Interacţia radiaţiilor α, β şi γ cu substanţa. Fisiunea nucleară.

În ceea de-a șasea lecție de fizică nucleară vom discuta despre interacția radiației cu substanța și despre fisiunea nucleară.

Lecția trecută am vorbit despre cele trei tipuri de radiații, alpha, beta și gamma,

în ce constau ele și care sunt procesele de bază ce au loc în aceste emisii de radiații.

Haideți să discutăm acum despre ce se întâmplă când aceste radiații, odată emise, întâlnesc un material, o substanță.

În cazul radiațiilor alpha, este important de sumarizat care sunt proprietățile medii ale acestor radiații,

în particular viteza medie a unei radiații alpha, în practică, este destul de mică sau relativ mică, undeva în jur de 7% din viteza luminii în vid.

Bineînțeles, radiațiile alpha au masă mare de 4 unități atomici de masă și au și o sarcină relativ mare plus 2 sarcini de 2 ori, sarcina elementară.

În concluzie, proprietățile interacției radiației alpha cu substanța reiesc din aceste proprietăți medii sau tipice ale radiației alpha.

Deci, o radiație masivă cu sarcină mare, dar cu viteză mică.

În consecință, prima concluzie este că radiațiile alpha au o putere de penetrare mică, de ordinul a câțiva milimetri în solide și câțiva centimetri în aer.

Aceasta, bineînțeles, deoarece viteza lor este mică, dar au masă și sarcină mare.

Deci, interacționează puternic și au viteză mică, deci se vor opri rapid.

Dar, bineînțeles, cealaltă fațetă a puterii mici de penetrare este puterea mare de ionizare.

Deci, tipic, o radiație alpha, odată ce întâlnește o substanță, pătrunde o distanță mică, dar pe această distanță mică produc efecte foarte puternice.

Radiațiile beta sunt, într-un fel, echivalentul sau opusul radiațiilor alpha.

Ele au viteză mult mai mare.

Viteza medie cu care este emis o radiație beta este aproximativ sau de ordinul a 90% din viteza luminii în vid.

Bineînțeles, acestea sunt valori orientative.

Radiația beta, fiind un electron, are o masă mult mai mică decât radiația alpha.

Deci, după cum știți, masa unui electron este o untate atomică de masă împățită la 1837 și are și sarcină electrică mai mică.

Deci, avem de a face cu o radiație sau o particulă de masă mică, sarcină mai mică și viteză mult mai mare.

În concluzie, puterea de penetrare va fi mai mare decât radiațiilor alpha.

Deci, de ordinul centimetrilor în solide, iar în aer avem o putere de penetrare de ordinul a 10 metrii.

Dar, bineînțeles, putere mai mică de ionizare.

Deci, o radiație beta ce întâlnește substanța va penetra pe o distanță mult mai mare, dar pe această distanță efectele vor fi mai mici.

Deci, alpha generează un impact masiv pe o distanță mică, beta generează un impact semnificativ mai mic, dar pe o distanță semnificativ mai mare.

Ceea de a treia radiație fiind radiațiile gamma.

Ele au energii mari și foarte mari, nu au energii fixe, bineînțeles.

Un interval de energii tipic pentru aceste radiații sunt între 50 de kV și 1 Tv.

Ele nu au o putere de penetrare fixă, deci nu au o distanță maximă de penetrare, precum radiațiile alpha și beta,

ci mai degrabă au o distanță ce scade exponențial.

Deci, radiațiile alpha pot penetra la orice distanță în diferent de energia lor, dar probabilitatea de a ajunge la acea distanță scade exponențial cu distanța.

Interacția radiației gamma cu substanța are la bază următoarele efecte.

Generarea de perechi electron-pozitron în câmpul atomic.

Deci, pur și simplu, un foton gamma în câmpul electromagnetic se separă într-un electron și un pozitron.

Dar acesta numai în câmpul electromagnetic al atomului.

De asemenea, putem avea efect Compton, adică ciocnirea fotonului din radiația gamma cu electronii atomici

și un efect fotoelectric, în care radiația gamma ionizează acești atomi.

Dozimetria este ramura fizicii nucleare care studiază impactul radiațiilor nucleare asupra substanței și, în particular, asupra corpului uman.

