Doc. Ing. František Podzimek, CSc.

Radiologická fyzika. Příklady a otázky

Doc. Ing. František Podzimek, CSc.

Radiologická fyzika. Příklady a otázky

Online publikace ve formátu ePUB: ISBN 978-80-87727-01-0

Vydala Data Agentura INFOPHARM, s.r.o.

1. vydání

Počet stran 271

2012

Copyright © František Podzimek, 2012

Cover © SQ Studio, s.r.o.

Konverze do elektronických formátů Lukáš Vik, http://www.tvorbaeknih.cz

ISBN 978-80-01-05093-4 (tištěná verze)

© Česká technika – nakladatelství ČVUT

ISBN 978-80-87727-00-3 (online publikace ve formátu pdf)

© Data Agentura INFOPHARM, s.r.o.

ISBN 978-80-87727-01-0 (online publikace ve formátu ePUB)

© Data Agentura INFOPHARM, s.r.o.

ISBN 978-80-87727-02-7 (online publikace ve formátu MOBI)

© Data Agentura INFOPHARM, s.r.o.

On-line www.frpo.eu

Upozornění pro čtenáře této knihy

Publikace je chráněna podle autorského zákona č. 121/2000 Sb., ve znění pozdějších předpisů a to v plném rozsahu jako zákonem chráněné autorské dílo. Ochrana se vztahuje na informace jak v grafické, tak textové, či jiné podobě. Tato publikace a ani žádná jiná její část nesmí být šířena nebo reprodukována v papírové, elektronické nebo jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu autora.

Neoprávněné užití této publikace bude trestně stíháno.

Online publikaci může používat pouze osoba, která ji legálně nabyla a jen pro osobní a vnitřní potřebu v rozsahu určeném autorským zákonem. Je zakázáno její kopírování, pronajímání, půjčování a obchodní nebo neobchodní šíření. Především je zakázáno umisťování celé online publikace nebo její části, včetně grafiky, na servery, ze kterých je možno tyto soubory dále stahovat. Uživatel není oprávněn jakkoliv do publikace zasahovat s cílem obejití technického zabezpečení této online publikace.

Copyright © František Podzimek © Všechna práva vyhrazena

1. Úvod

Vědní obor Radiologická fyzika se zabývá aplikacemi ionizujícího záření a radionuklidů v lékařských oborech, jako radiodiagnostice, radioterapii a nukleární medicíně, a má také důležité místo v ochraně před ionizujícím zářením. Rostoucí potřeba radiologických asistentů, techniků a fyziků ve zdravotnictví si vyžádala vytvoření a akreditaci nových studijních programů na různých vysokých školách.

Cílem studia těchto studijních oborů je připravit absolventy na výkon zdravotnického povolání radiologický asistent, technik nebo fyzik pro zdravotnicko-fyzikálně-technické zajištění oborů radiodiagnostika, nukleární medicína a radioterapie.

Sbírka úloh je především určena vysokoškolským studentům bakalářského studijního oboru „Radiologický asistent“ Fakulty biomedicínského inženýrství ČVUT v Praze (se sídlem na Kladně) k prohloubení učiva v základním kurzu radiologické fyziky,

Využití najde také u studentů ostatních vysokých škol se zaměřením na studijní obor „Radiologický asistent“ uvedených v tabulce 1.1. Text je také určen i studentům se zaměřením na fyziku ionizujícího záření a jeho aplikací. Cílem učebního textu je seznámit studenty se základními matematickými postupy nutnými pro řešení konkrétních praktických úloh z oblasti radiologické fyziky. Postupně se proberou úlohy ze stavby hmoty, při určování základních vlastností radioaktivní přeměny – výpočet aktivity, poločasu přeměny, přírodní radioaktivity atd. Při řešení praktických příkladů si čtenář prohloubí znalosti obecných charakteristik interakce ionizujícího záření s látkou (zejména záření alfa, beta, gama a neutronů), průchod svazků záření látkou, výpočet stínění, polotloušťky apod. Student tak získá praktické znalosti při výpočtech základních dozimetrických veličin – aktivity, expozice, kermy, dávky, dávkového ekvivalentu a dalších veličin. Například při výpočtech pochopí praktický význam ekvivalentní a efektivní dávky při určování stochastických účinků včetně jejich aplikací pro kvantifikaci ozáření pro potřeby radiační ochrany. Ověří si tím získané znalosti o principech detekce, měření ionizujícího záření, o dozimetrických měřicích metodách i použití dozimetrických veličin a jednotek se zvláštním zřetelem na využití monitorování záření v radiační ochraně.

