واکنش های هسته ای و رادیواکتیویته

واکنش های هسته ای و رادیواکتیویته

اسلاید 1: واکنشهای هسته ای و راديواكتيويته

اسلاید 2: (1) ساختمان و خصوصیات هسته حالتهای ناپایدار و برانگیخته هسته

اسلاید 3: Atomic ModelsThomsonRutherfordBohrElectron in separate shells in different energy level; K, L, M, N, …It is not ideal for multi-electron atomsQuantum number based atomsPrincipal quantum number (n=1,2,3,4..) for K,L,N,..Azimuthal (سمت يا زاويه) (l=n-1: l=0,1,2,3,…)Magnetic orbital quantum number (m shows spatial shell direction in presence of ext. magnetic field)Spin quantum number (s=±1) Rotational electron

اسلاید 4: Bohr Model

اسلاید 5: حالت هاي اتمحالت پايه‌اي: هر الكترون در پايين ترين سطح انرژي است.حالت انگيزش: با دريافت انرژي الكترون تراز انرژي بالاترمي‌رود.حالت يونش:جفت يونانرژي جنبشي الكترون Ek = Ei - Ebتابش امواج الكترومغناطيس ايكس وقتي الكترون از تراز انرژي بالاتر به تراز انرژي پايين تر براي پر كردن جاي خاي الكترون مي‌رود.

اسلاید 6: مدلهاي هسته ايمدل قطره اي: انرژي پيوند هسته اي، تابش هاي ذره اي مانند a, b و تلاشي هسته را شرح مي‌دهد.مدل لايه اي: تابش امواج الكترومغناطيس g را شرح مي‌دهد.مدل سد پتانسيل: اگر به ذره اي انرژي كافي داده شود از هسته بيرون مي رود (بمبارانهاي ذره اي هسته را شرح مي‌دهد).: انرژي پيوند هسته براي هر هستك بين 5 تا 8 Mev تغيير مي‌كند و اگر هسته برانگيخته شود با تابش ذره يا امواج الكترومغناطيس به حالت پايه برميگردد.

اسلاید 7: انرژي پيوند هسته‌اياگر جرم تك‌تك هستكها را جمع كنيم بيشتر از جرم اتم كامل است اين اختلاف جرم (Dm) را كاهش جرمي مي‌گويند كه هم‌تراز يك مقدار انرژي براساس E=mc2 است. اين انرژي هنگام تشكيل اتم تابش شده است و بنام انرژي پيوند هسته معرفي مي‌شود.براي اتم هليم اين انرژي معادل 28.8 Mev است.اگر انرژي پيوند را بر جرم اتمي تقسيم كنيم = انرژي پيوند هر هستك عناصر با جرم متوسط داراي انرژي پيوند هستك بيشتر از عناصر با جرم سنگين بوده و لذا پايدار تر هستند.

اسلاید 8: نيروهاي پيوند هسته‌اييوكاوا 1935: نيروهاي پيوند هسته مانند نيروهاي تبادلي الكترونها از به اشتراك گذاشتن يك ذره در هسته بوجود مي‌آيند.پاول: اين ذرات را پيون يا مزون‌پي معرفي كرد كه داراي جرمي معادل 276 برابر الكترون است.واكنشهاي ميان پروتون و نوترون بصورت زير است و اين دو ماهيتشان را بطور پيوسته به همديگر عوض مي‌كنند.

اسلاید 9: پايداری هستهترازمندي بين دو نيروي كششي (ميان پروتون ها و نوترون ها) و رانشي (ميان پروتون و پروتون) پايداري هسته را بعهده دارد.نظريه هاي ناپايداري هسته اي:نسبت نوترون به پروتون n/Z (شكل)اگر n/Z بيشتر و يا كمتر از خط پايداري باشد هسته ناپايدار و با تابش خودبخودي ذره و گاهي گاما به پايداري مي‌رسد.اين حالت را دگرگوني، فروپاشي، و يا واپاشي (Decay or disintegration) ناميده مي‌شود.

