علم پرتوشناسی

علم پرتوشناسی

اسلاید 1: مقدمهعلم پرتوشناسی توسط ویلهلم کنراد رونتگن در هشتم نوامبر 1895 با کشف پرتو ایکس بنا نهاده شد.یک سال بعد از آن هانری بکرل، پرتوزایی اورانیوم را کشف کرد.تا مدت زیادی کاربرد پرتوها فقط در زمینه پزشکی بود.پیشرفت تکنولوژی و شکست و پیوند اتمها باعث تحولات عظیمی در کاربرد پرتوها در صنعت و بخش انرژی و.... گردید.وسعت کاربرد پرتوها، تماسهای وسیع و خطرناک با این عامل را برای نسل بشر به ارمغان آورد.اثرات سوء پرتوها ، مخصوصاً در حوداث و انفجارات چهره خود را نشان داد.سود ومزایای کاربرد پرتوها آنقدر زیاد بوده و هست که نمی توان از استفاده آن چشم پوشید، مضافاً بر اینکه انسان بطور طبیعی نیز در معرض پرتوهای کیهانی و پرتوهای تابش شده از منابع طبیعی نیز قرار داشته، لذا سازمانهای حفاظتی شکل گرفته و در خصوص روشهای مختلف حفاظت از پرتوها به فعالیت پرداختند.

اسلاید 2: ساختمان اتمتمام اجسام ومواد موجود در جهان از تعداد بیشماری اتم تشکیل شده اند.هراتم دارای دو قسمت زیر میباشد :هسته ( با شعاعی حدود 10E-12 سانتی متر).ابر الکترونی ( از الکترونهای متحرک و شعاع مدار الکترونی 10E-8 سانتی متر).طبق مدل اتمی بوهر نحوه قرار گرفتن هسته و الکترونها مانند سیستم خورشیدی است.جرم الکترونها نسبت به هسته بسیارکم و برابر 9.1x10E-31 ( تقریباً میتوان گفت تمام جرم اتم در هسته متمرکز است).بار الکتریکی الکترونها منفی و بار الکتریکی هسته مثبت ( در شرایط عادی اتم از نظر بار الکتریکی خنثی است).ذرات تشکیل دهنده یک اتم توسط نیروهای الکتروستاتیکی به هم مربوط میباشند.

اسلاید 3: ساختمان اتم (ادامه)بین هسته و الکترونها بعلت تفاوت بارالکتریکی شان نیروی جاذبه وجود دارد.نیروی گریز از مرکز ناشی از حرکت الکترونها روی مدار باعث بقاء الکترونها در مدارهای خود گشته و اجازه نمی دهد الکترونها بسمت هسته حرکت کنند.بدیهی است هرچه الکترون به هسته نزدیک تر باشد نیروی الکتروستاتیکی جذب به مرکز بیشتر خواهد بود، لذا بایستی نیروی گریز از مرکز نیز بیشتر باشد. که این سرعت و نهایتاً انرژی بالاتری را می طلبد که خود ایجاد کننده سطوح مختلف انرژی در اطراف هسته می گردد.بین الکترونها نیز نیروئی وجود دارد که آنها را در فواصل معینی نسبت به هم نگه می دارد ( حرکات اسپینی).به این جهت الکترونها دارای سه نوع حرکت می باشند ( انتقالی، دورانی ونوسانی).

اسلاید 4: ساختمان اتم (ادامه)نوع اتمها از نظر ذرات تشکیل دهنده هسته و تعداد الکترونها با هم فرق میکند.هر اتم با عدد اتمی Z (تعداد الکترون یا پروتون) مشخص می شود.خواص شیمیائی هراتم مربوط به الکترونهای موجود در آن است.هسته اتم:در هسته دو نوع ذره اساسی و مهم به نامهای پروتون و نوترون وجود دارد.پروتون دارای بار مثبت و جرم آن 1.6725E-27 کیلوگرم است.نوترون از نظر بار الکتریکی خنثی است و جرم آن 1.6748E-27 کیلوگرم است.لذا نوترون وپروتون از نظر جرم تقریباً با هم برابر و حدود 1900 برابر جرم الکترون است.کمیت دیگری که درساختمان اتم مطرح است عدد جرمی (A) است که مجموع پروتونها و نوترونهای هسته است.

