on neljä tärkeää ominaisuutta: Vahva voima 1. Se on kahden nukleonin välillä vaikuttava attraktiivinen voima. Se ei tee eroa protonin ja neutronin välillä. 2. Se ei vaikuta elektroneihin. 3. Se on lyhyen kantaman voima, vaikutus ulottuu vain ytimen alueelle. 4. Vaikutusalueellaan se on voimakkaampi kuin protonien välinen sähköinen repulsiovoima.

Kahden nukleonin välistä vahvaa vuorovaikutusta kuvaava potentiaalienergia U(x).

Kuorimalli Vuonna 1949 Maria Goeppert-Mayer esitti ytimien kuorimallin. Sen esimerkkinä oli monielektroninen atomimalli. Kuorimallissa kunkin nukleonin oletetaan liikkuvan toisista nukleoneista riippumattomasti. Sen potentiaalienergialla on jokin keskimääräinen arvo, joka kuvastaa muiden nukleonien siihen kohdistamaa vahvaa voimaa. Kaikissa ytimissä neutronien potentiaalikuopan syvyys on 50 MeV. Protonien potentiaalikuoppa on matalampi, koska protonit hylkivät toisiaan. Ytimen ulkopuolella protonien potentiaalienergia on positiivinen ja pienenee hitaasti etäisyyden kasvaessa.

Neutroneiden ja protonien energiatasot ytimessä. Kun ydin muodostuu, energiatasot täyttyvät sunnilleen samalle tasolle, ja siksi ytimessä on yleensä enemmän neutronieta kuin protoneita.

Ydinsäteilyn tunnistaminen magneettikentän avulla.

Geiger-mittarin toimintaperiaate.

Ytimen hajoaminen ja puoliintumisaika Olkoon r todennäköisyys sille, että ydin hajoaa seuraavn sekunnin kuluessa emittoimalla alfa- tai beeta-hiukkasen tai fotonin eli gammasäteen. Suuretta r nimitetään hajoamisnopeudeksi. Sen yksikkö on s 1. Jos näitä ytimiä on näytteessä N kappaletta, ajassa Δt hajoavien ydinten määrä on Hajoamisten määrä = N hajoamistodennäköisyys = rnδt Ydinten lukumäärän muutosnopeus riippuu sekä hajoamisnopeudesta että ydinten määrästä:

Ytimen hajoaminen ja puoliintumisaika Jos ytimiä oli hetkellä t = 0 s N 0 kappaletta, niin hetkellä t niitä on jäljellä Olemme määritelleet tässä hajoamisen aikavakion τ = 1/r. Tämä kaava voidaan kirjoittaa puoliintumisajan t 1/2 avulla: N = N 0 /2 at t = t 1/2, N = N 0 /4 at t = 2t 1/2, N = N 0 /8 at t = 3t 1/2, jne. Riippumatta siitä, kuinka paljon ytimiä on, seuraavan puoliintumisajan pituisena aikana niiden määrä puolittuu.

Esimerkki: Jodin hajoaminen QUESTIONS:

Esimerkki: Jodin hajoaminen

Esimerkki: Jodin hajoaminen

Esimerkki: Jodin hajoaminen

Esimerkki: Jodin hajoaminen

Aktiivisuus Radioaktiivisen näytteen aktiivisuus R on hajoamisten määrä sekunnissa. Selvästikin jossa R 0 = rn 0 on aktiivisuus hetkellä t = 0. Aktiivisuuden SI-yksikkö on becquerel Bq, 1 Bq = 1 hajoaminen/s or 1 s 1. Vanha aktiivisuuden yksikkö, jota vielä näkee käytettävän, on curie Ci. Muunnos on 1 Ci = 3.7 10 10 Bq.

QUESTION: Esimerkki: Hiiliajoitus

Esimerkki: Hiiliajoitus

Esimerkki: Hiiliajoitus

Esimerkki: Hiiliajoitus

Esimerkki: Hiiliajoitus

Esimerkki: Hiiliajoitus

Alfa-hajoaminen Alfa-hiukkanen on 4 He-atomin ydin, kahden protonin ja kahden neutronin muodostama tiukasti sidottu tila. Epästabiili ydin siis menettää α-hajoamisessa kaksi protonia ja kaksi neutronia, joten reaktioyhtälö on Alkuperäinen ydin X on äitiydin, ja hajoamisessa syntyvä ydin Y on tytärydin. Alfa-hajoamisessa vapautuva energia menee lähes kokonaan α-hiukkasen liike-energiaksi:

Radiumin isotoopin α-hajoaminen radoniksi Z -> Z - 2 N -> N - 2 A -> A - 4 Alfahiukkanen tunneloituu potentiaalivallin läpi. Potentiaali muodostuu lyhyen kantaman atraktiivisesta ydinvoimasta (kuoppa) ja repulsiivisesta Coulombin voimasta, joka pienenee pitempiä etäisyyksiä kohti.

Energiatasokaavio: Hajoamisessa vapautuu energiaa 4.871 MeV, joko pelkästään α-hiukkasen liike-energiana tai osittain myös fotonina (kun hajoaminen vie radonin viritystilalle).

