ELEKTROMAGNETNA ZRAENJA Jonizujua zraenja 1 KVANTNOKORPUSKUL ARNA J

ELEKTROMAGNETNA ZRAČENJA Jonizujuća zračenja 1

KVANTNO-KORPUSKUL ARNA (J O N I Z U J U Ć A) Z R A Č E NJ A • Jonizujući zraci – zraci ili čestice koje vrše jonizaciju supstance kroz koju prolaze → pojava jonizacije praćena je nastajanjem elektron-jonskih parova; • Od neutralne čestice – atoma ili molekula nastaje jonski par. • Broj nastalih jonskih parova – predstavlja meru nastale jonizacije tj. meru apsorbovane energije jonizujućeg zračenja. 2

• Jonizujući X zraci, , , protonske, neutronske i druge čestice nastaju iz sfere jednog atoma; • X-zraci nastaju kao posledica ubrzanog kretanja elektrona, ili prelaskom elektrona sa jednog nivoa na drugi. • zraci, , , protonske, neutronske i druge čestice nastaju kao posledica nestabilnosti jezgara i predstavljaju produkt radioaktivnog raspada jezgara i zovu se radioaktivnim zračenjem. 3

• Izvori jonizujućih zračenja mogu biti: • prirodni – iz radioaktivnih elementa (radijum- Ra 226, uran. U 238) i njihova jedinjenja, kosmički zraci, svi prirodni procesi jonizacije. . . • veštački – radioaktivni izotopi, rendgen aparati, nuklearni reaktori, centrale, akceleratori. . . ; • Primena jonizujućih zraka je velika: u medicini (za terapiju i dijagnostiku), u tehnici (kao izvori energije – nuklearne elektrane, akceleratori čestica - za ispitivanje strukture materijala. . . ) itd. . . • Jonizujuća zračenja imaju visok stepen štetnog dejstva na čovekov organizam; 4

RENDGENSKI X - ZRACI • Rendgenski ili X – zraci nastaju kada se materijali bombarduju brzim elektronima – katodnim zracima. • Katodni zraci nastaju ubrzavanjem slobodnih elektrona pod dejstvom električnog polja. • Otkrio ih je Rendgen 1895. god. • Postoje dva tipa rendgenskih cevi: jonska i Kulidžova cev; • Kulidzova cev ( savremeni tip): emisija elektrona termolektronska – zagreva se katoda ( primer volfram) koja emituje elektrone koji se pod dejstvom visokog napona kreću prema anodi, i sudarajući se sa njom nastaje X – zračenje. 5

• Rendgenski zraci su elektromagnetne prirode i nadovezuju se na UV zračenje i delimično se prekrivaju sa njim. • Imaju veliku prodornost kroz čvrste i tečne supstance što je iskorišćeno u medicini za dijagnostiku i tehnici za ispitavanje nehomogenosti materijala; • Mehanizam nastajanja X zračenja se može objasniti preko spektra zračenja. • Rendgenski zraci imaju dve komponente spektra: • kontinualni • i karakteristični (linijski) spektar. 6

• Kontinualni rendgenski spektar • Kontinualni spektar nastaje zbog naglog zaustavljanja brzih elektrona na anodi – zakočno rendgensko zračenje; • U skladu sa klasičnom teorijom, pri kočenju elektrona nastaje zračenje. • Spektar je kontinalan – širok spektar frekvenca odnosno talsnih dužina jer nastaje kao posledica kočenja elektrona različitih brzina. • U kratkotalasnoj oblasti spektra postoji granična frekvenca posle koje prestaje emisija zračenja. 7

• Elektron koji emituje zakočno zračenje, ubrzan između katode i anode, ne može imati energiju veću od energije e∙U. • Što znači da je kinetička energija elektrona u polju jednka: • Ulaženjem u polje jezgra atoma u anodi, usled interakcije sa poljem, elektron se koči, i gubi energiju u vidu zračenja koja je jednaka: • Ova energija ne može biti veća od energije koju dobija ubrzavanjem u polju, odnosno: maks. frekvenca, odnoso minim. talasna dužina pri kojoj se javlja zakočno zračenje jednaka je: - zavisi samo od napona između elektroda a ne zavisi od vrste supstance od koje sačinjena anoda. 8

• Karakteristični rendgenski spektar • Karakteristični spektar nastaje zbog izbijanja unutrašnjih elektrona iz atoma materijala anode – elektroni ubrzani u polju atoma anode i izbijaju elektrone iz unutrašnjih nivoa → upražnjena mesta se popunjavaju elektronima iz spoljašnjih ljuski, a to dovodi do emitovanja kvanata X zračenja; 9

[10 -10 m] element atomski broj Fe 26 1, 934 1, 752 1, 741 Mo 42 0, 710 0, 631 0, 619 Ag 47 0, 560 0, 496 0, 486 W 74 0, 211 0, 184 0, 179 Pb 82 0, 168 0, 146 0, 141 10