اسلاید 5: ذرات بنیادی دراتمذرات بنیادی اتم عبارتند از الکترون ، پروتون ، نوترون، فوتون ، مزون و... که حدود 20 پارتیکول و آنتی پارتیکول جزء ذرات بنیادی اتم می باشند.مشخصات ذرات:الف: بر حسب جرم در حال سکون :جرم ذره در حال حرکتجرم ذره در حال سکونسرعت ذرهسرعت نور

اسلاید 6: مشخصات ذرات بر حسب جرم در حال سکون (ادامه)فوتونها : جرم در حال سکون آنها صفر است.لپتونها : جرم نزدیک به صفر دارند مانند نوترینو.مزونها : معروفترین آنها مزون π که پیون گفته میشود و همچنین مزون K که کائون گفته می شود.باریونها : مانند پروتون بوده و جرمی کمی بیشتر از آن دارد.هیپرونها

اسلاید 7: مشخصات ذراتب: بر حسب بار الکتریکی : مثبت، منفی و خنثیج: از لحاظ اسپینی : +1, ½ ,0 د: از لحاظ عمر متوسط :پروتون و الکترونها پایدارنوترون نا پایدار ( نیمه عمر 12 دقیقه)سایر ذرات بنیادی نیمه عمر بسیار کم ( در حدود 1E-6 ثانیه و یا کمتر دارند)

اسلاید 8: مدارهای الکترونیالکترونها بر روی مدارهای مختلفی می چرخند.تعداد مدارها در اتمهای مختلف متفاوت است.لایه های الکترونی نسبت به نزدیکیشان به هسته عبارتند از: Q,P,O,N,M,L,K. الکترونها بر روی مدارهای مختلف دارای انرژی معینی هستند (انرژی همبستگی Binding Energy ).هر چه الکترون در مدارهای داخلی تر قرار گیرد انرژی همبستگی بیشتری خواهد داشت.تعداد الکترون در هرمدار از اصل پاولی تبعیت میکند و تعداد آن 2، 8، 18، 32 و... می باشد.

اسلاید 9: هسته و ساختار آنهسته متشکل از پروتونها و نوترونها است که آنها را نوکلئونها می نامند؛ که خود از ذرات بنیادی به نام کوارک تشکیل شده اند.نیروی هسته ای :وجود پروتونها در داخل هسته به معنی وجود یک نیروی الکتروستاتیک دافعه می باشد.علت قرار گیری این ذرات کنار همدیگر ، علیرغم وجود نیروی دافعه فوق ، وجود یک نیروی قوی بین نوکلئونها می باشد که به آن نیروی هسته ای میگویند.نیروی هسته ای از کاهش جرم ذرات موجود در هسته (تبدیل جرم به انرژی) ایجاد می گردد. بعبارتی همواره مجموع جرم نوکلئونهای تشکیل دهنده هسته بیش از جرم هسته است. این کاهش جرم (انرژی معادل این جرم) تأمین کننده نیروی هسته ای می باشد.نیروی هسته ای از نوع جاذبه با برد کوتاه ( در حدود ابعاد هسته ) و مستقل از بار الکتریکی می باشد. لذا نیروی بین نوکلوئونها یعنی p-p ، n-n و p-n یکسان می باشد.

اسلاید 10: ترازهای انرژی ذراتیکی از مدلهای ساده و مفید جهت ارائه ساختار هسته، ساختاری است شبیه به آرایش الکترونها در لایه های مختلف انرژی.در این مدل نوکلوئونها در لایه های مختلف انرژی قرار دارند (لازم به ذکر است که حرکت الکترونها در مدار در مدل اتمی را به مدل هسته ای نمیتوان تعمیم داد)در مدل هسته ای بایستی ترازهای انرژی را با حداکثر تعداد در هر تراز انتخاب نمود.در مورد هسته ها می توان آرایش به ترتیب 2، 8 ، 20 ، 50 ، 82 و... را در نظر گرفت.در برخی تئوریها محل قرارگیری نوترونها و پروتونها را در لایه های مجزا می دانند.

اسلاید 11: ترازهای انرژی ذرات (ادامه)اگر هسته ای دارای لایه های پر باشد، پایداری آن افزایش می یابد. مانند هسته هلیوم که دو پروتون و دو نوترون دارد ( علت اینکه در فروپاشی عناصر آلفا دهنده هسته هلیوم بصورت یک ذره خارج میشود همین پایداری می باشد)بر طبق این مدل هر ذره در هسته دارای جایگاه انرژتیک خاص است.در حالت عادی معمولاً همه هسته ها در حالت پایه قرار دارنددر صورتی که به دلیلی جایگاه انرژتیک ذرات موجود در هسته تغییر کند، هسته به حالت بر انگیخته در می آید.