QUESTION: Esimerkki: Uraanin α-hajoaminen

Esimerkki: Uraanin α-hajoaminen

Esimerkki: Uraanin α-hajoaminen

Esimerkki: Uraanin α-hajoaminen

Beetahajoamisen syynä on nukleonien, elektronin ja neutriinon välillä tapauhtuva ns. heikko vuorovaikutus (heikko ydinvoima). Tässä esimerkkinä elektronin energiaspektri tritiumin beetahajoamisessa. Spektrin loppupäästä voi saada tietoa neutriinon massasta. Elektronin energian maksimiarvo riippuu neutriinon lepoenergian määrästä.

Nuklidikartta Isobaari, A vakio α β + - β

Uraani-238:n hajoamisketju

Säteilyannos Absorboitunut annos on kudokseen absorboituneen ionisoivan säteilyn energia massayksikköä kohti. Absorboituneen annoksen SI-yksikkö on gray Gy, 1 Gy = 1.00 J/kg. Biofyysikot ovat havainneet, että 1 Gy:n annoksella gammasäteilyä ja 1 Gy:n annoksella alfa-säteilyä on erilaiset biologiset vaikutukset. Tämän takia on otettu käyttöön yksikkö ekvivalentti annos. Ekvivalentin annoksen yksikkö on sievert Sv.

Säteilyannos Vanhempi yksikkö ekvivalentille annokselle on rem, 1 rem = 0.010 Sv. Pienille annoksille käytetään yksiköitä millisievert (msv) or millirem (mrem).

QUESTION: Esimerkki: Säteilyannos

Esimerkki: Säteilyannos

Esimerkki: Säteilyannos

Esimerkki: Säteilyannos

Fissio Fissiossa epästabiili ydin jakaantuu eli fragmentoituu kahdeksi keskenään suunnilleen samankokoiseksi ytimeksi. Spontaani fissio tapahtuu itsestään, indusoidussa fissiossa ydin absorboi neutronin ja hajoaa sitten. Esimerkkinä indusoidusta fissiosta uraanin hajoaminen: 235 92 235 92 U + U + 0 1 0 1 n n 236 92 236 92 U* U* 144 56 140 54 Ba+ Xe+ 89 36 94 38 Kr + 3 Kr + 2 Fissiotuotteiden liike-energia on hyvin suuri, noin 200 MeV. Tämä johtuu siitä, että hajoamisessa syntyvät keskialueen (massaluvussa) ytimet ovat paljon syvemmässä potentiaali-kuopassa (suuri negatiivinen energia) kuin uraani. 1 0 1 0 n, n. Uraanin fragmentaatiotuotteiden massajakautuma.

Nestepisaramallissa fissio voidaan selittää ytimen deformuitumisen avulla. Fuusio Fuusiossa kaksi tai useampi kevyt ydin yhtyy ja muodostaa raskaamman ytimen. Tässäkin vapautuu runsaasti energiaa, sillä kevyemmät ytimet ovat matalammassa energiakuopassa kuin raskaammat. Kuvassa on esimerkkinä reaktioketju, jossa protonit fuusioituvat niin, että lopulta muodostuu heliumia. Tämä on tärkeä tapahtuma tähdissä, ja useiden tähtien energian lähde. Huomaa, että beetahajoamisella on rekatioketjussa tärkeä rooli neutronien muodostajana.

Yhteenvetoa

General Principles

General Principles

General Principles

Important Concepts

Important Concepts

Applications

Applications

Chapter 43. Clicker Questions

Three electrons orbit a neutral 6 Li atom. How many electrons orbit a neutral 7 Li atom? A. 2 B. 3 C. 4 D. 5 E. 7

Three electrons orbit a neutral 6 Li atom. How many electrons orbit a neutral 7 Li atom? A. 2 B. 3 C. 4 D. 5 E. 7

The isobars corresponding to one specific value of A are found on the plot along A. A vertical line. B. A diagonal line that goes up and to the right. C. A diagonal line that goes up and to the left. D. A horizontal line.

The isobars corresponding to one specific value of A are found on the plot along A. A vertical line. B. A diagonal line that goes up and to the right. C. A diagonal line that goes up and to the left. D. A horizontal line.

A very bright spotlight shines on a Geiger counter. Does it click? A. Yes B. No

A very bright spotlight shines on a Geiger counter. Does it click? A. Yes B. No

A sample starts with 1000 radioactive atoms. How many half-lives have elapsed when 750 atoms have decayed? A. 2.5 B. 2.0 C. 1.5 D. 0.25

A sample starts with 1000 radioactive atoms. How many half-lives have elapsed when 750 atoms have decayed? A. 2.5 B. 2.0 C. 1.5 D. 0.25

The cobalt isotope 60 Co (Z = 27) decays to the nickel isotope 60 Ni (Z = 28). The decay process is A. Electron capture. B. Alpha decay. C. Beta-plus decay. D. Beta-minus decay. E. Gamma decay.

The cobalt isotope 60 Co (Z = 27) decays to the nickel isotope 60 Ni (Z = 28). The decay process is A. Electron capture. B. Alpha decay. C. Beta-plus decay. D. Beta-minus decay. E. Gamma decay.