Oddziaływanie

Oddziaływanie

promieniowania

promieniowania

jonizującego z materią:

jonizującego z materią:

Autorzy:
Alicja Zielińska
Katarzyna
Warzecha

Wrocław 18.10.2010
r.

a) zjawiska fizyczne

a) zjawiska fizyczne

odpowiedzialne za

odpowiedzialne za

osłabianie

osłabianie

promieniowania rtg i γ w

promieniowania rtg i γ w

materii:

materii:



Zjawisko fotoelektryczne-

Zjawisko fotoelektryczne-

zjawisko to

zjawisko to

jest bliskie procesowi jonizacji, a polega ono

jest bliskie procesowi jonizacji, a polega ono

na absorpcji energii kwantu promieniowania

na absorpcji energii kwantu promieniowania

przez elektron znajdujący się na jednej z

przez elektron znajdujący się na jednej z

orbit atomu pochłaniającego. Energia

orbit atomu pochłaniającego. Energia

pochłanianych kwantów jest duża, dlatego

pochłanianych kwantów jest duża, dlatego

ich absorpcja prowadzi do jonizacji, a

ich absorpcja prowadzi do jonizacji, a

wybite elektrony posiadają znaczną energię

wybite elektrony posiadają znaczną energię

kinetyczną, która jest równa różnicy między

kinetyczną, która jest równa różnicy między

energią pochłoniętego kwantu (

energią pochłoniętego kwantu (

hv

hv

) i energią

) i energią

jonizacji (E

jonizacji (E

j

j

):

):



Zjawisko Comptona-

Zjawisko Comptona-

Zjawisko to ma

Zjawisko to ma

miejsce, gdy energia kwantów

miejsce, gdy energia kwantów

promieniowania posiada odpowiednią wartość

promieniowania posiada odpowiednią wartość

(od 10

(od 10

5

5

eV do 10

eV do 10

7

7

eV). Polega ono na

eV). Polega ono na

sprężystym zderzeniu kwantu promieniowania

sprężystym zderzeniu kwantu promieniowania

z elektronem. W zderzeniu tym foton oddaje

z elektronem. W zderzeniu tym foton oddaje

część swojej energii elektronowi, co zmniejsza

część swojej energii elektronowi, co zmniejsza

częstotliwość promieniowania. Zmienia się

częstotliwość promieniowania. Zmienia się

także kierunek ruchu fotonu- dochodzi do jego

także kierunek ruchu fotonu- dochodzi do jego

rozproszenia. Energia kwantu znacznie

rozproszenia. Energia kwantu znacznie

przekracza energię wiązania elektronu w

przekracza energię wiązania elektronu w

atomie, dlatego w analizie zjawiska elektron

atomie, dlatego w analizie zjawiska elektron

traktowany jest jako swobodny.

traktowany jest jako swobodny.

Fotony rozproszone w efekcie

Fotony rozproszone w efekcie

Comptona, w zależności od ich energii,

Comptona, w zależności od ich energii,

mogą brać udział ponownie w tym

mogą brać udział ponownie w tym

zjawisku lub mogą być pochłonięte w

zjawisku lub mogą być pochłonięte w

efekcie fotoelektrycznym. Szybkie

efekcie fotoelektrycznym. Szybkie

elektrony uzyskiwane przy

elektrony uzyskiwane przy

rozproszeniu podlegają procesom

rozproszeniu podlegają procesom

absorpcji cząsteczek.

absorpcji cząsteczek.

Schemat zjawiska Comptona

Schemat zjawiska Comptona



Tworzenie par negaton- pozyton-

Tworzenie par negaton- pozyton-

gdy

gdy

energia kwantu promieniowania przekracza

energia kwantu promieniowania przekracza

graniczną wartość 1,02 MeV i kwant taki

graniczną wartość 1,02 MeV i kwant taki

przechodzi w pobliżu jądra atomowego,

przechodzi w pobliżu jądra atomowego,

może wystąpić zjawisko tworzenia par. W

może wystąpić zjawisko tworzenia par. W

zjawisku tym dochodzi do zamiany energii

zjawisku tym dochodzi do zamiany energii

promieniowania na masę dwóch cząstek

promieniowania na masę dwóch cząstek

elementarnych: negatonu i pozytonu. Obie

elementarnych: negatonu i pozytonu. Obie

te cząstki to elektrony, negaton posiada

te cząstki to elektrony, negaton posiada

ładunek ujemny, a pozyton jest obdarzony

ładunek ujemny, a pozyton jest obdarzony

ładunkiem dodatnim. Masy obu cząsteczek

ładunkiem dodatnim. Masy obu cząsteczek

są jednakowe.

są jednakowe.