• Mozlijev zakon • Ispitivanjem karakterističnog spektra bavio se Mozli (Mosley), i dosao do zaključka da ovi spektri predstavljaju atomske spektre elemenata (metala) i da imaju vrlo jednostavnu zavisnost frekvence od rednog broja elemenata u Periodnom sistemu: • Gde su: ν – frekvenca rengenskog zračenja, Z – redni broj elementa, a i b – konstante koje zavise od tipa prelaza. • Karakteristični spektar ukazuju na svojstvo atoma od kojih je načinjena anoda→zbog čega se i koriste za ispitivanje hemijskog sastava materijala; • Svaki metal ima svoj karakterističan spektar, koji se ne menja bez obzira da li je metal u slobodnom stanju ili hemijski vezanom. 11

• Intenzitet X - zraka • Intenzitet kontinulnog rengenskog spektra je tesko teorijski analizirati, dok je eksperimentalno ustanovljeno da je intenzitet proporcionalan kvadratu napona na cevi U 2 i atomskom broju Z tj. : I~ CZU 2 , gde je C-konstanta. • Ako je u pitanju tačkasti izvor zračenja koji emituje zračenje ravnomerno u svim pravcima, onda važi da je: Ako je poznat intenzitet izvora I , onda je intenzitet na nekom rastojanju jednak: ili 12

• Apsorpcija X – zraka • X – zraci su EM prirode i za njih važe zakoni apsorpcije, refleksije, difrakcije. . . • X – zraci prolaze kroz sva tela što je iskorišćeno u medicini i tehnici; • X – zraci izazivaju različite procese i pojave pri prolasku kroz materiju: ekscitaciju atoma, fotoelektrični efekat. . . • Zakon apsorpcije: - linearni koeficijent apsorpcije materijala – koji se određuje eksp. Kada intenzitet zračenja opadne na pola x - debiljna na kojoj intenzitet smanjen na pola. - zavisi od talasne dužine X-zraka i karakteristika materijala i važan je za proračun debljine zaklona u cilju zaštite od X-zračenja. 13

RADIOAKTIVNO ZRAČENJE • Pojavu radioaktivnosti otkrio je Bekerel 1896. godine u solima urana; • Nakon niza eksperimenata zaključio je da se to zračenje spontano emituje, da potiče iz jezgra, da je prodorno, da zacrnjuje fotografsku emulziju i da jonizuje gasove. • Takva spontana emisija zračenja iz jezgra atoma nazvana je radioaktivnost. • Pjer i Marija Kiri (1898. god. ) u uranovoj rudi uranitit (pehblendi) pronašli polonijum i radijum čije je zračenje 4 x jače od u odnosu na zračenje soli urana. • Ernest Rutherford otkrio je 1899. da se zračenje radijuma sastoji od dve komponente koje se različito apsorbuju u materijalima. 14

• Onu vrstu zraka koje ne mogu da prođu kroz aluminijsku pločicu debljine 0, 02 mm nazvao je alfa-česticama, a onu vrstu koja je prolazila i kroz deblje slojeve nazvao je beta-česticama. • Na osnovu skretanja u magnetskom polju, utvrdeno je da alfačestice imaju pozitivni električni naboj, a beta-čestice negativan električni naboj. • Paul Villard je 1900. otkrio još prodorniju komponentu zračenja, nutralne prirode –gama-zrake. 15

• Radioaktivno zračenje nastaje iz jezgra atoma. • Rezultat radioaktivnog raspada je stvarane novog elementa uz emitovanje jedne ili više čestica. • Ustanovljeno je da su -alfa i -beta su korpuskularne prirode; • A gama zračenje je elektromagnetne prirode – EM talasi velikih frekvencija; • Postoji prirodna i veštačka radioaktivnost; • Prirodna radioaktivnost nastaje raspadom elemenata ili jedinjenja koji se nalaze u prirodi. • Veštačka radioaktivnost nastaje raspadom radioaktivnih izotopa koji su nastali veštačkim putem – radioaktivne smeše, u akceleratorima i nuklearnim reaktorima putem nuklearnih rekacija. 16

VRSTE RADIOAKTIVNOG RASPADA • Postoje tri vrste radioaktivnog raspada, prema vrsti zračenja koje se emituje: • Alfa raspad • Beta raspad 1. Elektronski, beta minus raspad 2. Pozitronski, beta plus raspad 3. Elektronski zahvat • Gama raspad • U radioaktivnim raspadima jezgara važe opšti zakoni fizike – zakoni održanja mase/energije, naelektrisanja, količine kretanja i momenta količine kretanja, zakon održanja broja nukleona, kod beta raspada i leptonskog broja itd. . 17

• Osnovne karakteristike radioaktivnog raspadanja • Marie Curie-Skłodowska otkrila je 1898. da se na radioaktivno zračenje kod torijumovih jedinjenja ne može uticati električnom strujom, zagrevanjem, hemijskim reakcijama i sl. , i da je verovatnoća raspada nezavisna od starosti pojedinog atoma. • Osnovne karakterisike raspada su: • Statističke je prirode • I ne može se uticati na brzinu raspada na bilo koji način. • Veličine koje opisuju radioaktivni raspad su: • Konstantna radspada -λ • Period poluraspada -T 1/2 • Srednje vreme života - τ 18

