Fyzikální aspekty zátěží životního prostředí Stručný přehled fyzikální podstaty vybraných faktorů zatěžujících životní prostředí - ionizující záření, hluk, ozónová vrstva, skleníkový efekt a vliv synergetiky stresových faktorů na biosféru.

Obsah Základní poznatky a terminologie atomové fyziky a jaderné fyziky. Zdroje a účinky ionizujícího záření,dozimetrie a ochrany před ionizujícím zářením. Jaderná energetika a její vztah k životnímu prostředí. Alternativní zdroje energie. Aplikace ionizujícího záření a metod jaderné fyziky v geologii, biologii a ekologii.

Obsah Kontrolní test. Hluk a ochrana před nadměrnou hlukovou zátěží. Význam ozónu v atmosféře, a procesy ve stratosféře. Ztenčování ozónové vrstvy, ozónová díra a její možné následky.

Obsah Příjem sluneční energie a skleníkové plyny. Současné klima a prognózy do budoucna, důsledky klimatických změn. Boj se změnou klimatu a alternativní názory. Kontrolní test.

Informace artemis.osu.cz Server katedry fyziky s informacemi pro studenty.

Fyzikální aspekty zátěží životního prostředí 1 Základní poznatky a terminologie atomové fyziky a jaderné fyziky

Atomová teorie – historie Leukippos (460-370 př.n.l.) a Demokritos (500-440 př.n.l.). Atomová teorie vzniká na přelomu 18. a 19. století. Dalton vyslovil hypotézu, že látky se skládají z částic – atomů. Zároveň postuloval základní vlastnosti atomů, čímž položil základy atomové teorie.

prvky se skládají z malých dále nedělitelných částic – atomů, Daltonovy postuláty prvky se skládají z malých dále nedělitelných částic – atomů, atomy téhož prvku jsou stejné, atomy různých prvků se liší hmotností, velikostí a dalšími vlastnostmi, v průběhu chemických dějů se atomy spojují, oddělují nebo přeskupují, přičemž ale nemohou vznikat nebo zanikat, slučováním dvou či více prvků vznikají chemické sloučeniny, slučování probíhá jako spojování celistvého počtu atomů těchto prvků.

Molekula Vzniká sloučením dvou a více atomů. Je nejmenší částici látky, která má ještě její chemické vlastnosti. Může být tvořena jedním, dvěma nebo více atomy. Hovoříme tak o jednoatomové, dvojatomové nebo víceatomové molekule.

Příklad molekuly Oxid uhličitý CO2 nebo voda H2O jsou příkladem víceatomových heteronukleárních molekul.

Původně nejmenší dále nedělitelná částice látky. Atom Původně nejmenší dále nedělitelná částice látky. Dnes - atomy nejsou dále dělitelné chemickými procesy. Atomy jsou pouze jednou z hierarchických strukturních jednotek hmoty.

Rutherfordův model atomu Rutherford (roku 1911): Atom se skládá z atomového obalu, který je tvořen elektrony (lehké, záporně nabité částice) a těžkého kladně nabitého atomového jádra. jádro zaujímá pouze malou část objemu atomu o velikosti řádově 10-14 -10-15m, to je asi desettisíckrát až stotisíckrát menší než je rozměr atomu (cca 10-10m).

Základní vlastnosti atomů Hmotnost elektronů je oproti hmotnosti jader velmi malá (cca 1300 krát menší). Celkový záporný elektrický náboj elektronového obalu je přesně kompenzován kladným elektrickým nábojem atomového jádra. Počet protonů v jádře atomu (protonové číslo) určuje jeho pořadí v periodickém systému prvků.

Atom He Atom hélia - He, je složen z jádra tvořeného dvěma protony a dvěma neutrony a dvou elektronů.

Současný model atomu n l m s (r,t), Stav atomu určuje vlnová funkce n, l, m, s jsou kvantová čísla, chování atomu popisuje Schrödingerova rovnice.

Atom Z poznatků kvantové fyziky vyplývá, že polohu elektronu v atomu nelze určit přesně, můžeme udat pouze pravděpodobnost jeho výskytu v daném místě.

Ionizací vzniká kationt (kladně nabitý iont). Ionty - ionizace Dojde-li k odtržení jednoho či více elektronů z atomového obalu, hovoříme o ionizaci. Ionizací vzniká kationt (kladně nabitý iont). Při zachycení elektronu atomem vzniká naopak aniont (záporně nabitý iont).

Chemické vzorce a reakce Chemické reakce zapisujeme jako sled stavů, které jsou odděleny šipkami, které vyjadřují směr změny stavů. Příslušné stavy vyjadřujeme pomocí značek molekul doplněných o číslo udávající počet těchto molekul, které jsou odděleny symbolem (+).

Chemické vzorce a reakce Příklad: 2H2 + O2 → 2H2O, případně může děj pokračovat např. 2H2 + O2 → 2H2O→ H2O + H+ + OH-

Proton - kladně nabitá částice, cca 103 těžší než elektron. Atomové jádro Je systém složený z určitého počtu protonů a libovolného počtu neutronů. Proton - kladně nabitá částice, cca 103 těžší než elektron. Neutron - neutrální částice, přibližně stejně těžký jako proton. Nukleon - protony a neutrony, které jsou v jádře vázány jadernými silami (silná a slabá interakce).