Gdy energia fotonu jest większa od wartości

Gdy energia fotonu jest większa od wartości

granicznej, nadwyżka energii przekazywana

granicznej, nadwyżka energii przekazywana

jest utworzonym cząstkom jako ich energia

jest utworzonym cząstkom jako ich energia

kinetyczna. Czas życia pozytonu w otoczeniu

kinetyczna. Czas życia pozytonu w otoczeniu

zbudowanym ze „zwykłej” materii jest krótki;

zbudowanym ze „zwykłej” materii jest krótki;

po napotkaniu przez pozyton negatonu obie

po napotkaniu przez pozyton negatonu obie

cząsteczki anihilują- znikają. W wyniku tego

cząsteczki anihilują- znikają. W wyniku tego

procesu z dwóch cząstek powstaje

procesu z dwóch cząstek powstaje

promieniowanie elektromagnetyczne typu γ.

promieniowanie elektromagnetyczne typu γ.

W zależności od ilości kwantów

W zależności od ilości kwantów

promieniowania powstających w tym

promieniowania powstających w tym

procesie mówimy o zaniku jedno-, dwu- lub

procesie mówimy o zaniku jedno-, dwu- lub

trój kwantowej.

trój kwantowej.

W zjawisku anihilacji spełnione muszą być:

W zjawisku anihilacji spełnione muszą być:

-zasada zachowania energii, z której wynika, że w

-zasada zachowania energii, z której wynika, że w

przypadku anihilacji wielokwantowej powstające

przypadku anihilacji wielokwantowej powstające

kwanty promieniowania γ mają energie mniejsze niż

kwanty promieniowania γ mają energie mniejsze niż

1,02 MeV, czyli nie mogą uczestniczyć w tworzeniu

1,02 MeV, czyli nie mogą uczestniczyć w tworzeniu

kolejnych par pozyton- negaton.

kolejnych par pozyton- negaton.

-zasada zachowania pędu- gdyby anihilujące cząstki

-zasada zachowania pędu- gdyby anihilujące cząstki

nie posiadały pędów to powstające kwanty

nie posiadały pędów to powstające kwanty

promieniowania powinny rozchodzić się w

promieniowania powinny rozchodzić się w

przeciwległych kierunkach (suma ich pędów musi być

przeciwległych kierunkach (suma ich pędów musi być

równa pędowi początkowemu układu, a więc zero). W

równa pędowi początkowemu układu, a więc zero). W

rzeczywistości kwanty te rozchodzą się pod kątem

rzeczywistości kwanty te rozchodzą się pod kątem

różnym od 180

różnym od 180 º

, co oznacza, że przynajmniej jedna z

, co oznacza, że przynajmniej jedna z

cząstek posiadała przed anihilacją pęd różny od zera.

cząstek posiadała przed anihilacją pęd różny od zera.

Prawdopodobieństwo wystąpienia

Prawdopodobieństwo wystąpienia

jednego z trzech opisanych efektów

jednego z trzech opisanych efektów

zależy od energii pochłanianego

zależy od energii pochłanianego

promieniowania i od rodzaju substancji

promieniowania i od rodzaju substancji

pochłaniającej.

pochłaniającej.

Na poniższym wykresie

Na poniższym wykresie

przedstawiona jest możliwość

przedstawiona jest możliwość

występowania tych efektów w

występowania tych efektów w

zależności od energii padających

zależności od energii padających

kwantów oraz od liczby atomowej

kwantów oraz od liczby atomowej

pochłaniającego pierwiastka:

pochłaniającego pierwiastka:

Zjawisko fotoelektryczne przeważa,

Zjawisko fotoelektryczne przeważa,

gdy energie padających kwantów są

gdy energie padających kwantów są

małe, efekt Comptona występuje dla

małe, efekt Comptona występuje dla

średnich wartości energii, a zjawisko

średnich wartości energii, a zjawisko

tworzenia par przeważa, gdy energie

tworzenia par przeważa, gdy energie

fotonów są odpowiednio wysokie i

fotonów są odpowiednio wysokie i

liczba atomowa pochłaniającego

liczba atomowa pochłaniającego

pierwiastka odpowiednio wysoka.

pierwiastka odpowiednio wysoka.

Osłabianie

Osłabianie

promieniowania

promieniowania

elektromagnetycznego

elektromagnetycznego



Pochłanianie wiązki

Pochłanianie wiązki

elektromagnetycznego

elektromagnetycznego

promieniowania jonizującego

promieniowania jonizującego

prowadzi do jej osłabienia.

prowadzi do jej osłabienia.

Zależność między natężeniem

Zależność między natężeniem

wiązki promieniowania

wiązki promieniowania

przechodzącego przez warstwę

przechodzącego przez warstwę

absorbenta o grubości

absorbenta o grubości

x

x

a

a

natężeniem wiązki padającej

natężeniem wiązki padającej

określona jest przez prawo

określona jest przez prawo

absorpcji promieniowania.

absorpcji promieniowania.