اسلاید 12: طبقه بندی هسته هامعمولاً هسته را با نماد اتم یعنی نشان میدهند.مثلاً نشانگر دو هسته عنصر فسفر میباشد.الف: طبقه بندی بر اساس تساوی اعداد پروتونی، نوترونی و جرمی :ایزوتوپها : هسته هائی هستند که تعداد پروتونهای آنها یکسان است مثل : ایزوتوپهای هیدروژنایزوتوپهای اورانیوم

اسلاید 13: طبقه بندی هسته ها (ادامه)ایزوتونها:هسته هائی هستند که تعداد نوترونهای آنها یکسان است. مثل :ایزوبارها: هسته هائی هستند که عدد جرمی آنها برابر ولی مقدار پروتونها و نوترونهای متفاوتی دارند. (خواص شیمیائی متفاوتی دارند) مثل :

اسلاید 14: طبقه بندی هسته ها (ادامه)ایزومرهای آینه ای: تعداد پروتونهای یک هسته با تعداد نوترونهای هسته دیگر مساوی است. مثل:ایزومرهای هسته ای: عدد جرمی و عدد اتمی یکسان ولی خواص هسته ای (از نظر نیمه عمر و ترازهای انرژی )متفاوت است.ایزومر با انرژی بالاتر در یک حالت metastable بوده و با نوشتن m پس از عدد جرمی مشخص میشود. مثلاً تکنسیم ( Technetium) ( با نیمه عمر 6 ساعت) و ( با نیمه عمر 2.1E5 سال) ایزومرهسته ای یکدیگر هستند.

اسلاید 15: طبقه بندی هسته ها (ادامه)ب: طبقه بندی بر اساس پایداری (ناپایداری) هستههسته هایی که بدلیل ترکیب ناپایدار پروتونها و نوترونها و یا ایزومرهای با انرژی بالاتر پایدار نیست، دستخوش واپاشی میشوند. اینگونه هسته ها ذاتاً ناپایدار بوده و با گذشت زمان تغییر نموده و به هسته های جدیدی تبدیل می شوند.هسته های پایدار آن دسته از هسته هایی هستند که برای همیشه ثابت هستند ( حداقل برای 1E21 ) بدون توجه به اینکه الکترونهای اتم آنها ممکن است تغییر وتحول پیدا کنند.

اسلاید 16: نمودار Segre از رسم تعداد نوترونها بر حسب تعداد پروتونها نمودار زیر که به نمودار سگره معروف است، حاصل می شود.

اسلاید 17: مواد رادیواکتیورادیواکتیویته خاصیت هسته بعضی از اتمهایی است که خود بخود از آنها انرژی ساطع می شود.هسته اتمهای رادیواکتیو دائماً در حال دگرگونی و تجزیه هستند.ایزوتوپهای ناپایدارو ایزومرهای هسته ای ، مواد رادیواکتیو را تشکیل می دهند.انواع مواد رادیواکتیو:مواد رادیو اکتیو طبیعی Natural Radionuclideمواد رادیو اکتیو مصنوعی Man-made Radionuclide

اسلاید 18: مواد رادیو اکتیو طبیعیرادیو نوکلوئیدهای موجود در محیط را از نظر منشأ آنها میتوان به دو گروه کلی نقسیم نمود :رادیونوکلوئیدهای مصنوعی Man-Made Radio nuclidesرادیو نوکلوئیدهای طبیعی Natural Radio nuclides گروه اول به خواست و اراده انسان تولید می شوند ( همچون محصولات شکافت هسته ). مانند :

اسلاید 19: رادیو نوکلوئیدهای طبیعیموادی هستند که از بدو خلقت کره خاکی در طبیعت وجود داشته و یا حاصل پدیده های طبیعی در عالم می باشند.این رادیونوکلوئیدها را به دو دسته تقسیم بندی می کنند.رادیو نوکلوئیدهای اولیه (Primordial radionuclide) : رادیونوکلوئیدهای دارای منشأ کیهانی(Cosmogenic Radionuclide) : حاصل برخورد پرتوهای کیهانی (Cosmic rays) با هسته اتم عناصر موجود و در اتمسفر زمین بوده و بطور مستمر تولید می شوند. مهمترین این رادیو نوکلوئیدها ترتیوم و کربن 14 می باشد.