Po úvodních kapitolách je text rozdělen na osm tematických okruhů, které postupně procházejí hlavní problematiku radiologické fyziky.

• Stavba hmoty

• Radioaktivita

• Zdroje ionizujícího záření

• Interakce ionizujícího záření s látkou

• Dozimetrie ionizujícího záření

• Vztahy mezi dozimetrickými veličinami

• Ochrana před ionizujícím zářením, dávkové limity

• Ionizující záření v praxi

Zařazení příkladů do těchto kapitol je pouze orientační a umožňuje studentům přibližnou orientaci v dané problematice. V úvodu každé kapitoly jsou uvedeny základní pojmy, vztahy a vzorce potřebné k řešení daných příkladů. V případě potřeby, jsou zde uvedeny i tabulky s hodnotami příslušných fyzikálních veličin, potřebných k řešení. Univerzální fyzikální konstanty pro řešení úloh ve všech kapitolách jsou uvedeny v závěru publikace. Každá kapitola má v úvodu vyřešeno několik typických příkladů k lepšímu pochopení dané látky.

Na konci textu je soubor 230 kontrolních otázek s mnohočetným výběrem odpovědí. V případě jednoduchých příkladů se předpokládá schopnost studenta uvedený příklad řešit zpaměti bez použití kalkulaček apod.

Soubor příkladů a otázek představuje základ znalostí potřebných ke zvládnutí předmětu „Radiologická fyzika“.

V minulosti byla vydána celé řada učebnic a vysokoškolských skript, která se touto problematikou zabývala (1), (2), (3), (4). Bohužel tyto učebnice již nejsou v dostatečném počtu dostupné a některé částečně zastaralé, neboť nezohledňují poslední vývoj v této oblasti. V současné době lze nalézt řadu zajímavých internetových odkazů s podrobně řešenými a komentovanými úlohami v internetových publikacích (5), (6). Bohužel problematika radiační fyziky a aplikací ionizujícího záření je zastoupena minimálně (7).

Z dostupné domácí a zahraniční literatury lze k procvičování uvedené problematiky doporučit např. publikace (8 – 27).

Při tvorbě a výběru jednotlivých příkladů v uvedených kapitolách byl kladen důraz na reálnost konkrétních numerických hodnot a jejich praktickou aplikovatelnost.

Použité jaderně dozimetrické konstanty pocházejí z dostupných internetových zdrojů, především (18), (19) a (20).

Soubor otázek s mnohočetným výběrem vychází z předpokládaného rozsahu teoretických znalostí požadovaných pro získání zvláštní odborné způsobilosti pro nakládání se zdroji ionizujícího zářením a může sloužit i k dílčí přípravě na tuto zkoušku, která je pro určitý okruh pracovníků požadována Státním úřadem pro jadernou bezpečnost (SÚJB).

2. Základní postupy

V úvodu si připomeňme zásady, jak postupovat při řešení fyzikálních úloh. Tyto zásady popisují obecnou cestu od předčtení textu úlohy až k jejímu vyřešení. Proces řešení úlohy je především závislý na individuálních schopnostech řešitele a jeho subjektivním přístupu. Znalost strategie řešení fyzikálních úloh může pozitivně ovlivnit proces řešení a mnohdy je důležitější než znalost samotných fyzikálních poznatků.

2.1 Analýza textu

V prvním kroku řešení jde především o správné porozumění všem pojmům a pochopení fyzikální situace. Je třeba si uvědomit, které z informací obsažených v zadání jsou skutečně podstatné pro řešení úlohy. Ne vždy jsou všechny údaje v zadání pro řešení potřebné.

2.2 Zápis zadaných a počítaných veličin

Zápisem rozumíme fyzikální zápis nejdříve zadaných veličin a následně veličin hledaných. Pokud některé hodnoty nutné pro výpočet úlohy nejsou uvedeny v zadání (např. číselné hodnoty fyzikálních konstant), je možné je vyhledat v příslušných tabulkách. Dále převedeme všechny jednotky, pokud je to možné, na hlavní jednotky soustavy SI. Je třeba v zápisu uvést všechny veličiny a jejich číselné hodnoty, které budeme při výpočtu používat.

Z formálního hlediska lze zadání úlohy zapsat dvěma způsoby:

a) Zadané veličiny píšeme vedle sebe do řádku a oddělujeme středníkem. Hledané veličiny napíšeme na nový řádek.

v = 72 km h-1 = 20 m s-1; t = 20 s;

s = ?

b) Zadané veličiny píšeme pod sebou a hledané veličiny oddělujeme od daných veličin vodorovnou čarou:

v = 72 km h-1 = 20 m s-1

t = 20 s

-------------------------------------------------------

s = ?

