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

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

Ionisoiva säteily. Tapio Hansson. 20. lokakuuta 2016

Ydinfysiikkaa. Tapio Hansson

A Z X. Ydin ja isotoopit

2.2 RÖNTGENSÄTEILY. (yli 10 kv).

fissio (fuusio) Q turbiinin mekaaninen energia generaattori sähkö

VIII RADIOAKTIIVISEN HAJOAMISEN MUODOT

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

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

MAAILMANKAIKKEUDEN PIENET JA SUURET RAKENTEET

55 RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY

6 YDINFYSIIKKAA 6.1 YTIMEN RAKENTEESTA

Ydin- ja hiukkasfysiikka 2014: Harjoitus 5 Ratkaisut 1

Radioaktiivinen hajoaminen

Säteily ja suojautuminen Joel Nikkola

FYS08: Aine ja Energia

Radioaktiivisen säteilyn läpitunkevuus. Gammasäteilty.

5B. Radioaktiivisen isotoopin puoliintumisajan määrittäminen

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

SÄTEILEVÄ KALLIOPERÄ OPETUSMATERIAALIN TEORIAPAKETTI

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

FYSN300 Nuclear Physics I. Välikoe

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

RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY

Ydinfysiikka lääketieteellisissä sovelluksissa

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

40D. RADIOAKTIIVISUUSTUTKIMUKSIA

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

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

eriste C K R vahvistimeen Kuva 1. Geigerilmaisimen periaate.

RADIOAKTIIVISUUS JA SÄTEILY

Hiukkasfysiikkaa. Tapio Hansson

25A40B 4h. RADIOAKTIIVINEN SÄTEILY

MODERNIA FYSIIKKAA, SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTTIÄ YO-TEHTÄVIEN LAAJENNUKSINA

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

YDIN- JA SÄTEILYFYSIIKAN PERUSTEET

25A40B 4h. RADIOAKTIIVINEN SÄTEILY

NUKLIDIEN PYSYVYYS. Stabiilit nuklidit

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


Mitä energia on? Risto Orava Helsingin yliopisto Fysiikan tutkimuslaitos CERN

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

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

Aineen rakenteesta. Tapio Hansson

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

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

Kvanttifysiikan perusteet 2017

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

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

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

GEIGERIN JA MÜLLERIN PUTKI

Radioaktiivisten jätteiden kartoitus kiihdytinlaboratoriossa

25A40B 4h. RADIOAKTIIVINEN SÄTEILY

perushiukkasista Perushiukkasia ovat nykykäsityksen mukaan kvarkit ja leptonit alkeishiukkasiksi

Atomi- ja ydinfysiikan peruskäsitteitä. Seppo Sipilä

Hajoamiskaaviot ja niiden tulkinta (PHYS-C0360)

Hiukkasfysiikan luento Pentti Korpi. Lapuan matemaattisluonnontieteellinen seura

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

1 Johdanto. 2 Lähtökohdat

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

Fysiikan lisäkurssin tehtävät (kurssiin I liittyvät, syksy 2013, Kaukonen)

Neutriinofysiikka. Tvärminne Jukka Maalampi Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto

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

3.1 Varhaiset atomimallit (1/3)

Työturvallisuus fysiikan laboratoriossa

Säteilyn historia ja tulevaisuus

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 4 Kevät 2017

Suhteellisuusteoriasta, laskuista ja yksiköistä kvantti- ja hiukkasfysiikassa. Tapio Hansson

Voima ja potentiaalienergia II Energian kvantittuminen

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Osallistumislomakkeen viimeinen palautuspäivä on maanantai

Oikeasta vastauksesta (1p): Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

Eksponentti- ja logaritmifunktiot

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

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

Alkeishiukkaset. Standarimalliin pohjautuen:

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

Loviisan voimalaitoksen reaktorikuilun pohjan dekontaminointimenetelmien vertailu

Työ 55, Säteilysuojelu

LHC -riskianalyysi. Emmi Ruokokoski

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

Moderni fysiikka (Fysiikan kurssi 8) Juhani Kaukoranta Raahen lukio

)x -)! ^i, + lu" x---',!^,y+je+ov. z'?+t' -t e +v A,ft1 = ffi*- my. Am= ft1x- fhy. A R-*t+AJa^HtNeN. lla.f J^ YA r e. LAtTE^l,NeN YDtMFffi