اسلاید 20: رادیو نوکلوئیدهای اولیهاین را دیونوکلوئیدها دارای منشأ تحت الارضی بوده و به آنها رادیونوکلوئیدهای تحت الارضی (Terrestrial) نیز می گویند و بدو شکل وجود دارند:انفرادی Singly occurring Radionuclideزنجیره ای ( مهمترین آنها زنجیره اورانیوم 238 و توریوم 232 است)

اسلاید 21: رادیو نوکلوئیدهای طبیعی کلیاترادیو نوکلوئیدهای طبیعی در غلظتهای کم و بیش یکسان در سطح کره زمین منتشر می باشند.برخی نقاط جهان دارای غلظتهای بیشتر از نرمال می باشند. انسان نیز نقش مؤثری در افزایش رادیونوکلوئیدهای مناطق مختلف دارد.علاوه بر فعالیت های هسته ای از جمله مواردی که در آلایندگی محیط زیست به رادیو نوکلوئیدها مؤثر است عبارتند از:نیروگاههای سوختهای فسیلی (عمدتاً ذغال سنگ) که در بسیاری موارد ذغال سنگها حاوی این رادیو نوکلوئیدها بوده و خاکستر منتشره محیط را آلوده به این رادیونوکلوئیدها می نماید.کودهای فسفر دار ( دارای غلظت قابل اهمیتی از اورانیوم می باشند).گاز طبیعی (به ویژه در منازل) بدلیل انتقال گاز رادن 222 از اعماق زمین به سطح.مصالح ساختمانی ( برخی از آنها غنی از رادیونوکلوئید ها می باشند).

اسلاید 22: رادیو نوکلوئیدهای طبیعی رادیونوکلوئیدهای انفرادیدو عنصر شناخته شده بطور انفرادی در طبیعت یافت می شوند :پتاسیم 40 که یک ماده رادیو اکتیو است و بطور متوسط در بدن انسان 1600 پیکو کوری به ازاء هر کیلوگرم وجود دارد. در صخره و خاک بین 2 تا 30 پیکوکوری بر گرم وجود دارد. نیمه عمر این ماده 1.26 میلیارد سال است که دربین رادیونوکلوئیدهای اولیه موجود کمترین میزان نیمه عمر را دارا میباشد.90% پتاسیم 40 در اثر تجزیه و تابش بتای منفی به کلسیم 40 پایدار و بقیه با تابش آلفا و گاما ( با انرژی 1.46 Mev) به آرگون 40 تبدیل می شود.روبیدیوم 87 نیز یک ماده رادیو اکتیو است که بطور انفرادی در طبیعت وجود دارد. نیمه عمر آن 48 میلیارد سال است. در صخره و خاک بمیزان 3 پیکوکوری بر گرم و در بدن انسان به میزان 230 پیکو کوری بر کیلوگرم موجود است. این عنصر از نظر تشعشعات اهمیت زیادی ندارد؛ زیرا هنگام تجزیه، بتای ضعیفی تابش نموده و سرانجام به استرانسیوم 87 تبدیل میشود.

اسلاید 23: رادیو نوکلوئیدهای طبیعی رادیونوکلوئیدهای زنجیره ایدر حال حاضر سه سری از این مواد در طبیعت وجود دارند که به زنجیره های :238U (سری اورانیوم) (معروف به سری 4n+2)235U (سری اکتینیوم) ( معروف به سری 4n+3)232T (سری توریوم) (معروف به سری 4n) معروف می باشند. البته یک سری زنجیره ای دیگر نیز متصور است که در حال حاضر در طبیعت موجود نمی باشد : 241PU (سری نپتونیوم) ( معروف به سری 4n+1)

اسلاید 24: سری نپتونیوم241PU که سر سلسله این گروه است دارای نیمه عمری معادل 13 سال است که طبیعتاً اگر در ابتدای پیدایش کره زمین وجود داشته تاکنون از بین رفته است. البته این ماده را از بمباران نوترونی 239PU می توان تولید کرد.دراز عمرترین ایزوتوپ در سری نپتونیوم ایزوتوپ 237NP است که نیمه عمری معادل 2.2 میلیون سال است که از عمر زمین بسیار کمتر است و این ماده نیز تا کنون از بین رفته است.

