background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

1/21

        

Temat:

Oddziaływanie promieniowania z materią

Data opracowania: 15.10.95

Data ostat. zapisu: 15.10.95

Źródło 1:

autor -

J. Sobkowski

tytuł -

Chemia jądrowa

rodzaj źródła -

książka

strony -

104-117

wydawca -

PWN

rok wydania

1981

Źródło 2:

autor -

E. Skrzypczak, Z. Szefliński

tytuł -

Wstęp do fizyki jądra atomowego i cząstek elementarnych

rodzaj źródła -

książka

strony -

26-35

wydawca -

PWN

rok wydania

1995

Słowa kluczowe: efekt Comptona, efekt fotoelektryczny, efekt tworzenia par

Słowa dodatkowe:

UWAGI:

Liczba stron:

21

Mam (t/n):

tak

Gdzie mam

źródło:

dom

Zapis komputerowy:

Dysk nr:

FIZ_TECH

Etykieta dysku:

FIZ_TECH

Nazwa zbioru:

ODZIAL.DOC

Napisałem w:

Microsoft Word v 2.0 Pl

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

2/21

        

Oddziaływanie promieniowania i cząstek z materią

przemiany jądrowe

(reakcje jądrowe)

oddziaływanie

z elektronami powłok
elektronowych atomu

jonizacja atomów

                   Zmiany chemiczne 

wzbudzenie cząsteczek

zerwanie wiązań w cząsteczce

Sposób oddziaływania zależy od :

rodzaju ładunku,

energii cząstek lub promieniowania,

właściwości substancji pochłaniającej.

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

3/21

        

Stopień jonizacji najłatwiej można określić w przypadku
absorbcji promieniowania przez gazy.

Zestawienie energii potrzebnej do utworzenia jednej pary
jonów (W
) i energii jonizacji (I) dla różnych gazów.

Rodzaj gazu

W [eV/parę jonów]

I [eV]

cząstki 

α

cząstki 

β

Hel

44.4

41.4

24.6

Argon

26.4

26.1

15.8

Ksenon

21.9

22.1

12.1

Wodór

36.7

36.3

15.4

Tlen

32.4

31.1

12.1

Azot

36,5

34.7

15.6

Dwutlenek węgla

34.4

32.8

13.8

Metan

29.3

27.1

13.0

Etan

26.6

24.5

11.7

Etylen

28.0

26.1

10.5

Acetylen

27.5

25.7

11.4

Z porównania danych (W, I) zawartych w tabeli wynika, że
około 

POŁOWA

  pochłoniętej 

ENERGII

  jest  zużywana

NA JONIZACJĘ

.

POZOSTAŁA  CZĘŚĆ

  pochłoniętej  energii  jest

przekazywana  wybitym  elektronom  oraz  zużyta  na  wzbudzenie
atomów i cząsteczek ośrodka.

Rodzaj  promieniowania  i  jego  energia  mają  niewielki  wpływ
na wielkość W
.

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

4/21

        

W  wyniku  oddziaływania  z  materią  promieniowanie  jonizujące
traci swoją energię.

Strata energii na jednostkę drogi nazywamy zdolnością

hamowania lub liniowym współczynnikiem przenoszenia energii

(LET)

jednostką LET jest [keV/cm]

LET  zależy  od  rodzaju  cząstek  lub  promieniowania  oraz
od właściwości pochłaniającego ośrodka.

W pochłanianiu promieniowania decydującą rolę odgrywa gęstość
ośrodka by to uwzględnić wprowadza się MASOWĄ ZDOLNOŚĆ
HAMOWANIA.

MASOWA ZDOLNOŚĆ HAMOWANIA - strata energii na

jednostkę drogi podzielona przez gęstość ośrodka.

jednostką  jest [keV*cm

-1

/g*cm

-3

]

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

5/21

        

WZGLĘDNA ZDOLNOŚĆ HAMOWANIA - stosunek zdolności

hamowania ośrodka do zdolności hamowania powietrza (S).

0

0

0

A

l

A

l

S

ρ

ρ

=

gdzie:

- grubość,

ρ - gęstość,

- liczba atomowa ośrodka

- wielkości dotyczące powietrza

UWAGA!!!  

 A

= 14.4

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

6/21

        

Hamowanie cząstek ciężkich (

α, p) w gazach jednoatomowych

opisuje równanie BETHEGO:

(

)

β

β

π

=

2

2

2

0

2

0

e

2

4

1

I

V

m

2

ln

V

m

n

z

e

4

dx

dE

β

ρ

=

=

=

V

c

n

Zn

Z N

A

e

a

gdzie:

- ładunek cząstki,

prędkość cząstki,

n

e

- liczba elektronów w 1 cm

objętości ośrodka,

m

0

- masa spoczynkowa elektronu,

- średnia 

wartość 

potencjałów 

jonizacji

wszystkich elektronów atomów ośrodka,

- prędkość światła,

n

a

- liczba atomów w 1 cm

3

,

- liczba Avogadro

Z  równania  tego  wynika,  że  strata  energii  jest  proporcjonalna  do
gęstości  ośrodka  i  wielkości  ładunku  cząstki  i  odwrotnie
proporcjonalna do jej prędkości.

