Základní částice hmoty a jejich interakce
description
Transcript of Základní částice hmoty a jejich interakce
![Page 1: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/1.jpg)
Základní částice hmoty a jejich interakce
![Page 2: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/2.jpg)
Složení hmoty
1. Fotony
2. Fermiony
leptony (elektron, neutrino a jejich antičástice)
kvarky (u +2/3e- d -1/3e- )
hadrony – mezony
baryony
nukleony
proton uud
neutron ddu
![Page 3: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/3.jpg)
Stabilita částic
• stabilní jsou:
proton, elektron, neutrino a jejich antičástice
• volný neutron (poločas přeměny 15 min.)
→ proton + elektron + antineutrino
![Page 4: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/4.jpg)
Interakce částic
• gravitační
• elektromagnetická
• silná jaderná
• slabá jaderná
![Page 5: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/5.jpg)
Vznik a vývoj vesmíru
Ve vesmíru převažuje temná
hmota, která rozhodne o jeho
osudu.
Nejčastější skupenství je
plazma.
Sluneční soustava 4,6 miliard let
![Page 6: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/6.jpg)
Vznik prvků
• slučováním kvarků vznikly nukleony a jádra izotopů lehkých prvků H a He
• jadernou syntézou na povrchu a v jádře hvězd vznikají prvky až po Fe
• další prvky Mendělejevovy soustavy vznikly bombardováním rychlými neutrony po explozi supernov
![Page 7: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/7.jpg)
Radioaktivita
Ionizující záření
![Page 8: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/8.jpg)
Příčina nestability jader
• Z 2000 známých nuklidů pouze 266 stabilních
• Stabilita = poměr protonů : neutronům
• Z < 20 1 : 1, 25
výjimka 11H a 3
2He
• Z > 20 1 : 1, 52
poslední stabilní 20983Bi
209 nukleonů – 83 protonů = 126 neutronů 126 : 83 = 1,52
![Page 9: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/9.jpg)
Energie radioaktivní přeměny
• Exergonický děj [MeV]
Q = Eexcit.jádra + Ekin.částic + Efotonů
![Page 10: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/10.jpg)
Zákon radioaktivní přeměny
• Přeměna konkrétního jádra má
stochastický charakter
• N = No . e –λ t
• λ desintegrační (přeměnová) konstanta
• t čas za který se sníží No počet jader v
čase t = 0 na počet jader N
![Page 11: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/11.jpg)
Graf závislosti počtu přeměněných jader na čase má exponenciální tvar
0 T 2T čas
N0
N0/2
N0/4
No – počet jader v čase T = 0
oo
![Page 12: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/12.jpg)
Poločasy
• Fyzikální poločas přeměny
• Biologický poločas
• Efektivní poločas
1/ Tef = 1/Tfyz + 1/Tbiol
• Ekologický poločas
![Page 13: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/13.jpg)
Druhy záření
• Korpuskulární x elektromagnetické
• Podle ionizace:
1. Ionizující přímo
2. Ionizující nepřímo
3. Neionizující
![Page 14: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/14.jpg)
1.Korpuskulární záření
Ionizující přímo
1. Alfa
2. Elektronové
3. Pozitronové
4. Protonové
Ionizující nepřímo
1. Neutronové
![Page 15: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/15.jpg)
2. Elektromagnetické záření
Ionizující nepřímo1. Gama2. Röntgenovo3. UV C nad 10 eV nebo λ < 100 nmNeionizující 1. Mikrovlnné2. Radarové3. Infračervené4. Viditelné5. UV A, B, (C)
![Page 16: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/16.jpg)
![Page 17: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/17.jpg)
Vlastnosti ionizujícího záření
• Biologická účinnost
1. Podle schopnosti ionizovat
2. Podle pronikavosti
• Pronikavost
1. Podle velikosti náboje
2. Podle velikosti částice
![Page 18: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/18.jpg)
Röntgenovo zářeníX rey
• Působením vysokého napětí dojde k urychlení elektronů emitovaných ze žhavené katody. Nárazem do kovového terče anody vzniká emisní záření:
1. Brzdné – spojité energetické spektrum
2. Charakteristické – čarové spektrum
![Page 19: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/19.jpg)
Záření alfa• Energeticky nestabilní atomové jádro X se
přemění emisí částice (jádro helia) na jádro Y.• PŘÍKLADY VŠEOBECNĚ
• AZX A-4
Z-2Y + 42He
• SPECIÁLNÍ
• 22688Ra 222
86Rn +
Energetické spektrum je čarové.
