KERN : bestaat uit neutronen en protonen Onderscheid : Atoom - Kern.
-
Upload
sarah-maas -
Category
Documents
-
view
228 -
download
0
Transcript of KERN : bestaat uit neutronen en protonen Onderscheid : Atoom - Kern.
.Kern denkbeeldig afbreken :hoeveelheid energie toevoegen : bindings-energie .
Kern samenstellen vertrekkende van n en p : afgifte van energie
Samenstellende deeltjes Kern
Opbouw van de kern Energie wordt vrijgegeven
Afbraak van de kern Energie moet toegevoegd worden
KERN : bestaat uit neutronen en protonenneutronen : Vrij : niet stabiel
11 minuten.
n p+ + e- + (zwakke wisselwerking)
In kern zijn de neutronen meestal stabiel.
Onderscheid : Atoom - Kern
massa geringer dan oorspronkelijk
Eb = Mcomponenten c2 - Mkern c2 “bindingsenergie” = [(Z.mp + N.mn) - M] c2
m = (Z.mp+N.mn) -M
Massa-deficiet
Maat stabiliteit: <bindingsenergie per nucleon> :
= Eb
A mc2
A
<Eb> per nucleon in functie van A
- A>10 bindingingsenergie nagenoeg constant <Eb> per nucleon in functie van A
A <Eb> : Coulomb-repulsie protonen
- A=4 hoge <Eb> : He-kern extra stabiel. -deeltje (straling).
- zone 50 < A < 80 : grootste stabiliteit
(onthoud : ongeveer 8 Mev).
Er is een nieuw soort kracht nodig om te verklaren dat de kernen nietuit elkaar vallen : de sterke wisselwerking
Yukawa (1935) : kracht ontstaat door uitwisseling van een deeltje : wisselkracht.
Yukawa potentiaal :
Ep(r) = Eo ro e r
ro
r
Eo en ro empirsche constanten Voorspelt het bestaan van een meson.
(Wordt gevonden maar blijkt later niet dat van Yukawa !)
Idee wordt uitgebreid naar andere interacties. ander deeltje.
Coulombkracht : foton. Gravitatiekracht : graviton ? (nog steeds hypotetisch)
( Einstein’s algemene relativiteitstheorie geometrische interpretatie)
http://230nsc1.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/funfor.html
Conclusie :
sterke wisselwerking p p , n n, p n
(onafhankelijk vd. elektrische lading)baryonen (subgroup : nucleonen) afhankelijk relatieve oriëntatie vd. spins
korte afstand (<10-15 m)op kortere afstand repulsief
de Coulomb-afstoting
4 Fundamentele krachten :
gravitatiekracht
Coulombkracht
Sterke wisselwerking
Zwakke wisselwerking
Speelt rol bij omzetting van neutron naar proton en omgekeerd
= Radioactiviteit
“KERNMODELLEN” : min of meer bevredigende beschrijving van de kernen.
geen enkel model geeft een volledige beschrijving voor alle kernen.
a) Druppelmodel . Liquid drop model.b) Collectief Modelc) Optisch model d) Schillen model (Shell model)
Schillen model (Shell model): heeft meest analogie met atoomstructuuratoom : magische getallen
2,10,18,26,54,86 afsluiten elektronen-schil.
Mendeljefkern : magische nucleonen getallen :
2,8,20,28,50,82,126eigenschappen :
quadrupoolmomentmagnetisch momentbindingsenergieligging laagste exitatieniveauwaarschijnlijkheid van neutronenvangstNilsson-model
Atomen
Experiment : Rutherford
Massa : Dominerend massa centrum massa in kern
Ladingdistributie: Lading centraal + elektronen omheen Kracht : Coulombkracht goed gekend
Spinbaankoppeling : ondergeschikt
Theorie : beweging electronen Schrödingervgl.
Potentiaal : Coulompotentiaal - voor r 0
Spatiering niveaus: enkel eV keV
Kernen
Hofstädter
Massa homogeen verdeeldgeen dominerend centrum
nucleonen gelijkmatig berechtigd. Krachtwerking slechts gedeel-telijk bekend
essentieel : schillen gemengd !
beweging nucleonenSchrödingervgl.
