02 Elementy fizyki promieniowania jonizującego.pdf

II. ELEMENTY FIZYKI PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO 1

2.1. Atom i jego promieniowanie; podstawowe definicje i pojęcia

W niniejszym opisie będziemy posługiwać

się, dla prostoty, modelem atomu

Bohra , w którym ujemnie naładowane

elektrony krążą po orbitach

elektronowych w ściśle określonych, dla

danego atomu, odległościach od dodatnio

naładowanego jądra atomowego.

Powyższy rysunek jest oczywiście tylko impresją artystyczną modelu Bohra. W istocie rzeczy

nie istnieją trajektorie elektronów, a więc orbity, a możemy jedynie mówić o miejscach wokół

jądra atomowego, w których występuje największe prawdopodobieństwo znalezienia

elektronów. Atom jako całość jest elektrycznie obojętny, tj. ładunek jądra jest

kompensowany przez sumę ładunków elektronów znajdujących się w atomie. Na każdej

orbicie elektron ma także określoną energię.

Orbity elektronowe, a więc również energie elektronów, numerowane tzw. główną liczbą

kwantową n = 1, 2, ... oznaczamy kolejno (od najbliższej jądru w stronę dalszych) literami K,

L, M, N, itd. Na każdej z orbit (powłok) może znajdować się co najwyżej pewna, ściśle

określona dla tej orbity, liczba elektronów. Elektrony te charakteryzują się skwantowanym

(tj. dyskretnym, nieciągłym) momentem pędu ℓ ħ , przy czym ℓ = 0,1, ... n -1, a ħ 2 oznacza

stałą Plancka h podzieloną przez 2π. Dla ℓ = 0, 1, 2 i 3, elektrony nazywane są s , p , d i f .

Oprócz powyższych wartości momentu pędu, związanego z orbitalnym ruchem elektronów

wokół jąder, elektrony wykazują też wewnętrzny moment pędu, zwanym spinem . Spin ten

może być zorientowany zgodnie lub przeciwnie do orbitalnego momentu pędu. Stosownie do

orientacji jego wartość wynosi ±½ħ. Daną wartość ℓ może mieć nie więcej niż 2(2ℓ+1)

elektronów, a więc dla danej głównej liczby kwantowej n, określającej, jak wspomnieliśmy,

energię - liczba elektronów na powłoce może maksymalnie wynosić 2 n 2 . Pierwsze cztery

powłoki mogą przyjąć więc odpowiednio 2, 8, 18 i 32 elektronów.

1 Na podstawie: L.Dobrzyński, E.Droste, W.Trojanowski, Raport 14, Dział Szkolenia i Doradztwa, IPJ-Świerk (2002)]

2 h = 6,626·10 -34 J·s, ħ = 1,055·10 -34 J·s

Aby oderwać elektron od atomu potrzebna jest energia zwana energią wiązania elektronu

w atomie. I tak, usunięcie elektronu z powłoki K atomu wodoru, wymaga energii 13,5 eV 3 ,

natomiast usunięcie elektronu z powłoki K atomu ołowiu, wymaga już 88,0 keV, a więc

energii ponad 5000 razy większej. Energia wiązania elektronu na danej orbicie rośnie

proporcjonalnie do kwadratu wielkości efektywnego ładunku jądra, tj. ładunku

„widzianego” przez elektron na orbicie. Dla elektronów K w cięższych atomach energia

wiązania zmienia się jak 13,6(Z-3) 2 eV. Im elektron znajduje się na wyższej orbicie, tym jego

energia wiązania jest mniejsza, i tym łatwiej oderwać go od atomu. Z kolei, jeśli na

niecałkowicie zapełnionej orbicie danego jonu nastąpi przyłączenie elektronu, wówczas

zmniejszającej się energii układu będzie

towarzyszyć emisja promieniowania

elektromagnetycznego o energii równej

6 keV

energii wiązania elektronu.

