Krzysztof Kucab

1. Krzysztof Kucab Instytut Fizyki pokój 119 kkucab@univ.rzeszow.pl http://if.univ.rzeszow.pl/~kkucab/dydaktyka.html

2. Podstawy Fizyki Wykład I Wiadomości podstawowe Rzeszów, 2011r.

3. Zalecana literatura • A. Strzałkowski, Wstęp do fizyki jądra atomowego, PWN, Warszawa 1979; • R. Eisberg, R. Resnick, Fizyka kwantowa, PWN Warszawa 1983; • Ch. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN, Warszawa 1999; • dowolny podręcznik nt. fizyki jądrowej, teorii ciała stałego i mechaniki kwantowej na poziomie wyższym; • Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 18 I 2005r. w sprawie dawek granicznych promieniowania jonizującego.

4. Plan wykładu 1. Przedmiot i metodologia fizyki: • czym jest fizyka; • wielkości fizyczne i ich jednostki; • układ jednostek SI. 2. Promieniowanie jonizujące: • atom – wiadomości podstawowe; • promieniowanie a, b, g ; • rozpad promieniotwórczy; • biologiczne działanie promieniowania (jednostki promieniowania).

5. Czym jest fizyka? „Fizyka jest podstawową nauką przyrodniczą zajmującą się badaniem najbardziej fundamentalnych i uniwersalnych właściwości materii i zjawisk w otaczającym nas świecie. Właściwości te wynikają z wzajemnych oddziaływań fundamentalnych między elementarnymi składnikami materii.” A.K. Wróblewski

6. „Fizyka (z gr. φύσις physis - "natura") –nauka o przyrodzie w najszerszym znaczeniu tego słowa. Fizycy badają właściwości i przemiany materii i energii oraz oddziaływanie między nimi.” Wikipedia „Fizyka (gr. physik ‘przyrodoznawstwo’ < phýsis ‘natura’, ‘przyroda’), nauka o budowie oraz właściwościach materii i działających na nią siłach.” Encyklopedia PWN

7. Fizyka jest nauką ścisłą i ilościową ponieważ posługuje się pojęciem wielkości fizycznych, które można ujmować ilościowo, a wyniki badań podaje w postaci liczb i praw wyrażonych matematycznie. Cechą praw fizycznych jest ich uniwersalność i niezmienniczość.

8. Prawa fizyki są identyczne dla wszystkich obserwatorów, tzn. we wszystkich układach odniesienia. Jest to treść ogólnej zasady względności podanej przez A. Einsteina w 1916 r.

9. Oddziaływania fundamentalne 1. Oddziaływanie grawitacyjne (podstawowe znaczenie w ruchach ciał niebieskich, czy przy opisie ruchu ciał na Ziemi) występuje pomiędzy ciałami obdarzonymi masą; 2. Oddziaływanie elektromagnetyczne (emisja i absorpcja promieniowania elektromagnetycznego, tarcie, sprężystość). Występuje ono pomiędzy ładunkami elektrycznymi i momentami magnetycznymi.

10. 3. Oddziaływanie słabe (spontaniczna przemiana  jąder atomowych, rozpad wielu cząstek elementarnych, np. mionu czy cząstek dziwnych); 4. Oddziaływanie silne (jądrowe) [związanie nukleonów w trwałe układy, reakcje między cząstkami elementarnymi (np. kwarki, antykwarki i gluony) oraz ich rozpady].

11. Układy jednostek W 1960 r. na XI Generalnej Konferencji Miar i Wag w Paryżu wprowadzono międzynarodowy układ jednostek SI (Systéme International). Układ SI został przyjęty jako obowiązujący w Polsce w 1966 r.

12. Wielkości podstawowe SI i ich jednostki: • długość – metr [m], • masa – kilogram [kg], • czas – sekunda [s], • natężenie prądu – amper [A], • temperatura – kelwin [K], • natężenie światła – kandela [cd], • ilość materii – mol [mol]. Dodatkowe dwie jednostki uzupełniające: 8. miara kąta płaskiego – radian [rad], 9. miara kąta bryłowego – steradian [sr].