• Radioaktivni raspad se opisuje zakonom radioaktivnog raspada. • Brzina kojom se smanjuje ( “-” u izrazu dole) broj jezgara tokom vremena, odnosno broj jezgara koji se raspada data je kao: • • Ako je N 0 – broj jezgara u početnom trenutku posmatranja a N – broj atoma koji je ostao posle nekog vremena t zakon radioaktivnog raspada: • - konstanta radioaktivnog raspada – verovatnoća da se neki element raspade određenom brzinom – karakteristična veličina za svaki izotop, kako prirodni tako i veštački. • Aktivnost supstance – A – broj raspadnutih jezgara u jedinici vremena tj. broj dezintegracija u jedinici vremena: 19

• • Gde je A 0 – aktivnost u počenom trenutku t=0. Jedinica za aktivnost – Bq – raspad /s. U praksi se često koristi i jedinica Kiri: 1 Cu = 3, 7∙ 1010 Bq. Vreme koje je potrebno da se broj neraspadnutih atoma smanji na polovinu je vreme poluraspada – T 1/2 • Srednje vreme života - vremenska egzistencija svih jezgara podeljena sa ukupnim brojem jezgara. 20

• Radioaktivno granjanje • Većina nukleida se ima sposobnost da se raspada u više pravaca sa različitim verovatnoćama što se naziva radioaktivno granjanje. • Primer za dva: • 1 , 2 – parcijalne konstante raspada – imaju različite vrednosti → periodi poluraspada takođe imaju različite vrednosti. 21

• Radioaktivni lanac – sukcesivne radioaktivne transformacije • Drugi član se stvara brzinom 1 a raspada brzinom 2 i tako. . . sve do poslednjeg elementa u lancu koji je stabilan i stvara se samo nekom brzinom n. 22

• Alfa raspad • U α-raspadu se emituje α-čestica (jezgro helijuma - He++ ), pri čemu se dešava tzv. transmutacija jezgra, proces promene jednog u jezgro drugog elementa: • Redni broj elementa se smanjuje Z-2, a atmski broj prelazi u A-4. • Energija oslobođena u radioaktivnom raspadu • se raspodeljuje na kinetičke energije produkata raspada. Kinetičke energije α čestice kreću se od 5 Me. V do 9 Me. V. • Na ovaj način se raspadaju jezgra za rednim brojem Z>82. • Teorijski se α – raspad objašnjava kvantno - mehaničkim tunel efektom. 23

• Beta zraci • Brzi elektroni ili pozitroni koji zbog svog naelektrisanja skreću u električnom i magnetnom polju; • Brzina beta zraka: do 99, 8% brzine svetlosti; • Imaju veliku prodornu moć zbog male dimenzije i velike brzine; • Domet u vazduhu je sto puta veći od dometa alfa čestica. • Postoje tri tipa beta raspada: • Elektronski, beta minus raspad • Pozitronski, beta plus raspad • Elektronski zahvat • Beta raspadi se objašnjavaju tzv. slabim inerakcijama u prirodi, koje se javljaju isključivo kod ovakvih procesa. • Slaba sila oko 10 -14 puta manja od jake sile. • Domet slabe sile je malo manji od dimenzija jezgra. 24

• - - raspad ili elektronski raspad • Pri ovom raspadu dolazi do konverzije neutrona u proton uz stavarnje leptonskog para, elektrona i antineutrina: - raspad slobodnog neutrona ≈15 min • Raspad jezgra: • Redni broj jezgra potomka se povećava za jedan u periodnom sistemu – Z+1. • Maseni broj ostaje nepromenjen. 25

• + - raspad ili pozitronski raspad • Pri ovom raspadu dolazi do konverzije protona u neutrona uz stvaranje leptonskog para, pozitrona i neutrina: - raspad slobodnog protona ≈ 1033 god • Raspad jezgra: • Redni broj jezgra potomka se smanjuje za jedan u periodnom sistemu – Z-1. • Maseni broj ostaje nepromenjen. 26

27

• Elektronski e- - zahvat • Nestabilno jezgro “zahvata“ elektron iz elektonskog omotača, najčešće sa K-ljuske i dolazi do konverzije protona u neutron uz emisiju jednog neutrina: • Raspad jezgra: • Redni broj jezgra potomka se smanjuje za jedan Z-1 kao kod + - raspada. • Maseni broj ostaje nepromenjen. • Ovaj proces je verovatniji od pozitronskog raspada i praćen je emisijom X- zračenja ili Ože elektronima. 28