2.3 Náčrt

Pokud to situace vyžaduje, načrtneme obrázek (schéma), který vystihuje a vhodně ilustruje zadanou situaci. Z náčrtku si lze ujasnit i geometrické souvislosti, které mohou výpočet značně usnadnit.

2.4 Fyzikální analýza

V dalším kroku výpočtu jde o stanovení logického plánu dalšího postupu. Je třeba si uvědomit fyzikální souvislosti a vybavit si příslušné vzorce a vztahy potřebné k řešení. U komplikovanějších úloh tento krok také zahrnuje určení zjednodušujících podmínek, tzn. zanedbání určité podmínky zadané situace tak, abychom byli schopni úlohu vyřešit bez větší chyby výpočtu.

2.5 Obecné řešení

Spočívá v hledání algebraického (matematického) vztahu mezi hledanou veličinou a veličinami uvedenými v zadání. Algebraickými úpravami lze dospět k výslednému vzorci, kde se na jedné straně vyskytuje veličina hledaná a na druhé straně veličiny známé a použité konstanty. Obecné řešení mnohdy vede ke značnému zjednodušení číselného výpočtu.

2.6 Stanovení jednotky hledané veličiny, rozměrová zkouška

Nebude-li v zadání uvedeno jinak, lze předpokládat, že výsledek bude vyjádřen v hlavní jednotce soustavy SI. Splnění požadavku na vyjádření výsledku v hlavní jednotce soustavy SI nedělá studentům většinou potíže. Výjimkou jsou pouze ty příklady, jejichž výsledkem je velikost nějakého úhlu (např. mezní úhel, fázový posun), protože si téměř nikdo neuvědomí, že hlavní jednotkou rovinného úhlu je radián. Každá fyzikální rovnice musí splňovat pravidlo, že rozměr (jednotka) levé strany se musí rovnat rozměru (jednotce) pravé strany, proto provádíme tzv. rozměrovou zkoušku. Pokud je rozměr shodný, je předpoklad (nikoliv jistota), že obecné řešení je správné.

2.7 Číselný výpočet

Jedná se o dosazení do obecného vztahu a provedení vlastního výpočtu. Vzhledem k masivnímu používání kalkulaček se jedná pouze o správné zapsání číselných hodnot do kalkulačky a správnou interpretaci výsledku.

Nebude-li v zadání uvedeno jinak, potom se vždy bude předpokládat, že výsledek bude zaokrouhlen na tři platné číslice a vyjádřen v hlavní jednotce soustavy SI. Pokud je číslo v zadání uvedeno na menší počet platných číslic, předpokládá se, že je to přesné číslo.

Požadavek zaokrouhlení na tři platné číslice se ukazuje jako velký problém. I když jde o látku ze základní školy, 90 % studentů není schopno se s tímto požadavkem vyrovnat. Většina se domnívá, že výsledek je tím lepší, čím více číslic obsahuje a opíše celý displej kalkulačky. Pokud vůbec nějakým způsobem na toto zadání studenti reagují, zaměňují platná místa, s místy desetinnými.

Uveďme si proto alespoň základní pravidla (1):

• U daného čísla jsou platné všechny zapsané číslice od první zleva nenulové číslice, přičemž se nepočítají nuly plynoucí z násobitele 10n.

• Zaokrouhlením se rozumí vypuštění platných číslic zprava až do požadovaného počtu platných číslic a případná změna číslice na posledním platném místě.

• V případě, že první z vypouštěných číslic je rovna 5, poslední ponechaná číslice se zvětšuje o jednu.

• Při počítání se zaokrouhlenými čísly upravíme výsledek tak, aby

• Při sčítání a odčítání obsahoval číslice toho nejnižšího řádu, který obsahují všechna čísla,

- při násobení a dělení obsahoval nejvýše tolik platných číslic, kolik jich má číslo s nejmenším počtem platných číslic,

- mocnina obsahovala tolik platných číslic, kolik jich má základ,

- odmocnina měla tolik platných číslic, kolik jich má odmocněnec.

• Pokud nelze provést celý výpočet najednou, provádíme zaokrouhlováni tak, že mezivýsledek zaokrouhlíme na počet platných číslic o jednu větší.

2.8 Diskuze řešení

Diskuze je zhodnocením a interpretací výsledků. Získaný výsledek je třeba konfrontovat se skutečností. Je třeba vyhodnotit splnění použitých předpokladů a odhadnout, jak by asi ovlivnily řešení úlohy. Pokud nám vychází více výsledků (např. kořeny kvadratické rovnice), vybereme pouze ty, které odpovídají realitě, a tento výběr zdůvodníme.