33 keV

Emisja taka będzie również powstawała

podczas przechodzenia elektronu z orbity

wyższej, na której jest słabiej wiązany, na

orbitę niższą. Wypromieniowana wówczas

energia musi być – zgodnie z zasadą

zachowania energii - równa różnicy energii

obu powłok.

Ogólnie terminem promieniowanie nazywamy sam akt wysłania oraz rozchodzenie się

w przestrzeni strumienia energii przenoszonego przez cząstki lub fale. Ze względu na dualizm

korpuskularno-falowy fale elektromagnetyczne możemy opisać jako strumień szczególnych

cząstek - kwantów promieniowania, zwanych fotonami .

Jonizacją nazywamy proces odłączania elektronów od atomów. W takim procesie pozostały

fragment atomu - jon - ma ładunek dodatni równy ładunkowi odłączonych elektronów.

Powstały jon dodatni i elektron nazywane są parą jonów . W zasadzie przyłączenie elektronu

do obojętnego elektrycznie atomu można również nazwać jonizacją, gdyż w takim procesie

tworzy się jon, tyle że naładowany ujemnie. W stanie swobodnym taki jon jest jednak

3 1 eV = energia nabywana przez elektron w polu elektrycznym o różnicy potencjałów 1 V = 1,602·10 -19 J

nietrwały. Jeśli istnieje on natomiast w stanie związanym, np . w cząsteczce NaCl, kolejna

jonizacja któregokolwiek z jonów będzie polegać na zmianie stanu ładunkowego w drodze

usunięcia jednego lub więcej elektronów.

Dostarczając elektronowi pewnej energii z zewnątrz możemy spowodować, iż przejdzie

on z niższej na wyższą orbitę i wtedy taki proces będziemy nazywać wzbudzeniem atomu.

Ponieważ przy opisywanym przejściu na niższej orbicie pozostanie na powłoce wolne

miejsce, albo, jak mówimy, stan niezapełniony , wzbudzony elektron będzie miał naturalną

tendencję do zmniejszenia swej energii przez wypromieniowanie fali elektromagnetycznej

o energii równej różnicy energii obu powłok i zajęcia ponownie poprzedniego stanu o niższej

energii (większej energii wiązania). W szczególnych przypadkach możemy mieć do czynienia

z kaskadą wypromieniowywanych fotonów (kwantów promieniowania

elektromagnetycznego) związaną z sekwencją przejść z wyższych powłok na niższe. Emisja

fotonu nie jest jednakże jedynym sposobem na zmniejszenie przez atom czy jon swej energii.

Energia wzbudzenia może być bowiem przekazana elektronowi wyższej powłoki, np. L,

i spowodować jego wyrzucenie z atomu, a więc jego jonizację. Ponieważ któryś z elektronów

wyższych powłok zapełni pusty stan np. na powłoce K, to wraz z emisją elektronu na

zewnętrznych powłokach będziemy teraz mieli dwa stany nieobsadzone, a więc atom będzie

dwukrotnie zjonizowany. Elektrony, przejmujące na siebie energię przejścia i emitowane

z powłoki atomowej nazywamy elektronami Auger’a.

O ile rozmiary atomu są mikroskopijnie małe 4 , typową wartością jest tu 10 -10 m, rozmiary

jądra atomowego są jeszcze mniejsze, typową wartością jest 10 -15 m. Podstawowymi

składnikami jądra są nukleony : obojętny elektrycznie neutron i dodatnio naładowany proton

o ładunku równym ładunkowi elementarnemu tj. takiemu jaki ma elektron. Ze względu na

elektryczną neutralność atomu, liczba protonów w jądrze musi być równa liczbie elektronów

na powłokach elektronowych. Oba składniki jądra są cząstkami o masie około 1840 razy

większej niż masa elektronu, przy czym masa neutronu jest minimalnie większa od masy

protonu (patrz ramka niżej) 5 .