13. Przedrostki dla jednostek

14. Promieniowanie jonizujące Atom - najmniejsza cząstka pierwiastka chemicznego, która jeszcze posiada własności chemiczne tego pierwiastka. UWAGA! Przedstawiony rysunek jest znacznym uproszczeniem rzeczywistego modelu atomu (nie w skali) elektron proton neutron

15. Promieniowanie jonizujące Gdyby proton miał promień r=1m to promień „orbity” elektronu wynosiłby ok. 32km. Na rysunku: proton umieszczony w centrum Rzeszowa; okrąg – „orbita” elektronu.

16. Promieniowanie jonizujące Oznaczenia: X – symbol pierwiastka; Z – liczba atomowa – równa liczbie protonów w jądrze (własności chemiczne); A – liczba masowa – równa sumie liczb protonów i neutronów w jądrze (wł. fizyczne)

17. Promieniowanie jonizujące UWAGA! Atomy wielu pierwiastków istnieją w odmianach różniących się jedynie masą (mają różne liczby masowe). Są to tzw. izotopy danego pierwiastka. Niektóre izotopy: deuter tryt prot

18. Promieniowanie jonizujące Promieniotwórczość (radioaktywność) – zespół zjawisk towarzyszących występującym spontanicznie jądrowym przemianom promieniotwórczym. Zaobserwowana po raz pierwszy przez H. Becquerela, a następnie opisana i zbadana przez M. Skłodowską-Curie oraz P. Curie.

19. Promieniowanie jonizujące Przemiany promieniotwórcze – zachodzące spontanicznie procesy jądrowe, w wyniku których zmienia się skład nukleonowy jądra atomowego ulegającego przemianie, bądź też zmienia się stan energetyczny tego jądra. Nukleony – protony i neutrony.

20. Promieniowanie jonizujące W 1902r. E. Rutherford wykazał, że promieniowanie emitowane przez ciała promieniotwórcze może mieć trzy różne aspekty (promieniowanie a, b, g ): Reguła lewej dłoni (Fleminga)

21. Promieniowanie jonizujące Promieniowanie a - cząstki naładowane dodatnio – strumień jąder helu niosących dwa elementarne ładunki dodatnie - duża absorpcja (kartka papieru, kilka cm powietrza) - prędkości cząstek dochodzące do 22000km/s - wartości energii: 4 – 8 MeV

22. Promieniowanie jonizujące Przykłady rozpadów a

23. Promieniowanie jonizujące Promieniowanie b - cząstki naładowane ujemnie – strumień elektronów niosących elementarny ładunek ujemny - średnia absorpcja - prędkości cząstek dochodzące do c - wartości energii: 0.06 – 3.18 MeV UWAGA Powyższa dyskusja dotyczy promieniowania b -

24. Promieniowanie jonizujące Promieniowanie b rozpad b- jest możliwy dzięki przemianie:

25. Promieniowanie jonizujące Przykłady rozpadów b datowanie radiowęglowe II I

26. Promieniowanie jonizujące *Widmo energetyczne elektronów w rozpadzie UWAGA! Postulat istnienia neutrina *G.J. Neary, Proc. Phys. Soc. A175, 71 (1940)

27. Promieniowanie jonizujące Promieniowanie g - „cząstki” pozbawione ładunku – strumień wysokoenergetycznych fotonów (fala elektromagnetyczna) - bardzo przenikliwe wartości energii (dyskretne): ułamek - kilkanaście MeV

28. Promieniowanie jonizujące Przykład rozpadu g

29. Promieniowanie jonizujące

30. Promieniowanie jonizujące Przekrój czynny Promieniowanie jonizujące przechodząc przez materię oddziałuje z nią. centrum oddziaływania strumień cząstek przechodzących (n) strumień cząstek padających (n0) grubość warstwy (x)

31. Promieniowanie jonizujące gdzie: s – przekrój czynny [m2]; N – gęstość centrów oddziaływania. Użyteczna jednostka przekroju czynnego: barn (b) UWAGA! Model atomu Rutherforda

32. Promieniowanie jonizujące Prawo rozpadu promieniotwórczego Procesy rozpadu jąder zachodzą spontanicznie Zdolność promieniowania danego pierwiastka zmienia się według zależności gdzie l to tzw. stała zaniku promieniotwórczego (charakterystyczna dla danego pierwiastka).