2.9 Odpověď

Odpověď je nezbytná součást řešení fyzikálního problému. Mívá většinou dvě části: obecnou a číselný výsledek pro dané hodnoty. Je vhodné zmínit i závěry diskuze. Důležité je zformulovat odpověď jasně a přesně. U úloh vyžadujících grafické řešení je řešením úlohy graf. Výsledkem řešení úlohy je tedy její obecné řešení, číselná hodnota hledané fyzikální veličiny a její jednotka, resp. její fyzikální rozměr. Samotná číselná hodnota fyzikální veličiny nemá sama o sobě žádný smysl, neboť hodnotu fyzikální veličiny můžeme vyjádřit v různých jednotkách. Proto je nutné uvádět číselnou hodnotu fyzikální veličiny vždy s její jednotkou.

3. Fyzikální veličiny a jejich jednotky

Fyzikální veličiny

Fyzikálními veličinami charakterizujeme a popisujeme vlastnosti fyzikálních objektů parametry stavů, ve kterých se fyzikální objekty nacházejí parametry fyzikálních jevů (dějů a procesů), které je možno měřit nebo stanovit výpočtem či matematickou simulací. Měřením fyzikální veličiny určujeme její hodnotu. Hodnotu (velikost) fyzikální veličiny určujeme kvantitativním porovnáváním s určitou, předem zvolenou hodnotou veličiny téhož druhu, kterou volíme za jednotku.

Hodnotu fyzikální veličiny X vyjadřujeme její číselnou hodnotou {X} a jednotkou fyzikální veličiny [X].

Hodnota fyzikální veličiny = číselná hodnota ∙ měřicí jednotka

X = {X} ∙ [X]

Jednotka fyzikální veličiny (měřicí jednotka) je dohodou stanovená hodnota fyzikální veličiny, která je základem pro měření fyzikálních veličin stejného druhu.

Zákonné jednotky

Zákonné jednotky v ČR jsou dány ČSN. Mezi zákonné jednotky patří:

• základní jednotky Mezinárodní soustavy jednotek SI, přijaté na XI. Generální konferenci pro váhy a míry v Paříži v roce 1960,

• jednotky odvozené od jednotek SI,

• násobky a díly základních a odvozených jednotek,

• jednotky vedlejší.

Základní jednotky

Základní jednotky jsou vhodně zvolené jednotky základních veličin. Každá základní veličina má pouze jedinou jednotku, která slouží současně jako základní jednotka. V mezinárodní soustavě jednotek SI je sedm základních jednotek v dohodnutém pořadí:

metr

délka dráhy, kterou proběhne světlo ve vakuu za 1/299 792 458 sekundy,

kilogram

hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu uloženého v Mezinárodním úřadě pro váhy a míry v Sévres u Paříže,

sekunda

doba rovnající se 9 192 631 770 periodám záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu 133Cs,

ampér

stálý elektrický proud, který při průchodu dvěma přímými rovnoběžnými nekonečně dlouhými vodiči zanedbatelného kruhového průřezu umístěnými ve vakuu ve vzájemné vzdálenosti 1 metr vyvolá mezi nimi stálou sílu 2 ∙ 10-7 newtonu na 1 metr délky vodiče,

kelvin

kelvin je 1/273,16 díl termodynamické teploty trojného bodu vody,

mol

mol je látkové množství soustavy, která obsahuje právě tolik elementárních jedinců (entit), kolik je atomů v 0,012 kilogramu nuklidu uhlíku 6^12C (přesně),

kandela

kandela je svítivost zdroje, který v daném směru vysílá monochromatické záření o kmitočtu 540 ∙ 10^12 hertzů a jehož zářivost v tomto směru je 1/683 wattu na steradián.

Odvozené jednotky

Odvozené jednotky jsou jednotky fyzikálních veličin soustavy SI odvozené ze základních jednotek na základě definičních vztahů, v nichž se vyskytuje násobení, příp. dělení. Dělení je v zápise odvozené jednotky obvykle nahrazeno násobením se zápornou mocninou. Odvozené jednotky jsou koherentní vzhledem k jednotkám základním, tzn., že číselný součinitel je roven 1. Některé odvozené jednotky mají vlastní názvy, převážně podle jmen významných fyziků.

Do skupiny odvozených jednotek jsou zařazeny i dříve tzv. doplňkové jednotky – radián a steradián:

radián

rovinný úhel sevřený dvěma polopřímkami, které na kružnici opsané z jejich počátečního bodu vytínají oblouk o délce rovné jejímu poloměru,

steradián

prostorový úhel s vrcholem ve středu kulové plochy, který na této ploše vytíná část s obsahem rovným druhé mocnině poloměru této kulové plochy.

Násobné a dílčí jednotky

Násobné a dílčí jednotky se tvoří pomocí předpon, které také předepisuje norma. U názvu nesmí být použito více než jedné předpony. Předpony pro tvoření násobků a dílů jednotek podle třetí mocniny deseti jsou uvedeny v následující tabulce.

Kromě těchto předpon je možno užívat i předpon odstupňovaných po jednom dekadickém řádu. Užívání těchto předpon je dovoleno jen ve zvláštních případech, tj. např. hektar (ha), hektolitr (hl) nebo centimetr (cm), kterých se běžně užívalo před zavedením nové normy.

Všeobecně se dává přednost užívání předpon odstupňovaných podle třetí mocniny deseti.

Vedlejší jednotky

Obecně, vedlejší jednotky nepatří do soustavy SI, ale norma povoluje používání některých z nich. Tyto jednotky nejsou koherentní vůči základním jednotkám SI. Jejich užívání v běžném praktickém životě je ale tradiční a jejich hodnoty jsou ve srovnání s odpovídajícími jednotkami SI pro praxi vhodnější. Bylo tedy nutné (a vhodné) povolit jejich užívání. Vedlejší jednotky uvádí následující tabulka. K vedlejším jednotkám času a rovinného úhlu se nesmějí přidávat předpony. Předpony nelze také používat u astronomické jednotky, světelného roku, dioptrie a atomové hmotnostní jednotky. Lze používat také jednotek kombinovaných z jednotek SI a jednotek vedlejších nebo i kombinované z vedlejších jednotek, např. km h-1 nebo l min-1 apod. Bez časového omezení lze používat poměrových a logaritmických jednotek (např. číslo 1, procento, bel, decibel, oktáva) s výjimkou jednotky neper. Z vedlejších jednotek jsou v tomto textu použity vedlejší jednotky času - tropický rok a, den d, hodina h a minuta min.

Převody fyzikálních jednotek a veličin

3.1 Převeďte na základní jednotku ( x,xx . 10z základních jednotek)

a) 35 mm

b) 0,84 km

c) 450 μΑ

d) 0,0025 GJ

e) 620 km

f) 0,031 mC

h) 850 pA

i) 440 MWh

j) 120 pC

k) 0,38 Gy

l) 350 μSv

m) 0,025 GBq

n) 1350 kJ

o) 0,003 mW

p) 2350 nSv

q) 2200 MWh

r) 120 MBq

s) 0,7 km

t) 250 μGy

u) 0,0125 GBq

3.2 Převeďte ze základní jednotky na jednotku v závorce:

a) 12 500 m = (km)

b) 0,025 A  = (μA)

c) 0,23 N = (kN)

d) 0,0000085 Gy = (nGy)

e) 750 000 Bq = (MBq)

f) 0,0028 kg = (g)

g) 0,000145 Gy = (mGy)

h) 45000 Bq = (kBq)

i) 0,00000232 kg = (μg)

j) 0,0024 Sv = (mSv)

k) 6 500 Bq = (kBq)

l) 0,0225 kg = (g)

m) 0,0000345 Sv = (μSv)

n) 1 450 000 Bq = (GBq)

o) 0,000122 kg = (mg)

Převeďte jednotky času:

5 h 25 min = min

14 400 s  = h

5 d 11 h = min

288 h = d

360 s = min

192 h = d

1 800 s  = h

2,5 d = h

8,5 h = s

0,22 s = ms

V radiologické fyzice, např. při popisu geometrie ozařování, se setkáváme s dvěma typy úhlů:

1. rovinným úhlem;

2. prostorovým úhlem.

Jednotkou rovinného úhlu v obloukové míře je radián (rad). Velikost rovinného úhlu se však běžně vyjadřuje v tzv. stupňové míře, tj. ve stupních, minutách a vteřinách. Radián je rovinný úhel sevřený dvěma radiálními polopaprsky, které vytínají na kružnici oblouk stejné délky, jako má její poloměr.

1° (úhlový stupeň) = π /180 rad

1‘ (úhlová minuta) = 1/60° = π /10 800 rad

1‘‘ (úhlová vteřina) = 1/60´ = π /648 000 rad

Plný kruh v šedesátinném dělení = 360°.

Prostorový úhel značíme řeckým písmenem Ω s jednotkou jeden steradián (sr). Číselně je tato veličina rovna ploše, kterou vytne kuželosečka na povrchu jednotkové koule (koule o poloměru 1 m), jejíž střed je totožný s vrcholem kuželosečky.