Rechthoekpotentiaal (diepte : MeV's)
100keV-MeV
Nuclidenaart
=
Segré-diagram
Segré-diagram
massa
stabieler
Even-even kernen stabieler dan even-oneven
Niet alle kernen zijn stabiel
(cfr. Segré-diagram)
Enkel de isotopen in de buurt van het minimum van de “valei”
stabiel
N
Z
-verval
-verval
spontanefissie
-verval
Schema sterk vereenvoudigd !
beta-straling : elektron positron.
n p + e ̃
p n + e +
neutrino ( m < 240 eV) Waarschijnlijk 0. Interactie met materie : nagenoeg onbestaand extreem moeilijk te detecteren.
Voor gegeven kern :
uitgestoten -deeltjes zelfde energie uitgestoten -deeltjes : niet alle zelfde energie.
Pauli : introduceert notie “neutrino”.Formele theorie : Fermi.
Aan
tal
-d
eelt
jes
verval van Cu 60
Kinetische Energie (MeV)
Behoud van energie en impuls vereist een derde deeltje
-straling
* spontane emissie van “naakte heliumkernen”
potE
Deeltje gaat niet over potentiaalberg, maar tunnelt erdoor : pure golfmechanica !
Verklaring (Gamow) Tunneleffect
http://www.me.utexas.edu/~uer/manhattan/
Kernfissie
Kernsplijting
Hahn-Strassman
+ veel
energie
Stralingswet van Beer
Straling door een medium :
1) absorptie 2) strooiing
model : schijfje met oppervlakte (d.i. de werkzame doorsnede) cross section /section efficace /Wirkungsquerschnitt
dn n.N. dxNa integratie vindt men :
e = e n =no N. .x no
x
I = Io e .x
absorptie : absorptiecoëfficiënt.
T = Transmissie IIo
Het begrip werkzame doorsnede wordt op veel plaatsen in de fysicagebruikt, bv. Interactie van licht, neutronen, gamastraling, electronenvangstetc.
x
d
Voor kernreacties nog steeds uitgedrukt in “barn” = 10-24 m2
Wet van Lambert-Beer
geldig voor neutronenstralingniet voor elektronen”straling”.
Exponentiële wet ?alles of niets fenomenen.
(ook demografische groei)
Elektronen op folie :
geladen deeltjes verliezen bij iedere interactie een fractie vanhun energie.stilstand : ongeveer gelijke afstand
dracht van de bundel (range).
n
x
http://www.me.utexas.edu/~uer/manhattan/
Kernfissie
Kernsplijting
Hahn
Schijnbare grootte van een kern sterk afhankelijk van de energie van het invallend neutron :
Deze pieken noemt men resonanties. Hun eindige breedte duidt op het bestaan van kortlevende “samengestelde kernen” (levensduur van de grootteorde 10-15 s
best trage neutronen snelle neutronen
Vertragen : modereren“thermische neutronen”
Kettingreactie
Pressurized Water Reactor (PWR)The pressurized water reactor belongs to the light water type: the moderator and coolant are both light water (H2O). It can be seen in the figure that the cooling water circulates in two loops, which are fully seperated from one another.
http://www.npp.hu/mukodes/tipusok/pwr-e.htm
Schematische voorstelling van de neutronen flux in een kernreactor. Om de reactor “kritisch” the houden moeten er evenveel neutronen overschieten aan het eind als waarmee er wordt aangevangen.
Fissie is meestal binair (2 fragmenten)
Zelden ternair (3 fragmenten)
Neutronen worden niet als “fragmenten” beschouwd
De massa’s van de twee fragmenten zijn meestal verschillend.
zichtbaarlicht(1 eV)
Röntgenstraling(10 keV)
1 MeV
1 à 5 Ao
1 à 5 fm
Atoom Kern
Fissiefragmenten : desintegreren (zijn niet stabiel)
zijn verantwoordelijk voor residuele radioactiviteit van de brandstofstaven.
stabiel
N
Z
-verval
-verval
spontanefissie
-verval
Vb:
Koolstof !
Fast breeder reactors
The core of a fast breeder reactor consists of two parts. The fuel rods, which contain a mixture of uranium dioxide and plutonium dioxide, are found in the inner part. Here fission reactions dominate, while in the outer part the predominant process is conversion of U-238 to Pu-239. This part contains depleted uranium (i.e. uranium, in which the U-235 content is even lower than the natural 0.7%). In such a reactor one can achieve that more fissile plutonium nuclei be produced in a unit time than the number of fissile nuclei which undergo fission (hence the name "breeder"). On the other hand, neutrons are not thermalized, since fast neutrons are needed for the above described processes.
http://www.curtin.edu.au/curtin/centre/waisrc/OKLO/Where/Where.html
http://www.ans.org/pi/np/oklo/
Natuurlijke Reactor : OKLO - GABON
http://www.me.utexas.edu/~uer/manhattan/
Kernfusie Kernversmelting
Kriterium van Lawson
n > 1014 s/cm3
D-T plasma : thermonucleaire reacties
Scintillatie methode.