Charakteristiky jádra Protonové číslo Z - počet protonů v jádře, je rovný počtu elektronů v atomu. Protonové číslo určuje pořadí daného prvku v periodickém systému prvků. Nukleonové číslo A – celkový počet nukleonů v jádře. V jádru atomu daného prvku může být různý počet neutronů (izotopy), pokud se liší od určitého optimálního počtu, stává se jádro nestabilní a rozpadá se.

Charakteristiky jádra Hmotnostní úbytek m Hmotnost jádra se nerovná součtu hmotností jednotlivých nukleonů v jádře Při vzniku jádra se část hmotnosti nukleonů transformuje na tzv. vazebnou energii EV Podle Einsteinova vztahu mezi energií a hmotností platí m = EV /c2

Značení jader Nuklid – látka s jednoznačně určeným protonovým Z a nukleonovým A číslem X – značka prvku, N = A - Z – neutronové číslo, nepovinný údaj

Příklad značení jader

Značení jader Izotopy – stejné Z, různé A Izotopy vodíku

emisí radioaktivního záření (, +, -,  ), záchytem elektronů, Radioaktivita Spontánní jaderná přeměna jádra radionuklidu (tzv. radioaktivní přeměna), která je doprovázena  emisí radioaktivního záření (, +, -,  ), záchytem elektronů, emisí protonů nebo emisí fragmentů.

Radioaktivita Historie Radioaktivitu objevil v roce 1895 A. H. Becquerel při výzkumu fosforescence látek. Zjistil, že některé látky vyzařovaly záření, které vyvolalo zčernání fotografické emulze.

Radioaktivita Přirozená Radioaktivita přirozených (v přírodě se nacházejících) radionuklidů. Umělá Radioaktivita umělých (laboratorně připravených) radionuklidů.

Záření emitované při radioaktivních přeměnách. Radioaktivní záření Záření emitované při radioaktivních přeměnách. Mezi základní typy patří záření alfa, beta minus, beta plus a gama. Záření obdobné podstaty je emitováno i při dalších jaderných procesech (např. jaderné reakce) – hovoříme pak obecněji o jaderném záření.

Záření alfa Představuje tok jader (označují se též jako částice ) emitovaných jádrem při jaderných přeměnách. Rychlost částic  při radioaktivních přeměnách se pohybuje okolo 20 000 km/s.

Záření beta (minus a plus) Představuje tok elektronů (neboli částic  -), resp. pozitronů (neboli částic +, kladně nabité antičástice elektronů) emitovaných jádrem při jaderných přeměnách. Částice  emitované při radioaktivních přeměnách mají rychlosti asi 280 000 km/s.

Záření gama Představuje elektromagnetické záření o krátkých vlnových délkách (menších než  10–10 m ) emitované při jaderných přeměnách Jedná se o pronikavé záření. 

Radioaktivní přeměna je náhodný proces. Platí pro něj statistická zákonitost Zákon radioaktivní přeměny, který charakterizuje veličina označovaná jako aktivita.

Aktivita Udává počet přeměn za sekundu, tj. charakterizuje rychlost přeměny. Charakterizuje tedy počet částic emitovaných radioaktivním zářičem („intenzitu radioaktivního záření“). Jednotkou aktivity je 1 becquerel (značka Bq, rozměr s-1), definovaná jako je 1 rozpad za 1 sekundu. Starší jednotka curie, značka Ci, odpovídá 3,7.1010 Bq.

Zákon radioaktivního rozpadu Aktivita A je přímo úměrná počtu dosud nerozpadlých jader N daného radionuklidu  - rozpadová konstanta daného radionuklidu. T1/2 - poločas rozpadu, doba, za níž se přemění polovina počátečního počtu N(0) nepřeměněných jader. Platí T1/2= ln2/.

Zákon radioaktivního rozpadu Integrací zákona radioaktivního rozpadu získáme pro časovou závislost úbytku jader rozpadajícího se radionuklidu vztah N(t) = N(0) e- t N(0) počet jader radionuklidu v čase t = 0.

Příklady poločasu rozpadu Pro různé radioaktivní látky mohou nabývat značně rozdílných hodnot,

Atomová jádra se mohou přeměňovat. Jaderné reakce Atomová jádra se mohou přeměňovat. Děje se tak vnějším zásahem, zpravidla po zásahu nalétávající částicí. Jádra mohou se slučovat nebo štěpit na jádra jiná. Kromě jader mohou vznikat i jiné částice. Tyto procesy označujeme jako jaderné reakce.

Každý stav popisují daná jádra a částice. Jaderné reakce Jaderné reakce zapisujeme obdobným způsobem jako chemické reakce, jako sled jednotlivých stavů oddělených šipkami. Každý stav popisují daná jádra a částice.

Jádra atomu prvku značíme jeho chemickou značkou, Jaderné reakce Jádra atomu prvku značíme jeho chemickou značkou, doplněnou vlevo nahoře nukleonovým číslem (vlevo dole se může uvést číslo protonové), jiné částice než atomy mají své speciální značky.

Příklad jaderné reakce Slučování jádra vodíku s jádrem tritia Rozpad deuteria Rozpad  -