of 46/46
Sveučilište u Splitu Kemijsko-tehnološki fakultet Ionizirajuće zračenje u biosferi Mile Dželalija Split, 2006.

Ionizirajuće zračenje u biosferi

  • View
    224

  • Download
    1

Embed Size (px)

Text of Ionizirajuće zračenje u biosferi

  • Sveuilite u SplituKemijsko-tehnoloki fakultet

    Ionizirajue zraenje u biosferi

    Mile Delalija

    Split, 2006.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 2

    O-407 Ionizirajua zraenja u biosferi (2+0+0) Ispit: pismeni (7 konceptualnih pitanja i numerikih zadataka), 50 % ocjene, seminar (studenti pripreme i prezentiraju odabranu problematiku), 30 % ocjene, usmeni (3 konceptualna pitanja), 20 % ocjene. Literatura: M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu,

    Kemijsko-tehnoloki fakultet, 2005. Z. Jakobovi, Ionizirajue zraenje i ovjek, kolska knjiga, Zagreb, 1991.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 3

    Sadraj Uvodno...........................................................................................................................5 1 Ionizirajue zraenje ..............................................................................................6

    1.1 Elektromagnetsko zraenje ............................................................................6 1.2 Zraenje masenim esticama .........................................................................7

    2 Struktura atoma......................................................................................................7 2.1 Jezgra atoma...................................................................................................8 2.2 Izotopi vodika ..............................................................................................10 2.3 Modeli jezgre ...............................................................................................11 2.4 Struktura nukleona i moderna slika jezgre...................................................12

    3 Radioaktivnost .....................................................................................................13 3.1 Zakon radioaktivnog raspadanja ..................................................................14 3.2 Alfa raspad ...................................................................................................15 3.3 Beta raspad...................................................................................................16 3.4 Gama raspad.................................................................................................17 3.5 Otkrie radioaktivnosti.................................................................................17 3.6 Prirodna radioaktivnost ................................................................................18

    4 Nuklearni modeli .................................................................................................19 4.1 Nuklearni energijski nivoi............................................................................19 4.2 Model ljuski .................................................................................................20 4.3 Kolektivni model .........................................................................................21

    5 Sunce i druge zvijezde .........................................................................................22 6 Ubrzivai..............................................................................................................23

    6.1 Van de Graaff...............................................................................................23 6.2 Linearni akceleratori ....................................................................................24

    7 Nuklearne reakcije ...............................................................................................24 8 Traenje tekih elemenata....................................................................................27 9 Faze nuklearne tvari .............................................................................................28 10 Porijeklo elemenata..........................................................................................30 11 Nuklearni reaktori ............................................................................................31 12 Meudjelovanje zraenja i tvari.......................................................................31

    12.1 Elektromagnetsko zraenje pri prolazu kroz tvar ........................................32 12.2 Zraenje masenih estica pri prolazu kroz tvar............................................33

    13 Mjerenje ionizirajueg zraenja .......................................................................33 13.1 Primjeri mjernih ureaja ..............................................................................33

    14 Primjena ...........................................................................................................35 14.1 Detektor dima...............................................................................................35 14.2 Kozmika zraenja.......................................................................................36 14.3 Istraivanje materijala ..................................................................................36 14.4 Nuklearna medicina: dijagnostika................................................................36 14.5 Nuklearna medicina: terapija .......................................................................37 14.6 Odreivanje starosti .....................................................................................37 14.7 Primjena u industriji.....................................................................................38 14.8 Odstranjenje mina ........................................................................................38 14.9 Radioaktivni izvori energije.........................................................................38 14.10 Nuklearna oruja......................................................................................38 14.11 Elektrane ..................................................................................................39

    15 Nuklearna fisijska energija ..............................................................................39 16 Nuklearna fuzijska energija .............................................................................40

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 4

    17 Zraenja u okoliu............................................................................................40 17.1 Radijacijska oteenja..................................................................................41 17.2 Mjerne jedinice i doze..................................................................................41 17.3 Radioaktivnost u prirodnom okoliu............................................................42

    18 Bioloko djelovanje ionizirajueg zraenja .....................................................44 18.1 Prirodna doza ...............................................................................................44 18.2 Uinci niskih doza........................................................................................44 18.3 Uinci velikih doza ......................................................................................45 18.4 Nesree nuklearnih elektrana.......................................................................45 18.5 Kriteriji kod zatite od zraenja ...................................................................45

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 5

    Uvodno Nuklearna fizika, ili fizika jezgre atoma, je dio fizike koji izuava strukturu, svojstva i meudjelovanja atomske jezgre. Atomska jezgra je u sreditu atoma i dio je atoma u kojem se nalazi gotovo sva masa atoma. Razumijevanje ponaanja nuklearne tvari, pri normalnim i ekstremnim uvjetima, je jedna od glavnih zadaa dananjih istraivanja u fizici. Ekstremni nuklearni uvjeti postojali su tijekom stvaranja ranog Svemira, danas postoje u sreditima nekih zvijezda, a mogu biti stvoreni i u laboratorijskim uvjetima sudara jezgri atoma. Mjerenjima, nuklearni fiziari istrauju svojstva, oblike i raspade jezgri pri mirovanju i u uvjetima meusobnih sudara. Neprestano se nastoji odgovoriti na pitanja kao to su: mehanizam zajednikog boravka nukleona u jezgrama, u kojim su kombinacijama protona i neutrona mogua postojanja jezgri, to se dogaa pri ekstremnim gustoama, odakle postojanje jezgri atoma poznatih na Zemlji, i drugo. Za svoja istraivanja u nuklearnoj visokoenergijskoj fizici fiziari se slue eksperimentalnim i teorijskim postupcima koristei visokoenergijske akceleratore, moderne detektore, te raunalsku opremu. Za razliku od mnogih drugih pojava u prirodi, ionizirajue zraenje je pojava za koju ljudska osjetila nisu razvijena. Izravne posljedice djelovanja ionizirajueg zraenja na ivi svijet veinom su zakanjele i teko ih je povezati s uzrokom. ovjek moe biti izloen i smrtonosnoj dozi ionizirajueg zraenja a da u samom trenutku ozraivanja nita ne osjeti. Posljedice ozraivanja, bez osjetilne veze s uzrokom zapaaju se tek nakon nekog vremena, od nekoliko sati do nekoliko dana ili ak godina, to ovisi o vrsti i svojstvima tog zraenja. Otuda je razumljiv ovjekov strah, a poznavanje osnovnih svojstava ionizirajueg zraenja, meudjelovanja zraenja s tvari, a posebno djelovanja zraenja na iva bia, je neobino vano u strunom i psiholokom smislu. Pojave ionizirajueg zraenja zapaene su polovicom 19. stoljea pri prouavanju elektrinih struja u plinovima. Julius Plcker je 1858. godine po svjetlucanju razrijeenog plina, koji se nalazio izmeu elektroda pod visokim naponom, zapazio zraenje koje iz blizine katode struje prema anodi. Nazvao ih je katodnim zrakama. Sljedeih desetak godina Wilhelm Hittorf, Villiam Crookes i drugi istraivai dokazali su da se katodno zraenje prostire pravocrtvno, velikim brzinama i da su negativno naelektrizirane estice. Georg Francis Fitzgerald ih je nazvao elektronima. Eugen Goldstain je 1881. godine, istraujui katodno zraenje, otkrio drugu vrstu zraenja, koja u cijevi idu u suptornom smjeru od katodnog zraenja, koje su poslije nazvane protonima. Wilhelm Conrad Rntgen je 1895. godine zapazio novo zraenje koje je nazvao X-zraenjem. Poslije je to zraenje nazvano i rendgenskim zraenjem. Ve nekoliko mjeseci nakon otkria X-zraenja, poela je medicinska dijagnostika primjena tog zraenja. Nakon toga, Henri Bacquerel, Pierre i Maria Curie, te Ernest Rutherford otkrili su nova zraenja, koja su nazvana -zraenjem i -zraenjem, a Paul Villard je 1900. godine u istom snopu pronaao i treu komponentu, koju je nazvao -zraenjem. Tek su poslije E. Rutherford i Kans Geiger dokazali da su -estice jezgre atoma helija. Walter Bothe i H. Backer zapazili su 1930. godine jo jedno novo zraenje, koje je nazvano neutronima. Ovakva istraivanja, osim rendgenske dijagnostike, bila su vana samo za temeljna znanstvena istraivanja, a koje je postalo zastraujue pojavom nuklearnog oruja 1945. godine.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 6

    1 Ionizirajue zraenje Zraenje je pojava prijenosa energije u obliku fotona (kvanti elektromagnetskog zraenja) ili masenih estica, a zraenje koje ima dovoljno energije da u meudjelovanju s tvari ionizira tu tvar naziva se ionizirajuim zraenjem. Ionizirajue zraenje posljedica je promjene stanja materije u mikrosvijetu. To su promjene u energiji ili u sastavu atoma ili atomske jezgre, pri emu se emitiraju fotoni ili druge estice. U meudjelovanju s tvari dolazi do izmjene energije i izmjene strukture ozraene tvari. Takve posljedice mogu biti korisne, ali i vrlo tetne.

    1.1 Elektromagnetsko zraenje Elektromagnetsko zraenje uglavnom nastaje prijelazom elektrona s vie energijske razine na niu razinu, zatim koenjem ili promjene smjera gibanja elektrona, te u procesima promjene stanja atomske jezgre. Osnovna svojstva elektromagnetskog zraenja su brzina prostiranja, frekvencija, pripadna valna duljina, te energija kvanta (fotona). Brzina prostiranja elektromagnetskog zraenja, c, u odreenom sradstvu je stalna, a vakuumu iznosi 299792458 m/s. Frekvencija elektromagnetskog zraenja, , je kvocijent broja promjena elektrinog i magnetskog polja i odgovarajueg vremena. Jedinica za frekvenciju je herz (Hz = s-1). Valna duljina, , je kvocijent brzine prostiranja u nekom sredstvu i frekvencije tog elektromagnetskog zraenja

    c= .

    Energija pojedinih fotona elektromagnetskog zraenja ovisi o frekvenciji, :

    hE = ,

    gdje je h 6.62610-34 Js Planckova konstanta. Jedinica je joul (J), a u atomskoj fizici u estoj je uporabi elektronvolt (eV), odnosno njezine s decimalnim prefiksima, kiloelektronvolt (keV) i megaelektronvolt (MeV). Elektromagnetsko ionizirajue zraenje obuhvaa rendgensko zraenje i gama zraenje, iako ionizaciju nekih tvari moe uzrokovati i ultraljubiasto elektromagnetsko zraenje. Rendgensko zraenje ine elektromagnetski valovi kratkih valnih duljina, od 10-10 do oko 10-13 m. esto se naziva i X-zraenjem. Posebna vrsta rendgenskog zraenja je tzv. zakono zraenje koje nastaje kad elektroni znaajno mijenjaju svoju brzinu, bilo iznos, bilo smjer gibanja. Gama zraenje, -zraenje, ine elektromagnetski valovi valnih duljina kraih od 10-13 m, nazvani prema jednoj od komponenti zraenja prirodno radioaktivnih tvari, a danas se openito gama zraenjem naziva svako elektromagnetsko zraenje tih valnih duljina, bez obzira na porijeklo. Osim valnom duljinom, gama zraenje esto se opisuje i energijom fotona tog zraenja. Gama zraenje nastaje energijskim prijelazima nestabilnih atomskih jezgri radioaktivnih tvari, anihilacijom estica i usporavanjem vrlo brzih nabijenih estica. Pri nuklearnim procesima u zvijezdama nastaju fotoni vrlo velikih energija, i oni su jedna od komponenti kozmikog zraenja

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 7

    to proima Svemir. To primarno kozmiko zraenje kontinuiranog je spaktra, a u meudjelovanju s atmosferom Zemlje stvara sekundarno kozmiko zraenje jo uvijek je velikih energija.