• γ - radioaktivni raspad • γ-raspad je prelaz jezgra iz pobuđenog u niže energetsko ili osnovno stanje, što je praćeno emisijom visokoenergetskog γ-kvanta i tzv. Internom ili unutrašnom konverzijom. • Gama zraci su su EM talasi visokih frekvencija i ne skreću u EM polju i imaju veliku prodornost; • γ-raspad obično sledi nakon α- ili β-raspada, kada nastala jezgra nisu u osnovnom(stabilnom) stanju, već u nekom od pobuđenih stanja što je najčešći slučaj. • U zavisnosti od energije postoje: meki zraci (0, 2 Me. V), zraci srednje tvrdoće (0, 2 -1 Me. V), tvrdi zraci (1 -10 Me. V) i vrlo tvrdi zraci (preko 10 Me. V); 29

• Unutrašnja konverzija je proces pri kojem emitovni gama kvant biva apsorbovan od strane nekog elektron iz unutrašnje ljuske. • Taj elektron napušta atom, njegovo popunjava elektron sa višeg nivoa što je praćeno emisijom X zraka. • Pri gama raspadu se redni i maseni brojevi atoma ne menjaju. 30

• Nuklearne reakcije • Osim spontane dezintegracije (transmutacije) jezgara, promene u strukturi jezgra je moguće i veštački izazvati, tj. moguće je indukovati raspad stabilnih jezgara u sudaru sa drugim jezgrima, subatomnim česticama ili γ-fotonima. • Nuklearne reakcije (transmutacije) su procesi transformacije atomskih jezgara u interakciji sa česticama, drugim jezgrima ili fotonima: • a – projektil , X – jezgro meta, Y – novonastalo jezgro, b – produkti reakcije - oslobođeno radioaktivno zračenje: α, β, γ, p, n. . . • Kao i za radioaktivni raspad, i za nuklearne reakcije važe svi zakoni održanja. 31

• Primer nuklearne reakcije praćen alfa i gama raspadom 32

• Energetski bilans nuklearne reakcije • Energija nuklearne reakcije je razlika u kinetičkoj energiji između produkata nuklearne reakcije i čestica koje ulaze u reakciju. • U lab. Sistemu reference, u kome meta X miruje. • Energija reakcije se može naći iz razlike masa čestica koje ulaze u reakciju i koje su produkti reakcije. • Reakcija je egzotermna (oslobađanje energije), ako je Q>0. • Reakcija je endotermna (ostvaruje se na račun energije čestice a koja izaziva reakciju), ako je Q<0. 33

• Interakcija radioaktivnog zračenja sa materijom • Emitovano radioaktivno zračenje različito prodire kroz materiju. • Pri prolasku radioaktivnog zračenja kroz materiju, dolazi do gubitka, tj. predaje energije apsorbujućem materijalu. • α-čestice na svom putu (usled velike mase putanja im je prava linija) i dva put pozitvnog nalektrisanja imaju veliki stepen jonizacije ili ekscituje sredine kroz koju prolaze, zbog čega brzo gube energiju i imaju veoma mali domet. • Zaustavlja ih sloj papira, sloj izumrlih ćelija kože ili sloj vazduha od samo 10 cm. • Znatno veća opasnost od α-čestica preti ako se radioaktivni materijal koji ih emituje nalazi u živom organizmu, jer deluje na žive ćelije. 34

• β-čestice (elektroni) pri prolasku kroz materiju takođe vrše ekscitaciju (pobuđivanje) elektrona u orbitama atoma materije i/ili jonizaciju i imaju izlomljenu putanju. • Pored toga, usled naglog usporavanja naelektrisanih β-čestica (elektroni ili pozitroni) emituje se i tzv. zakočno X-zračenje. • Domet β-čestica u vazduhu ne prevazilazi nekoliko metara. Zaustavlja ih i tanak sloj pleksiglasa. • Opasnost dolazi, međutim, od pratećeg zakočnog X-zračenja, kao i od γ -zračenja koje prati β-radioaktivni raspad i za njih treba birati teške materijale za zaštitu. • Jonizaciona sposobnost beta zračenja 1000 puta manja nego kod alfa čestica. 35

• Gamma zraci imaju najveći domet i predaju materiji svoju energiju u nekoliko procesa: • 1. Fotoelektrični efekat – potpuno predaju energiju elektronima atomskih omotača koji izlaze iz atoma materijala apsorbera. • Takvi elektroni, slično β-česticama, u sekundarnom efektu jonizuju sredinu kroz koju se kreću. • Ovaj efekat je dominantan pri niskim energijama γ-kvanata. • 2. Komptonovo rasejanje– proces kada γ-kvanti samo delimično gube energiju, a deo energije primaju elektroni u materijalu apsorbera. • Ovi elektroni se dalje ponašaju kao i β-čestice i vrše ekscitaciju elektrona ili jonizaciju atoma materije, a oslabljeni γ-kvanti izazivaju fotoefekat. • Ovaj efekat je dominantan pri srednjim energijama γ- kvanata. • 3. Stvaranje para elektron-pozitron – kada fotoni γ-zraka imaju energiju veću od dvostruke energije mirovanja elektrona Eγ > 2 m 0 c 2, tada u polju jezgra atoma apsorbera može doći do stvaranja elektrona i njegove antičestice, pozitrona. • Nastali elektron i pozitron ekscituju i jonizuju sredinu kroz koju se kreću. • Ako im je energija mala, oni anihiliraju – ponovo se stvaraju 2γ-kvanta koji zatim preko fotoelektričnog efekta i Komptonovog rasejanja interaguju sa materijom. 36

• Apsorpcija gama zraka • Važi zakon apsorpcije kao kod X zraka: • I 0 – početni intenzitet zračenja, I- intenzitet zračenja iza zaklona debljine - x, a - linearni koeficijent apsorpcije – jedinica 1/m. • Ako modifikujemo izraz: gde je ρ – gustina materijala koji apsorbuje gamma zračenje, dobijamo m – maseni apsorpcioni koeficijent i dm – masenu debljinu. • Kada intenzitet zračenja opadne na 50% od početne vrednosti: - d 1/2 – poludebljina – debljina materijala koja smanjuje za 50% intenzitet zračenja. • Isto važi i za: • Koeficijent apsorpcije zavisi od vrste materijala i energije gama zračenja. 37

PRIRODNA RADIOAKTIVNOST • Svet u kome živimo radioaktivan je od svog postanka. • Postoji oko 60 prirodnih radionukleida (radioaktivnih elemenata), koje možemo pronaći u zemlji, vazduhu, vodi, hrani, a time i u svim živim bićima. • Po tome kako su nastali dele se na: • one koji su oduvek prisutni na Zemlji; • one koji nastaju kao posledica delovanja kosmičkih zraka; • kao i oni koji su posledica ljudske tehnologije. • Elementi u Periodnom sistemu sa rednim brojem od 1 do 92, se svi mogu se nac i u prirodi, ili u stabilnom stanju ( kao što je vodonik ), ili sa veoma dugim periodom poluraspada (kao što uranijum ) ili su pak nastali nastao kao proizvodi raspadanja urana i torijuma kao što je radon. • U ovu grupu spadaju elementi poput U 235, U 238, Th 232, Ra 226, Ra 222 ili K 40. • Samo tehnicijum je veštački otkriven 1936. god. • Oni potiču još iz vremena stvaranja Zemlje, a karaketriše ih vrlo dugo vreme poluraspada, čak i do milijardu godina, osim radona čiji je poluživot 3, 8 dana. 38

39

U 238 Radioaktivni niz -Transmutacije

Th 232 Transmutacije (Niz)

U 235 Transmutacije (Niz)

Np 237 Transmutacije (Niz)

• TRANSURANSKI ELEMENTI • Transuranskih elementi ) su hemijski elementi sa Z>92 ( redni broj uranijuma ). • Svi ovi elementi su veoma nestabilni i raspadaju u druge elemente. • Elementi poput neptunijuma, plutonijuma, americijuma, kirijuma, berklijuma i californijuma su prvo otktiveni u laboratoriji a tek kasnije u prirodi. • Oni su svi radioaktivni, sa vremenom poluraspada mnogo krac im od starosti Zemlje, tako da ako su ikada i bili prisutni na Zemlji ili su se javili tokom njenog formiranja, odavno su se raspali. • Ovih šest elemenata nastaju zahvatom neutrona u rudama uranijuma preko sukcesivnih beta raspada: 238 U + n → 239 U → 239 Np → 239 Pu. • Transuranski elementi mogu biti veštački generisani u nuklearnim reaktora ili akceleratorima čestica. 44

45

KOSMIČKO ZRAČENJE Atmosfera se sastoji od neutralnih atoma i molekula i jona; Jonizacija vazduha nastaje zbog dejstva: Prirodne radioaktivnosti tla – u stenama i mineralima: U 235, U 238, Th 232, Ra 226 i prirodne radioaktivnosti vazduha – Rn 222 (gasovit je). • Kosmičkog zračenja – fluks čestica visoke energije (108 -1019 e. V) i gama zračenja - primarno kosmičko zračenje koje nas neprestano pogađa. • Izvor mu je uglavnom van našeg Sunčevog sustava, od vrlo brzih teških čestica - 77, 5% protoni i teška jezgra nekih elemenata(He, Li, Be, B, C, N, O. . . , pa do visokoenergijskih fotona i miona. • • 46

• Osnovne karakteristike kosmičkog zračenja • Primarni kosmički zraci se ubrzavaju u magnetnom poljima zvezda i drugih nebeskih tela. • Energija čestica može dostići vrednosti do 1019 e. V. • Primarno zračenje interaguje sa grnjim slojevima atmosfere i tako proizvodi radionuklide, koji su najčešće kraćih vremena poluživota : C 14, H 3, Be 7 i niz drugih lakših čestica. • Pri interakciji sa atmosferom formira se sekundarno kosmičko zračenje; • Kosmički zraci imaju veliku prodornu moć, a njihovo apsorbovanje je srazmerno debljini sloja materije kroz koju prolaze; 47