-deeltjes : luminescentie zink sulfide, barium, platinium cyanide, diamant .....
redelijk selectief : en -straling manifesteren zich praktisch niet (o.a. door Rutherford )
Nieuwe scintillatoren : ook voor en -straling.
Men gebruikt :
anorganische zouten : alkalihalogeniden met geringe dopering (aJ enKJ met Th. (hygroscopisch!)
kristalijne organische materialen : naphtaleen anthraceen en stilbeen.
oplossingen van organische verbindingen zoals terphenyl in xyleen.
Radioactiviteit Detecteren
scintillaties fotocathode (fotoeffect) versterking
Fotovermenigvuldiger (kortweg PMgenoemd, PM = Photo Multiplier).
PM : ook los van scintillator gebruikt in bv. spectrofotometers.
Optisch : reflector vezeloptica. Fotocathode : Fotoelectrisch effect
Dynode’s gevoed via “spanningsdeler”
stroom versterking : secondarieelektronen.
scintillator
Fotovermenigvuldiger
licht-fotonen
straling
anode
fotokathode
naartelcircuit
reflector
dynodenspanningsdeler
-1000 V
+200V
0V
50 k
500 k
Spectrum : aantal pulsen in functie(de pulshoogte).Pulshoogte met hoeveelheid geabsorbeerde energie.
Comptonrand. (Compton-edge) bij kleinere pulshoogten.
PM thans meestal vervangen door FET versterkers.Alleen indien snelheid vereist : PM, bv. TOF (vliegtijdmetingen Time of Flight)
elektromagnetische straling : Gammastraling
hoge frequentie en korte golflengte "klassieke" vergelijkingen van Maxwell volstaan niet.
deeltjeskarakter : meer uitgesproken dan golfkarakter.
Quantisatie van de vergelijkingen van Maxwell .
Familie : radiogolven microgolven (cm en mm-golven)
lichtstralen (IR, zichtbaar, UV)Röntgenstraling (zacht >< hard)
-stralen (zacht >< hard)
Grootteorde energiequantum (h ) 106 eV = 1 MeV.
“Ioniserende straling” Röntgen en Gammastraling
Zacht Hard
Interactie mechanismen :
1. Fotoeffect : Sterkst bij lage energie
2. Compton-strooiing :
3. Paarproductie :
E > 2 mec2
(d.i. 2 x 512 MeV = 1,2 MeV)
e + e
Behoudswetten : 3e deeltje (een atoomkern).
Anihilatie: behoudswetten :
steeds 2 's
e + e 2
ontsnappingspiek. primaire fotopiek : alle energie omgezet.
Ionisatiekamer, Proportionele Teller, GM-teller..
Meestal cylindergeometrie
VR
versterker & puls teller
Anode
Kathode
Gauss-oppervlak
(Gauss)2 o r L E L
E =
2 o r dV = E(r).dr
V(r) = ln r + C
2 o
Randvoorwaarden
r = Vi = ln Ri + CR i
2 o
r = Ru Vu = ln Ri + C
2 0
V = Vu - Vi = ln
2 o
Ru
R i
E = = 2 or
Vr ln(Ru/R i
Besluit : sterk veld (anode).
Ionisatiekamer
Proportioneleteller
G-M-teller
Aangelegde Spanning
Aan
tal i
onen
pare
n
G
root
te S
troo
mpu
ls
deeltje 2
deeltje 1
Recombinatiegebied Gedeeltelijk
Onophoudelijke
proportioneel
ontlading
recombinatie : niet gedetecteerd.
Spanning : minder recombinatie : stroompuls ( aantal geproduceerde ionenparen)
Spanning : secondaire ionenparen e
(“gasversterking”).
Stroompuls aantal oorspronkelijke ionenparen. (“proportioneel gebied”) gedeeltelijke proportionaliteit.
Spanning saturatie : stootionisatie lawine-achtige ontlading. toevoegen van “quenchers”.
Ionisatiekamer discriminatie mogelijk
Proportionele teller
versterking via secondaire electronendiscriminatie mogelijk
Geiger Müller-tellersaturatie : door “ruimtelading” gelimiteerde pulsdiscriminatie niet meer mogelijk
Halgeleiderdetectoren.
