Hajoamiskaaviot ja niiden tulkinta (PHYS-C0360) Jarmo Ala-Heikkilä, VIII/2017 Useissa tämän kurssin laskutehtävissä täytyy ensin muodostaa tilannekuva: minkälaista säteilyä lähteestä tulee, mihin se kohdistuu, mikä on aikakehitys? Ensimmäiseen kysymykseen vastaus tulee monesti nuklidin nimen kautta. Jokaisella nuklidilla on oma säteilyspektrinsä, jota ei onneksi 1 tarvitse osata ulkoa vaan joka löytyy taulukoista. Taulukko löytyy perinteisenä paperikatalogina nimellä Table of Isotopes (TOI). Tuorein versio on 8 th edition vuodelta 1997 (volume I ja II, yhteensä 3000 sivua), ja sen sisältö on 20+ vuoden iästään huolimatta kaikkiin käytännön tarpeisiin riittävän ajantasaista: Samanlaista mutta tuoreempaa tietoa löytyy sähköisessä muodossa mm. näistä kahdesta lähteestä: 1. The Lund/LBNL Nuclear Data Search (1999), http://nucleardata.nuclear.lu.se/toi/ 2. Decay Data Evaluation Project DDEP (1995-2017), http://www.nucleide.org/ddep_wg/ddepdata.htm Ensinmainitusta lähteestä saa säteilyenergiat ja -intensiteetit taulukkomuodossa, mutta sieltä ei löydy varsinaisia hajoamiskaavioita kuten TOI-kirjasta. Sitävastoin DDEP-sivuilla kaaviot ja numerot ovat nuklidikohtaisesti table-linkin takana. DDEP-sivuilla on tuoreimmat ja luotettavimmat tiedot (evaluointiprojekti on edelleen käynnissä) ja tässä vaiheessa sieltä löytyy kaikki käytännössä vastaantulevat nuklidit, joten sen käyttöä suositellaan. 1 Nuklideja tunnetaan yli 3000 ja niistä valtaosa on radioaktiivisia. Näiltä nuklideilta on taulukoitu yli 80.000 fotonienergiaa ja tuhansia α- ja β-energioita.
Hajoamiskaaviot esitetään kahdella tasolla: ensin massaluvun (A) mukaisina ketjuina ja sitten nuklidikohtaisesti. Massalukuketjuissa β - -hajoamiset kulkevat vasemmalta oikealle ja β + /EChajoamiset vastaavasti oikealta vasemmalle. α-hajoamiset putoavat massaketjuun ylhäältä A+4- ketjusta. Massalukuketjusta saa yleiskuvan nuklidista puoliintumisaikoineen. Siitä pystyy näkemään onko hajoamisketjussa pitkäikäisempiä emänuklideja tai lyhytikäisempiä tytärnuklideja, jotka molemmat saattavat tehdä laskuista monimutkaisempia. Nuklidikohtaisissa hajoamiskaavioissa on sama käytäntö: β - -hajoamiset vasemmalta oikealle ja β + /EC-hajoamiset oikealta vasemmalle. α-hajoamiset näytetään joskus tuplanuolella. Alla on näistä esimerkit.
Hajoamiskaavioista tarvitaan annoslaskuissa näitä tietoja: 1. Mikä on yhdessä hajoamisessa vapautuva energia eli Q-arvo? Se on perustilojen energiaerotus ja ilmoitetaan yleensä yksikössä kev. 2. Miten vapautuva energia jakautuu eri hiukkasten/fotonien välillä ja mitkä ovat niiden suhteelliset osuudet? Käsilaskuja varten hajoamiskaavioista jätetään huomiotta heikot haarautumiset. Esim. Na-24:n β - - hajoamisessa huomioitaisiin vain 99,944%:n hajoamiskanava Mg-24:n toiselle viritetylle tilalle. Siinä β - -hiukkasten E max = Q-arvo viritystilan energia = 5516 4123 = 1393 kev. Loppuosa vapautuvasta energiasta jakautuu kahdelle γ-fotonille, jotka vastaavat transitioita 2 1 ja 1 0 ja joiden energiat ovat 2754 ja 1369 kev, vastaavasti. β + -hajoamisten osalta täytyy muistaa, että niiden kanssa kilpaileva prosessi on elektronikaappaus (EC). β + -hajoamisten ja elektronikaappausten suhde löytyy taulukoista: esim. Na-22:lla se on noin 9:1. Elektronikaappauksessa ei suoraan synny säteilyä (neutriinot jätetään huomiotta säteilysuojelulaskuissa), mutta elektronikuoren vapaan position täyttyessä nuklidi lähettää karakteristista röntgensäteilyä. Nämä fotonit löytyvät taulukoista, mikäli niitä tarvitaan laskuissa. Toinen β + -hajoamisten osalta muistettava asia on, että Q β+ = Q EC 1022 kev. Esim. Na-22:n hajoamiskaavion vallitsevassa hajoamiskanavassa β + -hiukkasten E max = 2842 1275 1022 = 545 kev. Jos Q EC < 1022 kev, niin β + -hajoaminen ei ole lainkaan mahdollinen. Kolmas muistettava asia on, että tuo kahden elektronin lepomassa 1022 kev vapautuu kahtena γ-fotonina siinä vaiheessa, kun positroni annihiloituu väliaineessa. Nämä 511 kev:n fotonit täytyy useimmiten ottaa huomioon laskuissa.
α-hajoamiset ovat monesti puhtaita tai niihin liittyy vain vähän γ-fotoneita. Esim. Po-210:n hajoamisessa riippuu tilanteesta täytyykö 803 kev:n fotonit, joita tulee vain 0,001%:ssa hajoamisista, ottaa laskuissa huomioon vai ei. Yleensä varmaan ei. α-energiat saadaan samalla tavalla kuin β-energiat eli Q-arvon ja viritystilan energian erotuksista. Energiat ovat tyypillisesti välillä 4 6 MeV, joten useasti laskuissa yksinkertaistetaan tilannetta niputtamalla kaikki α-energiat yhteen niiden emissio-osuuksilla painotettuna keskiarvona. Annosnopeuslaskuissa tulee usein pohdittavaksi mitkä hiukkaset tai fotonit täytyy ottaa huomioon. Hiukkassäteilyiden osalta voi maksimikantaman avulla perustella niiden huomioonottamattomuutta, mikä täytyy tietenkin kertoa eksplisiittisesti. Lisäksi säteily voi muuttua kulkiessaan väliaineessa, mistä voi aiheutua komplikaatioita. Esim. fotonien Compton-sironta, positronien annihilaatio, elektronien ja positronien synnyttämä jarrutussäteily (röntgenfotoneita). Näiden käsittely tai käsittelemättömyys on syytä kertoa eksplisiittisesti. Lisätietoja: 1. Lukion syventävän fysiikan kurssin "Aine ja säteily" (LOPS-2003: FY8, LOPS-2015: FY7) oppikirja, ydinfysiikan osuus 2. STUKin kirjasarja, osa 1, kappaleet 1.1 1.2 (http://www.stuk.fi/julkaisut/sateily-jaydinturvallisuus-kirjasarja)