4 W człowieku znajduje się około 5·10 27 atomów. Gdyby je umieścić jeden za drugim, utworzyłby się łańcuch o długości około 10 15 km. Na

pokonanie łańcucha o takiej długości światło musiałoby zużyć około 100 lat.

5 Gdyby kostkę o objętości 1 cm 3 [taka objętość wody waży 1 g] wypełnić wyłącznie jądrami atomowymi, wówczas jej masa wynosiłaby

około miliarda ton! Pokazuje to dowodnie , jak wielka jest gęstość materii jądrowej.

Ze względu na specyfikę sił jądrowych charakteryzujących oddziaływania pomiędzy

nukleonami, w jądrze o danej liczbie protonów Z (tzw. liczbie atomowej ) mogą znajdować się

różne liczby neutronów. Inaczej mówiąc, dany pierwiastek chemiczny, składający się

z atomów o ustalonej liczbie Z, może mieć jądra zawierające różne liczby neutronów.

Mówimy wtedy, że istnieje szereg izotopów danego pierwiastka. Izotopy oznaczamy przy

pomocy liczby Z, pisanej jako dolny wskaźnik przy nazwie pierwiastka (powiedzmy – X)

oraz liczby masowej A, będącej sumą liczb nukleonów w jądrze i pisanej jak o wskaźnik

górny. Tak więc symbol izotopu wygląda następująco:

Każdy pierwiastek chemiczny może mieć wiele izotopów. Np. jod ma 23 izotopy o liczbach

masowych A od 117 do 139. Jądra o takiej samej liczbie masowej A mogą różnić się

względną zawartością protonów i neutronów. Mówimy wtedy o izobarach . Izobarami są np.

•

131 I (53 protony, 78 neutronow) i 131 Xe (54 protony i 77 neutronów)

•

29 Al, 29 Si, 29 P i 29 S

Z kolei jądra o takiej samej liczbie neutronów, ale różnej liczbie protonów nazywamy

izotonami . Izotony różnią się właściwościami chemicznymi, gdyż o tych decyduje głównie

liczba elektronów, a więc i liczba protonów – liczba atomowa.

Ze względów historycznych masy atomów podawane są często w tzw. jednostkach masy

atomowej (j.m.a.) , przy czym za jednostkę obrano 1/12-tą masy atomu najbardziej

rozpowszechnionego izotopu węgla 12 C. Poniższa ramka podaje niektóre podstawowe dane

dotyczące atomu i jąder.

Ładunek elektronu: e = -1,6·10 -19 C

Jednostka masy atomowej (j.m.a.) = 1,66·10 -24 g = 1/12 masy atomowej węgla

Masa elektronu: 0,9109·10 -27 g = 0,00055 j.m.a. = 0,511 MeV

Masa protonu: 1,6726·10 -24 g = 1,00728 j.m.a. = 938,28 MeV

Masa neutronu: 1,6747·10 -24 g = 1,00867 j.m.a. = 939,57 MeV

Rozmiar atomu (powłok elektronowych): 10 – 20 nm

Rozmiar jądra atomowego: ok. 10 -13 m

Promieniowanie elektromagnetyczne wysyłane przez wzbudzone atomy pokrywa tylko część

całego widma promieniowania elektromagnetycznego, z którym stykamy się w przyrodzie.

W zasadzie dotyczy to promieniowania widzialnego, ultrafioletowego i rentgenowskiego

oenergii od części elektronowolta do ok. 120 keV. Rys. 2.1 przedstawia widmo

promieniowania elektromagnetycznego z zaznaczonymi zakresami i ich nazwami.

10 8

Promieniowanie X i γ

10 6

10 4

10 2

Ultrafiolet

Światło widzialne

10 0

Podczerwień

10 -2

10 -4

Mikrofale i fale

radiowe

10 -6

10 -8

10 -10

Rys. 2.1 Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: