fiz-Curs_2

Metode radiometrice i radiochimiceutilizate n criminalistic

Curs 2

Radioactivitatea

10/10/2013Metode radiometrice si radiochimice - Curs 22

Radioactivitatea este proprietatea unor substane de a emite radiaii.

Emisia radiaiilor este spontan (nu necesit aciunea unor factori externi).

Aceste substane se numesc radioactive. Substanele radioactive pot fi naturale sau artificiale.

Substanele nucleare sunt cele care conin uraniu sau descendeni ai acestuia.

Harta nuclizilor diagrama Sgr


Harta nuclizilor


Harta nuclizilor indic nuclizi stabili i instabili, n funcie de numerele N i Z.

Se observ c exist un numr mic de nuclizi stabili (casue negre) i un numr mare de nuclizi instabili (csue colorate).

Z

N

Dezintegrarea nucleului


Nucleele instabile se dezintegreaz.

Exist mai multe tipuri de dezintegrri.

O clasificare poate fi fcut n funcie de tipul radiaiei emise.

Se cunosc trei tipuri de dezintegrri: dezintegrarea alfa

dezintegrarea beta dezintegrarea gama.

Concluzii


Nucleele instabile se pot dezintegra n 3 moduri: Alfa (emisia unei particule alfa - nucleau de 4He) Beta (emisia unei particule beta - e- sau e+

Gama (emisia unui foton gama)

Pe harta nuclizilor, fiecare tip de dezintegrare este specificat cu o culoare distinct.

Nuclizii stabili au csue de culoare neagr. nuclizi stabili uori i medii au numrul de protoni aproximativ

egal cu cel al neutronilor

pentru nuclizii mai grei, stabilitatea este asigurat pentru un numr de neutroni mai mare dect cel al protonilor

Concluzii


Nuclizii aflai deasupra celor stabili au deficit de neutroni (sau exces de protoni) csue violet se vor dezintegra beta

plus vor ajunge mai aproape

de nuclizi stabili.

Concluzii


Nuclizii aflai sub cei stabili au surplus de neutroni csue albastre: se vor dezintegra beta

minus; se vor apropia de

poziiile nuclizilor stabili.

Concluzii


Nuclizii de la sfritul sistemului periodic se pot dezintegra alfa (csue galbene). se vor apropia de

poziii mai stabile

Legea dezintegrrii radioactive


Rutherford a studiat n 1902 comportamentul substanelor radioactive (Po i ulterior Ra).

A pus n eviden faptul c activitatea unei surse scade n timp.

Scderea este guvernat de o relaie exponenial, aceeai pentru toate sursele din acelai nuclid radioactiv:

se numete constanta radioactiv, iar t este timpul.

teAA = 0



Constanta este specific fiecrui nuclid radioactiv. n practic se utilizeaz timpul de njumtire (T1/2),

care reprezint intervalul dup care activitatea unei surse scade la jumtate.

Timpul de njumtire este, de asemenea, specific fiecrui radionuclid:

1 2

2lnT

=



Activitatea unei sursedepinde de numrul denuclizi radioactivi. Acest numr scade ntimp dup o lege similar:

Timpul de njumtire reprezint i perioada dup care numrul de nuclizi radioactivi scade la jumtate.

teNN = 0

Activitatea unei surse


Activitatea unei surse se definete ca fiind egal cu numrul de nuclizi care se dezintegreaz ntr-o surs n unitatea de timp.

Unitatea de msur de numete Becquerel (Bq), i reprezint o dezintegrare pe secund.

O astfel de activitatea este foarte mic de obicei sursele au valori de la civa kBq la GBq.

O unitate tolerat este Curie (Ci) activitatea unui gram de radiu pur:

BqCi 10107,31 =

Valori ale timpilor de njumtire


Radionuclid T 1/2212Po 0,305 sec.

18F 109 min.

32P 14,29 zile

131I 8,04 zile

60Co 5,27 ani

137Cs 30 ani

40K 1,27 109 ani

238U 4,47 109 ani

232Th 1,4 1010 ani

Radionuclizi naturali


Radionuclizii naturali reprezint nuclizii ce se gsesc n stare natural pe pmnt.

Vrsta pmntului este estimat la 10 miliarde de ani, deci nuclizii cu timpul de njumtire de acest ordin de mrime, prezeni n timpul formrii planetei, se regsesc i astzi.

Exist cteva zeci de astfel de nuclizi, denumii i zestre primordial.

