Föreläsning 10 Kärnfysiken: del 2

Transkript

1 Förläsning 10 Kärnfysikn: dl 2 Radioaktivsöndrfall-lag Koldatring α söndrfall β söndrfall γ söndrfall

2 Radioaktivitt En radioaktiv nuklid spontant mittrar n konvrtras till n annorlunda nuklid. Radioaktivitt gav dn första bkräftlsn att sannolikhtn och int säkrht bhärskar dn sub-atomiska världn. Man kan int förutsäga vilka kärnor ska söndrfallr undr n tid. Varj kärna har samma chans!

3 Animation av radioaktiva söndrfall

4 Lagr av radioaktiv söndrfall Vi kan int förutsäga vilka spcifika nuklidr ska söndrfalla. Dock kan vi förutsäga mängdn av kärnor som söndrfallr undr n tid. N N N 0 0 λt (10.1) antalt radioaktiva nuklidr på N antalt kvarvarand nuklidr på tid tid t t 0 λ söndrfallskonstant Aktivittn R R llr dn dt λn 0 λt (10.2) R R 0 R 0 λn t 0 (10.3) (aktivittn på t 0) (10.4)

5 Enhtr för radioaktivitt R kallas aktivittn av radioaktiva nuklidr. SI-nhtn för R är n bcqurl 1 bcqurl1 Bq 1 söndrfall pr skund En gamla nht är n curi 1 curi 1 Ci 3.7 x Bq

6 Halvringstidn En viktig siffra för radioaktivitt: Halvringstidn Τ 1/2 dfiniras som dn tid fär att radioaktivt matrial att söndrfalla så att ndast hälftn av dn ursprungliga nuklidr finns kvar. 1 λt1 / 2 R0 R0 (10.5) 2 ln 2 T (10.) 1/ 2 λ N N 0 λt t Vi vt att n nuklid kan söndrfalla mn hur funkar söndrfallt?

7 Koldatring 14 Rlativ - abundansn md avsnd på I atmosfärn är kosmiska strålar. 14 C CO 14 C har halvringstidn 5730 år är konstant för alla lvand organismr C utbytts. C söndrfallr när organismn dör. Därför kan mängdn av C 12 C kontant på C är grund av växlvrkar av C bstämma åldrn av tt matrial C gnom att Mtodn är pålitlig för åldr som är mindr än ungfär 40,000 yars C 12 12

8 Turinsspvningn Sdan 1357 påståtts dn vara Jsus livsvpning Koldatring år 1988 bvisad att dukn kom från någonstans Mn dn är kansk äkta. (1) Kontamination av kol ftr n brand. (2) Svpdukn förvarats tillsammans md tt annat tyg vilkns rstr är ansvariga för rsultatt av koldatringn. Snsmoraln är att mättningar/xprimnt är sällan bslutsamma.

9 Fråga (a) Bstäm aktivittn av 1g av kol inn i n lvand organism. (b) Ett matrial som innhållr 10g av kol har n aktivittn av 30 söndrfall/min. Hur gammal är dt?

10 Alfa-söndrfall En nuklid söndrfallr gnom att mittra n α-partikl (n H-kärna). Dn starka kraftn är ansvariga. Btrakta n nuklid som söndrfallr till n nuklid 4 H Disintgrationns nrgi, Q, släpps ut i dnna procssn (massa konvrtras till nrgi) Q m m m H [ m m m ] Exmpl massa massa massa 238 U av av av 234 Th H H c 4 2 H (10.7) Q 4.25 MV

11 Enrgirna av α partiklar har diskrta värd som svarar mot söndrfallr till spcifika tillstånd av dottrkärnan. Ra α 2 α Ra 8Rn H α 3 γ 0. (MV) Rn Nuklidr kan också dxcitra gnom att mittra n foton (gammastrålning) γ 0.2 (MV) 0.0 (MV)

12 Hur rymmr alfa-partikln? Dn α partikln måst bsgra n potntialbarriär. Potntialnrgin producras av n kombination av dn starka kärnkraftn (attraktiv) och Coulombrpulsionn mllan α partikln och kärnan. U(r) α α r α fångad i n U-kärna Q4.25V α partikln tunnla ignom barriärn!

13 Ökandn av disintgration-nrgin, innbär ökandn av tunnland-sannolikhtn! Nuklid Q Halvringstid τ 238 U 4.25 MV 4.5x10 9 år 228 U.81 MV 9.1 minutr

14 Bta-söndrfall och dn svaga kraftn Emission av n lktron( - ) llr n positron ( ). D kallas också β llr β partiklar. Möjliga söndrfall: A Z A Z 1? A Z A Z 1 -?? indikrar n annan söndrfall partikl. Hur vt vi att partikln xistrar? Vad är partikln?

15 Hur vt vi att partikln xistrar? Btrakta disintgration-nrgin Q för β och β söndrfall. Man antar tt dn xtra partikln int xistrar. Q ( m m ) c 2 för - β - söndrfall Q ( m m 2m 2 ) c 2 för β - söndrfall m och m y är massorna av d nutrala atomrna. m is lktronn s mass Btrakta Q 14 C 14 7 N MV u ( u u )(931.5 ) 15kV

16 Elktronns kintiska nrgi bord vara ungfär 15 kv. D mättad värdna av kintiska nrgi är myckt mindr < 15 kv! Antalt β partiklar Dn maximala kintiska nrgiq15 kv Dn kintiska nrgi av n β partikl.

17 Nutrinon Dn kvarvarand nrgin tas borta av n masslös partikl. Partikln växlvrkar myckt svagt md matrialt. Därför är partikln nästan oupptäckbar. Partikln är n nutrino ν Vi kan nu förstå β söndrfall A Z A Z ν ν A Z 1 A Z 1 nutrino anti - - ν ν nutrino

18 I β. söndrfall konvrtras nutronn till n proton. n p - ν I β söndrfall konvrtras n proton till n nutron p n ν Procssrna ägr rum på grund av dn svaga kärnkraftn.

19 γ strålar γ strålar producras när n nuklid dxcitrar från n högr nivå till n lägr nivå. Procssn ägr rum ofta ftr n α llr β söndrfall, Enrgirna av γ-strålar är mllan 1 kv och svral MV D är användbara att bstämma n kärnas nrginivår Ra α 2 α 1 α 3 γ 0. (MV) Rn γ 0.2 (MV) 0.0 (MV)