• Van Alenovi pojasi zračenja • Radijacioni pojasevi sa povećanim jonizujućim zračenjem oblika torusa i sadrže naelektrisane čestice viskoe energije zarobljene magnetnim poljem Zemlje. • Potiču od kosmičkog zračenja i zračenja koje dolazi sa Sunca. • Razlikuju se dva Van Alenova pojasa zračenja: spoljašnji i unutrašnji. 48

• Spoljašnji pojas prostire se negde od 13 000 do 60 000 km iznad Zemljine površine. • Sadrži visokoenergetske elektrone (0, 1– 10 Me. V), i manju količinu alfa-čestica, protona i jona kiseonika. • Unutrašnji pojas zračenja se širi od 100 do 10 000 km iznad površine Zemlje. • Sadrži visokoenergetske protone, čija energija prelazi i 100 Me. V i elektrone sa energijom preko 100 ke. V. • Smatra se da protoni energije veće od 50 Me. V nastaju sudarom kosmičkih zraka sa jezgrama atoma, u gornjoj atmosferi. • Protoni energije manje od 50 Me. V verovatno potiču od geomagnetskih oluja. • Ovi pojasi su povezani i sa stvaranjem polarne svetlosti kada visokoenergetske čestice udaraju u gornje slojeve atmosfere i stvara se fluorescencija. 49

• Sekundarno kosmičko zračenje • Čestice primarnog kosmičkog zračenja u neelastičnim sudarima sa jezgrima atoma atmosfere stvaraju sekundarne kosmičke zrake: protone, neutrone, elektrone i druge vrste elementarnih čestica; • Većina ovih čestica je nestabilna i transformišu se jedna u drugu pri određenim uslovima; • Pri ovim transformacijama menjaju se njihove mase, energije i druge osobine; • Meku koponentu sekundarnog kosmičkog zračenje Zemlje, čini lavina elektronsko-pozitronskih parova i fotoni koji se pojavljuju kao rezultat raspada neutralnog piona π0 - mezon: π0 → γ + γ) i naglog kočenja (zaustavljanja) brzih elektrona, prilikom prolaska pored jezgra atoma vazduha. • Tvrdu komponentu sekundarnog kosmičkog zračenja Zemlje, uglavnom čine mioni. Oni pretežno nastaju u gornjim slojevima atmosfere prilikom raspada naelektrisanih piona: π+ i π-. Naziv „tvrda“ potiče od toga što ova komponenta ima veliku prodornu moć. • Olovo debljine i nekoliko desetina santimentara je ne može potpuno zaustaviti (apsorbovati). 50

• Mezoni – jedna vrsta elementarnih čestica koja čini kosmičko zračenje; • Nestabilni su i dovode do stvaranja elektrona i gama zračenja. • Stvoreno gama zračenje ima veliku energiju i može dovesti do stvaranja elektron - pozitronskih parova; • Stvoreni elektronsko -pozitronski par ima veliku kinetičku energiju, a njihovim kočenjem u polju jezgra stvaraju se novi kvanti i ovi procesi se ponavljaju (stvaranje lavine tj. energetske transformacije kosmičkih zraka); 51

• Otkriće primarnih i sekundarnih kosmičkih zraka dovelo je do razvoja fizike elementarnih čestica. • Elementarne čestice se sastoje od fundamentalnih; • Fundamentalne čestice – čestice koje nemaju unutrašnju strukturu – kvarkovi i leptoni. 52

• Dejstvo kosmičkog zračenja na ljudski organizam • Magnetno polje zemlje i njena atmosfera predstavljaju prirodni zaštitni omotač od kosmičkog zračenja; • Izvestan broj visokoenergetske čestice iz kosmičkog zračenja stižu do površine zemlje ali u maloj količini; • Kratkotrajni fluks (impuls) kosmičkog zračenja visokog intenziteta imao bi štetno dejstvo na ljudski organizam; • Zaštita od kosmičkog zračenja je od značaja pri letovima u kosmos; • Prilikom procenjivanja štetnog dejstva kosmičkog zračenja treba uzeti u obzir sve komponente zračenja koje se javljaju, pri čemu se kriterijumi i norme određuju parcijalno - za svaku komponentu zračenja posebno. 53

• VEŠTAČKA RADIOAKTIVNOST • Ljudi su svojim djelovanjem, razvojem nuklearnih reaktora i testiranjem nuklearnog oružja, stvorili još niz radioaktivnih elementata, poput stroncijuma-90, joda-129, joda-131, cezijuma 137, plutonijuma-239 itd. • Neutronsko zračenje • Neutron u slobodnom stanju je nestabilan: sa periodom poluraspada ≈15 min. • Osim što se u prirodi javlja kao produkat u raspadima kosmičkog zračenja, može se dobiti i laboratorijskim putem: u radioaktivnim smešama - Ra, Be, Sb, Po, i u nuklernim reakcijama u reaktorima ili akceleratorima. • U smeši Po i Be, raspadom Po emituje se alfa čestica, pri čemu dolazi do reakcije: kao produkt se dobija n. 54