اسلاید 25: سری اورانیوم 238RaA (رادن A)RaB (رادن B)RaC (رادن C)

اسلاید 26: سری 235U (سری اکتینیوم)

اسلاید 27: سری 232Th (سری توریوم) فراوانترین ماده رادیواکتیو طبیعیThA (تورون A) ThB(تورون B)ThC (تورون C)

اسلاید 28: عمده مواد رادیو اکتیو طبیعی موجود (از سه سری زنجیره ای)خصوصیات مشترک سه سری زنجیره ای موجود :همگی از یک عنصر سنگین با نیمه عمر بالا و تابش کننده آلفا شروع می شوند ( که این در خصوص سری نپتونیوم که تابش کننده بتاست و نیمه عمر پائینی دارد، صادق نیست)یکی از عناصر و اولادهای هر یک از سه سری یک گاز است (رادن، اکتینیوم و تورون). سری نپتونیوم هیچ گازی ندارد.هر سه سری نهایتاً به عنصر سرب (206، 207، 208)پایدار میرسند( عدد اتمی سرب 82 است) (سری نپتونیوم به عنصر پایدار بیسموت 209 با عدد اتمی 83 می رسد).

اسلاید 29: رادیونوکلوئیدهای دارای منشاء کیهانی نوکلوئیدنوکلوئیدهیدروژن 3بریلیوم 7کربن 14سدیم 22نیمه عمرنیمه عمر12.3 سال53.6 روز5730 سال2.62 سالتعداد اتمهای تولید شده در واحد زمان (ثانیه) در واحد سطح کره زمین(سانتی متر مربع)تعداد اتمهای تولید شده در واحد زمان (ثانیه) در واحد سطح کره زمین(سانتی متر مربع)0.250.082.50.00009میزان وفور جهانی (مگا کوری)میزان وفور جهانی (مگا کوری)3413000.01توزیع درصد وفوراستراتوسفر و تروپوسفر872227توزیع درصد وفورسطح زمین و بیوسفر278421توزیع درصد وفوراقیانوسها65209452

اسلاید 30: مواد رادیو اکتیو مصنوعیرادرفورد در سال 1919 از طریق بمباران ازت با ذرات آلفا، اتم دیگری (اکسیژن) را تولید کرد.عنصر حاصل ایزوتوپ پایدار اکسیژن بود.اما بعد ها با تابش آلفا به آلومینیوم ماده ای ایجاد شد که رادیو اکتیو بود.فسفر 30 رادیواکتیو بوده و نیمه عمر آن 2.55 دقیقه است.مواد رادیو اکتیو مصنوعی را رادیوایزوتوپ نیز می نامند.

اسلاید 31: طرق تهیه رادیو ایزوتوپهاالف: واکنشهای هسته ای:اثر فوتون: برخورد فوتونهای قوی به هسته عناصرگاهی سبب خروج نوترون و یا افزایش سطح انرژی هسته شده و تولید ایزوتوپ ناپایدار و یا ایزومر هسته ای عنصر را می نماید. بازده این واکنش خیلی کم و از لحاظ عملی قابل استفاده نمی باشد.ذرات باردار: ازذرات سریع باردار مثل آلفا، پروتون و دوترون استفاده کرده و آنها را در شتاب دهنده سرعت داده و بعد عنصر هدف را بمباران می کنند.امروزه دستگاه هایی وجود دارد که انرژی ذرات را تا چندین میلیارد الکترون ولت بالا می برد.

اسلاید 32: طرق تهیه رادیو ایزوتوپها واکنشهای هسته ای (ادامه)واکنشهای هسته ای با نوترون : استفاده از نوترون رایجترین طریقه برای تولید رادیوایزوتوپهاست. بازده عمل با نوترونهای حرارتی بمراتب بیشتر است.فسفر 32 اشعه بتای پرانرژی تابش کرده، ید 131 و طلای 198 هردو رادیواکتیویته بتا و گاما دارند.ب: واکنشهای انشقاق: از انشقاق اورانیوم و استحاله های متوالی بعدی قریب 200 رادیوایزوتوپ تولید می شود. از عناصر مهم می توان ایزوتوپهای ید، استرانسیوم وباریم، سزیم وگازهای رادیواکتیو نام برد.