    1.2 Zraenje masenim esticama Zraenje masenim esticama nastaje raspadom atomske jezgre, a osnovna svojstva su brzina, koliina gibanja, elektrini naboj, energija estice i masa estice. Brzina masenih estica, iako vrlo velika, manja je od brzine svjetlosti. Koliina gibanja umnoak je mase i brzine estice. Elektrini naboj je svojstvo mnogih estica koje ine zraenje (elektrona, pozitrona, protona, atomskih jezgri), i uvijek je cjelobrojni umnoak elementarnog naboja, e = 1.610-19 C. Alfa zraenje (-zraenje) roj je estica koje se sastoje od dva protona i dva neutrona, tj. jezgre helija-4. Energija alfa estica koje izbacuju atomske jezgre iznosi nekoliko megaelektronvolti. U zraku mogu prei tek nekoliko centimetara. Beta zraenje (-zraenje) je svako zraenje koje se sastoji od elektrona (-) ili pozitroni (+). Takvo se zraenje spontano emitira nestabilnim jezgrama. Neutronsko zraenje je roj brzih neutrona, po masi slini protonima. Vrlo lako prodiru kroz tvar jer nemaju elektrini naboj. Neutronsko zraenje moe biti posljedica nuklearnih procesa. Komponenta je kozmikog zraenja i zraenja iz nestabilnih tekih jezgri. Vrlo snano neutronsko zraenje nastaje u nuklearnim reaktorima tijekom lanane fisije jezgri. Energija neutrona kod neutronskih zraenja iznosi od oko 10 MeV pa nanie. Ako se energija neutrona smanji na energije manje od 1 eV, nazivaju se termikim neutronima. Ostala zraenja se nazivaju prema esticama od kojih se sastoje: protonsko, deuteronsko, tritonsko, tekoionsko, i drugo. Takva zraenja mogu nastati u nuklearnim procesima, dio su kozmikog zraenja, a nastaju i u nuklearnim reaktorima ili nuklearnim eksplozijama.

    2 Struktura atoma Poetkom dvadesetog stoljea izgledalo je da se sva materija moe opisati dotadanjom slikom atoma, tj. da je tvar izgraena relativno malim brojem 'graevnih blokova' koje zovemo atomima. Takva teorija je davala dosljednu i jedinstvenu sliku za sve poznate kemijske procese toga doba. Meutim, postojali su i neki drugi procesi koji se nisu mogli objasniti tom slikom. A.H. Becquerel je 1896. godine otkrio prodorno zraenje, a godinu kasnije J.J. Thomson je pokazao da elektroni imaju negativni elektrini naboj i da pripadaju materiji koja ima masu, tzv. tvar.

    Znaajni dogaaj se zbio 1911. godine kada su Ernest Rutherford i njegovi suradnici izvodili eksperiment s nastojanjem odreivanja kuta otklona snopa tzv. -estica nakon prolaza kroz tanke listie zlata. Kakav se rezultat moe oekivati nakon takvog eksperimenta? Do toga je trenutka bio vaei Thomsonov model atoma ili tzv. model 'pudinga'. Taj model objanjava elektriku neutralnost uobiajenog komada tvari te protok negativnog elektrinog naboja. Tim se modelom moglo oekivati tek neznatni otklon -estica pri prolazu kroz tanke listie zlata.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 8

    Nedjeljevi atom Model pudinga Rutherfordov model

    Ilustracija 1: Modeli atoma: nedjeljevi atom, model pudinga, Rutherfordov model.

    Rezultat Rutherfordova eksperimenta je bio neoekivan. Dok su se mnoge -

    estice ponaale uglavnom kao to se i oekivalo, postojale su i neke koje su se otklanjale pod kutem veim i od 900. To je vodilo do zakljuka o postojanju masivne i prostorno male jezgre u atomu koja je nositelj pozitivnog elektrinog naboja. Ostali dio atoma sadri diskretno rasporeene elektrone u gibanju oko jezgre.

    Po klasinoj elektromagnetskoj teoriji, naboj koji se giba po krunoj putanji gubi energiju. Po Ratherfordovom modelu, elektroni krue oko jezgre slino orbitama planeta oko Sunca. Meutim, po tom modelu nije ubaen niti jedan mehanizam spreavanja gubitka energije elektrona dok krui oko jezgre. Taj problem stabilnosti atoma rijeio je Niels Bohr 1913. godine stvaranjem novog modela u kojem postoje tono odreene orbite u kojima elektroni ne gube svoju energiju dok krue, te stoga, ne padaju u spiralnoj putanji prema jezgri. Taj je model bio poetak stvaranja kvantne mehanike, koja uspjeno objanjava mnoga svojstva atoma. Bohrov model atoma je jo uvijek zgodna slika svijeta atoma.

    2.1 Jezgra atoma Jezgra se atoma sada shvaa kao kvantni sustav koji je sastavljen od protona i neutrona. Protoni i neutroni imaju gotovo jednaku masu i jednaku vrijednost unutranjeg momenta koliine gibanja (tj. spina) /2 ( je tzv. reducirana Planckova konstanta, h/2). Proton nosi pozitivni jedinini elektrini naboj, dok je neutron elektriki neutralan. Zajedniki naziv za proton i neutron je nukleon. Najjednostavnija jezgra je jezgra atoma vodika, koja se sastoji od samo jednog protona, dok je najvea poznata jezgra sastavljena od oko 300 nukleona. Jezgra se oznaava rednim (ili atomskim) brojem Z (tj. brojem protona) i masenim brojem A (tj. ukupnim brojem protona i neutrona), A = Z + N,

    XAZ ,

    gdje X oznaava simbol kemijskog elementa. Na primjer, za ugljik C, za zlato Au. Broj neutrona se odredi raunanjem, N = A - Z.

    Vrste atoma, koji su odreeni sastavom jezgre, dakle atomskim i masenim brojem, nazivaju se nuklidi. Razliiti nuklidi kojima je jedna od komponenti jednaka nazivaju se: izotopi (Z = konst.), izobari (A = konst.), i izotoni (A-Z = konst.). Nuklidi mogu biti stabilni ili nestabilni.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 9

    Ilustracija 2: Moderna slika jezgre atoma.

    Pored rednog i masenog broja, jezgre se razlikuju i po svom obliku, obujmu, energiji vezanja, kutnoj koliini gibanja, te drugim svojstvima. Jedan od najboljih naina odreivanja obujma jezgre je rasprenjem elektrona na jezgri. Kutna raspodjela rasprenih elektrona ovisi o raspodjeli protona, koja se moe opisati prosjenim radijusom jezgre. Naeno je da radijus jezgri ima vrijednosti izmeu 1 i 10 fm (femtometara, 10-15 m). Radijus cijelog atoma je oko 10-10 m, te je vidljivo kako je jezgra atoma znatno manja. Jezgra zauzima samo mali dio atoma. Moe biti sfernog oblika, ali ima onih koje su izduene ili spljotene. Energija vezanja jezgre je energija koja dri nukleone na okupu. Ta energija ima razliite vrijednosti za razliite jezgre, a raste s porastom masenog broja. Zbog takve razlike u energiji vezanja, neke su jezgre nestabilne i raspadaju se pretvarajui se u druge stabilnije jezgre. Uestalost raspada je povezana uz vrijeme poluraspada, koje se definira kao vrijeme koje je potrebno da se raspadne polovica jezgri nekog uzorka. Vrijeme poluraspada razliitih jezgri moe imati vrijednosti izmeu dijelia sekunde pa sve do nekoliko milijardi godina.

    Ilustracija 3: Krivulja prosjene energije vezanja po nukleonu.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 10

    2.2 Izotopi vodika esto je vrlo korisno istraivati jednostavne sustave. Jezgra vodika, kao najjednostavnija jezgra, vrlo opseno je istraivana. Izotopi1 vodika pokazuju mnoge pojave koji su pronaeni u sloenijim jezgrama. Postoje tri izotopa vodika: vodik, deuterij, i tricij. Svaki od njih ima po jedan proton, ali se razlikuju u broju neutrona. Vodik nema neutrona, deuterij ima jedan, a tricij ima dva neutrona, to znai da su im maseni brojevi jedan, dva, odnosno tri. Njihovi simboli su:

    H ,H ,H 3121

    11 .

    Atomi ovih izotopa imaju jedan elektron ime uravnoteuju naboj protona. Kako kemijski procesi ovise o meudjelovanju protona i elektrona, kemijska svojstva izotopa su gotovo identina. Energija jezgre moe se osloboditi u obliku paketia elektromagnetskog zraenja, tzv. foton. Elektromagnetsko zraenje koje nastaje u nuklearnim procesima naziva se gama-zraenje (oznaka: ). Na primjer, spajanjem protona i neutrona nastaje deuterij, iju reakciju moemo zapisati na sljedei nain:

    H H n 2111 ++ .

    Energija u obliku -zraenja ovdje se pojavljuje zbog energijsko-masenog uravnoteenja relacije. Moemo se lako uvjeriti da je masa deuterija manja od zbroja mase neutrona i protona. Privlane nuklearne sile izmeu neutrona i protona stvaraju negativnu potencijalnu energiju, tj. energiju vezanja, koja je povezana s nedostatkom mase, m, u gornjoj relaciji (Einsteinovim izrazom o ekvivalentnosti mase i energije, E = mc2). U sluaju pretvaranja deuterija u neutron i proton, potrebno je uloiti najmanje toliku energiju (2.225 MeV). Pri stvaranju tricija, dodajui jedan neutron deuteriju, jo vea e se energija osloboditi (6.2504 MeV). Odatle vidimo da nuklearna potencijalna energija ne raste na jednostavan nain dodajui nukleone. Takva energija je ugrubo proporcionalna s masenim brojem, A. Energija vezanja po nukleonu nastavlja s rastom kako se dodaju protoni i neutroni sve masivnijim jezgrama, sve dok se ne postigne maksimalna vrijednost od oko 8 MeV po nukleonu kod masenog broja A = 60. S daljnjim poveanjem masenog broja, energija vezanja po nukleonu polako se smanjuje, gdje za najmasivnije jezgre dostie vrijednosti od oko 7 MeV po nukleonu. Moemo se upitati kako uope moe postojati jedna jezgra s oko 100 protona, zato odbijanje elektriki nabijenih protona ne uzrokuje potpuni raspad takve jezgre. Za objanjenje lako prihvaamo injenicu o postojanju jake privlane sile koja e ponititi takvo odbijanje protona. Eksperimentima se utvrdilo postojanje jake privlane nuklearne sile izmeu nukleona samo kad su nukleoni vrlo blizu jedni durgima.

    1 Izotopima zovemo jezgre koje imaju jednaki redni broj Z, a razliiti maseni A.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 11

    2.3 Modeli jezgre Jedan od ciljeva nuklearne fizike je istraiti i opisati svojstva jezgri koristei matematiku formu u iskazivanju strukture i gibanja u jezgri atoma. Tri modela se pokazuju najzanimljivijima: Model kapljice, Model ljuski (istie energijske orbite nukleona u jezgri) i Kolektivni model (ukljuuje skupna gibanja, kao to su rotacije i vibracije). U Modelu kapljice jazgra se zamilja takuinom, a njena se svojstva, kao to su energija vezanja, opisuju fizikalnim veliinama volumske i povrinske energije, kompresivnosti, i drugim veliinama. To se uobiajene fizikalne veliine koje se koriste za tekuine. Ovaj je model uspjean u opisivanju razliitih deformacija jezgre i njenog cijepanja. Model ljuski za atomske jezgre je slian Modelu ljuski atoma (gdje je zamiljeno kako se elektroni organiziraju u energijske ljuske oko jezgre). Posljednji elektron (ako je u nepopunjenoj ljusci) je poznat pod nazivom valentni elektron jer moe sudjelovati u izmjeni ili slinom preureenju stvarajui kemijsku reakciju s drugim atomima. Ljuskasta struktura je posljedica kvantne prirode elektrona i injenice da su elektroni fermioni, tj. estice polu-cjelobrojnog spina. estice cjelobrojnog spina se nazivaju bozonima, koji nastoje zauzeti isto stanje (obino stanje najnie energije). Fermioni ine upravo suprotno: ne mogu biti u istom kvantnom stanju. Posljedica tome je to da e fermioni u vezanom stanju popunjavati raspoloiva stanja: prvo stanje najnie energije pa sve do valentne ljuske. Kod atoma, kae se da se elektroni podvrgavaju Paulijevom principu iskljuenja, ime se dobiva periodina struktura atomskih svojstava. U ovom se modelu uzima da slino vrijedi i za jezgre atoma. Kako su protoni i neutroni takoer fermioni, oni popunjavaju energijska stanja poevi od energijski najnieg stanja. U Modelu ljuski, nukleoni popunjavaju svako energijsko stanje s tono odreenim kutnim koliinama gibanja. U tom modelu postoje odvojena stanja za protone i neutrone. Osnovno stanje jezgre ima i protone i neutrone s najniom moguom energijom. Pobuena se stanja jezgre tada opisuju kao prelazak nukleona u via energijska stanja. Ovaj model je vrlo uspjean u opisivanju osnovnih svojstava atomske jezgre. Kolektivni model naglaava skupno usaglaeno ponaanje jezgri. Jedno od mnogih naina skupnog gibanja, koja se mogu dogoditi u jezgri, su rotacije i vibracije jezgre. U tom sluaju, svojstva jezgre (ili nuklearna svojstva) mogu biti prouavana koristei slina opisivanja koja se koriste u prouavanju svojstava elektriki nabijene kapljice neke tekuine u prostoru. Tada se Kolektivni model moe shvatiti kao proirenje Modela kapljice. Oba modela daju dobro polazite u razumijevanju cijepanja jezgre, tzv. fisije. Pored fisije, Kolektivni model ima uspjeha u opisivanju razliitih nuklearnih svojstava, posebno energijskih nivoa jezgre s parnim brojevima protona i neutrona. Parnost u broju neutrona i protona esto znai nepostojanje valentnih estica tako da nije potrebno koristiti Model ljuski. Energijski nivoi oznaavaju rotacijske i vibracijske sustave koji se oekuju zakonima Kvantne mehanike. Uobiajena svojstva ovakvih jezgri, kao to su energije pobuenja, kutne koliine gibanja, magnetski momenti, oblici jezgri, mogu biti objanjeni Kolektivnim modelom. Model ljuske i Kolektivni model prestavljaju dva ekstremna ponaanja nukleona u jezgri. Realistiniji modeli pokuavaju ukljuiti oba ponaanja.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 12

    2.4 Struktura nukleona i moderna slika jezgre Imaju li protoni i neutroni unutranju strukturu? Danas znamo da je odgovor na to pitanje pozitivan. Razvojem detektora visokoenergijske fizike, fiziari su eksperimentalno utvrdili kako su jezgre atoma kompleksni sustavi sa zanimljivom unutranjom strukturom. Jedan od najznaajnijih razvoja moderne fizike je nastanak Standardnog modela fundamentalnih meudjelovanja (ilustracija 4).

    Ilustracija 4: Standardni model fundamentalnih estica i meudjelovanja.

    Tim se modelom prikazuje kako je tvarni dio materije izgraen od dvije vrste estica, kvarkova i leptona, zajedno s njihovim parovima antiestica. Leptoni su elektriki negativni (kao to su elektron, muon i tau) ili neutralni (neutrini). Kvarkovi su estice treinskog jedininog naboja, e/3 ili 2e/3 (e = 1.610-19 C). Kvarkovi su i estice polucjelobrojnog spina, tj. fermioni. Kvarkovi i leptoni se organiziraju u tri skupine. 'Up' i 'down' kvarkovi uz elektron i elektronski neutrino pripadaju skupini koja izgrauje uobiajenu materiju. Ostale dvije skupine stvaraju estice koje su kratkoivue i nemaju znaajan utjecaj na jezgru atoma. One imaju znaaj u objanjenju stvaranja ranog Svemira. U slici Standardnog modela, protone i neutrone se shvaa kao estice sastavljene od kvarkova. estice sastavljene od kvarka nazivaju se hadronima, a podskupina estica koje su sastavljene od tono tri kvarka naziva se barioni. Proton je sastavljen od dva 'up' i jednog 'down' kvarka, a neutron od dva 'down' i jednog 'up' kvarka. Druga skupina unutar hadrona su mezoni koji su izgraeni od para kvarka i antikvarka. Primjer estice je pion.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 13

    Kako barioni i mezoni imaju unutarnju strukturu, tj. sastavljeni su od kvarkova, to znai da se mogu nalaziti u energijski pobuenim stanjima, jednako kao to mogu i atomi i jezgre atoma. Jedan primjer pobuenog stanja protona obino se oznaava Delta-1232 (gdje je 1232 MeV/c2 energijski ekvivalent mase estice). Kod atoma, energija potrebna za pobuenje elektrona na vie energijsko stanje se kree od nekoliko eV do oko tisuu eV. Za pobuenje nukleona u jezgri tipino je vrijednost od oko jednog MeV, dok kod pobuenja kvarkova u protona to iznosi oko 300 MeV. Pronazak prikladnih teorijskih opisivanja pobuenih stanja bariona i mezona izuzetno je aktivno podruje istraivanja nuklearne i visokoenergijske fizike. Kako su pobuena stanja openito kratkoivua, esto ih je teko prepoznati. Postoji niz svjetskih laboratorija na kojima se istrauju takva svojstva, kao to su CERN pored eneve, Fermilab pored ikaga, SLAC kod Stanforda, DESY u Hamburgu, i drugi.

    3 Radioaktivnost U radioaktivnim procesima, estice ili elektromagnetska zraenja emitiraju se iz jezgri atoma. Najuobiajeniji oblici zraenja tradicionalno se nazivaju alfa (), beta () i gama () zraenjima. Zraenja iz jezgre se dogaaju i u drugim oblicima, ukljuujui emitiranje protona ili neutrona te spontanih fisija (cijepanja) masivnih jezgri. Od svih jezgri koje su pronaene u prirodi, mnoge su stabilne. To je zbog toga to su se sve kratkoivue radioaktivne jezgre raspale tijekom povijesti Zemlje. U prirodi se nalazi oko 270 stabilnih i oko 50 prirodnih radioaktivnih izotopa. Tisue drugih radioaktivnih izotopa umjetno su stvarani u laboratorijima.

    Radioaktivni raspad pretvara jednu jezgru u drugu ako nova jezgra ima veu energiju vezanja po nukleonu nego to je imala poetna jezgra. Razlika u energiji vezanja (prije i poslije raspada) odreuje koji se raspadi mogu energijski dogaati, a koji ne. Viak e energije vezanja izlaziti u obliku kinetike energije ili mase estica u raspadu.

    Ilustracija 5: Prikaz stabilnih i radioaktivnih izotopa manje mase.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 14

    Karta jezgri atoma (dio prikazan na ilustraciji 5) je dvodimenzionalni dijagram prikaza svih poznatih jezgri u ovisnosti o broju protona (Z) i neutrona (N). Sve stabilne jezgre i sve poznate radioaktivne, i prirodne i umjetno stvorene u laboratorijima, su prikazane u toj karti s osnovnim svojstvima raspada. Jezgre su takoer nestabilne ako nisu u svom najniem energijskom stanju. U tom sluaju, jezgra se moe raspasti oslobaajui viak energije u obliku -zraenja bez promjene broja protona i neutrona. Nuklearni raspadi moraju zadovoljiti nekoliko zakona ouvanja, podrazumijevajui da vrijednost ouvane veliine nakon raspada (uzimajui u obzir sve produkte) ima jednaku vrijednost kao i za jezgru prije raspada. Ouvane veliine su ukupna energija (ukljuujui ekvivalent energije mase), elektrini naboj, linearna i kutna koliina gibanja, broj nukleona, te leptonski broj (tj. suma broja elektrona, neutrina, te pozitrona i antineutrina, uzimajui antiestice s -1).

    3.1 Zakon radioaktivnog raspadanja Vjerojatnost da e se pojedina jezgra raspasti tijekom nekog vremenskog intervala ne ovisi o dobi dotine jezgre ili o tome kako je ona stvorena. Iako se stvarno vrijeme ivota pojedine jezgre ne moe predvidjeti, srednje (ili prosjeno) vrijeme ivota nekog uzorka identinih jezgri moe biti izmjereno i predvieno. Jednostavan nain odreivanja vremena ivota nekih izotopa je mjerenje vremena raspada polovice jezgri tog promatranog uzorka. To se vrijeme naziva vremenom poluraspada, T1/2. Od originalnog broja jezgri koje se nisu raspale, njih polovica e se raspasti ako ekamo drugi interval vremena poluraspada pa ih ostaje jedna etvrtina. Za jo jedan interval vremena poluraspada ostat e ih samo osmina neraspadnutih, itd.

    Broj jezgri nekog uzorka koji e se raspasti u datom vremenskom intervalu je proporcionalan broju jezgri tog uzorka. To vodi na zakljuak da je proces radioaktivnog raspada eksponencijalni proces (kao na ilustraciji 6).

    Ilustracija 6: Primjer eksperimentalnih podataka raspada jezgre 137B.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 15

    Broj, N, jezgri koje su ostale neraspadnute nakon vremena, t, u odnosu na izvorni broj jezgri, N0, je

    teNN = 0 , gdje se naziva konstanta radioaktivnog raspada i vrijedi

    2/1

    2lnT

    = ,

    a mjerna jedinica je reciprona sekunda, s-1.

    3.2 Alfa raspad U alfa raspadu (ilustracija 7), jezgra emitira jezgru helija 4, tj. -esticu. Alfa raspad se dogaa najee kod masivnih jezgri koje imaju prevelik omjer protona u odnosu na neutrone. Alfa estica s dva protona i dva neutrona je vrlo stabilna konfiguracija nukleona. Mnoge se jezgre masivnije od olova raspadaju ovim raspadom.

    Ilustracija 7: Primjer -raspada.

    Kod alfa-raspada atomski i redni brojevi jezgre se mijenjaju, to znai da jezgra koja se raspada i jezgra nastala tim raspadom pripadaju razliitim elementima, te stoga, imaju razliita kemijska svojstva.

    Ilustracija 8: Gornji dio Nuklearne karte gdje su oznaeni polonij i olovo (210Po se raspada u 206 Pb).

    Kod -raspada, promjena energije vezanja pojavljuje se u obliku kinetike energije -estice i jezgre u koju se raspada originalna jezgra. Kako u ovom procesu i koliina

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 16

    gibanja mora biti ouvana, to -estica i novonastala jezgra imaju dobro definiranu energiju nakon raspada. Zbog manje mase veina kinetike energije ide s -esticom.

    3.3 Beta raspad

    Ilustracija 9: Primjer beta minus i beta plus raspada.

    Beta estice (-, +) su elektroni i pozitroni (elektroni s pozitivnim nabojem, tj. antielektroni). -raspad se dogaa kada se, kod jezgri koje imaju previe protona ili previe neutrona, jedan od protona (ili neutrona) pretvori u neutron (odnosno proton). Kod --raspada, neutron se raspada u proton, elektron i antineutrino:

    n p + e- + ~ . Kod +-raspada, proton se raspada u neutron, pozitron i neutrino:

    p n + e+ + . Ova dva beta raspada dogaaju se kod jezgri koje se nalaze svake u svom dijelu Nuklearne karte. Jezgre prikazane u Nuklearnoj karti raspadaju se na nain da idu takvim raspadom koji ih vodi prema jezgrama stabilnog pojasa. I kod ovih raspada odreeni zakoni ouvanja moraju biti zadovoljeni. Na primjer, zakon ouvanja naboja zahtjeva da ako se elektriki neutralni neutron pretvori u pozitivni proton, tada mora biti proizvedena elektriki negativna estica (u ovom sluaju elektron). Slino tome, zakon ouvanja leptonskog broja zahtjeva da kod raspada neutrona (leptonski broj = 0) u proton (leptonski broj = 0) i elektron (leptonski broj = 1) dodatna estica mora biti proizvedena s leptonskim brojem -1 (u ovom sluaju antineutrino). Treba naglasiti da leptoni emitirani u beta raspadu ne postoje u jezgri prije raspada. Oni su stvoreni u trenutku raspada. Ono koliko se danas zna, izolirani proton (tj. jezgra vodika s ili bez elektrona) se ne raspada. No, unutar jezgre, beta proces moe promijeniti proton u neutron. Izolirani neutron je nestabilan i raspada se s vremenom poluraspada od oko 10.5 minuta. Unutar jezgre neutron se raspada s vremenom poluraspada ovisno o jezgri u kojoj se nalazi.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 17

    Raspad protona, raspad neutrona, te tzv. uhvat elektrona su tri naina u kojoj se proton moe pretvoriti u neutron i obratno. Kod svih tih raspada, mijenja se radni broj elementa za jedan, a maseni broj ostaje nepromijenjen. Kod beta raspada, promjena energije vezanja odlazi na masu i kinetiku energiju beta estica, energije neutrina, te kinetike energije nove jezgre. Kinetika energija emitirane beta estice moe imati iroki spektar vrijednosti (zbog postojanja triju estica u raspadu).

    3.4 Gama raspad

    Ilustracija 10: Primjer -raspada.

    Kod -raspada (ilustracija 10), jezgra mijenja svoje stanje iz energijski pobuenog stanja u stanje s niom energijom emitirajui kvant elektromagnetskog zraenja (foton). Broj protona i neutrona u jezgri se ne mijenja. Kod ovog raspada, foton koji je nastao i jezgra nakon raspada imaju dobro definiranu energiju nakon raspada jer su samo dvije estice nastale nakon gama raspada.

    3.5 Otkrie radioaktivnosti Henri Becquerel je 1896. godine uzeo prirodne fluorescentne minerale kako bi prouavao svojstva X-zraka, koje je Wilhelm Rntgen otkrio godinu ranije. Rntgen je vjerovao da uran apsorbira sunevu energiju pa poslije emitira X-zraenje. Becquerel je otkrio da uran emitira jako zraenje ak i kad prije toga nije bio izloen sunevu zraenju. Kae se da je Becquerel prvi otkrio radioaktivnost. Becquerel je upotrijebio instrumentarij slian na ilustraciji 11 kako bi dokazao da zraenje koje se uoava ne moe biti X-zraenje. Zraenje se otklanjalo u magnetskom polju to znai da je elektriki nabijeno. tovie, uoio je tri vrste zraenja: elektriki pozitivno, negativno i neutralno zraenje.

    Ilustracija 11: Shema instrumentarija koje upotrijebio Becquerel kad je otkrio radioaktivnost.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 18

    Marie Curie, zajedno sa suprugom Pierrom, detaljnije je istraivala

    radioaktivnost te otkrila nove, jo snanije, radioaktivne elemente, polonij i radij. Ernest Rutherford je dao imena radioaktivnim raspadima, alfa, beta i gama estice. Za zaustavljanje alfa estica bilo mu je dovoljno samo nekoliko centimetara zraka. Alfa estice nose vie elektriki pozitivnog naboja, te su masivnije i gibaju se manjim brzinama u usporedbi s beta i gama esticama. Beta estice su znatno manje masivne i imaju vee brzine. Sloj aluminija debljine jednog milimetra ili nekoliko metara zraka zaustavlja takve estice. Kako gama estice ne nosu elektrini naboj, sposobne su prei velike udaljenosti neke tvari, a da ne meudjeluju s tom tvari. I nekoliko centimetara olova je potrebno da zaustavi gama zraenje.

    3.6 Prirodna radioaktivnost Radioaktivnst je prirodni dio naeg okolia. U dananje vrijeme Zemlja sadri sve stabilne kemijske elemente od najlakeg (H) do najmasivnijeg (Pb i Bi). Svi elementi s veim rednim brojem od Bi su radioaktivni. Na Zemlji, takoer, postoji nekoliko dugoivuih radioiztopa koji su preivjeli sve do dananjih dana. Jedan takav je 40K s vremenom poluraspada od oko 1.3 milijardi godina. Raspada se beta raspadom u 40Ar i 40Ca. Mnogi se izotopi mogu raspadati na vie naina. Na primjer aktinij 226Ac se raspada sa 83 % --raspadom u 226Th, 17 % elektronskim uhvatom (226Ac + e- 226Fr + ), te s oko 0.006 % kroz -raspad (226Ac 222Fr + ). Tri vrlo masivne jezgre 232Th (vrijeme poluraspada 14.1 milijarde godina), 235U (700 milijuna godina), i 238U (4.5 milijarde godina) se raspadaju - i -raspadima zavravajui na stabilnim izotopima olova, 208Pb, 207Pb i 206Pb. Tzv. niz raspada za 238U je prikazan na ilustraciji 12.

    Ilustracija 12: Niz raspada uranovom izotopa 238U.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 19

    Jedan od meuprodukata uranovog raspadnog niza, 222Rn (radon) s vremenom poluraspada od 3.8 dana, je odgovoran za visoki nivo zraenja u mnogim dijelovima svijeta. To je prvenstveno zbog toga to je to plin i sposoban je lako se izvui iz zemlje ulazei i u prostorije u kojima ivimo i radimo. Neki od radioaktivnih izotopa, na primjer 14C i 7Be, konstantno se proizvode reakcijama kozmikih zraka s molekulama u gornjim slojevima atmosfere. Izotop 14C je vrlo koristan u odreivanju starosti organskih tvari.

    4 Nuklearni modeli

    4.1 Nuklearni energijski nivoi Jezgra atoma, poput samog atoma, ima diskretne energijske nivoe ije se vrijednosti energije i svojstava podvrgavaju pravilima Kvantne mehanike. Vrijednosti energijskih nivoa su razliite za razliite jezgre. Svako pobueno stanje karakterizirano je kvantnim brojevima koji opisuju kutnu koliinu gibanja, parnost, i izospin. Na ilustraciji 13 mogu se vidjeti pobuena stanja jezgre 12C.

    Ilustracija 12: Dijagram energijskih nivoa jezgre 12C. Kvantni broj kutne koliine gibanja (J), parnost (), i izospina (T).

    Kvantni broj kutne koliine gibanja, J, ima cijelobrojne ili polucijelobrojne vrijednosti, kojim se mjeri ukupna koliina gibanja energijskog stanja u jedinicama (h/2, h Planckova konstanta). Parnost, , energijskog nivoa opisuje stanje nuklearne strukture u sluaju da se sve prostorne koordinate zamjene suprotnim vrijednostima. Pozitvni znak znai da e takvo stanje biti identino originalnom, a minus znai da e se razlikovati. Izospinski kvantni broj, T, ima polucijelobrojnu ili cijelobrojnu vrijednost, a opisuje svojstvo koje e nastati ako se neutronske i protonske koordinate meusobno

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 20

    zamijene. Ovi su kvantni brojevi rezultat osnovnih svojstava zakona sile koja dri nukleone zajedno u jezgri. Kvantni brojevi odreuju kako e se pobueno stanje raspasti u drugo stanje iste jezgre (-raspad) ili u neko stanje druge jezgre (- ili -raspad). Analiziranje meudjelovanja nukleona u cilju odreivanja energijskih nivoa i njihovih svojstava je mukotrpan matematiki problem. Umjesto toga, nuklearni fiziari su razvili nekoliko nuklearnih modela koji pojednostavnjuju sliku jezgre i matematiki zapis. Takvi pojednostavnjeni modeli ipak daju osnovna svojstva nuklearne strukture.

    4.2 Model ljuski Model ljuski dobro prikazuje nuklearne energijske nivoe. U skladu s ovim modelom, gibanje svakog od nukleona u jezgri je odreen prosjenom privlanom silom svih ostalih nukleona. Rezultirajue orbite oblikuju tzv. ljusku, slinu orbitama elektrona u atomu. Kad se nukleoni pridodaju jezgri, oni popunjavaju najnie energijsko stanje u skladu s Pulievim principom kojim se zahtjeva da svaki nukleon ima jedinstveni skup kvantnih brojeva.

    Ilustracija 13: Prikaz protonskih i neutronskih stanja u jezgri.

    Kad se ljuska napuni, jezgra je u posebno stabilnom stanju. Takav koncept je slian onom za atom kod plemenitih plinova. Kad god su svi protoni ili neutroni u jezgri i popunjenoj ljuski, brojevi protona ili neutrona nazivaju se maginim brojevima. Neki od maginih brojeva su 2, 8, 20, 28, 50, 82, i 126. Na primjer, 116Sn ima magini broj protona (50), a 54Fe ima magini broj neutrona (28). Neke jezgre, na primjer 40Ca i 208Pb, imaju magine brojeve i za protone i neutrone. Ove jezgre imaju posebnu stabilnost. Magini brojevi su oznaeni na Nuklearnoj karti. Pupunjene ljuske imaju ukupnu kutnu koliinu gibanja jednaku nuli. Sljedei nukleon, koji se pridodaje jezgri, odreuje ukupnu kutnu koliinu gibanja jezgre u osnovnom stanju. Kada se nukleoni pobude (pojedinano ili u paru), oni mijenjaju kutnu koliinu gibanja jezgre te njenu parnost i kvantni broj projekcije izospina. Model ljuski opisuje kolika je energija potrebna da se nukleoni premijeste iz jednog

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 21

    orbitalnog stanja u drugi, te kako mu se mijenjaju kvantni brojevi. Gornja ilustracija (ilustracija 13) prikazuje energijski dijagram dviju popunjenih ljuski osnovnog stanja 12C. Premijetanje nukleona u nepopunjene ljuske podie jezgru u jedno od pobuenih stanja. Pobuena se jezgra raspada u stabilnije stanje, tj. u stanje stabilnijih nukleonskih orbita. Za precizna mjerenja energije i vremena poluraspada iz jednog nuklearnog stanja u drugo, zahtjeva koritenje specijaliziranih detektora. Kvantna mehanika i Model ljuski omoguuje nuklearnim fiziarima izraunavanje vjerojatnosti prijelaza izmeu nuklearnih stanja. Za jezgre ija struktura moe biti opisana manjim brojem nukleona u vanjskoj ljusci, Model ljuski dobro opisuje izmjerene vrijednosti.

    Ilustracija 14: Shematski prikaz primjera prijelaza izmeu energijskih nivoa.

    Na gornjoj je ilustraciji prikazan primjer prijelaza izmeu energijskih nivoa. Prikazano je osnovno stanje 12B (5 protona i 7 neutrona) i 12N (7 protona i 5 neutrona) te 15.1 MeV pobueno stanje 12C. Svaki od tih stanja ima po jedan nukleon u treem energijskom nivou. Svi imaju skup kvatnih brojeva 1+,1, i svi se raspadaju u osnovno stanje 12C. Bor i duik se raspadaju beta raspadom, a pobueno ugljikovo stanje gama raspadom. Rauni koje daje Model ljuski dobro se slau sa eksperimentalnim podacima ovakvih raspada.

    4.3 Kolektivni model Pored izmjena nuklearnih stanja koja se dogaaju na nain da se pojedini nukleon premijesti u stanje vie energije, postoje prijelazi koji ukljuuju mnoge nukleone. Kako takvi nukleoni djeluju zajedno, njihova svojstva se nazivaju skupna ili kolektivna, a njihovi prijelazi se opisuju Kolektivnim modelom nuklearne strukture. Masivnije jezgre imaju niska energijska stanja koja se opisuju vribracijama ili rotacijama nesferinih jezgri. Mnoga su takva svojstva slina svojstvima vibracija i rotacija kapljice tekuine. U poetku se ovaj model i zvao modelom kapljice. Prva dobra primjena Modela kapljice je opisivanje procesa fisije.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 22

    Ilustracija 15: Primjer energijskih nivoa 238U.

    Na gornjoj su ilustraciji prikazani energijski nivoi 238U. Kvantni brojevi i druga svojstva prikazuju te energijske nivoe kao rotacijska stanja nesferinih jezgri. Jezgre pokazuju skupna svojstva kada imaju puno nukleona u vanjskoj ljusci. Slino Modelu ljuski, i ovaj model je u skladu s eksperimentalnim vrijednostima.

    Koristei ubrzivae (akceleratore) za stvaranje nuklearnih reakcija, fiziari mogu stvoriti jezgre s visokim vrijednostima kutne koliine gibanja. Takve jezgre gube dio svoje energije pobuenja, i gotovo u potpunosti kutnu koliinu gibanja, emitirajui gama zrake. Tijekom takvog procesa, ponekad se stvara cijeli roj gama zraka (vie od oko 30 ih moe biti emitirano). Za eksperimentalnu potvrdu takvih procesa potrebni su precizni gama detektori.

    5 Sunce i druge zvijezde Sunce proizvodi oko 4 1026 J/s elektromagnetskog zraenja, a dio toga dolazi i do Zemlje. Izvor energije je niz reakcija kojima se etiri protona transformiraju u jezgru helija (uz beta raspade) i 26.7 MeV energije koja se javlja u tim reakcijama. Niz fuzijskih reakcija se dogaa u centru Sunca, gdje je temperatura oko 107 K:

    1H + 1H 2H + e+ + e, 2H + 1H 3He + ,

    3He + 3He 4He + 1H + 1H. Energija osloboena u ovim reakcijama sporo prolazi do povrine Sunca.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 23

    Ilustracija 16: Sunce emitira fotone i neutrine.

    Zvijezde poput Sunca u sebi imaju reakcije u kojima se vodik pretvara u helij, a nakon toga zapoinju reakcije u kojima se helij pretvara u ugljik. Zvijezde vaih masa imaju vie temperature pa su mogue fuzije ugljikovih jezgri s helijevim jezgrama stvarajui kisikove. Najmasivnije zvijezde mogu nastaviti s nuklearnim reakcijama, zavravajui s jezgrama eljeza. Nakon toga je mogu beta raspad svih protona zvijezde pa nastaje eksplozija, tzv. supernova. Zvijezda kolapsira u nuklearnu tvar samih neutrona. Ponekad se stvara takvo gravitacijska sila da kompletna tvar prelazi u prostor izuzetno malih dimenzija, tj. neutronska zvijezda se pretvara u crnu rupu. Jedna takva supernova eksplozija je viena 1987. godine u susjednoj galaksiji.

    6 Ubrzivai

    6.1 Van de Graaff Poetkom 1929. godine R.J. Van de Graaff je priredio akcelerator u kojem su se skupljeni ioni ubrzavali razlikom potencijala.

    Ilustracija 17: Van de Graaffov akcelerator.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 24

    Najvee energije mogue je postii iz elektrostatskih akceleratora (kao to je ovaj) ako se vie takvih akceleratora postavi u liniju. Ogranienja dolaze od nemogunosti postizanja velikih razlika potencijala.

    6.2 Linearni akceleratori Radio frekventni linearni akceleratori izbjegavaju probleme stvaranja velikih razlika potencijala ponavljajui vie puta manje razlike potencijala. Kod linearnih akceleratora, ion se ubaci u akceleratorski otvor koji ima nekoliko elektroda. Visokofrekventni izmjenjivi elektrini naponi (razlike potencijala) postavljaju se na elektrodama.

    Ilustracija 18: Linearni akcelerator (nije ispravno prikazan razmak izmeu elektroda).

    Prvi ovakav akcelerator je izgraen 1928. godine kojim su se ubrzavali pozitivni ioni do 50 keV, a danas je najvei u Stanfordu koji ubrzava elektrone i pozitrone do energija od oko 50 GeV.

    7 Nuklearne reakcije Nuklearne se reakcije i nuklearna rasprenja koriste za odreivanje svojstava jezgre. Reakcije kojima se izmjenjuje energija ili nukleoni mogu biti koriteni za mjerenje energije vezanja i pobuenja, kvantnih brojeva energijskih nivoa, te vjerojatnosti prijelaza izmeu nivoa. estinim se ubrzivaima stvaraju snopovi nabijenih estica izuzetno velikih brzina (elektroni, protoni, laki ili masivniji ioni), koji tada udaraju u mete jezgri. Nuklearne reakcije mogu biti proizvedene i u prirodi visokoenergijskim esticama kozmikih zraka. Snopovi neutrona dobivaju se iz nuklearnih reaktora ili sekundarnom proizvodnjom kada snop nabijenih estica udara u slabo vezane neutrone neke jezgre u meti. Nuklearne reakcije mogu postojati i sa snopovima fotona, mezona, muona, i neutrina. Da bi se dogodila nuklearna reakcija, nukleoni upadne estice, moraju meudjelovati s neutronima u jezgri mete. Energija upadne estice mora biti dovoljno velika kako bi se svladalo elektromagnetsko odbijanje protona. Takva se barijera naziva Coulombovom barijerom. Ako je energija premala, tada e se nukleoni samo meusobno otkloniti od upadnih putanja. U prvim se eksperimentima Rutherforda upravo dogaalo samo skretanje -estica.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 25

    Kada se sudar dogaa izmeu upadne estice i mete jezgre, dogodit e se elastino odbijanje (ostavljajui jezgru mete u svom osnovnom stanju) ili e se jezgra mete pobuditi te se nakon kraeg vremena raspasti emitirajui zraenje ili nukleone. Nuklearna je reakcija opisana ako poznajemo upadnu esticu, jezgru mete, i reakcijske estice. Na primjer, kada neutron udara u duikovu jezgru, stvorit e se proton, tj. jegra vodika, i isotop ugljika, 14C, a takvu reakciju zapisujemo na sljedei nain

    1n + 14N 14C + 1H. Ponekad se zapis skrauje, i gornja rekacija bi se zapisala kao: 14N(n,p)14C. Svaka reakcija mora zadovoljiti odreene zakone ouvanja.

    Maseni broj A i redni broj Z moraju biti identini s jedne i druge strane zapisa reakcije (u gornjoj reakciji s lijeva 1 + 14 i desna 1 + 14 za maseni broj, a za redni broj 0 + 7 s desna, i s lijeva 6 + 1).

    Ukupna energija prije reakcije mora biti jednaka ukupnoj energiji nakon reakcije. Pod ukupnom energijom podrazumijevaju se kinetike energije estica zbrojeno s energijskim ekvivalentom estinih masa, E = mc2.

    Koliina gibanja prije i nakon reakcije mora biti jednaka. Kvantna pravila za kutnu koliinu gibanja, parnost, i izospin nuklearnih nivoa.

    Kae se da se pojedina reakcija istrauje ako se mjere kutevi i kinetike

    energije reakcijskih estica. Detektori estica i zraenja dizajniraju se tako da budu optimalni za oekivane naboje i energije reakcijskih estica. Jedna od najvanijih veliina kod nuklearnih reakcija je udarni presjek reakcije, . Udarni presjek je mjera vjerojatnosti da se dogodi pojedina reakcija. Udarni presjek, koji ima mjernu jedinicu povrine, je odreen eksperimentalnim omjerom

    metasnop

    izlaz

    / NNN

    = ,

    gdje je Nizlaz broj emitiranih reakcijskih estica, Nsnop broj estica u upadnom snopu po jedininoj povrini, a Nmeta broj jezgri mete unutar snopa. Udarne presjeke mogue je odrediti koristei fizikalne modele atomske jezgre primijenjujui pravila Kvantne mehanike. Usporeujui izmjerene i izraunate vrijednosti udarnog presjeka razliitih reakcija provijeravaju se valjanosti poetnih pretpostavki nekog nuklearnog modela. U tablici 1 prikazane su razliite vrste nuklearnih reakcije s naznakon to se moe nauiti o jezgri i nuklearnoj energiji.

    Reakcije Koja spoznaja Nukleon-nukleon rasprenja Osnovna nuklearna sila Elastina rasprenja jezgre Veliina jezgre i potencijal Neelastina rasprenja do pobuenih stanja Energijski nivoi i kvantni brojevi Neelastina rasprenja u kontinuumu Vibracijski modovi Reakcije prijenosa i izbacivanja Detalji Modela ljuski Fuzijske reakcije Astrofizikalni procesi Fisijske reakcije Svojstva Modela kapljice

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 26

    Stvaranje jezgre Statistika svojstva jezgre Multifragmentacija Faze nuklearne tvari, Kolektivni model Pionske reakcije Istraivanje nuklearne sile Elektronsko rasprenje Kvarkovska struktura Tablica 1: Vrste nuklearnih reakcija.

    Udarni presjek elastinog rasprenja protona i neutrona na protonima daje nam bitne podatke za odreivanje meudjelovanja nukleona. Kompletna teorija nuklearne strukture mora zapoeti s elementarnim meudjelovanjima. Nuklearnim se modelima nastoje objasniti osnovna svojstva jezgri, kao to su veliina jezgri, oblici, energije vezanja, i druga svojstva. Kod dovoljno visokih energija, jezga moe imati niz razliitih naina kolektivnih oscilacija (nazvanima rezonancije). Jezgra kao da 'zvoni' poput zvonca odreenim frekvencijama. Fuzijske reakcije su kombinacija dviju jezgri s ciljem stvaranja masivnije jezgre. Mnoge fuzijske reakcije oslobaaju ogromnu koliinu energije, a jedan primjer je stvaranje jezgre helija i neutrona iz reakcije deuterija i tricija, uz oslobaanje energije od 17.6 MeV:

    3H + 2H 4He + n + 17.6 MeV. Drugi primjer fuzije je niz reakcija u Suncu i slinim zvijezdama:

    1H + 1H 2H + e+ + e, 2H + 1H 3He + ,

    3He + 3He 4He + 1H + 1H. Ukupna osloboena energija cijelog niza je 26.7 MeV za svaku stvorenu jezgru 4He. Neutronom pobuena fisija masivnih jezgri u dvije manje masivne jezgre te nekoliko neutrona je, takoer, proces kojim se osboa energija. Nuklearnim reakcijama dviju jezgri na odreeno vrijeme moe se stvoriti jedna pobuena jezgra koja moe ivjeti dovoljno dugo da 'zaboravi' nain na koji je stvorena. Raspad s toga stanja pobuenja dogaa se 'isparavanjem' nukleona, -raspadom ili fisijom nastale jezgre. Statistika nam priroda ovakvih procesa daje informaciju o prosijenim svojstvima pobuenih stanja nastale jezgre. Reakcije u kojima se nastale jezgre raspadaju u vie dijelova su visokoenergijske reakcije dviju jezgri. Takvim se reakcijama stvara nuklearna tvar ekstremih gustoa i energija pobuenja. Takva stanja mogu biti u drugim faznim stanjima nego sto je jezgra osnovnog stanja, a moe imati slinosti s ranim svemirom. Nuklearna sila izmeu nukleona u atomskoj jezgri opisuje se izmjenom mezonom (pion). Kada se pioni stvaraju u visokoenergijskim reakcijama, oni se mogu iskoristiti za reakcije s jezgrom mete. Kada pion meudjeluje s jezgrom, stvara se rezonanca s jednim od vezanih nukleona. Rezonanca je pomaknuta i ira u osporedbi s onima tvorenima u reakcijama sa slobodnim nukleonima. Te promjene rezonanci ukazuju na utjecaj susjednih nukleona. Kada se nukleoni priblie jedan drugima, mogu se shvatiti kao jedna jezgra. Tada kvarkovi u nukleonima mogu meudjelovati jedan s drugima kao da su slobodne estice. Istraivanja kuteva rasprenja moe se dobiti informacija o uvjetima koji vladaju u nukleonima.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 27

    Nuklearna struktura i njihova teorijska slika su jedne od glavnih aktivnosti nuklearnih fiziara. Neprestalni razvoj akceleratora i detektora dozvoljavaju dobivanje sve preciznijih podataka pa time stvaranja boljih modela i njihove primjene.

    8 Traenje tekih elemenata Kad neka atomska jezgra uhvati jedan neutron, ona e esto svoje stanje vika neutrona pokuati ispraviti beta raspadom, pretvarajui neutron u proton i prelazei u jezgru atoma s rednim brojem uveanim za jedan. Ovaj uobiajeni dogaaj namee nain stvaranja novih elemenata s poveanim rednim brojem. Time se stvaraju novi elementi koji nikad nisu postojali na Zemlji. Mnogi takvi elementi imaju izuzetno kratko vrijeme poluraspada. Meutim, dananje teorije nuklearne strukture predviaju da se s odreenim rednim brojevima (za sada izvan eksperimentalnih mogunosti) mogu stvoriti nove dugoivue atomske jezgre. Jedan od najmasivnijih elemenata na Zemlji je uran s jezgrom od 92 protona. Jo 1934. godine, znanstvenici su zapoeli istraivanje postojanja masivnijih jezgri s rednim brojem 93 ili veim. Uspjeno je 1940. godine izdvojen neptunij (Z = 93) na Sveuilitu u Berkeleyu. Edwin McMillan and Philip Abelson uoili su Np (netunij) dok su istraivali reakcije termalnih neutrona na 238U. Odgovarajua reakcija je:

    238U + 1n 239U (23.5 min.) 239Np (2.36 dana) + (elektron i antineutrino), gdje su vremena poluivota jezgri oznaena u zagradama. Nakon toga, znanstvenici neprestano istrauju mogunosti umjetnog stvaranja sve masivnijih i masivnijih jezgri (tj. elemenata). Plutonij 238Pu, Z = 94, je otkriven 1941. godine analizirajui reakcije deuterija s uranom. Nakon toga, 1944. godine 239Pu je udaran s -esticama stvarajui 242Cm (kirij, Z = 96). Neto poslije, otkriven je i americij, 241Am (Z = 95) kada je 239Pu udaran termalnim neutronima u nuklearnim reaktorima. Onda kad se americij i kirij uspjelo otkrili i izolirali u makroskopskim koliinama, poeli su se koristiti kao mete u novim nuklearnim reakcijama za proizvodnju jo masivnijih novih jezgri. Berklij 243Bk (Z = 97) je proizveden sudarajui helijeve jezgre s americijem, a kalifornij 245Cf (Z = 98) sudarima s kirijem. Pri identifikaciji ovih elemenata uspelo se sakupiti samo 5000 takvih atoma. Sljedea dva nova elementa, einsteinij, (Es, Z = 99) i fermij (Fm, Z = 100) otkriveni su analizirajui produkte termonuklerane eksplozije 1952. godine. Posljednja tri elementa u nizu aktinida su mendelevij (Md, Z = 101), nobelij (No, Z = 102) i lawrencij (Lr, Z = 103). Onda kad su otkriveni evi elementi niza aktinida, zapoelo se sa proizvodnjom transaktinida. Jedna od posljednjih karata periodnog sustava elemenata ukljuuje traksaktinide od rautherfordija (Rf, Z = 104) pa sve do elementa 112. U jednom cijelom eksperimentu uspije se dobiti tek po koji element iz ove skupine elemenata. Ponekad su eksperimenti neprekidno trajali i nekoliko tjedana. Jezgre ovih elemenata imaju vremena poluraspada izuzetno kratke, inei ih jo teima u prepoznavanju. Ovi elementi se mogu raspasti i prije nogo uope budu detektirani. Stoga, potvrda njihovog postojanja su otkria niza estica koji su nastali njihovim raspadima.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 28

    Ilustracija 16: Niz elemenata stvorenih raspadom elementa 112.

    Na ilustraciji 16 prikazan je niz elemenata koji su nastali raspadom elementa 112. Rutherfordij (104), dubnij (105) i seaborgij (106) su otkriveni u Berkeleyu. Bohrij (107), hassij (108) i meitnerij (109) su otkriveni 1980.-tih na GSI-u (Gesellschaft fr Schwerionenforschung) pored Darmstadta. Element 110 otkriven je 1990.-tih godina na GSI-u, Berkleyu i Dubni, a elementi 111 i 112 na GSI-u. Oni koji otkriju nove elemente, tradicionalno, daju imena tim elementima. Nakon toga Meunarodna udruga iste i primijenjene kemije (IUPAC) potvruje predloena imena.

    9 Faze nuklearne tvari Kao to znamo, voda (H2O) moe postojati kao led, tekuina ili para. Pri atmosferskom tlaku i ispod 0C postoji led, dok je za temperature izmeu 0C i 100C voda prisutna kao tekuina. Iznad 100C, voda postaje plin kojeg zovemo para. Takoer, znamo da se temperatura vode podie kad se grije, tj. kad joj se dodaje energija. Meutim, kad voda dostigne toke taljenja ili vrenja, dodatna toplina ne vodi odmah do porasta temperature. Umjesto toga, potrebna je latentna toplina taljenja ili isparavanja za potpuni prelazak iz jednog agregatnog stanja u drugo (leda u tekuinu vode ili vode u paru). Temperatura nee rasti sve dok potpuno koliina vode jedne faze ne pree u drugu fazu. Ova se vrsta prijelaza zove prva vrsta faznih prijelaza. Druga se vrsta faznih prijelaza postie podizanjem tlaka i temperature vode gdje se fazni prijelazi dogaaju konstantno.

    Na ilustraciji 17 prikazan je fazni dijagram za vodu kojeg nazivamo jednadba stanja za vodu. Dijagram se koristi za predvianja stanja H2O pri bilo kojoj temperaturi i tlaku.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 29

    Ilustracija 17: Fazni dijagram za vodu.

    Upravo kao to stanje mnotva molekula i atoma ovisi o temperaturi i tlaku, nalazimo da stanje jezgre atoma ovisi o temperaturi i gustoi nukleona. Stoga moemo pitati za izgled jednadbe stanja nuklearne tvari. Pri normalnim uvjetima osnovne energije, jezgre pokazuju svojstva slina tekuinama i imaju gustou od oko 0.17 nukleona/fm3. U laboratoriju, jedini mogui nain 'grijanja' jezgri na znaajne vrijednosti temperature se postiu u sudarima s drugim jezgrama. U atomskoj fizici, elektronvolt je uzet kao mjerna jedinica. Slino tome, nuklearni fiziari koriste milijune elektronvolit (MeV) za mjernu jedinicu temperature. Prosijena energija od 1 MeV odgovara temperaturi od oko 1.2 1010 K. Temperature koje se postiu u nuklearnim sudarima su do oko 100 MeV. Kad grijemo jezgru do temperatura od nekoliko MeV, pojedini nukleoni 'isparavaju' iz pobuene nuklearne tvari. Iz opeg znanja meudjelovanja nukleona, poznato nam je da, ba kao kod vode, nuklearna tekuina ima latentnu toplinu isparavanja: i nukleoni mogu doivjeti prvu vrstu faznih prijelaza. Pretpostavlja se takoer da i nuklearna tvar ima svoju kritinu toku gdje prestaje prva vrsta faznih prijelaza. Nema jednostavnih direktnih postupaka mjerenja temperature, tlaka ili gustoe. One se obino odreuju koristei fizikalne modele nuklearne tvari usporeujui globalne observable kao to su: omjeri broja odreenih reakcijskih estica (npr. piona), oblika energijskog spektra, i slinih varijabli. Nadalje, nije oito postiu li se termalne ravnotee pri kratkim vremenskim intervalima u kojima se dogaaju nuklearne reakcije. A kad se govori o temperaturi, treba uzeti u obzir i problem konanog broja estica u sustavu. No, bez obzira na sve probleme postignut je veliki napredak u takvim istraivanjima. Sudari tekih iona nam daju mnoge informacije o nuklearnoj tvari. Prilino smo uvjereni da se termalne ravnotee postiu u tim reakcijama. Posljednji tekoionski eksperimenti nam daju razumijevanje ponaanja nuklearne tvari.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 30

    Ilustracija 18: Fazni dijagram nuklearne tvari predvien teorijskim modelima. Uoite da su obje skale prikazane u logaritamsi, te da je gustoa tvari izraena u jedinicima normalne gustoe.

    Na ilustraciji 18 prikazan je dijagram faznih prijelaza nuklearne tvari. Vidimo da, pored faznog prijelaza tekuina-hadronski plin, postoji i fazni prijelaz gdje se nukleoni razbijaju na sastavne dijelove. To stanje se naziva kvark-gluonska plazma (slino atomskoj plazmi gdje su elektroni osloboeni vezanja s atomima).

    Ilustracija 19: Fazni dijagram nuklearne tvari slian dijagramu na ilustraciji 18.

    Moemo se upitati emu nam slui znanje o faznom dijagramu nuklearne tvari, a odgovor bi bio da nam ovakvi dijagrami prikazuje znanje o razvoju i stanju ranog svemira te stanju neutronskih zvijezda.

    10 Porijeklo elemenata Oko 73 % mase vidljivog dijela Svemira je u obliku vodika. Helij ini oko 25 %, a sve ostalo samo 2 %. Iako je prisutnost masivnijih elemenata (A > 4) prilino mala, treba

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 31

    napomenuti njihovu vanost zbog toga to su naa tijela i planeta Zemlja uglavnom izgraeni od tih masivnijih atoma. Elementi male mase, vodik i helij, su stvoreni u uvjetima visokih gustoa i temperatura tijekom stvaranja Svemira. Stvaranje, trajanje i 'smrt' zvijezde opisuje se nuklearnim reakcijama. U takvim reakcijama su stvoreni kemijski elementi koje opaamo u Svemiru. Pred oko 15 milijardi godina pretpostavlja se da je Svemir zapoeo kao ekstremno vrui i gusti sustav radijacijske energije, nazvan Big Bang. Odmah nakon stvaranja, zapoeo je irenje i hlaenje. Radijacijska energija je stvarala parove kvark-antikvark, elektron-pozitron, te druge parove estica i antiestica. Kako su se parovi estica i antiestica ponovno susretali, to su oni ponovno stvarali elektromagnetsko zraenje. Kako se Svemir irio, prosijena se energija smanjivala. Stvaranje i ponovno nestajanje estica se nastavljalo sve dok se temperatura nije dovoljno smanjila tako da je stvaranje parova postalo energijski nemogue. Jedno od pokazatelja tzv. Big Banga je prisustvo pozadinskog zraenja dugih valova koji ispunjaju Svemir. To je zraenje koje je nastalo u prvim trenucima stvaranje Svemira. Sadanja temeperatura pozadinskog zraenja je 2.7 K. Na ilustraciji su prikazane temperature Svemira u razliitim trencima razvoja.

    Ilustracija 20: Razvoj Svemira.

    Prvi kvarkovi i elektroni su imali samo privremeno postojanje jer su nestajali istih trenutaka im bi bili i stvoreni. Kako se Svemir hladio, kvarkovi su se kondenzirali u nukleone, a daljnjim hlaenjem nukleoni su se spajali i stvarali helijevu jezgru. Vjeruje se kako se to dogaalo u prvim 3 minute stvaranja Svemira. Masivne jezgre su se stvarale puno kasnije u zvijezdama.

    11 Nuklearni reaktori U nuklearnim reaktorima stvaraju se velike koliine plutonija koji je potreban za razliite dravne programe oruja, kao i za druge radioaktivne izotope. Proizvodi se 60Co, te drugi koji imaju komercijalnu uporabu, kao to su 241Am za detektore dima cigarete, 60Co za terapiju karcinoma, 99Tc za medicinske dijagnoze, 137Cs za takoer za medicinske terapije.