• Kao neutralna čestica slabo reaguje sa elektronima iz omotača atoma; • Prodorna moć neutrona je velika – nekoliko desetina centimetara kroz tkivo živih organizama; • Pri sudaru sa jezgrom atoma predaje mu svoju energiju i jezgro dalje može da vrši jonizaciju; • Igra značajnu ulogu u fisionim procesima. • Protonsko zračenje • Zbog velikog perioda poluraspada, raspad slobodnog protona je praktično nemoguće registrovati. • U prirodi je prisutan kao sastvani deo kosmičkog zračenja. • Domet protona u vazduhu zbog njegovog pozitivnog nalektrisanja je svega nekoliko centimetara. • Ima veliku jonizacionu sposbnost ( između elektona i alfa čestice) – prodire u tkivo svega do nekoliko mm dubine, što opet zavisi od energije protona. 55

• Nuklearna fuzija je proces spajanja lakih jezgara, sa relativno malom energijom veze po nukleonu, u masivnije jezgro veće energije veze po nukleonu. • Oslobođena energija u tom procesu je znatno veća nego u procesima fisije (3. 5 Me. V po nukleonu – kod fisije 0. 85 Me. V po nukleonu), a problem goriva ne postoji, jer se ono može dobiti iz vode. • Za ostvarivanje fuzije, neophodno je savladavanje elektrostatičke sile odbijanja između pozitivnih jezgara koje ulaze u proces. 56

• U prirodi ovakav proces moguć je jedino na temperaturama reda 108 K, prevođenjem fuzionog goriva u stanje plazme (smeša elektrona i jezgara – jonizovana materija) – izvor energije Sunca i drugih zvezda. • Problem kontrole (održavanja) stanja plazme još uvek nije uspešno rešen. • Ciklus termonuklearne fuzije sunca odvija se u nekoliko etapa: 57

• Nuklerana fisija • Reakcija cepanja teških jezgara na dva manje masivna fragmenta je tzv. nuklearna fisija (Fermi - 1934. ; Han, Majtner, Štrasman, Friš, 1939. ) pri čemu fragmenti ne moraju biti iste veličine. • Period poluraspada spontane fisije u slučaju U 238 iznosi 8· 1015 godina, odnosno jedno jezgro po gramu U 238 se raspadne spontanim fisija svakih 2, 5 minuta. • Poređenje: Period poluraspada za alfa raspad U 238 iznosi "samo " 4, 5· 109 godina , što znači da se oko 750. 000 jezgra uranijuma po gramu raspadne svakog minuta ovim putem. 58

• Indukovana nuklerana fisija • Proces izazivanja nuklearne fisije pod zahvatom sporih ( tzv. Termalnih neutrona – energije 0. 025 e. V) ili brzih neutrona (energije 0. 5 -10 Me. V). • Fisija brzim neutronima moguća je kod izotopa Th 232 i U 238. • U 235 je jedini prirodni izotop urana, koji se u procesu fisije može cepati pod uticajem sporih, termalnih neutrona. • Proces fisije prikazan na slici je samo jedan od niza mogućih, čiji ishod mogu biti i drugi fragmenti (druga jezgra) i različit broj novostvorenih neutrona. • Fisionom cepanju termalnim neutronim podležu još dva veštačka izotpa U 233 i Pu 239. 59

• Indukovana nuklerana fisija • Proces izazivanja nuklearne fisije pod zahvatom sporih ( tzv. Termalnih neutrona – energije 0. 025 e. V) ili brzih neutrona (energije 0. 5 -10 Me. V). • Fisija brzim neutronima moguća je kod izotopa Th 232 i U 238. • U 235 je jedini prirodni izotop urana, koji se u procesu fisije može cepati pod uticajem sporih, termalnih neutrona. • Proces fisije prikazan na slici je samo jedan od niza mogućih, čiji ishod su uvek drugi fragmenti (druga jezgra) i različit broj novostvorenih neutrona. • Fisionom cepanju termalnim neutronim podležu još dva veštačka izotpa U 233 i Pu 239. 60

• Prilikom jedne fisije U-235 se oslobađa energija, približno oko 210 Me. V odnosno oko 0. 85 Me. V po nukleonu, od čega veći deo otpada na kinetičku energiju produkata fisije, što je 108 puta više nego u običnoj hemijskoj reakciji (sagorevanju fosilnog goriva). • Energija oslobođenih neutrona iznosi oko 10 Me. V. • Prilikom fisije urana, prosečan broj neutrona stvorenih u reakciji je 2. 5 što je više nego dovoljno da se reakcija sama održava. Neutroni nastali pri fisiji uzrokuju nove reakcije fisije i tako nastaje niz vezanih reakcija ili tzv. lančana reakcija. • Za vreme nekontrolisane lančane reakcije, veoma kratkom vremenu (milioniti delovi sekunde) izvrši se na hiljade fisionih reakcija i oslobodi se ogromna količina energije – primer atomske bombe. 61