اسلاید 10: نسبت نوترون به پروتون n/Z

اسلاید 11: (2) واكنشهاي هسته اي و فرآیندهای پرتوزا

اسلاید 12: تاريخچه راديواكتيويته در سال 1876 دوسن وکتور به وجود رادیو اکتیو در اورانيوم پی برد. هانری بکرل همان اثر را در سال 1896 مشاهده کرد. در سال 1898 ماری کوری دریافت که این پدیده علتش نفوذ پرتوی است كه از راديوم و پولونيوم تابش مي‌شود. پرتوی ناشناخته‌اي توسط ویلهم رونتگن در سال 1895 کشف شد. در سال 1899 رادر فورد پرتو آلفا و بتا را كه از اورانيوم حاصل شد شناخت.در سال 1908 کوری و ویلارد پرتوي سومی کشف کردند که آنرا پرتو گاما نامیدند.

اسلاید 13: پايدار شدن هستهيك هسته ناپايدار يا راديو نوكلئيد با پيمودن راه دگرگوني سعي در پايدار شدن مي نمايد(واکنشهای خودبخودی انرژی زا هستند).دگرگونی تک گام دگرگونی در چند گام رادیو اکتیویته(Radioactivity)رادیو اکتیویته تابش خود بخودی ذره ها یا امواج الکترو مغناطیسی از هسته یک اتم است این فرایند فرایندی کاتوره ای و آماری است

اسلاید 14: واكنشهاي و توليد جهت مصارف پزشكي

اسلاید 15: واكنشهاي هسته اي 1- شکافت یا تلاشی هسته(Nuclear Fission)2- جوش هسته ای (Nuclear Fusion)3- بمباران هسته توسط ذرات مثل پروتون، نوترون، دوتریوم، تریتیوم و يا گاما

اسلاید 16: شکافت یا تلاشی هسته(Nuclear Fission)در این روند هسته خودبخود شکافته و به دو بخش (نزدیک به هم اندازه) تقسیم می شود. این فرایند در هسته های بسیار سنگین رخ می دهد.افزون اندکی انرژی مانند انرژی که نوترون می تواند به هسته بدهد باعث تلاشی هسته به دو بخش کوچکتر می گردد. در تلاشي گرمایی هسته ها به وسیله نوترونهایی آهسته یا گرمایی ( انرژی ev0.025 ( بمباران می شود.مثال:چون این واکنش با کاهش جرمی همراه است انرژی فراوانی آزاد می گردد. نوترونهای به دست آمده از این واکنش نوترو نهای پر سرعت هستند.

اسلاید 17: شکافت یا تلاشی هسته(Nuclear Fission)این نوترونها برای این که دوباره در واکنش وارد شده و هسته های U235 را به U236 تبدیل کنند باید آهسته یا گرمایی شوند. این کار در راکتورهای هسته ای به وسیله آب، گرافیت یا آب سنگین انجام می گیرد. نمونهبرای برهم زدن هسته 238U نوترونهای با انرژی بیشتری نیاز است.اين تلاشی را تلاشی سریع می نامند و ممکن است بوسیله بمباران با ذرۀ باردار و یا با فوتون هم انجام گیرد.

اسلاید 18: جوش هسته ای (Nuclear Fusion)روندی است که در آن هسته های سبک ترکیب می شوند تا هستۀ سنگین تری بسازند و همانند تلاشی هسته ای واکنشهای جوش هسته ای انرژی زا هستند. مثال:روند جوش هسته روندی است که خورشید بر پایۀ آن انرژی ایجاد می کند. جوشهای اتمهای هیدروژن دمایی نزدیک به چندین میلیون درجه سانتیگراد نیاز دارد.

اسلاید 19: بمباران هسته توسط ذراتاین روش در برگیرنده بمباران هسته یک اتم از یک عنصر دلخواه بو سیله ذره ها مي‌باشد. هستۀ مادرو هستۀ دختر ذره بمباران کننده می تواند پروتون، نوترون، هسته هلیوم، دوتریوم، تریتیوم و ذرات دیگر باشد.

اسلاید 20: فرآیندهای واپاشی در هسته هایی که بطور مصنوعی رادیوایزوتوپ می شوند بوسیله بمباران هسته توسط ذرات رادیوایزوتوپهایی تولید میگردند كه با دگرگوني و تابش ذرات (آلفا، بتا، پوزیترون)، و يا گاما به حالت پايدار مي‌رسند.تعدادی از اینها اينها كاربرد پزشكي دارند.