Se introduce așa-numita doză de radiații, care este energia absorbită la o radiație ionizantă de unitatea de masă de substanță iradiată.

Deci avem o radiație și o substanță care este supusă radiației respectivi.

Se numește doză, cantitatea de energie absorbită pe unitatea de masă.

Ea se măsoară în Sistemul Internațional de Unități de Măsură, în grei, care este, după cum spune și definiția dozei, 1 J pe kilogram.

De asemenea, se mai folosește și o unitate alternativă, radul, 100 de razi, fiind egal cu 1 grei.

O altă definiție care încearcă să lege doza de radiații, doza de energie absorbită, cu efectul produs, este așa-numită doză echivalentă sau biologică,

care este doza de radiații absorbită de materia vie, în particular de corpul uman, pentru a produce un anumit efect biologic standard.

Deci doza echivalentă va fi doza de radiații mulțită cu un anumit factor de calitate sau eficacitate, dacă doriți, biologică a unei radiații.

Aceasta deoarece, după cum am discutat în minutele trecute, diferitele radiații au puteri de ionizare foarte diferite.

În particular, radiația alfa, spre exemplu, are o putere de ionizare mult mai mare decât radiația beta.

În concluzie, impactul unei radiații alfa asupra uniiței subuman este mult mai mare decât cel al radiației beta, chiar dacă cantitatea de energie transferată este aceeași.

În concluzie, pentru a măsura cât de drastic este efectul radiației asupra unității de masă, trebuie să mulțim cu un factor de calitate,

ce ține cont de acest impact.

Spre exemplu, după cum vedeți, factorul de calitate al radiației alfa este de 20 de ori mai mare decât cel al radiațiilor beta și gamma.

Haideți să trecem acum la definiția fisiunii nucleare.

Fisiunea nucleară, după cum am mai spus în lecții trecute, este ruperea unui nucleu greu cu numărul atomic de masă peste 200 în două nuclee intermediare,

care rupere este acompaniată întotdeauna de emisia unei serii de radiații N, beta, gamma și așa mai departe.

Un exemplu tipic de astfel de fisiune nucleară este fisiunea indusă a uranului 235.

Când vom discuta despre reactori nucleari, veți vedea de ce acest izotop este important.

După cum am discutat în lecția trecută când vorbeam despre timpii de înjumătățire,

timpul de înjumătățire al uranului 235 este foarte mare, de ordinul 10 la 8 ani.

Aceasta înseamnă că, lăsat liber, un astfel de izotop se va dezintegra și spontan,

dar acest lucru ia foarte mult timp în cazul acestui izotop și, în concluzie, în aplicațiile practice,

de fapt se induce această dezintegrare sau fisiune, mai exact.

Deci folosim un neutron pentru a produce din uranul 235 un izotop uranul 236,

care are un timp de înjumătățire mult mai mic și este și excitat,

care se va dezintegra în două nuclee de masă intermediară,

în particular bariu și kripton, care au masele 144 și 89,

deci se află în zona maselor intermediare și, de asemenea, se emit trei neutroni.

Ca și comentariu, aceasta este cea mai probabilă fisiune a uranului 236.

Există și alte reacții de fisiune nucleară a uranului 236,

dar aceasta se întâmplă cel mai des în bariu și kripton.

Ulterior, aceste nuclee intermediare, bariu și kripton, care sunt la rândul lor instabile,

se vor dezintegra, în cazul acesta, prin radiații β-.

Deci bariu se va dezintegra pe următorul lanț,

care implică mai multe nuclee, toate produse prin dezintegrări cu emisii de radiație β-.

Avem la un moment dat cesiu, spre exemplu, 58, 144 și așa mai departe.

Și, la fel, kriptonul intră într-un lanț de dezintegrări β-.

Spre exemplu, prima este rubidiu,

scuzați, rubidiu, 37, 89,

urmat de o altă dezintegrare cu emisii de β- ce trece prin stronțiu,

38, 89 și așa mai departe.

Deci, ce este de reținut este că, tipic, produsele fisiunilor nucleare sunt la rândul lor nuclee sau izotopi instabili,

care intră într-o serie de dezintegrări și de emisii de radiație, de vari tipuri,

în cazul acesta β-,

dar, de asemeni, γ pentru că majoritatea acestor nuclee sunt pe nivel excitate,

deci vor emite și γ.