EXPLORANIUM GR-130 minispec- Gammaspektrometrin käyttöohje

Maailmankaikkeuden syntynäkemys (nykykäsitys 2016)

Alkuaineita luokitellaan atomimassojen perusteella

Atomimallit. Tapio Hansson

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

GAMMASÄTEILYMITTAUKSIA

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

Fysiikka 9. luokan kurssi

Kosmologia ja alkuaineiden synty. Tapio Hansson

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

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

Shrödingerin yhtälön johto

KERTAUSTEHTÄVIEN RATKAISUT

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

Atomimallit. Tapio Hansson

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Transkriptio:

Atomin ydin ytimen rakenneosia, protoneja (p + ) ja neutroneja (n) kutsutaan nukleoneiksi Z = varausluku (järjestysluku) = protonien määrä N = neutroniluku A = massaluku (nukleoniluku) A = Z + N saman alkuaineen eri isotoopeilla on sama varausluku Z, mutta eri neutroniluku N (ja samalla siis massaluku A) A A isotoopin merkintätapa alkuaineelle X on Z X, tai X esim uraani - 238: 238 56 92 U tai U, tai rauta -56: 26Fe tai 238 56 Fe vain tietyt isotoopit ovat stabiileja eli pysyviä epästabiilit isotoopit ovat radioaktiivisia (lähettävät hajotessaan radioaktiivista säteilyä)

E = mc 2 Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian perusoletukset ovat suhteellisuusperiaate: fysiikan lait ovat samat jokaisessa tasaisesti liikkuvassa koordinaatistossa valon nopeus tyhjiössä c on aina vakio, eikä riipu valon lähteen nopeudesta Näiden oletusten seurauksena Einstein todisti massan ja energian välisen yhteyden (ekvivalenssin) E = mc 2 massa on siis eräs energian esiintymismuoto massan muutokset on huomioitava tarkasteltaessa energian säilymistä ydinreaktioissa kaavalla voidaan laskea yhden atomimassayksikön vastaavan energiamäärää 1,4924191 10-12 J 931,49 MeV

Sidosenergia ja massavaje ytimeen sitoutuneena nukleoneilla on pienempi potentiaalienergia kuin vapaana (vrt. pallo kiinni maan pinnassa pallo ilmassa) potentiaalienergia peräisin vahvasta vuorovaikutuksesta tämä vapautunut energia vastaa energiamäärää, joka tarvitaan ytimen nukleonien erottamiseen toisistaan = ytimen sidosenergia E B ytimen muodostuessa vapautunut energiamäärä E B ilmenee massavajeena Δm ytimen massa on pienempi kuin nukleonien massa erillään m E c B 2 m Zm p Nm n Zm e m atomin massa protonin massa neutronin massa elektronin massa

Fuusio ja fissio Sidososuus b = sidosenergia nukleonia kohti: b = E B A Keskiraskaiden ytimien sidososuus on suurin Keskiraskaat ytimet ovat rakenteeltaan lujimpia Rauta on pysyvin ydin Fuusio Kevyiden atomiytimien yhdistyminen raskaammiksi (kohti keskiraskaita) Fissio Raskaiden ytimien hajoaminen kevyemmiksi (kohti keskiraskaita) Molemmissa tapauksissa sidososuus kasvaa => potentiaalienergiaa (ydinenergiaa) vapautuu

Säilymislait Ydinreaktioissa(kin) säilyvät Energia Liikemäärä Pyörimismäärä Sähkövaraus Massaluku Leptoniluku Baryoniluku

Alfahajoaminen Alfahajoamisessa radioaktiivisen isotoopin ydin lähettää alfahiukkasen, joka koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista. 4 Alfahiukkanen on siis heliumydin: 2He Jäljelle jää ydin (ns. tytärydin), jossa massaluku A on pienentynyt neljällä ja järjestysluku Z kahdella A Z X A 4 2Y Z 4 2 He Esimerkki: 214 86 Rn 84Po 218 4 2 He Alfa-aktiivinen radon hajoaa poloniumiksi

Beetahajoaminen Beetahajoamisessa ydin emittoi elektronin e - tai positronin e + Heikon vuorovaikutuksen aiheuttama Jatkuva spektri Ristiriidassa kvantittumisperiaatteen kanssa Selitys: toisenkin hiukkasen, neutriinon, täytyy emittoitua Neutriinot vuorovaikuttavat erittäin heikosti aineen kanssa Neutriinoja virtaa valtavia määriä joka sekunti maapallon läpi vuorovaikuttamatta yhdenkään atomin kanssa Massa erittäin pieni Varaukseton Nopeus lähes valon nopeus (vai jopa suurempi?!?)