• U realnosti, ne izaziva svaki emitovani neutron fisiju, jer mogu izazvati i niz drugih reakcija koje mogu biti podjednako verovatne. • Najčešće gorivo reaktora je U 235, čiji sadržaj u rudnim sirovinama ne prelazi 1 % (ostatak je U 238, nepogodan kao nuklearno gorivo), pa se pre korišćenja gorivo mora obogaćivati, tj. dovesti u stanje sa većim procentom jezgara (3 %) koja se cepaju u sudaru sa sporim, termalnim neutronima. • Da bi energija koja se oslobađa prilikom fisije mogla da se koristi neophodno je da se ostvari kontrola lančane nuklearne reakcije. • Ograničavanjem (kontrolisanjem) broja neutrona koji učestvuju u reakcijama fisije, moguće je uspostaviti stanje da samo jedan novostvoreni neutron izaziva novu fisiju. To je tzv. kontrolisana fisija koja se primenjuje u nuklearnim reaktorima za proizvodnju nuklearne energije. 62

• To se postiže postavljanjem šipki takvog sastava da imaju veliku apsorcionu moć neutrona. • Ovakav sistem se naziva nuklearni reaktor. • Zajedničko za većinu nuklearnih reaktora su tri osnovna elementa: nuklearno gorivo, neutronski moderator i kontrolne šipke. • Kontrolne šipke (čelik legiran sa B, Cd, …) služe za kontrolisanje broja neutrona i stvaranje tzv. kritičnog (stacionarnog) režima u kome jedna fisija stvara jedan neutron za sledeći proces fisije. Broj apsorbovanih neutrona srazmeran je dužini šipke u aktivnoj zoni. 63

• S obzirom da je energija emitivanih neutrona prilikom fisije velika (10 Me. V), zbog daljeg nastavka procesa neophodno ih je usporiti – postiže se moderatorima – supstancijama koje se mešaju sa fisionim gorivom. • Prilikom sudara neutrona sa jezgrima moderatora usporavaju se princip rada nuklearnih reaktora sa termalnim neutronima. Najčešće korišćeni moderator je grafit, voda, teška voda (voda obogaćena deuterijumom, izotopom vodonika sa 1 neutronom u jezgru). 64

• Konverzija u električnu energiju odvija indirektno, kao i kod konvencionalnih termoelektrana. Toplotu proizvodi nuklearna fisija u nuklearnom reaktoru. Usporavanjem fisionih produkata njihova kinetička energija transformiše u toplotu koja zagreva vodu – stvara se vodena paru koja pokreće turbine i tako mehanički rad pretvara uelektričnu energiju. Preostala para se kondenzuje u kondenzatoru i hladi. Voda se zatim upumpava nazad u nuklearni reaktor i ciklus počinje ponovo. • Osim za proizvođnju električne energije, nuklearni reaktori se danas koriste za pogon brodova, podmornica i raketa. 65

• Nuklearni reaktor može otkazati iz brojnih razloka. • Rashladni sistemi u reaktorima su projektovani za prekoračenje toplote; međutim, ako se reaktoru desi i havarija na sistemu za hlađenje, onda se nuklearno gorivo može otopiti ili da prouzrokuje da se sud u kome se drži pregreje i istopi. Ovakav događaj se naziva topljenje jezgra. • U savremenim nuklernim elektranama temeratura jezgra može dostići 1200⁰C. U odsustvu sistema za hlađenje, u roku od nekoliko minuta jezgro može dostići temeraturu od 1800⁰C. Svi nuklidi na toj temeraturi prelaze u gasovoto stanje, i pod pritiskom se šire kroz elektranu pa u atmosferu. Ako temeratura nastavi da raste do atmosfere stižu i drugi fisioni produkti – Černobil. • Nakon isključivanja, reaktor neko vreme zahteva spoljašnju energiju za rad njegovih rashladnih sistema. Obično se ova energija dobija iz električne mreže na koju je elektrana priključena ili iz pomoćnih dizelgeneratora. • Nemogućnost da se obezbedi energija za rashladne sisteme može izazvati ozbiljne akcidente, kao što se desilo u Fukušimskoj katastrofi. 66

• Nuklearni ili radioaktivni otpad je otpad koji sadrži radioaktivne hemijske elemente koji nemaju praktičnu primenu. • Otpad može biti produkt nuklearnih reakcija, kao što je fisiona reakcije. • Ipak, i druge industrije, koje nisu direktno povezane sa nuklearnom industrijom, mogu da proizvode velike količine radiaktivnog otpada (npr. proizvodnja ulja). • Zatim radioaktivni otpad medicinskih terapija. • Većina radioaktivnog otpada spada u nisko radioaktivne otpade, što znači da ima nizak nivo radioaktivnosti po jedinici mase tj. zapremine. U ovu vrstu radioaktivnog otpada spada na primer kontanimirana odeća. • Danas, u svetu postoje milioni litara radioaktivnog otpada i hiljade tona sagorelog uranijuma. • Najveći problem sa kojim se nuklearna industrija trenutno bori je upravo rukovođenje, skladištenje i konačno uništavanje radioaktivnog otpada širom sveta. 67