De PN-junctie : verarmingslaag.
Voordelen :
1) dichtheid > gasgevulde detectoren2) energie om een ionenpaar te produceren in gassen : groot : 42 eV (He)
22 eV (Xe) 34 eV (lucht).
Voor halfgeleider : per “ionenpaar” 2,9 eV Ge 3.5 eV Si. Hoogte puls : karakteristiek vr. energie vh gedetecteerde deeltje. Oplosssend vermogen > scintillatie-detectoren : (actief volume kleiner)
Neutronen detectie
Detectie gebeurt onrechtstreeks.Laagenenergetische neutronen is de BF3-teller. 10B(n, )7Li
Proton Recoil : Botsing met waterstofkernen. Snelle neutronen : via geïnduceerde fissie in zware kernen.
Röntgenstralen-detectie ?:
Röntgenstraling gammastraling. "Harde Röntgenstraling" = Zachte Gammastraling"
Röntgentoepassingen Medische wereld Diagnose lassen Fotografische Plaat.CCD detectoren : structuurbepaling (diffractie) microtomografie. (beeldvorming)
Discriminatoren : electronische circuits
herkenning van verschillende soorten straling. pulshoogte discriminatie pulsvorm discriminatie.
Combineren van detectoren.
Meerdere detectoren aan 1 registratietoestel :
detector 1 detector 2
Telescopische (richtinggevoelige) werking
Fan In : cfr OPAMP.
Coïncidentie
vb : triggering Wilson en Bellenkamers
coïncidentiecircuit(1)
(2)
Anticoïncidentie
( 1 )
(2 )
preparaat
Anticoïncidentiecircuit
vb. Kosmische straal elimineren
Telstatistiek
meettijd
n = 11
n = 10
t
t
Pt = t
x x x x
N intervallen in tijd t
(N-n) "mislukkingen" n maal "succes"
Psucces : t/N.Pfaling : (1- t/N).
welbepaalde keuze 1 t/N)N-n.( t/N)n
opeenvolging van geen belang : x combinaties
Pn = N!
(N-n)!.n! 1 t/N)N-n .( t/N)n
aantal intervallen N terzelfdertijd de intervallen 0.
Pn = N(N-1)(N-2).....(N-n+1)
n! 1 t/N)N.(1 t/N)-n.( t/N)n
Pn = 1(1- 1
N 1 2N ....1- n-1
N n! 1 t/N)N.(1 t/N)-n.( t)n
limietovergang :
, , ....., 1N 0
2N 0
n-1N 0
lim [ lim = 1 t/N)N 1 t/NN/ t t. e t
lim = 1(1 t/N)-n
Pn = ( t)n e t
n!
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0 15 30 45 60 75 90
Poissondistributie voor t = 60
n
Pn
Fout op de meting : N tellen : MFN = N
RF = = N
N1N
langer meten voor “betere statistiek”
Tellen we wel wat we willen tellen ?
Dode tijd : (Geiger Müller teller)
Na iedere puls : detector voor een tijd “dood” Gedurende t : N geteld op t is de detector N. “dood” : (t - N aktief. Echte telkadans = i.p.v.
Nt N
Nt
Pile up : (Scintillatieteller)2 pulsen tellen op tot grotere puls verkeerdelijk als 1 met hogere energie
gedetecteerd.
Activiteit : aantal desintegraties per seconde
Bequerel - vroeger Curie (1 Ci = 3,6 1010 Bq)
Dosis : wat verricht straling in een materiaal ?
Rad :1 erg / cm3
100 rad = 1gray
Roentgen : 3,33 10-10 C / cm3
In lucht !!!!!
rem
100 rem = sievert
Detectoren : film / TLD
Dosisequivalent : wat verricht straling in een mens ?
Dosisequivalent = Dosis x RBE
X 1
1-1.7
10-20
n (thermisch) 4-5
n (snel) p 10
Zware ionen 20
100 Sv : centraal zenuwstelsel beschadigd : dood binnen enkele dagen 10-50 Sv : beschadiging maag- darmkanaal : dood na 1 of 2 weken 3-5 Sv : beschadiging rode bloedlichaampjes : ½ dood na 1tot 2 maanden.
Acuut bestralingssyndroom.
Hedendaags standpunt : er bestaat geen minimale veilige grens
berekend risiko
- ALARA : zo min mogelijke bestraling.