Unii dintre ei fac parte din familii radioactive.

Familii (serii) radioactive


Exist situaii cnd un nuclid se dezintegreaz, dar rezultatul nu este un nuclid stabil, ci unul care se dezintegreaz la rndul su.

Un grup de nuclizi care se dezintegreaz succesiv pn la un nuclid stabil se numete familie (serie) radioactiv.

Exist trei astfel de familii radioactive naturale i una artificial.

Condiia principal este ca nuclidul din capul seriei s aib timpul de njumtire lung (de ordinul milioanelor de ani sau mai mare).

Familii radioactive


Denumireaseriei

A Capul seriei Captul seriei

Thoriului 4n 232Th: T1/2 =1,41010 ani 208Pb

Neptuniului(artificial)

4n +1 237Np: T1/2 =2,1106 ani 209Bi

Uraniului 4n +2 238U : T1/2 =4,5109 ani 206Pb

Actiniului 4n +3 235U : T1/2 =7,1108 ani 207Pb

Seria Thoriului (232Th) A=4n


Seria Uraniului (238U) A=4n+2


Seria Actiniului (235U) A=4n+3


Seria Neptuniului (237Np) A=4n+1


Echilibrul secular


Membrii dintr-o familie radioactiv ajung, dup un timp suficient de lung, la echilibru secular. Numrul de nuclee dintr-o anumit specie rmne constant

n timp. Practic, numrul nucleelor care se dezintegreaz este

compensat de numrul nucleelor care se formeaz prin dezintegrarea nuclidului precedent din serie.

Acest echilibru se poate stabili numai dac elementul din capul seriei are un timp de njumtire foarte lung (aa cum se ntmpl cu seriile naturale).

Echilibrul secular


Din punct de vedere matematic, ecuaia echilibrului secular se poate scrie:

Sau

La echilibru secular, speciile cu cel mai mare timp de njumtire se gsesc n cea mai mare cantitate!

11332211 ... ==== nn NNNN

1,21

1

3,21

3

2,21

2

1,21

1 ...

====n

n

TN

TN

TN

TN

Concentraia speciilor dintr-o serie


Seriile naturale sunt prezente n aproape toate rocile.

Speciile de nuclee din aceste serii se gsesc n cantiti care depind de timpul de njumtire al fiecrei specii.

Activitatea fiecrei specii este aceeai i este egal cu a capului seriei!

Aplicaii


Ecuaiile de echilibru secular pot fi utilizate pentru datare: stabilirea vrstei unor roci (geologie):

se pot determina vrste de ordinul milioanelor sau chiar miliardelor de ani.

stabilirea vrstei unor compui ce conin elemente ale seriei: se poate calcula timpul de la care compusul a fost realizat ani,

decade

Din ultima categorie, putem reine metode aplicate n investigaii asupra materialelor nucleare.

Datarea principii generale


Orice substan care conine un element dintr-o serie va conine i descendeni ai acestuia.

Dac substana are o vrst mare (milioane de ani sau mai mult) se poate considera c elementul radioactiv a ajuns la echilibru secular cu descendenii si.

De asemenea, n acea substan se va acumula captul stabil al seriei (elementul cu care seria se ncheie de exemplu Pb).



O variant a datrii unor astfel de substane (roci de vrst geologic) presupune determinarea raportului dintre concentraia capului seriei i cea a elementului final (stabil).

n ipoteza c elementul final provine doar din dezintegrarea capului seriei (nu a fost prezent iniial n roc) se poate calcula vrsta rocii ca fiind intervalul de timp necesar elementului din capul seriei pentru a forma elementul stabil.



Exemplu: seria uraniului capul seriei 238U element stabil final 206Pb.

Ipoteza tot plumbul (NPb)provine din dezintegrarea uraniului.

Cantitatea actual de U NU Cantitatea iniial de U (la formarea rocii) N0

UPbUPb NNNNN == 0,



Cantitatea de uraniu din roc scade n timp dup legea dezintegrrii radioactive.

Deoarece timpul de njumtire al uraniului este foarte lung (aprox. 4,5 miliarde ani) se poate presupune c aproape tot uraniul dezintegrat se regsete sub form de plumb stabil.

tU eNN

= 0



Deoarece nu este posibil s cunoatem cantitatea iniial de uraniu, ci doar pe cea final (actual), relaia anterioar se scrie astfel:

Timpul t (vrsta rocii) se poate calcula tiind raportul dintre Pb i U din roc.

tU eNN

=0( )tUPb eNN = 1

+= 1

1

U

Pb

NN

t

Stabilirea vrstei unor materiale nucleare


Materialele nucleare sunt obinute din minereuri de uraniu prin extracie chimic.