اسلاید 21: تابش ذرات آلفاویژگیهای ذرات آلفا:◄ذره های آلفای تابش شده، در یک دگر گونی تک انرژی هستند.◄دارای انرژی از 3 تا 9 میلیون الکترون ولت می باشند.◄برد ذره آلفا وابسته به انرژی آن است.

اسلاید 22: دگرگونی با تابش بتااین پدیده با واگردانی یک نوترون به یک پروتون انجام می شود یعنی:ذره آنتی نوترینو نام دارد.نوترينو دارای جرم صفر و بدون بار بوده و با سرعت نور حرکت می کنند و تفاوت میان دو ذره در اسپین آنهاست.گاهی که تابش بتا هستۀ دختر را مستقیما در حالت پایه ای قرار ندهد، تابش گاما این کار را انجام می دهد.

اسلاید 23: ویژگیهای ذره های بتاذرۀ بتا دارای بار کولن و جرم ایستای کیلوگرم است.بیناب یک تابش کنندۀ خالص بتا دارای پیوستکی است و انرژی آن از تا یک اندازۀ بیشینه Emax تغییر می کند.

اسلاید 24: تابش پوزیترون دگر گونی با تابش پوزیترونهسته های ناپایدار با داشتن نسبت پایین یا دچار کمبود نوترون هستند.برای خلق پوزیترون انرژی لازم باید به وسیله هسته مادر در دسترس باشد.این انرژی مورد نيازجرم ذره پوزیترون به اضافۀ پاد ماده آن الکترون است.بنابراین انرژی لازم است.از این رو تا جرم اتمی هستۀ دختر به اندازۀ دو الکترون از جرم هستۀ مادر سبکتر نباشد، تابش پوزیترون نمی تواند انجام گیرد.

اسلاید 25: دگر گونی با ربایش الکترون(Electron Capture)شماری از رادیونو کلئیدها دارای نسبت پایین و نادلخواه هستند و تفاوت تراز انرژی هستۀ مادر و هستۀ دختر از کوچکتر است از این رو نمی تواند تابش شود.چنین هسته هایی با روند ربایش الکترون دگرگون می شوند.فوری الکترون گرفته شده توسط هسته با یک پروتون ترکیب می شود تا یک نوترون ساخته شود.

اسلاید 26: تابش پرتو گاما Gamma ray emission)) پرتو گاما يكي از گونه هاي تابش الكترو مغناطيسي است.چون انرژي E و بسامد f در موج الكترو معناطيسي با پاياي h ثابت پلانك به هم وابسته هستند.(E=hf)امواج الكترو معناطيس داراي ويژگيهاي زير مي باشند:داراي بار الكتريكي نيستند.دراري جرم نمي باشند.با سرعت نور حركت مي كنند.بسامد و طول موج آنها بستگي C= f. را دارا هستند.

اسلاید 27: گذشت ايزومريگاهي دگرگوني با تابش آلفا، بتا و يا پوزيترون, باعث قرار دادن هسته دختر ميان دو تراز انرژي پايه اي مادر و دختر مي‌گردد. در اين وضعيت هسته دختر در حالت انگيخته است.  هنگامي كه حالت انگيخته براي يك مدت زمان قابل اندازه گيري طول بكشد به آن ناپايدار گويند. حالت ناپايدار را با افزودن يك حرف m به جرم اتمي نشان ميدهند. براي جا گرفتن به حالت پايه اي, با آزاد شدن انرژي همراه است.

اسلاید 28: گذشت ايزومري در اين روند تغييري در عدد اتمي و يا عدد جرمي ايجاد نمي شود. هسته هايي كه داراي يك Z و A مي باشند و در حالت هاي متفاوت كوانتومي هستند, هسته هاي ايزومر (Nuclear Isomers)خوانده مي شوند.روند واانگيختگي اين ايزومر ها را گذشت ايزو مري مي گويند.در گذشت ايزو مري پرتو گاما تابش مي شود.