În alte cazuri se emit și neutroni.

În concluzie, o reacție de fisiune nucleară are loc prin multe procese de fisiune intermediare,

urmate de multe procese de dezintegrări.

Deci obținem emisie de vari tipuri de radiație.

În concluzie, avem multe produse finale ale fisiunii.

Acestea sunt, din punct de vedere al timpului de emisie, prompte,

adică sunt emise direct din fisiune.

În cazul acesta, produsele prompte ar fi acești doi nuclei și cei trei neutroni emisi direct.

Deci, produsele prompte tipice sunt nucleele și neutronii.

Și avem, de asemenea, produse întârziate ale fisiunii,

emise în procesele ulterioare,

care sunt beta, gamma sau neutroni,

care au loc prin dezintegrarea nucleilor reziduale,

bariu și cripton, în acest lanț.

O altă caracteristică a produselor de fisiune este că avem de-a face cu mulți neutroni emisi.

În particular, uranul 236 emite, în medie, 2,5 neutroni pe fisiune.

Vedeți pe acest lanț că avem trei neutroni,

pe alte lanțuri avem mai puțini neutroni.

În medie, uranul 236, ținând cont de toate lanțurile de dezintegrare,

emite 2,5 neutroni pe fisiune.

Nucleele reziduale sunt radioactive.

După cum bine se vede, bariu și cripton sunt instabili,

izotopii sunt instabili și ei se vor dezintegra la rândul lor,

deci sunt radioactivi.

Și, la fel de important, aceste fisiuni au loc cu eliberare de energie.

În particular, uranul 236 are un defect de masă de aproximativ 22,5%

unitate atomică de masă,

ceea ce implică un bilanț energetic,

deci o energie emisă din această fisiune de aproximativ 200 Mv.

Faptul că există neutroni întârziați,

că într-o fisiune se emit mulți neutroni și că există un surplus de energie,

de obicei sufămă de energie cinetică a produșilor de reacție,

deci aceste trei particularități ale produsului de fisiune

au aplicații foarte importante în construcția reactorului nuclear,

după cum vom vedea în lecția viitoare.

Și, în fine, să discutăm despre aplicațiile radiaților în medicină.

Primul domeniu este cel al imagisticii și anume

vizualizarea organelor interne ale corpului uman.

Există două aplicații.

Prima este angiografia,

care este vizualizarea vaselor de sânge și a inimii

prin injectarea unui agent de contrast opac la radiațiile gamma din exterior.

Deci ceea ce vedeți aici este o angiografie a creierului uman,

în care în vasele de sânge s-a introdus un agent

care este opac la radiațiile gamma trimise din exterior.

Și atunci, într-un fel, creierul sau întreg craniul va deveni transparent,

cu excepția vaselor în care s-a introdus acest agent opac.

Și, în concluzie, putem vedea exact forma

și potențiale probleme ale vaselor de sânge din creier.

În particular, putem vedea că aici probabil s-a format un cheac de sânge.

Scintigrafia este opusul angiografiei.

Se folosește în vizualizarea plămânilor, oaselor și tiroidei.

Și constă în injectarea unui radioizotop

care emite raze gamma care sunt ulterior măsurate din exterior.

Deci vedeți aici o scintigrafie a plămânului

în care s-a introdus un radioizotop.

Acesta va emite radiații gamma

care sunt din exterior captate și măsurate

și în felul acesta putem vizualiza plămânul.

Un al doilea tip de aplicații sunt cele din oncologie,

adică din tratarea cancerului.

Sunt două aplicații. Prima este radioterapia,

care constă în bombardarea din exteriorul corpului

a tumorilor folosind radiații nucleare, beta-gamma.

Deci pur și simplu avem o sursă exterioră de radiații

care este accelerată, canalizată către tumoare

și în felul acesta se distruge tesutul tumoral

prin expunerea din exterior la astfel de radiații.

Cea de-a doua aplicație în oncologie

se numește brahiterapie,

care constă în inserarea sau injectarea

unei surse radioactive în tumoare.

Deci pur și simplu se injectează o sursă

cu un anumit radioizotop

destul de intens, de obicei o sursă alfa,

care va distruge din interior tesutul tumoral.