Prawo absorpcji

Prawo absorpcji

promieniowania:

promieniowania:

I = I

I = I

0

0

e

e

-μx

-μx

gdzie:

gdzie:

I

I

- natężenie wiązki promieniowania przechodzącej

- natężenie wiązki promieniowania przechodzącej

przez absorbent,

przez absorbent,

I

I

0

0

- natężenie wiązki padającej,

- natężenie wiązki padającej,

μ

μ

- liniowy współczynnik pochłaniania,

- liniowy współczynnik pochłaniania,

x

x

- grubość warstwy absorbenta

- grubość warstwy absorbenta

Liniowy współczynnik pochłaniania

Liniowy współczynnik pochłaniania

(μ):

(μ):



charakteryzuje ośrodek pochłaniający,

charakteryzuje ośrodek pochłaniający,



składa się z trzech składników:

składa się z trzech składników:

μ = τ + δ + π

μ = τ + δ + π

fotoelektryczny

fotoelektryczny

comptonowski

comptonowski

tworzenia par

tworzenia par

•

jego wartość zależy od energii

jego wartość zależy od energii

padających

padających

fotonów i gęstości absorbującego

fotonów i gęstości absorbującego

ośrodka.

ośrodka.

Masowy współczynnik pochłaniania

Masowy współczynnik pochłaniania

(μ / ρ):

(μ / ρ):

•

charakteryzuje ośrodek pochłaniający,

charakteryzuje ośrodek pochłaniający,

•

pozwala uniknąć zależności od gęstości

pozwala uniknąć zależności od gęstości

absorbującego ośrodka,

absorbującego ośrodka,

•

odpowiada zdolności absorpcyjnej

odpowiada zdolności absorpcyjnej

warstwy

warstwy

absorbentu o masie 1 kg i powierzchni 1

absorbentu o masie 1 kg i powierzchni 1

m

m

2

2

.

.

b) osłabianie

b) osłabianie

korpuskularnego

korpuskularnego

promieniowania

promieniowania

jonizującego.

jonizującego.

Promieniowanie

Promieniowanie

korpuskularne

korpuskularne



Cząstki promieniowania korpuskularnego

Cząstki promieniowania korpuskularnego

posiadają duże energii kinetyczne co

posiadają duże energii kinetyczne co

umożliwia jonizacje lub wzbudzanie

umożliwia jonizacje lub wzbudzanie

atomów ośrodka pochłaniającego z którymi

atomów ośrodka pochłaniającego z którymi

się zderzają. Wzbudzone atomy emitują

się zderzają. Wzbudzone atomy emitują

kwanty promieniowania

kwanty promieniowania

elektromagnetycznego które przy niższych

elektromagnetycznego które przy niższych

energiach zamieniane są na ciepło. Jeśli

energiach zamieniane są na ciepło. Jeśli

pochłanianymi cząstkami są elektrony (β-)

pochłanianymi cząstkami są elektrony (β-)

to dodatkowo mogą one być wyhamowane

to dodatkowo mogą one być wyhamowane

w pobliżu jader atomowych ośrodka

w pobliżu jader atomowych ośrodka

pochłaniającego.

pochłaniającego.

Jeśli energia wybitych elektronów jest

Jeśli energia wybitych elektronów jest

mała to poprzez zderzenia zostaje ona

mała to poprzez zderzenia zostaje ona

zamieniona na ciepło.

zamieniona na ciepło.



„

„

Produktami” absorpcji

Produktami” absorpcji

promieniowania korpuskularnego są:

promieniowania korpuskularnego są:

Elektrony i zjonizowane atomy oraz

Elektrony i zjonizowane atomy oraz

promieniowanie elektromagnetyczne i

promieniowanie elektromagnetyczne i

ciepło.

ciepło.

Ponieważ jonizacja atomów jest

Ponieważ jonizacja atomów jest

spowodowana zderzeniami cząstek

spowodowana zderzeniami cząstek

promieniowania z atomami,

promieniowania z atomami,

promieniowanie korpuskularne

promieniowanie korpuskularne

nazywamy promieniowaniem

nazywamy promieniowaniem

jonizującym bezpośrednio

jonizującym bezpośrednio



Zdolność danego ośrodka do

Zdolność danego ośrodka do

pochłaniania promieniowania

pochłaniania promieniowania

jonizującego może być opisana

jonizującego może być opisana

poprzez podanie ilości energii

poprzez podanie ilości energii

traconej przez promieniowanie na

traconej przez promieniowanie na

jednostkę długości przez nie drogi

jednostkę długości przez nie drogi

(dE/dx).

(dE/dx).



Wielkość ta określona jest przez

Wielkość ta określona jest przez

wzór Bethego.

wzór Bethego.

Gdzie:

Gdzie:

•

B - wielkość zależna m.in. Od ilości

B - wielkość zależna m.in. Od ilości

ładunków elementarnych niesionych

ładunków elementarnych niesionych

przez cząstkę promieniowania

przez cząstkę promieniowania

•

v - prędkość cząstki jonizującej

v - prędkość cząstki jonizującej

•

p - gęstość absorbującego ośrodka

p - gęstość absorbującego ośrodka

•

Z i A - odpowiednio liczba atomowa i

Z i A - odpowiednio liczba atomowa i

masowa.

masowa.