اسلاید 29: (3) برهمکنش پرتوها و ذرات پرانرژی با ماده

اسلاید 30: برخورد پرتو الفا با ماده◄ذره های الفا هسته های اتمهای هلیومی هستند که الکترون ندارند.◄چون ذره آلفا دو یکای بار مثبت دارددارای توان برخورد بالایی است.◄ذرۀ آلفا انرژی خود را با یونش و انگیخته کردن اتمهایی که در مسیرش با آنها بر خورد می نماید، از دست می دهد.◄اگر مواد رادیو اکتیو وارد بدن شده و الفا تابش کنند خطر پرتو تابی درونی بسیار بالا است.در پایان راه ذره الفا، دو الکترون گرفته و به هلیوم تبدیل می شود.

اسلاید 31: برخورد پرتو بتا با مادهبه علت جرم کوچک و بار منفی ذره های بتا این ذرات به آسانی بوسیلۀ نیروی کششی قوی هسته ای تحت تآثیر قرار می گیرد.اندازۀ از دست دادن انرژی در این بر خورد می تواند از صفر تا همۀ انرژی ذره باشدو ذرۀ انرژی هنگامی از دست می دهد که یک ذرۀ بتا به درون هسته کشیده شود.

اسلاید 32: برخورد پرتو بتادر اين حالت که سرعت کم شده و انرژی آن از دست داده ميشود یک فوتون تابش می شود. به فوتون ایجادشده در این پدیده پرتو ترمزی می گویند.ذره های بتا می توانند با الکترونهای مداری برخورد نمایند و باعث شود که الکترون مداری اتم را ترک کرده و جفت یون تولید شود (فوتونهای x ویژه).فوتونهای رونتگن ویژه هنگام بیرون رفتن از اتم ممکن است با الکترونهای مداری برخورد کرده و آنها را به بیرون پرتاب نمایند اینگونه الکترونها را الکترون سرگردان یا الکترون اوژه می نامند.مسیر پیچ در پیچ ذره بتا باعث می شود که برد میانگین آن بسیار کوچکتر از برد حقیقی باشد.بیشتر مواد رادیو اکتیوی که در پزشکی به کار می روند، تابش کننده های بتا می باشند.

اسلاید 33: مسير و برد الكترون

اسلاید 34: برخورد پوزیترون با ماده با همان روشی که الکترون با ماده برخورد می کند پوزیترون با ماده برخورد نموده و انرژیش را از راه یونش و يا انگیزش از دست مي‌دهداین کار در مسیری نزدیک به چند میلیمتر انجام می گیرد.پس از آن پوزیترون با پاد ذره اش الکترون ترکیب شده و راه نابودی را می پیماید.انرژی الکترو مغناطیسی به گونه زیر تابش می شود.

اسلاید 35: برخورد نوترون با ماده1- كشسان: هنگامي كه برخورد با هسته‌اي به اندازه خودش (آب يا پارافين) صورت مي‌گيرد انرژي جنبشي آن به هسته منتقل مي‌شود و هيچ انرژي تابش نمي‌شود. نوترون در اين پديده آهسته مي‌شود (نوترون گرمايي).2- نا كشسان: بخشي از انرژي نوترون در برخورد با هسته‌ از دست مي‌رود و بخشي بصورت فوتون تابش مي‌شود (آهسته ‌شدن نوترون به وسيله كربن).3- ربايش الكترون: همه انرژي نوترون در برخورد با هسته‌ به آن منتقل مي‌شود و دگرگوني هسته با تابش فوتون يا پرتاب يك يا چند ذره صورت مي‌گيرد.

اسلاید 36: برد ذرات مختلف

اسلاید 37: (4) رادواکتیویته، قوانین واپاشی، نیمه عمر

اسلاید 38: تعریف اكتيويتهاكتيويته يا فعاليت دگرگوني راديونوكلئيدها بر حسب شمار اتم هاي دگرگون شده در يكاي زمان ( با چشم پوشي از شمار پرتو هاي تابشي) اندازه گيري مي شود.هسته هاي راديو اكتيو مي توانند با يك و يا با چند روند دگرگوني شوند. برخي از هسته هاي راديو اكتيو تابش كننده بتاي خالص هستند و برخي ديگر مانند 131I تابشهاي گوناگوني دارند. 131I با تابش پرتو () به يكي از پنج حالت انگيخته هسته گزنون دختر (Xe) دگرگون شده و پس از آن بگونه اي آني با تابش هاي گو ناگون () به حالت پايه اي مي رسد.