Jeden steradián odpovídá takovému úhlu u vrcholu kužele, který má s koulí o poloměru 1 m jako průnik plochu o obsah 1 m^2.

Plný prostorový úhel má velikost 4π sr.

3.3 Převeďte jednotky rovinného úhlu:

30° = π rad

45° = π rad

60° = π rad

90° = π rad

180° = π rad

270° = π rad

360° = π rad

2 π rad = °

3/2 π rad = °

π rad = °

1/2 π rad = °

1/3 π rad = °

1/4 π rad = °

1/6 π rad = °

3.4 Jaký prostorový úhel, který zabírá osoba o výšce 180 cm stojící 1 minutu ve vzdálenosti 3 m od bodového zdroje 60Co? Průměrná šíře postavy je přibližně 28 cm. Vypočtěte, kolik nerozptýlených fotonů záření gama dopadne na uvažovanou osobu za uvedený čas, jestliže zdroj má celkovou aktivitu 500 kBq. Určete, kolik je to % celkového počtu uvolněných částic. Rozptýlené částice neuvažujeme.

Řešení

l = 3 m; v = 1,8 m; s = 28 cm = 0,28 m; Ω_0 = 4 π sr; A = 500 kBq = 5 ∙ 10^5 Bq; t = 1 min = 60 s, při jednom rozpadu se uvolní 2 fotony záření gama (1,1 MeV a 1,31 MeV)

Ω = ?, n = ?, p =?

Celkový počet uvolněných fotonů je roven dvojnásobku rozpadajících se jader 60Co.

Za dobu 1 minuty obdrží osoba stojící ve vzdálenosti 3 m od bodového zdroje 60Co o aktivitě 500 kBq celkem 2,58 ∙ 10^5 fotonů, což je 0,430 % z celkového počtu emitovaných částic. Plocha osoby odpovídá prostorovému úhlu 0,054 sr.

4. Stavba hmoty

Základní pojmy

Jádra atomů jsou složena ze dvou druhů elementárních částic, protonů a neutronů. Společně tyto částice nazýváme nukleony. Nejjednodušším atomem je atom vodíku, jehož jádro je tvořeno protonem a kolem jádra obíhá jediný elektron.

Složitější atomy mají v jádře větší počet protonů a neutronů, počet obíhajících elektronů se rovná počtu protonů v jádře. Složení jádra atomu můžeme popsat třemi čísly: protonovým Z, neutronovým N a nukleonovým A.

Rozměry atomu jsou nepatrné, přibližně 10-10 m, jádro atomu je však ještě mnohem menší - jeho „průměr“ je 10-14 - 10-15 m.

Označování a klasifikace atomových jader

Jádra označujeme symbolem

kde je

A – nukleonové číslo udávající počet nukleonů jádře, tj. součet protonů a  neutronů,

Z – protonové číslo udávající počet protonů v jádře,

N – neutronové číslo udávající počet neutronů v jádře, N = A – Z.

Podle Z, A, N rozlišujeme izotopy (stejné Z), izobary (stejné A), izomery (stejné A i Z) a izotony (stejné N).

Vztahy mezi jádry

Zrcadlová jádra mají stejné A a vzájemně prohozené hodnoty N a Z.

Izomery jsou jádra, která mohou existovat ve vzbuzeném (excitovaném) stavu delší dobu (ms a déle).

Hmotnost atomového jádra

Hmotnost jádra se často vyjadřuje pomocí atomové hmotnostní jednotky, pro kterou platí

1 u = 1,66057 ∙ 10-27 kg.

Hmotnostní číslo vyjadřuje hmotnost daného nuklidu v jednotkách atomové hmotnosti, která je zaokrouhlena na celé číslo a představuje násobek atomové hmotnostní jednotky. Hmotnostní číslo je rovno počtu nukleonů v jádře, tj. nukleonového číslu.

Hmotnost jádra je vždy menší než součet hmotností protonů a neutronů. Rozdíl hmotností se nazývá hmotnostní schodek B. Platí následující vztahy:

Vazebná energie jádra Ej je rovna

Hmotnostní schodek tedy odpovídá energii, která se označuje jako vazebná (vazební) energie a představuje energii, která se uvolní při vzniku jádra z volných nukleonů. Je to také energie, kterou je nutno jádru dodat, aby došlo k jeho rozdělení na jednotlivé nukleony. Tato energie tedy určuje velikost vazby nukleonů v jádře.

