BIOFIZIKAFIZIKA MIKROSVETA− Nuklearna fizika

Akademik, prof. dr Jovan P. Setraj ci c

jovan.setrajcic@df.uns.ac.rs

Univerzitet u Novom Sadu

Departman za fiziku PMF

Powered by LATEX 2ε! – p. 1/18

Nuklearna fizika

Atomska jezgra (dat ∼ 10−10 m , qat = 0 , mat)

Karakteristike

DIMENZIJE dj ∼ 10−15 m , qj = +Z e , mj . mat

SASTAV (me = 9, 1081 · 10−34 kg)mp = 1, 6731 · 10−27 kg , mn = 1, 6751 · 10−27 kg

OBELEZAVANJEA

ZX

Z − r.broj = broj protona, N − broj neutrona

A − maseni br. = br.nukleona: A = Z + N

OSOBINE r = r0

3√

A ; ρ ≈ 1017 kg/m3

Nuklearne sile − JAKE (NAJJACE) INTERAKCIJE

VRLO KRATKOG DOMETA • ELEKTRO-NEZAVISNOST

Defekt mase − energija veze nukleona Mj <∑

Mnukleona

∆M = Z mp + N mn − Mj , EV = ∆M c2

neutron

proton

1 – p. 2/18

Nuklearna fizika

Prirodna radioaktivnostElementi Z > 83 se spontano raspadaju: α, β i γ

VRSTE RA RASPADA

α− RASPAD (α ≡42He: 2p + 2n − stabilan!)

AZX −→α A−4

Z−2Y + 42He

23892

U → 23490

Th + 42He

22688 Ra → 222

86 Rn + 42He

Brzine do 107 m/s, jonizuju sredinu (do 105 pari jona), domet mali

β − RASPAD (β ≡

8

<

:

e−

e+: unutar-nukleonski: n →e− p, p →e+

n)

· ELEKTRONSKI RASPAD (N > Z): 10n → 1

1p + 0−1

e + ν − antineutrino!

AZX −→β− A

Z+1Y + 0−1e + ν

21083

Bi → 21084

Po + 0−1

e + ν

23490

Th → 23491

Pa + 0−1

e + ν

· POZITRONSKI RASPAD (N < Z): 11p → 1

0n + 01e + ν − neutrino!

AZX −→β+ A

Z−1Y + 01e + ν

116

C → 115

B + 01e + ν

137 N → 13

6 C + 01e + ν

Brzine 0 do c, manje jonizuju sredinu (do 104 pari jona), domet veci

1 – p. 3/18

Nuklearna fizika

Prirodna radioaktivnostγ − raspad

(γ ≡ foton EMZ: − opasan! λγ ∼ 10−11 m)Brzine c, slabo jonizuju sredinu, domet vrlo velik

ZAKON RA RASPADA

SMANJENJE BROJA/MASE

dN

dt= −λN ⇒ N = N0 e−λ t

VREME POLURASPADA

t = T : N =N0

2⇒ T =

ln 2

λ

SREDNJI ZIVOT τ =T

ln 2

N t( )

N0

T t2T 3T1/2 1/2 1/2

N /2

N /4

N /8

0

0

0

0

BROJNERASPADNUTIHRADIOAKTIVNIHJEZGARA

1 – p. 4/18

Nuklearna fizika

Prirodna radioaktivnostELEMENT RA zracenje E [MeV] T1/2

23892

U α 4,18 4,5·109 god

23090

Th α 4,69 8,0·104 god

21082

Pb β, γ 0,02 22 god

21084

Po α 5,30 140 dan

22286

Rn α 5,49 3,82 dan

21483

Bi α, β, γ 5,50 19,7 min

21081

Tl β 1,96 1,32 min

21484

Po α 7,58 1,64·10−4 s

Aktivnost A =

∣

∣

∣

∣

dN

dt

∣

∣

∣

∣

= λN ⇒ A = A0 e−λ t

⇒ t = τ lnA0

A − starost pomocu 14C

1 – p. 5/18

Nuklearna fizika

Vesta cka radioaktivnostBOMBARDOVANJE JEZGARA

Bombardovanjem projektilima (α, p, n, ...) izaziva se veštackatransformacija jezgara; stabilna (ne RA) prelaze u u nestabilna i RA:

42α + 14

7N → 18

9F → 17

8O + 1

1p − dokazano postojanje protona

42α + 9

4Be → 13

6C → 12

6O + 1

0n − dokazano postojanje neutrona

1 – p. 6/18

Nuklearna fizika

Vesta cka radioaktivnostNUKLEARNE REAKCIJE

Transformacije atomskih jezgara izazvane njihovim med—usobnim

delovanjem (sudarima; ukljucujuci i elementarne cestice kao projektile):

A1

Z1X +A2

Z2Y →A3

Z3Z +A4

Z4T

OPSTA SEMA

pri cemu vaze slede ce zakonitosti:

ZON: Z1 + Z2 = Z3 + Z4

ZOM, tj, broja nukleona:

A1 + A2 = A3 + A4

ZOE: EX + EY = EZ + ET ± Q

⊕ − EGZOTERMNE ⊖ − ENDOTERMNE

SVI TRANSURANI (Z > 92) SU DOBIJEMI VESTACKI − BOMBARDOVANJEM 23892

U

1 – p. 7/18

Nuklearna fizika

Vesta cka radioaktivnostFISIJA

ili CEPANJE teškog jezgra na fragmente

Pored SPONTANE fisije (A > 238)postoji i INDUKOVANA(posle reakcije sa nekom cesticom):

10n + 235

92U

8

>

<

>

:

→ 15057

La + 8335

Br + 3 10n

→ 14155

Cs + 9437

Rb + 2 10n

9

>

=

>

;

+ Q

ENERGIJA AKTIVACIJE

KRITICNA MASA

LANCANA REAKCIJA:

kontrolisana i nekontrolisana

n

n

n n

n

n

RA

/U/

RA

RA

RA

Fisioni proces (=) produkti: RA otpad + n=neutroni

1 – p. 8/18

Nuklearna fizika

Vesta cka radioaktivnostFUZIJA

ili SPAJANJE lakih jezgara

u teže, ... teško,Pored SPONTANE fuzije (na Suncu):21H +3

2He →1

1H +4

2He + Q

postoji i INDUKOVANAENERGIJA AKTIVACIJE ???

KRITICNA MASA ???

LANCANA REAKCIJA:kontrolisana (− još NE!!!)

i nekontrolisana ... Fuzioni proces (=) produkti: Alhemija + ___

C

C

C

C

C

C

Au

/PtZn

Fe

Cu

1 – p. 9/18

Nuklearna fizika

Jonizuju ce zra cenjeOne RA cestice i RA zra cenje koje izazivaju jonizaciju atoma,

molekula, ... sredine: α, β, γ, posebno protona i neutrona.

Joni stupaju u hemijske reakcije, ...

Neutronsko zra cenje (snop neutrona) izaziva i

sekundarno RA zra cenje u materiji kroz koju prode

DETEKCIJA I DOZIMETRIJA

DETEKTORI RA ZRACENJA

Instrumenti za registrovanje prisustva (prolaska) jonizujuceg zracenja· gasni: jon.cevi sa brojacem, npr. G−M· kristalni: sa fotoel.efektom; poluprov.

DOZIMETRI RA ZRACENJA

Ured—aji za kontrolu primljene doze jonizujuceg zracenja· licni: filmovi, ...· kolektivni: sa racunarom

1 – p. 10/18

Nuklearna fizika

Jonizuju ce zra cenjeBIOLOSKI EFEKTI RA OZRA CIVANJA

RA zra cenje snazno jonizuje molekule biolo skog sistema!

Najzastupljenija H 2O se razlaze na

slobodne radikale: H • i OH•,

grade ci H2O2 − jak oksidans.

Polimeri postaju nefunkcioni, zbog promene konfiguracije u

molekulima, pove cava se viskoznost sredine sve do stvaranja gela!