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

7/21

        

Zasięg cząstek (R)

obliczamy  całkując  równanie  Bethego  w  granicach  energii
początkowej od E

0

 do 0

=

=

0

o

E

0

0

E

dx

dE

dE

dx

dE

dE

R

uzyskane  tą  drogą  są  poprawne  wyłącznie  dla  gazów

jednoatomowych.

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

8/21

        

Do obliczeń zasięgu cząstek (R) w absorbentach

"rzeczywistych" stosujemy różne wzory empiryczne.

np:

DLA CZĄSTEK 

α, p i DEUTERONÓW (d)

o energiach 

<0.1 do 100> MeV

, oraz dla absorbentów dla

których liczba atomowa 

Z>10

 można stosować wzór

(

)

+

+

=

A

E

log

Z

0086

.

0

06

.

0

Z

0275

.

0

90

.

0

R

R

pow

Z

gdzie:

R

z

- zasięg w ośrodku o liczbie atomowej Z,

R

pow

- zasięg w powietrzu,

- liczba atomowa ośrodka,

- energia początkowa cząstki [MeV],
- liczba masowa cząstki  (dla 

α = 4, d = 2)

Gdy  absorbentem  jest  związek  chemiczny

  zakłada  się,

że  wartość  absorbcji  jest  sumą  absorbcji  atomowych,  atomów
wchodzących w skład związku:

1

R

w

R

m

i
i

i

=

gdzie:

R

m

- zasięg promieniowania w związku chemicznym lub

mieszaninie,

R

i

- zasięg atomowy promieniowania (w pierwiastku chemicznym),

- ułamek wagowy pierwiastka w absorbencie.

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

9/21

        

Absorpcja cząstek 

α

Ponieważ  masa  spoczynkowa  cząstek 

α  jest  ok.  7.5  tys.  razy

większa  od  masy  spoczynkowej  elektronu  cząstka 

α  porusza  się

w absorbującym ośrodku po linii prostej.

Zasięgi cząstek 

α w ośrodkach skondensowanych są niewielkie.

Cząstki 

α o energii 10 MeV są całkowicie zatrzymywane np przez:

   Pb - 0.034 mm
H

2

O - 0.13 mm

Zdolność  hamowania  cząstki  w  danym  ośrodku  (-dE/dx)  jest
proporcjonalna do jonizacji właściwej (dn/dx).

=

dE

dx

W

dn
dx

W - energia potrzebna do utworzenia jednej pary jonów.

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

10/21

        

Zależność  ilości  powstających  par  jonów  od  przebytej  przez
cząstkę 

α drogi przedstawia krzywa Bragga.

Jonizacja  rośnie  wraz  z  przebytą  drogą  przechodząc  przez
maksimum tuż przed końcem zasięgu cząstki 

α.

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

11/21

        

Zasięg  cząstek 

α  można  wyrazić  przy  pomocy  masy

powierzchniowej.

M

pow

 = R * 

ρ [g/cm

2

]

Masa powierzchniowa jest wielkością tabelaryzowaną.

Znając  zasięg  cząstek 

α  w  jakimś  ośrodku  możemy  wyliczyć

zasięg w innym

R

R

M

M

1
2

2

1

1

2

=

ρ
ρ

gdzie:

R

1

- zasięg promieniowania w ośrodku 1,

R

2

- zasięg promieniowania w ośrodku 2,

σ - gęstość (odpowiednio ośrodka 1 i 2),

- masa cząsteczkowa (odpowiednio ośrodka 1 i 2).

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

12/21

        

Pochłanianie cząstek 

β

Ponieważ  cząstka 

β i elektrony mają te same masy i  ładunki  tor

cząstek 

β w absorbencie ulega licznym zakrzywieniom.

(straty energii na zderzenia i odpychanie elektrostatyczne )

Jonizacja pierwotna stanowi 20-30% całkowitej jonizacji ośrodka
reszta to tzw. jonizacja wtórna.

(straty energii na jonizację wtórną - promieniowanie 

δ )

W przypadku oddziaływania cząstek 

β z ośrodkami o dużej liczbie

atomowej  powstaje  promieniowanie  X  -  oddziaływanie  z  polem
elektrycznym jąder.

(straty energii na promieniowanie hamowania)

Jeżeli cząstka porusza się w przezroczystym ośrodku z prędkością
porównywalną  z  prędkością  światła  część  energii  jest  tracona  na
PROMIENIOWANIE CZERENKOWA (emisja światła).

(straty energii na promieniowanie Czerenkowa)

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

13/21

        

Dla  elektronów  stosunek  strat  energii  wskutek  emisji
promieniowania  hamowania  do  energii  traconej  w  skutek
jonizacji i wzbudzenia atomów wynosi

800

EZ

dx

dE

dx

dE

.

zderz

.

ham

.

prom

=

 −

 −

gdzie:

E - energia cząstek w [MeV],
Z - liczba atomowa.