Vazebná energie na jeden nukleon εj je rovna

Vedlejší jednotky energie a hmotnosti

Pro vzájemný vztah hmotnosti a energie platí vztah

kde m je hmotnost částice a c rychlost světla ve vakuu.

Kvantová teorie ukazuje, že vlnové vlastnosti vykazují (v určitých situacích) všechny částice.

Tato skutečnost je jedním z důležitých objevů kvantové fyziky. Takovou hypotézu vyslovil poprvé roku 1924 Louis-Victor de Broglie, který přišel s domněnkou, že i částice lze popsat vlnovou délkou o velikosti:

λ = h / p ,

kde

h............je Planckova konstanta;

p............hybnost částice.

Ve svých důsledcích to znamená, že každému vlnění lze přiřadit určité částicové vlastnosti, a naopak, každá částice se může projevovat jako vlnění. Tuto myšlenku duality částic a vlnění zavedl v roce 1905 Albert Einstein pro objasnění fotoelektrického jevu.

Pro energii fotonů elektromagnetického záření platí

kde

h............je Planckova konstanta;

ν............kmitočet vlnění;

λ............vlnová délka záření.

Z korpuskulárně – vlnového dualizmu částic vyplývá, že pohyb každé částice je spjat se šířením de Brogliho vln, jejichž vlnová délka je dána vztahem

kde

h............je Planckova konstanta;

v............rychlost částice;

m...........hmotnost částice;

E............kinetická energie;

V případě elektronů, které jsou urychlovány v elektrickém poli vytvořeném napětím U, pak platí:

kde

h............je Planckova konstanta;

me ............hmotnost elektronu;

e............náboj elektronu;

U............napětí elektrického pole.

4.1 Určete klidovou energii (ve Wh) tělesa o hmotnosti 1 g.

Řešení

m_0 = 1 g = 1 ∙ 10-3 kg; c = 2,99792 ∙ 108 m s-1; 1 kWh = 3,6 ∙ 106 J

E = ?

Klidová energie odpovídající tělesu o hmotnosti 1 g je 25,0 GWh.

4.2 Jádro s nukleovým číslem 100 má vazbovou energii na jeden nukleon εj1 = 7,4 MeV. Samovolně se rozpadá na dvě jádra s vazební energií připadající na jeden nukleon εj2 = 8,2 MeV. Jaká energie v MeV, resp. J, se při reakci uvolňuje?

Řešení

A = 100; εj1 = 7,4 MeV; εj2 = 8,2 MeV;

Ej = ?

Při rozpadu jádra v nukleonovým číslem 100 se uvolňuje energie 80 MeV, resp. 1,28 10-11 J.

4.3 Při rozštěpeni jednoho jádra 235U se uvolňuje přibližně 200 MeV. Určete energii, kterou lze získat úplným rozštěpením 1 kg 235U a množství černého uhlí o výhřevnosti 30 MJ/kg, které poskytne stejně velkou energii.

Řešení

A = 235; m = 1 kg; ΔE = 200 MeV = 3,204 ∙ 10-11 J; mu = 1,6605 ∙ 10-27 kg;

c = 30 MJ/kg

E = ?; m = ?

Při úplném rozštěpení 235U se uvolní energie 8,21 TJ, která odpovídá výhřevnosti černého uhlí o hmotnosti 2,74 ∙ 10^6 kg.

4.4 Výbušná síla jaderné bomby se obvykle vyjadřuje v kilotunách (kt) nebo megatunách TNT ekvivalentu klasické výbušniny TNT (trinitrotoluen). Kilotuna TNT je ekvivalentní uvolnění energie 3,8 ∙ 10^12 J. Při rozštěpení jednoho jádra 235U se uvolní energie asi 200 MeV. Vypočtěte ekvivalentní počet štěpení odpovídající uvolněné energii 1 kt TNT. Vypočtěte, kolik atomů izotopu 137Cs bylo při výbuchu v Hirošimě uvolněno, jestliže na jedno štěpení je uvolněno 6,2 % 137Cs, který má poločas přeměny 30 let. Jaká byla celková uvolněná aktivita 137Cs. Bomba svržená na Hirošimu měla mohutnost 14 kt TNT a obsahovala 64 kg U, který obsahoval 80 % uranu 235U.

Řešení

1 a = 365,242 d; Tf = 30 a = 9,467 ∙ 10^8 s; N_1 = 1,03 ∙ 10^23;

A = ?

Při jaderném výbuchu v Hirošimě byla uvolněna celková aktivita 137Cs o velikosti 7,54 ∙ 10^13 Bq.