    12 Meudjelovanje zraenja i tvari Pri prolazu zraenja kroz tvar dolazi do meudjelovanja, pri emu se mijenjaju i svojstva zraenja i svojstva tvari. Meudjelovanje elektromagnetskog zraenja i tvari bitno se razlikuje od meudjelovanja masenog zraenja i tvari. Nadalje, razlika je i u meudjelovanju elektriki nabijenih estica i tvari od neutralnih estica i tvari.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 32

    Ionizacija tvari je prvi uinak koji uzrokuje zraenje, te stoga i naziv ionizirajue zraenje. Izravna ionizacija nastaje kada elektriki nabijene estice iz atoma izbace pokoji elektron. Razultat tog izbacivanja parovi su elektriki nabijenih estica negativnih elektrona i pozitivnih iona. Posredna ionizacija nastaje kada neutralne estice ili fotoni iz atoma izbace elektron, a taj elektron ima dovoljno energije da dalje ionizira atome. pokazatelj stupnja ionizacije je broj parova elektron-ion izraenih po duljini puta estice koja ionizira ili po obujmu u kojem je dolo do ionizacije. Meudjelovanje elektronagnetskog zraenja i tvari dogaa se : fotoelektrinim elektom, Comptonovim efektom i tvorbom parova elektron-pozitron. Fotoelektrini efekt je pojava kada foton, ija je energija vea od energije vezanja elektrona u atomu, predaje svu energiju elektronu, ime elektron naputa atom. Comptonov efekt je pojava pri kojoj foton predaje samo dio svoje energije elektronu, a preostali dio nosi tzv. sekundarni foton. Tvorba para elektron-pozitron je pojava koja nastaje samo ako je energija fotona jednaka ili vea od dvostrukog energijskog ekvivalenta elektrona. Prodre li takav foton do jezgre atoma, u njenoj blizini pretvori se u dvije estice, elektron i pozitron. Viak energije odlazi na kinetike energije stvorenog para. Nakon vrlo kratkog vremena, nastali se pozitron spaja s nekim od elektrona iz okoline i pri tom nestaju obje estice i nastaju dva fotona suprotnih smjerova gibanja. Vjerojatnost pojavljivanja jedne od navedenih pojava ovisi o energiji upadnog fotona. Pri niskim energijama dogaa se uglavnom fotoelektrini efekt, pri viim energijama fotona prevladava Comptonov efekt, a pri energijama veim od oko 5 MeV prevladava tvorba parova.

    12.1 Elektromagnetsko zraenje pri prolazu kroz tvar Zbog meudjelovanja zraenja i tvari, apsorpcije i raspreenja zraenja, tok zraenja slabi. Za monokromatsko zraenje i vrlo tanki sloj tvari debljine d, gubitak toka proporcionalan je upadnom toku 0 i debljini sloja d

    d= 0 , gdje je koeficijent proporcionalnosti tzv. linearni koeficijent slabljenja zraenja, a mjerna jedinica je reciproni metar (m-1). Odavde slijedi eksponencijalna ovisnost izlaznog toka

    de = 0 . Odavde se moe odrediti tzv. debljina poluslabljenja zraenja d1/2

    2ln

    2/1 =d .

    Linearni koeficijent slabljenja je jednak zbroju linearnih koeficijenata apsorpcije, raprenja i tvorbe parova

    ++= .

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 33

    12.2 Zraenje masenih estica pri prolazu kroz tvar Elektriki nabijene estice meudjeluju sa slobodnim elektronima, sa vezanim elektronima u atomu, ili ionima tvari. estice manje mase u meudjelovanju s tvari mijenjaju smijer gibanja, te im je doseg viestruko manji od stvarnog prijeenog puta. Omjer broja estica N u snopu zraenja i broja upadnih estica N0 smanjuje se s dubinom prodiranja u tvar, a debljina nakon koje je zraenje nabijenim esticama potpuno zaustavljena naziva se doseg zraenja. Neutronsko zraenje gotovo ne djeluje s elektronima, a s atomskom jezgrom samo kad je u izravnom sudaru. zbog toga e brzi neutroni proi i kroz debele slojeve razliitih tvari. Neutronski snop pri prolazu kroz tvar slabi elsponencijalno, slino elektromagnetskom zraenju. Stoga se navodi debljina poluapsorpcije.

    13 Mjerenje ionizirajueg zraenja Meudjelovanje alfa, beta i gama zraenja s materijom stvara u materiji pozitivne ione i elektrone. Detektori radioaktivnog zraenja su ureaji koji mjere nastalo ionizirajue zraenje. Rani detektori su koristili fotografske ploe za 'hvatanje' putanja koje bi ostajale nakon prolaza takvih zraenja kroz materiju. Komora na mjehurie je trebala fotografska snimanja. Nakon razvoja elektronike, a posebno nakon otkria tranzistora, bilo je mogue razviti elektronske detektore. Detektori scintilacijskog tipa pretvaraju svjetlost u elektrini puls. Pojaanje i spremanje tih podataka iziskuje modernu tranzistorsku elektroniku. Mikroelektronika je vratila u uporabu detektore punjene plinom. Moderni materijali, a posebno izuzetno isti materijali i specijalni kristali su kljuni u stvaranju novih i boljih detektora. Openito, mjerni ureaji za mjerenje ionizirajueg zraenja mogu se razvrstati u tri skupine: vizualizatori tragova, dozimetri i brojai. Vizualizatori tragova su ureaji pomou kojih se na temelju nekog meudjelovanja mogu privremeno ili trajno vidjeti tragovi masenih estica ili fotona u tvari. Dozimetri su ureaji pomou kojih se mjeri energija koju je zraenje predalo tvari. Takvim ureajima pripada radiografski sloj kojemu se mjeri zacrnjenje to ga je uzrokovalo zraenje, ionizacijske komore u kojima se mjeri jakost ionizacijske struje ili elektrino pranjenje, luminescentni slojevi na kojima se mjeri jakost svjetla to ga je uzrokovalo zraenje, kemijski dozimetri za koje se mjere u njima nastale promjene, i drugo. Brojai su ureaji pomou kojih se registriraju i brojne pojedine naelektrizirane masene estice i fotoni.

    13.1 Primjeri mjernih ureaja Ionizacijska komora je dozimetar u kojemu se mjere posljedice ionizacije plina zraenjem. Sastoji se od dvije elektrode smjetene u cijevi ispunjenoj nekim plinom koji slui kao mjerna tvar. Prolazei kroz plin ionizirajue zraenje izravno ili posredno ionizira taj plin. Tako u plinu nastaju parovi elektron-ion. Elektrode komore su pod elektrinim naponom, pa se elektroni i ioni gibaju prema elektrodama. Geiger-Mllerov broja. Detektor koji je najupotrebljavaniji u javnosti je Geiger-Mllerov broja, ili krae nazvan Geigerov broja. Sastoji se od plinom punjene komore sa icom u sredini koja je postavljena na visoki napon. Na taj se nain na njoj prikupljaju ioni koji su stvoreni pri radioaktivnom zraenju. Ovakvi

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 34

    detektori mogu registrirati alfa, beta i gama zraenje, iako ih ne moe razlikovati. Zbog tih i nekih drugih ogranienja, najbolji je za uporabu kad se eli samo pokazati postojanje i gruba procjena radioaktivnosti. Efikasnost ovog brojaa je gotovo stopostotna za alfa i beta zraenja, dok je puno manja za gama zraenje.

    Poluvodiki broja je ureaj koji radi na temelju promjene elektrine vodljivosti poluvodikog kristala zbog ionizacije zraenjem. Masena estica ili foton koji prou kroz zaporni sloj uzrokuju strujni impuls. Zraenje uzrokuje mnogo veu ionizaciju u poluvodikom kristalu nego u plinu zbog toga to je gustoa mnogo vea, a energija potrebna za proizvodnju parova mnogo manja. Jedna od glavnim svojstava poluvodikih brojaa je visoka mo energijskog razluivanja estica, a nedostaci su relativno dugo vrijeme regeneracije. Scintilacijski dektori. Scintilatori su obino vrsta tijela (iako mogu biti i tekuine i plinovi) koja proizvode svjetlost pri meudjelovanju sa zraenjem. Svjetlost se pretvara u elektrini signal koji se dalje obrauje elektronikom i kompjuterom. Koriste se u istraivakim centrima, medicini, te zraenja u okoliu. Detektori X- i -zraenja. Silikonski detektori, pri niskim temperaturama (oko 77 K) su prikladni za X-zraenje energije do oko 20 keV. Germanijevi detektori se mogu koristiti za mjerenja energija preko 10 keV pa sve do nekoliko MeV. Takvi detektori imaju primjenu kod zraenja u okoliu i traenju radioaktivnih elemenata u prirodi. Detektori nisko-energijskih nabijenih estica. Silikonski detektori pri sobnim temperaturama igraju najvaniju ulogu u registriranju nisko-energijskih elektrikih nabijenih estica. Pojedinano mogu odrediti energiju upadnog zraenja. Vie njih u kombinaciji mogu odrediti naboj (Z) i masu (A) upadne estice (zraenja). Ovakav tip detektora koristi se u otkriu alfa estica kod zraenja u okoliu (npr. kod radija). Neutronski detektori. Neutrone je izuzetno teko otkriti jer nemaju elektrini naboj. Oni se otkrivaju pomou nuklearnih reakcija kojima se stvaraju sekundarne nabijene estice. Ponekad se koristi parafin za usporenje neutrona kako bi se poveala efikasnost uhvata neutrona. Ovakvi se detektori koriste za promatranje neutronskih zraenja u blizini nuklearnih elektrana i akceleratora. Tekui scintilatori mogu mjeriti i neutrone i gama zraenja, a paljivim se analizama moe prepoznati razlika ovih zraenja. Neutrino detektori. Neutrini meudjeluju vrlo slabo s materijom, te ih je stoga teko registrirati. Neutrino detektori moraju biti obujmom izuzetno veliki. Na primjer, za otkrie solarnih neutrina esto se koriste tisue tona deuterijevog oksida (teke vode). Ako se dogodi meudjelovanje neutrina s materijom, stvorit e se elektron koji se giba bre od svjetlosti u toj materiji. Takav elektron prizvede konus svjetlosti koja se koristi za odreivanje energije i smjera neutrina. Detektori visokoenergijskih nabijenih estica. Kako se energija estica poveava, tako se grade sve kompleksniji detektori koji ukljuuju praenje putanje mnotva estica dok prolaze kroz detektor. Izuzetno brzi kompjutorski sustavi obrauju i spremaju podatke koji su dobiveni tim detektorima. Kao to je tehnologija igrala vanu ulogu kod nuklearnih istraivanja, tako je i Nuklearna fizika pomicala granice tehnologije. Nove spoznaje u Fizici vrstog stanja su omoguile stvaranje boljih silikonskih i germanijevih detektora. Napredak Fizike niskih temperatura je omoguo razvoj supervodljivih magneta. Kao i u drugim podrujima znanosti, nuklearni fiziari openito rade s velikim interesom i uzbuenjem same znanosti. Njihov je cilj razumijevanje prirode i fizikalnih zakona. S druge strane, oni koji financiraju znanstvena istraivanja trae neto konkretnije

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 35

    razultate koji se daju primijeniti. U sljedeoj tablici moe se vidjeti primjena spoznaja iz Nuklearne fizike.

    Ilustracija 21: Primjena spoznaja Nuklearne znanosti.

    Primjene se nalaze u medicini, biologiji, umjetnosti, arheologiji, energiji, znanosti materijala, istraivanju svemira, i okolia.