Posebno je jako negativan uticaj RA zra cenja

na celijski ciklus i u interfazi i u mitozi.

Zbog ovih efekata, zivotinje i ljudi su izlozeni

RADIJACIONOJ BOLESTI,

koja ima 2 oblika: akutni i hroni cni ...

1 – p. 11/18

Nuklearna fizika

Jonizuju ce zra cenjeDOZE ZRACENJA

APSORBOVANA: apsorbovana energija proizvoljne vrste jon.

zracenja po jedinici mase apsorbera:

D =dE

dm

»

Gy =J

kg

–

EKSPOZICIONA: kol. naelektrisanja svih jona nastalih jonizacijom

jedinice mase vazduha:

X =dQ

dm

»

C

kg

–

; 1 Gy = 26mC

kg

EKVIVALENTNA: opisuje efekte stetnog dejstva na biol. sisteme:

H = F N · D

»

Sv =J

kg

–

F i N su faktori odred—enog zracenja i dela biol.sistema

1 – p. 12/18

Nuklearna fizika

Jonizuju ce zra cenjePOSLEDICE DEJSTVA RA ZRA CENJA

NA CELIJSKOM NIVOU

VISOKE DOZE NISKE DOZE

smrt celije rast i promena funkcije

a) mitološka smrt a) mitološki zastoj

b) interfazna smrt b) povecanje propustljivosti menbrane

c) mutacije gena

d) kidanje hromozoma

1 – p. 13/18

Nuklearna fizika

Jonizuju ce zra cenjePOSLEDICE DEJSTVA RA ZRA CENJA

NA VISECELIJSKIM SISTEMIMA

POSLEDICA UZROK

anemija, krvarenje smanjenje broja eritrocita i trombocita

AKUTNI sklonost infekcijama,gubitak telesne mase

smanjenje broja leukocita,oštecenje sluznice creva i kože

sterilnost mitološka smrt spermatogonija

organska i opšta smrt razaranje CNS

genetska mutacija hemijska oštecenja nukl.kis.

oštecenje embriona zracenje u toku organogeneze

HRONICNI izazivanje karcinoma somatske mutacije

sterilnost mitološka smrt spermatogonija

kataraka zamucenje ocnog sociva

1 – p. 14/18

Nuklearna fizika

Jonizuju ce zra cenjeBRZINE ili JA CINE DOZA zbog cinjenice da intenzitet o ste cenje

biol. sistema zavisi od duzine ozra civanja − KUMULATIVNO DEJSTVO

IY =dY

dt, Y ≡ D, X, H

1 – p. 15/18

Nuklearna fizika

Jonizuju ce zra cenjeZASTITA OD RA ZRA CENJA

Postoje standardi koji definišu maksimalnu dozvoljenu brzinu (jacinu) doza

VRSTA Celo telo Kriti cni organi Ceo zivot

ozra civanja [mSv/god] [mSv/god] [Sv/život]

PROFESIONALNO 50,0 50,0 ÷ 300,0 2,00

POJEDINACNO 5,0 5,0 ÷ 30,0 0,30

STANOVNISTVO 1,7 1,7 ÷ 10,0 0,10

Pored toga, treba dodati i doprinos ostalih vidova zracenja:PRIRODNIH i VEŠTACKIH

kojima smo stalno izlozeni!!!

1 – p. 16/18

Nuklearna fizika

Jonizuju ce zra cenjeZASTITA OD RA ZRA CENJA

Postoje kriticno-ugroženiji organi organi na neke RA elemente

ELEMENT ORGAN ELEMENT ORGAN

H, Na celo telo Zn, Co jetra

C mast S testisi

K mi si ci I stitna zlezda

Fe slezina Au, Hg bubrezi

P, Sr kosti Po, Ra kosti

1 – p. 17/18

Nuklearna fizika

Jonizuju ce zra cenje

ZASTITA I

UPOTREBA

RA

ZRACENJA :

maligne celije

neotpornije na

RA ozra civanje

1 – p. 18/18