اسلاید 39: تعریف اكتيويتهنسبت اتمهایي که دگرگون می شوند متناسب با N شمار اتمهاي موجود در نمونه است. اگر از N هسته رادیونوکلوئید تعداد dN هسته پس از گذشت زمان dt واپاشی نماید رادیواکتیویته از رابطه زیر بدست می آید: احتمال آماري دگرگوني با يك روند خاص براي يك رادیونوکلوئیدثابت است.

اسلاید 40: ثابت واپاشی (پاياي دگرگوني)احتمال واپاشی یک هسته رادیونوکلوئید در واحد زمان با ثابت واپاشی  (پایای دگرگونی) تعریف می شود و هر راديو ايزوتوپ ( هسته ناپايدار) با ثابت واپاشی خود که ويژگيهاي آهنگ دگرگوني آن است شناخته مي شود.پاياي نشان دهنده كسري از اتمهاست كه در يكاي زمان دگرگون مي شوندو این نسبت اكتيويته يا فعاليت دگرگون شدن هسته هاي ناپايدار يا فعاليت پرتو دهي نیز نامیده می شود. اگر  احتمال واپاشی یک هسته در واحد زمان باشد. بنابراین:A= .N

اسلاید 41: يكاي دگر گوني, يكاي اكتيويتهيكاي پيشين اندازه‌گيري كوري(Ci) نام دارد كه برابر 1010×3.7 دگر گوني يا فرو پاشي هسته اي در يك ثانيه است. از ديد تاريخي كوري برابر نسبت دگر گوني رادونRn)) در حال تراز مندي با يك گرم راديوم است.يكاي اكتيويته در سيستمSI بكرل(Bq) است و آن اكتيويته ماده است كه شمار دگرگونيهايش برابر يك دگرگوني در يك ثانيه است.كيلو بكرلKBq)) و مگا بكرلMBq)) و ژيگا بكرل GBq))

اسلاید 42: قانون نمایی واپاشیاز ترکیب دو معادله فوق داریم:برای این معادله دیفرانسیل و انتگرال گيري با در نظر گرفتن شمار اتمها در زمان t=0 بصورت N0 داريم:N=N0e-t این معادله، فرمول كلي دگرگوني مواد راديو اكتيو مي باشد و شمار هسته هاي باقی مانده رادر زمان t نشان می دهد.شمار هسته هاي دگرگون شده را پس از گذشت زمان t مي توان به سادگي به دست آورد.

اسلاید 43: محاسبه اکتیویته پس از زمان tاگر دو سوي معادله N=N0e-t را در پاياي  ضرب كنيم: N = N0e-t  A = A0e-tاگر به جاي اكتيويته مطلق, اكتيويته نسبيR (شماره اي كه دستگاه شمارنده به ما مي دهد) به كار گرفته شود به صورت زير مي باشد.

اسلاید 44: نيمه عمرنيمه عمر فيزيكي يك راديو نوكلئيد و يا ماده راديو اكتيو مدت زماني است كه در آن اكتيويته به نيمي از اندازه نخست كاهش مي يابد.اين زمان با جايگزيني و در A = A0e-t و گرفتن لگاريتم به دست مي آيد.زمان نيمه عمربا پاياي دگرگوني بستگي را دارد.

اسلاید 45: عمر متوسطعمر متوسط  براي بيان دگر گوني راديو اكتيو و اندازه گيري دوز در بيماران, فاكتور مناسبي مي باشد. چنين فرض مي شود كه شمار اتمهاي راديو اكتيوN0 تا زمان  ثابت مي مانند و پس از اين زمان همه با هم دگرگون مي شوند. اندازه  مي تواند با برابر قرار دادن سطح زير منحني فرضي دگرگوني و سطح زير منحني حقيقي دگر گوني به دست آيد.