    14 Primjena

    14.1 Detektor dima Najei detektori dima sadre male koliine radioaktivnog izotopa 241Am, koji se proizvede nuklearnim reakcijama. Alfa estica, koja se emitira u raspadu 241Am, ionizira zrak i stvori malu struju naboja koja se mjeri osjetljivim ureajem. Kada dim ue u detektor, ioni se uhvate esticama dima to umanji struju naboja u detektoru. Ako se to dogodi, alarm se ukljui. Kako je prevaljena udaljenost alfa estica izuzetno mala u zraku, ne postoji rizik zraenja od ovakvih detektora. Nakon svoje uporabe, ovi se detektori moraju prikladno odlagati, kao radioaktivni otpad.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 36

    14.2 Kozmika zraenja Postojanje kozmikog zraenja je poznato od 31 prosinca 1958. godine, kada je prvi svemirski brod upuen sa Zemlje. Uoeno je ogromno zraenje. Poslije toga, mnogi sateliti su oteeni tim zraenjem. No, uinci kozmikih zraenja vidljivi su i na povrini Zemlje. Iako atmosfera apsorbira gotovu svu koliinu kozmikog zraenja, pojedina sekundarna estica (nastala u reakcijama s molekulama zraka) moe dosei povrinu Zemlje te uzrokovati oteenja na poluvodiima i elektronikim ipovima. Memorijski ipovi kompjutera su podloni oteenjima. Biolozi istrauju uinke zraenja na ive organizme. Jedno od israivanja odnosi se na utjecaj kozmikog zraenja.

    14.3 Istraivanje materijala Ako se odreene vrste plastike izloe nuklearnim zraenjima, na plastici e se stvoriti mikro tragovi (30 nm do 8 m). Primjena ove vrste plastike koristi se za odreivanje prisutnosti radona. Primjena ide od znanosti o zemlji, oceanografiji, biologiji, medicini, arheologiji, te astrofizici.

    14.4 Nuklearna medicina: dijagnostika Jedna od glavnih uporaba radioizotopa je u nuklearnoj medicini. Gotovo se jedna treina bolesnika podrvgava nuklearnoj medicini. Postoji gotovo stotinu razliitih radioizotopa ije se beta i/ili gama zraenje koristi u dijagnostici, terapiji ili istraivanjima nuklearne medicine. Najkoriteniji izotopi su 131I (otkriven 1938.), 60Co (otkriven 1937.), 99Tc (1938.), 137Cs (1941.). Danas je 99Tc, s vremenom poluraspada od oko 6 sati, najkoriteniji u nuklearnoj medicini.

    Ilustracija 22: a) PET (Positron Emission Tomography) ljudskog mozga, b) MRI slika.

    Vrlo uinkovito je koritenje kratko-ivuih pozitronskih emitera, kao to su 11C, 13N, 15O ili 18F u procesu koji je nazvan PET (Positron Emission Tomography). Ako se ugrade u kemijske sastojke koji odlaze u specifine organe u tijelu, dijagnoza se odreuje detekcijom dviju gama zraka identinih energija kada se elektron i pozitron ponite i pretvore u energiju. Detekcijom obiju gama zraka (koje imaju tono suprotnu orijentaciju) moe se odrediti mjesto gdje se dogodila reakcija. Ako se pozitronski emiter ugradi u glukozu, i tijelu ga apsorbira, mogu se istraivati funkcije vitalnih organa, kao to je ljudski mozak. Na ilustraciji 22: a) moe se vidjeti gdje je glukoza

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 37

    apsorbirana. MRI (Magnetic Resonance Imaging) moe dati detaljnu sliku anatomije tijela.

    14.5 Nuklearna medicina: terapija Radiaktivni izotop 60Co emitira gama zrake koje se koriste za razbijanje stanica 'raka', a slino tome i 137Cs. U posljednjih desetak godina terapija unitenja stanica 'raka' vri se pod izravnim snopom masivnih iona iz akceleratora. Za razliku od gama zraka, koje dijele svoju energiju podjednako na zdravo i nezdravo tkivo, masivne estice poput protona i alfa estica ostavaju svoju energiju neposredno tamo gdje se zaustave. Ako se energija prikladno odabere, najvei dio energije moe se ostaviti u nezdravom tkivu, a ne u zdravom tkivu. Jedan takav institut je u Darmstadtu (GSI).

    14.6 Odreivanje starosti Tehnika odreivanja omjera radioaktivnih izotopa u odnosu na referentni izotop daje starost materijala. Mnogi izotopi su se istraivali. Izotop 14C se proizvodi u gornjim slojevima atmosfere. To se dogaa kad neutron udari u 14N i izbaci proton. Izotop 14C se prenosi kao CO2 kroz biljke i ivotinje. Ako danas izmjerimo omjer 14C u odnosu na 12C pronali bismo vrijednost od oko 1 na bilijun. Omjer je isti za sva iva bia. Jednom kad ivi organizam umre vie nije u stanju izmjenjivati ugljik s okolinom. Izotop 14C je radioaktivan s vremenom poluraspada od 5730 godina. To znai da e nakon 5730 godina polovica izotopa ostati, a nakon 11460 godina samo etvrtina. Ako se pouzdano odredi omjer dvaju izotopa, moe se odrediti starost organskog materijala. Za faraonski brod izraen od drva pokazuje se da je izgraen pred oko 4500 godina.

    Ilustracija 23: Faraonski brod.

    Za neive materijale druge se metode koriste. Izotop 40K se raspada, s vremenom poluraspada od 1.3109 godina, u 40Ar koji se hvata u stijenama. Iz omjera broja izotopa 40Ar koji izlaze iz 40K i broja izotopa 40K koji su ostali u stijeni moe se odrediti starost stijene. I starost galaksije i Zemlje mogu se odrediti na slian nain. Pronaeno je da je starost nae galaksije izmeu 10 i 20 milijardi godina, a Zemlje oko 4.6 milijardi godina. Za Svemir se vjeruje da je star oko 15 milijardi godina.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 38

    14.7 Primjena u industriji Primjene radioizotopa u industriji su mnogobrojne. Kako s debljinom nekog materijala opada koliina gama zraenja, to je mogue odrediti debljinu materijala odreivanjem opadanja gama zraenja. To se koristi u industriji kao to je:

    automobilska industrija, za testiranje kvalitete elika i prikladne dabljine aluminija i drugih materijala

    avio industrija, za testiranje mlaznih motora konstrukciji, za odreivanje gustoe materijala cesta na povrini i ispod

    povrine industriji nate plina i rudarstva dizala i iara, testiranje kablova.

    Izotop 252Cf (neutronski emiter) koristi se za aktiviranje drugih izotopa

    neutronima, kojima se provjerava prtljaga putnika u avionima na eventualne eksplozive.

    Zanimljiva primjena radioizotopa je u umjetnosti. Vrlo su korisne u identificiranju kemijskih elemenata u kovanicama i drugim eksponatima.

    Neutronska rasprenja su se dokazala kao dobar alat za istraivanje molekulske strukture i gibanja molekula. Akceleratori i reaktori proizvode spore neutrone prikladnih valnih duljina za prepoznavanje strukture DNA molekule.

    14.8 Odstranjenje mina Ratovi se vode po cijeloj Zemlji, a minska polja se koriste redovito za razdvajanje neprijatelja u ratu. Slino kod traenja eksploziva kod avio prtljage radi se i s minskim poljima.

    14.9 Radioaktivni izvori energije Dugoivui izvori energije su potrebni za ureaje koji su na dulje vrijeme daleko i nedostupni (npr. umjetni sateliti). Birajui radioaktivne elemente koji imaju vea vremena poluraspada, mogu se napraviti dugoivui izvori energije. Izmeu mnogih, dobri primjeri su 238Pu (87.7 godina) i 244Cm (18.1 godina). Ve nekoliko grama takvih izotopa daje intenzivan izvor topline sve do nekoliko stotina vati.

    14.10 Nuklearna oruja Bez dvojbi, razvoj nuklearnog oruja je primjena nuklearne znanosti koja je zahvatila znaajan dio Svijeta. Pratei rezultate istraivanja Hahna i Straussmanna iz 1938. godine, nuklearno oruje je vieno kao mogue sredstvo u ratu. Albert Einstein je pisao Roosveltu o toj mogunosti, to je dovelo do projekta stvaranja bombe. Godine 1945. bomba s cijepanjem izotopa 235U baena je na Hiroshimu, dok je bomba s fisijom 239Pu baena na Nagasaki.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 39

    14.11 Elektrane Izotop urana 235U se najee koristi za proizvodnju elektrine energije u fisijskim reaktorima. Ovi izotopi se cijepaju i izbacuju tzv. termalne neutrone (brzina nekoliko stotina km/s). Drugi izotop 238U hvata termalne neutrone i stvara izotop 239Np koji se dalje raspada u 239Pu. Ovaj se izotop cijepa s veom vjerojatnosti od 235U. Osloboena energija odlazi uglavnom kroz kinetiku energiju nastalih dijelova u cijepanju spomenutih izotopa. To stvara toplinsku energiju i pokree turbine za stvaranje elektrine energije.

    15 Nuklearna fisijska energija

    Ilustracija 24: Fisija 235U nakon uhvata neutrona.

    Jedne od estih fisijskih procesa je:

    235U + n fisijksi produkti + neutroni + energija (oko 200 MeV) 238U + n 239U + gama zrake

    239U + n 239Np 239Pu (nizom beta raspada). U prosijeku se emitira oko 2.43 neutrona u fisiji 235U, a neki od tih neutrona nadalje induciraju novu fisiju, pa cijeli kontrolirani (ili ne kontrolirani) lanac fisije. Neki se neutroni hvataju, i stvaraju konano 239Pu. Izotop 232Th, iako nije podloan fisiji prihvatom termalnih neutrona, mogui je izvor energije jer apsorbirajui neutrone stvara dugoivue 233U, koji se cijepa pri hvatanju novih termalnih neutrona.

    Ilustracija 25: Nuklearni reaktor.

    Tipini nuklearni reaktor sadri fisijski materijal (UO2, obogaen s oko 4 % s 235U) u kojem se dogaa lanac reakcija. Energija osloboena u procesu fisije, koji je uglavnom u obliku kinetike energije fisijskih dijelova, a time grije vodu. Voda ima dvojaku ulogu, kao usporiva neutrona, te kao prenositelj topline. Rekacijski lanac se kontrolira sa tapovima koji su sposobni apsorbirati neutrone.

  • M. Delalija, Ionizirajue zraenje u biosferi (interna skripta), Sveuilite u Splitu, Kemijsko-tehnoloki fakultet 40

    Nuklearni reaktori oslobaaju ogromne koliine energije, u usporedbi s kemijskim reakcijama. Fisija 1 g urana ili plutonija na dan oslobaa oko 1 MW. Na Zemlji postoji oko 435 nuklearnih reaktora i stvaraju oko 345000 MW elektrine snage. Neke zemlje ovise o energiji iz nuklearnih elektrana, kao npr. Francuska, Belgija, vedska.

    16 Nuklearna fuzijska energija Nuklearni fuzijski reaktori, ako ih bude mogue napraviti, obeavaju praktiki neograniene koliine snage za neogranienu budunost. To se ini tako jer su koliine goriva, izotopa vodika, ogromne na Zemlji. No, kontrolirane reakcije su teke.

    Ilustracija 26: Nuklearna fuzija.

    Nuklearna fuzija je izvor energije na Suncu i zvijezdama gdje visoke temperature i gustoe dozvoljavaju pozitivno-nabijenim ionima pribliavanje kako bi doli u doseg privlanim nuklearnim silama. Jedna od vanijih fuzija je:

    3H + 2H 4He + n + 17.6 MeV. Iako, eventualno, ovakav tip stvaranja energije nema radioaktivne produkte, kao to ih ima fisijski reaktor, ipak se stvaraju brzi neutroni dovodei do velikih koliina radioaktivnih sekundarnih produkata. No, jedna od mogunosti je reakcija deuterija i tricija i stvaranje protona i helijevog iona. meutim, to trai tricij za gorivo, a njegove koliine na Zemlji su ograniene. Mjesec se smatra velikom rezervom tricija.

    17 Zraenja u okoliu Razliiti oblici zraenja postoje u prirodnoj sredini, ili su proizvedeni modernim tehnologijama. Mnogi od njih imaju pozitivnu i negativnu stranu. ak i sunevo zraenje moe biti opasno, ako je u velikim koliinama. Jasnost obraa panju na zraenje nazvano ionizirajue zraenje. Ta zraenja mogu otetiti atome, strav