4.5 Vypočtěte energii jednoho fotonu (keV) vzniklého při anihilaci pozitron-elektronového páru, jestliže hmotnost elektronu i pozitronu je 9,11 ∙ 10-31 kg. (512 keV)

4.6 Jakou vlnovou délku má foton o energii 660 keV, který je emitován z radionuklidu 137Cs? (1,88 pm)

4.7 Určete energii (v keV) fotonu s vlnovou délkou 0,07 nm. (17,7 keV)

4.8 Jakou rychlosti se pohybuje elektron urychlený z klidu napětím 4,89 V? (1,31 Mm s-1)

4.9 Jaká je de Broglieho vlnová délka elektronu urychleného v obrazovce televizního přijímače potenciálním rozdílem 15 kV? (0,01 nm)

4.10 Jak velká změna hmotnosti odpovídá změně energie rovné 1 kWh? (40 pg)

4.11 Kolik iontových párů vytvoří částice alfa pohybující se rychlosti 15 Mm/s ve vzduchu, jestliže k vytvoření jednoho iontového páru je třeba energie 34 eV? (137 000)

4.12 O kolik poklesne hmotnost excitovaného jádra 60Co při vyzáření fotonu záření gama o energii 1,33 MeV? (2,37 ∙ 10-30 kg)

4.13 Při rozštěpeni jednoho jádra 235U se uvolňuje přibližně 200 MeV. Jaké množství uranu 235U se spotřebuje za den v jaderné elektrárně o tepelném výkonu 440 MW a o účinnosti 30 %? (1,55 kg)

4.14 Při štěpeni jádra 235U se uvolní přibližně 200 MeV. Vypočtěte, kolik kilogramů 235U se musí rozštěpit ve štěpné zbrani o mohutnosti 20 kt TNT, jestliže při výbuchu 1 t TNT se uvolni energie 4,1 GJ. (0,999 kg)

4.15 Při výbuchu neutronové zbraně o mohutnosti 1 kt TNT je přibližně uvolněno 10^24 neutronů. Vypočtěte, kolik neutronů prochází plochou 1 m^2 ve vzdálenosti 1000 m za předpokladu, že nedochází k jejich absorpci ve vzduchu. (7,96 ∙ 10^16)

4.16 Jaká vlnová délka přísluší elektronům, které jsou urychlovány v elektrickém poli s napětím 10^4 V? (bez relativistických korekcí) (1,23 ∙ 10-11 m)

4.17 Jaká je vlnová délka de Broglieho vln, příslušejících elektronu s kinetickou energií 10^6 eV? (bez relativistických korekcí) (1,22 ∙ 10-12 m)

4.18 Kolik fotonů za jednu sekundu, resp. minutu, emituje žárovka s výkonem 60 W, jestliže předpokládáme, že vysílá monochromatické žluté světlo vlnové délky λ = 0,6 ∙ 10-6 m? (1,8 ∙ 10^20 fotonů s-1, 1,09 ∙ 10^22 fotonů za minutu)

4.19 Kolik atomů je obsaženo v 1 kg čistého 235U? (N = 2,56 ∙ 10^24),

4.20 Kolik energie se uvolní při dokonalém štěpení 1 kg 235U? (E = 8,21 ∙ 10^13 J)

4.21 Z jednoho kilogramu 235U se uvolní při dokonalém štěpení energie 8,21 ∙ 10^13 J. Jak dlouho by tato energie umožnila svítit 100 W žárovkou? (t = 26 000 a)

4.22 Jaké množství energie by bylo uvolněno při anihilaci 10-6 kg hmoty se stejným množstvím antihmoty? (180 GJ)

4.23 Jaké množství energie se uvolni při anihilaci elektronu a pozitronu? Výsledek vyjádřete v MeV. (1,02 MeV)

4.24 Spočtěte, kolik energie B (v MeV) je třeba k oddělení všech nukleonů z jádra izotopu 120Sn, a určete vazebnou energii na jeden nukleon B/A pro tento izotop. Hmotnost protonu je mp = 1,0078250 ∙ mu, hmotnost neutronu mn = 1,0086649 ∙ mu, hmotnost izotopu 120Sn m(120 Sn) = 119,9021966 ∙ mu. (10^20 MeV, 8,50 MeV)

4.25 Neutron ztratí při srážce s jedním jádrem vodíku průměrně 2/3 své energie pružnými i nepružnými srážkami. Kolik srážek musí proběhnout, aby byl neutron o energii 1 MeV zpomalen na energii 0,024 eV? (44)

Table of Contents

1. Úvod

2. Základní postupy

3. Fyzikální veličiny a jejich jednotky

4. Stavba hmoty