اسلاید 46: عمر متوسطپس از انتگرال گيري:

اسلاید 47: نيمه عمر بیولوژیکینيمه عمر بيو لوژيكي برابر زماني است كه بدن با فعاليت‌هاي زيستي خود نيمي از ماده راديو اكتيو وارد شده به بدن را بيرون مي راند.احتمال حذف یک ماده از سیستم بیولوژیک با ثابت lBio نشان داده می شود.مقدار باقیمانده دارو پس از زمان t که بر اثر حذف بیولوژیکی کاهش یافته است از معادله ای شبیه رادیواکتیویته بدست می آید. نيم عمر زيستي در يك عضو نسبت به عضو ديگر تغيير ميكند. براي نمونه نيم عمر زيستي 131I در كبد 140 روز است در حالي كه نيم عمر زيستي آن در كليه 7 روز است.

اسلاید 48: نيمه عمر مؤثرتأثير نيم عمر فيزيكي و بيو لوژيكي با يك زمان ويژه كه نيمه عمر مؤثر T1/2eff مي باشد, نشان داده مي شود.بررسي هاي دوز پرتو بيشتر با بكار گيري نيم عمر مؤثر انجام مي شود.

اسلاید 49: دگرگوني پشت سر هم و اصول یک ژنراتور رادیونوکلوئید دگرگوني هاي مواد راديو اكتيو , هسته دختر به دست آمده از يك دگر گوني, خود نيز راديو اكتيو است. هنگامي كه چنين باشد بايد: اگر شمار اتمهاي راديو اكتيو A در زمان t=0 برابر Na0 و در زمان t برابر Na باشد تعداد اتمهای موجود A که می توانند به B دگرگون شوند برابرند با:

اسلاید 50: اکتیویته Bاکتیویته A(یا آهنگ دگر گونيA ) در هر زمان، معادل آهنگ توليد B می باشد و در هر زمان هم توليدB و هم از ميان رفتن آن وجود دارد.لذا آهنگ خالص دگرگوني B تفاوت ميان آهنگ توليد آن و آهنگ دگرگوني آن است بنابراين:اين معادله, برابري ترازمندي يا تعادل راديو اكتيو ميان راديو ايزوتوپ مادر و دختر است.

اسلاید 51: ترازمندي پايداراگر نيم عمر راديو ايزوتوپ مادر بسيار بزرگتر از نيم عمر راديوايزوتوپ دختر باشد يعني T1>>T2 ( 104 برابر يا بيشتر).دگرگوني راديو ايزوتوپ مادر در چند نيمه عمر راديو ايزو توپ دختر مي تواند ثابت فرض شود.در اين دگرگوني اگر شرط هاي T1>>T2و b a<< بكار رود از معادله ترازمندي دو راديو ايزوتوپ داریم. bNb=aNaپس A1=A2 خواهد بود.

اسلاید 52: منحني ترازمندي پايدار ميان مادر و دختر راديو اكتيو مهمترين كاربرد اين ترازمندي در چشمه هاي درمان با است كه در آن رشد نوكلئيد نيم عمر طولاني نوكلئيد مادر را به دست مي آورد. اين كار باعث به دست آمدن اكتيويته ويژه يكسان در مدت زمان طولاني مي گرددكه در پرتو درماني با ارزش است.

اسلاید 53: ترازمندي گذرا:اگر نيم عمر راديو نوكلئيد مادر از دختر بزرگتر باشد (T1>T2 ) و اين بزرگي ده برابر باشد در اين حالت a كمي كوچكتر از b خواهد بود.Ab-aNb=Aaترازمندي گذرا مانند تراز مندي پايدار است بگونه اي كه پس از رسيدن به ترازمندي، اكتيويته هاي راديو ايزو توپهاي مادر و دختر با يك آهنگ كاهش مي يابند و اين آهنگ كاهش, تابعي از نيمه عمر راديو ايزوتوپ مادر است. اكتيويته راديو اكتيو دختر را مي توان در هر زماني مانند t از روي اكتيويته مادر به دست آورد. بستگي اين دو اكتيويته چنين است:

اسلاید 54: منحني ترازمندي گذرا ميان مادر و دختر راديواكتيو (ترازمندي گذراي Mo-Tc)

اسلاید 55: دگرگوني شاخه اييك راديو نوكائيد ممكن است بيش از يك راه دگرگوني داشته باشد.پاياي دگرگوني نوكلئيد مادر  , برابر جمع پاياي دگرگوني راديو نوكلئيد دختر ها خواهد بود.=B+C