Przykładowe widma promieniowania 

β

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

14/21

        

Pojawienie  się  promieniowania  hamowania  i  ciągłość  widma
cząstek 

β  emitowanych  przez  jądra  powodują,  że  teoretyczne

obliczenia absorbcji cząstek 

β jest skomplikowane i niedokładne.

Absorbcję  cząstek 

β  można  określić  przez  pomiar  spadku  ich

natężenia po przejściu przez określoną grubość warstwy.

Zmianę natężenia promieniowania możemy zapisać:

=

dI

I dl

µ

gdzie:

I - natężenie promieniowania,
I

0

 - początkowe natężenie promieniowania,

l - grubość absorbenta,
µ - współczynnik absorbcji.

=

µ

=

l

0

l

I

I

dl

I

dI

0

gdzie:

I

0

 - początkowe natężenie promieniowania,

ln

ln

I

I

l

=

0

µ

uzyskane  równanie  jest  równaniem  prostej  o  współczynniku
nachylenia 

µ.

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

15/21

        

Ponieważ wartość współczynnika absorbcji (

µ), promieniowania β

o  określonej  energii,  dla  wszystkich  lekkich  pierwiastków,  zależy
prawie liniowo od gęstości absorbenta wprowadzono

MASOWY WSPÓŁCZYNNIK ABSORBCJI:

 

ρ

µ

=

µ

ρ

g

cm

2

wyrażony  w  ten  sposób  wsp.  absorbcji  elektronów  dla
promieniowania o określonej energii jest wielkością stałą.

(nie zależy od rodzaju materiału)

GRUBOŚĆ  POŁÓWKOWA  -  jest  to  grubość  absorbenta
zmniejszająca natężenie wiązki promieniowania o połowę

l

1 2

2

0 693

/

ln

.

=

=

µ

µ ρ

ρ

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

16/21

        

Zasięg cząstek 

β

jest 5 do 10 razy większy od grubości połówkowej.

Można go obliczyć na podstawie wzorów empirycznych:

dla cząstek 

β o E>0.8 MeV

[

]

MeV

cm

mg

165

E

536

R

2

max





=

β

dla cząstek 

β o energii <0.025, 2 MeV>

[

]

MeV

cm

mg

E

370

R

2

2

3

max





=

β

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

17/21

        

Pochłanianie promieniowania 

γ

promieniowania 

γ jest promieniowaniem elektro-

magnetycznym o długości fali od 0.025 do 0.0001 nm, co
odpowiada energią od 0.05 do kilku MeV

Widmo promieniowania emitowanego przez 

54

Mn

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

18/21

        

Promieniowanie 

γ można opisać równaniami podobnymi do

absorpcji światła chociaż mechanizm pochłaniania jest inny,

energię promieniowania świetlnego absorbują przede
wszystkim elektrony wiązań chemicznych,

energię promieniowania 

γ absorbują wszystkie elektrony w

atomie 

(decyduje o niej rodzaj pierwiastka)

Jeżeli:

 

I

0

I

µ

l

absorbent

to

I = I

exp(-l

µ)

gdzie:

µ - liniowy współczynnik osłabienia [cm

-1

]

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

19/21

        

Masowy współczynnik osłabienia -

ρ

µ

=

µ

ρ

g

cm

2

Atomowy współczynnik osłabienia -

ρ

µ

=

µ

=

µ

ρ

atom

cm

N

A

N

A

2

a

Elektronowy współczynnik osłabienia -

 

ρ

µ

=

µ

=

µ

elektron

cm

N

A

Z

Z

2

e

a

Cząsteczkowy współczynnik osłabienia -

M

N

.

czast

cm

cz

2

a

cz

µ

ρ

=

µ

µ

=

µ

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

20/21

        

Pochłanianie promieniowania 

γ zależy od energii kwantu, może

zachodzić poprzez:

efekt fotoelektryczny,

efekt Comptona,

efekt tworzenia par elektron-pozyton.

µ = τ + σ + κ 

gdzie:

τ - współczynnik osłabienia poprzez efekt fotoelektryczny,
σ - współczynnik osłabienia poprzez efekt Comptona,
κ - współczynnik osłabienia poprzez efekt tworzenia par.

Zależność liniowego współczynnika osłabienia 

µ oraz jego

składowych od energii kwantów 

γ

F-efekt fotoelektryczny, C-efekt Comptona, P-efekt tworzenia

par.

background image

__________________________________________________________________________

Zbigniew Górski         OPRACOWANIA TEMATYCZNE                   

21/21

        

foton    E=hν

fotoelektron

elektron

foton    E=h

ν

elektron

foton    E=h

ν

EFEKT FOTOELEKTRYCZNY

EFEKT COMPTONA

EFEKT TWORZENIA PAR

foton rozproszony

pozyton