33. Promieniowanie jonizujące Prawo rozpadu promieniotwórczego Okres połowicznego rozpadu T1/2 – to czas, po którym z początkowej ilości atomów promieniotwórczych pozostanie połowa n n0 n0/2 n0/4 2T1/2 3T1/2 4T1/2 T1/2

34. Promieniowanie jonizujące Okresy połowicznego rozpadu niektórych izotopów:

35. Promieniowanie jonizujące Rozpad promieniotwórczy izotopu węgla 14C: datowanie radiowęglowe n/n0 0.089 t[lata] 5730

36. Promieniowanie jonizujące Biologiczne działanie promieniowania Symbol promieniowania jonizującego Ustawa Prawo atomowe z dnia 29 listopada 2000r.

37. Promieniowanie jonizujące

38. Promieniowanie jonizujące Promieniowanie jest przyczyną m.in. radiolizy wody. Radioliza wody prowadzi do powstawania cząstek takich jak: H+, H2, H2O-,H2O+,e-,e+,HO2,HO3-,H2O2, z których niektóre to bardzo aktywne wolne rodniki. Wolne rodniki mogą reagować z proteinami, a w szczególności dezaktywować enzymy, powodować uszkodzenia błony komórkowej i zmianę ich przepuszczalności.

39. Promieniowanie jonizujące Jednostki promieniowania Aktywność źródła Dawka promieniowania określające źródło promieniowania określające działanie promieniowania na otoczenie liczba spontanicznych przemian jądrowych zachodzących w źródle w jednostce czasu - dawka ekspozycyjna - dawka pochłonięta - równoważnik dawki

40. Promieniowanie jonizujące Aktywność źródła 1 bekerel (1Bq) to aktywność źródła promieniotwórczego, w którym w ciągu jednej sekundy następuje jeden rozpad. Równoważna jednostka: 1 kiur to aktywność 1g radu 226Ra.

41. Promieniowanie jonizujące Dawka ekspozycyjna to suma ładunków elektrycznych jonów jednego znaku wytworzonych w jednostce masy suchego powietrza w warunkach normalnych wskutek jonizacji wywołanej promieniowaniem X lub g. Jednostką dawki ekspozycyjnej jest C/kg.

42. Promieniowanie jonizujące Dawną jednostką dawki ekspozycyjnej był rentgen. 1 rentgen to taka wielkość promieniowania X lub g, które w 0,001293 g powietrza (1cm3 suchego powietrza w warunkach normalnych) wytwarza przez jonizację ładunek każdego znaku równy 1 j.e.s. (j.e.s. = jednostka elektrostatyczna ładunku).

43. Promieniowanie jonizujące Dawka pochłonięta to ilość energii promieniowania przenikliwego pochłonięta przez jednostkową masę materii. Jednostką dawki pochłoniętej jest grej: 1 Gy=1 J/kg.

44. Promieniowanie jonizujące Dawną jednostką dawki pochłoniętej był rad. 1 rad to dawka promieniowania odpowiadająca pochłonięciu w 1 g materii energii promieniowania równej 100 ergów (10-5J) (erg= jednostka energii w układzie CGS).

45. Promieniowanie jonizujące Dawkę pochłoniętą w jednostce czasu nazywa się mocą dawki. Jednostką mocy dawki jest Gy/s. Moc dawki na poziomie 2.4 mGy/rok jest typowa dla tła naturalnego. W terapii nowotworowej chora tkanka zabijana jest dawką (aplikowaną miejscowo) ok. 100Gy.

46. Promieniowanie jonizujące Równoważnik dawki jest to dawka pochłonięta w danej tkance lub narządzie T z uwzględnieniem skutków biologicznych wywołanych przez różne rodzaje promieniowania R Jednostką równoważnika dawki jest siwert: 1 Sv=1 J/kg.

47. Promieniowanie jonizujące Dawkę równoważną HT,R określamy wzorem: gdzie wR jest współczynnikiem wagowym promieniowania R, DT,R jest średnią dawką promieniowania R pochłoniętą w tkance lub narządzie T.

49. Promieniowanie jonizujące W przypadku pola promieniowania składającego się z różnych rodzajów promieniowania wprowadzamy całkowity równoważnik dawki HT:

50. Promieniowanie jonizujące Dawka skuteczna (efektywna) EH to suma wszystkich dawek równoważnych od napromieniowania zewnętrznego i wewnętrznego we wszystkich tkankach i narządach (patrz tabela na następnym slajdzie) z uwzględnieniem odpowiednich współczynników wagowych narządów lub tkanek, obrazująca narażenie całego ciała: gdzie wT jest współczynnikiem wagowym narządu lub tkanki T