Nejvyšší ionizační schopnost.
Nízká pronikavost.
Vysoká radiotoxicita při vnitřní kontaminaci.
![Page 20: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/20.jpg)
Záření betaPři přeměnách se přetváří protony (p) a neutrony (n) navzájem. Rozeznáváme 3 procesy:
• 1. elektronové záření β-
při přebytku neutronů v jádře n p + e- + ~
• AZX A
Z+1Y + - + ~
• 3215P 32
16S + - + ~
![Page 21: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/21.jpg)
Záření beta• 2. pozitronové záření β+
při přebytku protonů v jádru 11p1
0n + + + • A
ZX AZ-1Y + + +
• 189F 18
8O + + + • 3. zachycení elektronů sféry K při přebytku neutronů v jádru p + e- n + Emise elmg. záření zpětným přeskokem e- do mezer
vzniklých záchytem (K- dráha)• A
ZX + e- AZ-1Y + (kvarky u → d + )
• 5425Mn + e- 54
24Cr + (+2/3 – 1 = -1/3 náboje e-)
189
![Page 22: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/22.jpg)
Záření beta
• Energetické spektrum spojité
• Druhá nejvyšší ionizace
• Třetí nejpronikavější
• Proniká do podkoží (beta popáleniny)
• Vysoká radiotoxicita při vnitřní kontaminaci.
![Page 23: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/23.jpg)
Záření gama – vzniká přeskokem kvant z úrovně excitace
jádra Y* do níže ležící energetické hladiny. Nastupuje ve spojení s - rozpadem nebo - přeměnou.
• X Y* + , Y* Y + • 60
27Co 6028Ni* + -
6028Ni* 60
28 Ni + Nižší ionizační schopnost. Nejvyšší pronikavost. Energetické spektrum čarové.Jak vnější ozáření, tak i vnitřní kontaminace.
![Page 24: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/24.jpg)
Neutronové záření
• Vzniká při jaderných reakcích, např. štěpení jádra, využívá se alfazářičů (neutronový generátor).
A (x,y) B, 94Be + → n + 12
6C 235U(x,y 2-5 n), • Energetické spektrum spojité.• Druhé nejpronikavější.• Stupeň ionizace je dán energií neutronů.• Významné zejména při vnějším ozáření.• Schopnost indukované radioaktivity (především
nízkoenergetické-pomalé rezonanční neutrony).• Průmyslové využití (výroba radionuklidů, jaderný
reaktor, neutronová bomba).
![Page 25: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/25.jpg)
INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU
I. ČÁSTICOVÁ ZÁŘENÍ NESOUCÍ NÁBOJ
Excitace
Ionizace
Změny v jádře atomu u α záření
Brzdné záření u β záření
Anihilace hmoty (pozitron, elektron)
![Page 26: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/26.jpg)
INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU II. FOTONOVÁ ZÁŘENÍ
– Fotoelektrický jev – fotoefekt
– Comptonův rozptyl
– Tvorba elektron-pozitronového páru
– Změny v jádře atomu
![Page 27: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/27.jpg)
INTERAKCE IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ S HMOTOU
III. NEUTRONOVÉ ZÁŘENÍ
1. Pružný rozptyl
2. Nepružný rozptyl
3. Absorpce jádrem atomu
![Page 28: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/28.jpg)
A) Veličiny a jednotky charakterizující zdroje IZ
• λ přeměnová konstanta – podíl pravděpodobnosti dP a času dt , za který se jádro pravděpodobně rozpadne [ s-1 ]
• A aktivita A = λ . N počet rozpadů za sekundu [ Bq ] becquerel starší jednotka [ Ci ] curie
1 Ci = 3,7 . 1010 Bq
![Page 29: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/29.jpg)
A) Veličiny a jednotky charakterizující zdroje IZ
• am hmotnostní aktivita [ Bq kg-1 ]
• av objemová aktivita [ Bq l-1 ]
• aS plošná aktivita [ Bq m-2 ]
• f frekvence (vlnová délka)
• E energie záření [ eV ] [ keV, MeV ] energie elektronu ve spádu 1 V
![Page 30: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/30.jpg)
B) Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou
• Dávka (D) popisuje předávání střední energie nabitých částic absorpcí v hmotě [ J kg -1 ] = [Gy] grey
dE
D = --------
dm