- -hajoaminen Ytimen neutroni muuttuu protoniksi ja samalla emittoituu elektroni ja antineutriino Massaluku A ei muutu Järjestysluku Z kasvaa yhdellä + -hajoaminen Ytimen protoni muuttuu neutroniksi ja samalla emittoituu positroni ja neutriino Massaluku A ei muutu Järjestysluku Z pienenee yhdellä A Z A Z X X A Z 1 A Z 1 Y Y 0 1 0 1 e e Kuvat: http://www.parrswood.manchester.sch.uk/faculties/science/particlephysics_fundamental_forces_interactions.html

Elektronisieppaus (EC) Ydin sieppaa elektronin atomin sisimmältä elektronikuorelta Siepatun elektronin jättämän tilan täyttyessä ylemmiltä kuorilta syntyy röntgensäteilyä Todennäköisempi raskailla atomeilla Elektronit lähempänä ydintä Reaktioyhtälö: 1 1 p 0 1 e 1 0 n X e A 0 A Z 1 Z 1 Y

Gammasäteily Ytimen siirtyessä alempaan viritystilaan tai perustilaan syntyy gammasäteilyä Isotooppi ei muutu Viritystilojen energiatasot ytimelle ominaisia: Säteilyn aallonpituudesta on siis mahdollista tunnistaa kyseinen radioaktiivinen aine. Gammasäteilyä esiintyy myös alfa- ja beetahajoamisen yhteydessä Gammasäteilyn yhteydessä ei ole mielekästä puhua kantamasta Sen sijaan käytetään puoliintumispaksuutta d 1/2 (riippuu aineesta, mutta myös gammakvanttien energiasta) Gammasäteilyn intensiteetin muutos I väliaineessa on verrannollinen kyseiseen kohtaan saapuvaan intensiteettiin I ja kerroksen paksuuteen x. Verrannollisuuskerroin on ns. matkavaimennuskerroin. Saadaan siis kaava I = - I x (differentiaalein esitettynä di = - Idx) Tästä voidaan integroimalla johtaa heikennyslain kaava I I 0 e x Intensiteetti I heikkenee alkuperäisestä (I 0 ) eksponentiaalisesti väliaineen paksuuden x funktiona

Aktiivisuus Aktiivisuus A kuvaa ytimien hajoamisnopeutta Keskimääräinen aktiivisuus A k on ydinten hajoamisten määrä aikayksikössä A k = N t = N t N on ytimien määrän muutos ja t hajoamisiin kuluva aika Aktiivisuuden yksikkö on [A] = 1/s = 1 Bq (bequerel) Hetkellinen aktiivisuus A on suoraan verrannollinen hajoavien ydinten määrään N A = λn on radioaktiivisesta aineesta riippuva hajoamisvakio, joka kuvaa yksittäisen ytimen hajoamisen todennäköisyyttä

Hajoamislaki Hetkellinen aktiivisuus A voidaan kirjoittaa kahdella tavalla: A = dn dt = λn Tästä voidaan integroimalla johtaa hajoamislaki eli aktiivisten ytimien määrä ajanhetkellä t (N 0 = alkuperäinen määrä) N t = N 0 e λt Myös aktiivisuus vähenee eksponentiaalisesti vastaavalla tavalla A t = A 0 e λt Tässä A 0 on alkuperäinen aktiivisuus Puoliintumisaika T 1/2 on aika, jonka kuluessa keskimäärin puolet radioaktiivisista ytimistä on hajonnut Hajoamisvakion ja puoliintumisajan välillä on yhteys T 1/2 = ln 2 λ (A t = d dt N t = A 0e λt ) (ratkaise yhtälö N 0 2 = N 0e λt )

Radiohiiliajoitus Ilmankehän hiilessä on kosmisen säteilyn vaikutuksesta hiiliisotooppia 14 C Tämän isotoopin puoliintumisaika on 5730 vuotta Isotoopin osuus kaikesta hiilestä on vakio elävissä kasveissa ja eliöissä Isotoopin osuus kuitenkin hieman vaihdellut historiallisesti Kasvin tai eliön kuollessa aineenvaihdunta loppuu ja isotoopin 14 C osuus alkaa alentua - -hajoamisella 14 6 C 14 7 N 0 e 1