Uraniul natural conine un amestec de mai muli izotopi: 234U, 235U, 238 U etc. 238 U (99.273999.2752%) 235 U (0.71980.7202%) 234 U(0.00500.0059%)

Aa cum am mai precizat, separarea izotopilor nu se poate face prin metode chimice, deci raportul concentraiilor dintre izotopii din materialul nuclear este acelai cu raportul din minereu.



n situaii de sustragere de materiale nucleare, o cerin este de a stabili vrsta acestuia (asociat cu momentul prelucrrii materialului) pentru a oferi indicii cu privire la proveniena sa.

Se poate deduce dac este vorba de material sustras din depozite de arme nucleare (dezafectate) sau este proaspt produs. dup aplicarea n practic a tratatelor de neproliferare a armelor

nucleare i a celor de reducere a focoaselor nucleare a rezultat o cantitate mare de uraniu dezafectat, care ar trebui pstrat n condiii de siguran.

au fost nregistrate cazuri de sustragere i trafic ilicit de astfel de materiale din fostele republici sovietice.



Metodele de stabilire a vrstei se bazeaz pe determinarea raportului concentraiilor dintre capul seriei i unul dintre descendeni.

n funcie de seria radioactiv utilizat, se caut descendeni cu timp mic de njumtire, a cror prezen n material s fie suficient de important pentru a fi detectat: numrul de nuclizi ai descendentului este invers proporional cu timpul

de njumtire.



Exemplu: stabilirea vrstei unui material nuclear mbogit cu izotopul 235U prin compararea concentraiilor de 234U i 214Bi.

Prin procesul de mbogire, odat cu creterea concentraiei de 235U este crescut i concentraia de 234U.

Acesta poate fi privit ca fiind un cap de serie, n care este prezent descendentul 214Bi. T1/2 (234U)=2.64 105 ani T1/2 (214Bi)=19.9 min.



Seria mai conine i ali descendeni cu timpi de via lungi: T1/2 (230Th)=7.54 104 ani T1/2 (226Ra)=1.60 103 ani

Urmtorii descendeni au timp de via scurt, cel mai lung fiind de aprox. 4 zile.

n aceste condiii, echilibrul secular ntre 226Ra i 214Bi se stabilete n aproximativ 2 sptmni.

La echilibru secular, raportul concentraiilor dintre cei doi este invers proporional cu timpul de njumtire.



Etape de lucru: se determin concentraia de 214Bi prin metode

radiometrice (spectrometrie gama); se calculeaz concentraia de 226Ra; se determin concentraia de 234U prin metode

radiometrice (spectrometrie gama); se calculeaz timpul dup care s-ar fi obinut cantitatea

msurat de 226Ra; acesta este timpul scurs de la fabricarea materialului nuclear!

Metode radiometrice i radiochimice utilizate n criminalisticRadioactivitateaHarta nuclizilor diagrama SgrHarta nuclizilorDezintegrarea nucleuluiConcluziiConcluziiConcluziiConcluziiLegea dezintegrrii radioactiveLegea dezintegrrii radioactiveLegea dezintegrrii radioactiveActivitatea unei surseValori ale timpilor de njumtireRadionuclizi naturaliFamilii (serii) radioactiveFamilii radioactiveSeria Thoriului (232Th) A=4n Seria Thoriului (232Th) A=4n Seria Uraniului (238U) A=4n+2Seria Uraniului (238U) A=4n+2Seria Actiniului (235U) A=4n+3 Seria Actiniului (235U) A=4n+3 Seria Neptuniului (237Np) A=4n+1Seria Neptuniului (237Np) A=4n+1Echilibrul secularEchilibrul secularConcentraia speciilor dintr-o serieAplicaiiDatarea principii generaleDatarea principii generaleDatarea principii generaleDatarea principii generaleDatarea principii generaleStabilirea vrstei unor materiale nucleareStabilirea vrstei unor materiale nucleareStabilirea vrstei unor materiale nucleareStabilirea vrstei unor materiale nucleareStabilirea vrstei unor materiale nucleareStabilirea vrstei unor materiale nucleare

fiz-Curs_2

Documents

Transcript of fiz-Curs_2