![Page 31: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/31.jpg)
Veličiny a jednotky popisující interakci IZ s hmotou
• L lineární přenos energie (LET) [ eV ] L = dE / dx
vyjadřuje energii která je při zpomalování nabité částice předávána elektronům hmoty
• X expozice pouze pro fotonová záření ve vzduchu [ C kg -1 ] , starší [R] rentgen
X = dQ / dm Q náboj v coulombech [C]
![Page 32: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/32.jpg)
Veličiny a jednotky popisující interakce IZ s živou hmotou
EKVIVALENTNÍ DÁVKA VE TKÁNI (ORGÁNU) HT [ Sv ]
HT = wR . DT,R
• wR radiační vahový faktor
• DT, R [Gy] průměrná absorbovaná dávka ve tkáni T ionizujícím zářením R
![Page 33: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/33.jpg)
Veličiny a jednotky popisující interakce IZ s živou hmotou
• EFEKTIVNÍ DÁVKA CELÉHO NEBO ČÁSTI TĚLA E [ Sv ]
E = wT . HT
• wT tkáňový vahový faktor (závisí
na radiosenzitivitě příslušné tkáně)
![Page 34: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/34.jpg)
Vybrané metody detekce ionizujícího záření
• Fyzikální
elektrické
ionizace – GM-trubice
polovodičové
luminiscenční
scintilace • Chemické
skiagrafie• Biologické
![Page 35: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/35.jpg)
INTERAKCE IONIZUJÍCÍHOZÁŘENÍ
S ŽIVOU HMOTOU
![Page 36: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/36.jpg)
Výchozí zákonitosti :1) IZ je starší než Země
2) IZ je významný faktor pro vznik života a evoluci
3) Bez IZ není možný život
4) Každý živý organismus je primárně radioaktivní
(40K, 14C, atd.)
5) Nízké dávky IZ mají odlišné účinky než dávky
vysoké
![Page 37: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/37.jpg)
TEORIE INTERAKCÍ IONIZUJÍCÍHO ZÁŘENÍ
S ŽIVOU HMOTOU
Podle mechanizmu působení • Zásahová• Radikálová (nepřímého účinku)
Podle místa primárního účinku• Duálové radiační akce • Molekulárně biologická• Membránová
Neexistuje žádná teorie, která je úplná a vyčerpávající !
![Page 38: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/38.jpg)
Zásahová teorie
• V biologických systémech absorbovaná energie připadá přibližně z jedné čtvrtiny na organické a ze tří čtvrtin na anorganické látky.
![Page 39: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/39.jpg)
Teorie radikálová
• Nejprve vznikají volné radikály
• Vzhledem k jejich vysoké reaktivnosti sekundárně poškozují biopolymery
• Nejčastější jsou radikály vody
![Page 40: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/40.jpg)
Teorie duálové radiační akce
• se manifestuje chromozomálními aberacemi
• ze sublézí z vznikají léze, jejichž počet je úměrný z2
• Velikost biologického účinku E
E(z) = k . z2
, kde k je konstanta úměrnosti.
![Page 41: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/41.jpg)
Molekulárně biologická teorie
Poškození a reparace na DNA v závislosti na energii záření:
• pyrimidinové hydratace - pyrimidinové dimery, především dimerizaci tyminu (UV záření)
• porušení vodíkových můstků mezi vlákny DNA • nejčastěji jednovláknové (jednoduché) zlomy,
nebo méně často dvouvláknové zlomy • Větší poškození jednoho místa má menší
negativní efekt než více drobnějších poškození na celém řetězci
![Page 42: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/42.jpg)
![Page 43: Základní částice hmoty a jejich interakce](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062323/56815350550346895dc160d9/html5/thumbnails/43.jpg)
Podle časové dynamiky účinku ionizujícího záření lze rozlišit procesy:
1. fyzikální (doba trvání 10-16 s) absorpce energie, vznik iontů 2. fyzikálněchemické (10-10 s) vznik radikálů,
3. chemické, resp. biochemické (10-6 s až celé sekundy) interakce s biopolymery, změny metabolismu
4. biologické (doba trvání sekundy až roky) nemoc z ozáření, proliferace atd.