Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ TADEUSZ HILCZER.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ TADEUSZ HILCZER."— Zapis prezentacji:

1 ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ TADEUSZ HILCZER

2 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 2 Plan wykładu 1.Wprowadzenie 2.Podstawowe pojęcia 3.Zderzenie i rozproszenie 4.Przewodnictwo materii 5.Naturalne źródła promieniowania jonizującego 6.Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio 7.Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio 8.Źródła promieniowania jonizującego 9.Pole promieniowania jonizującego 10.Detekcja promieniowania 11.Skutki napromieniowania materii żywej 12.Dozymetria medyczna 13.Ochrona przed promieniowaniem 14.Osłony przed promieniowaniem

3 Przewodnictwo materii

4 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 4 Przewodnictwo materii materia złożona z atomów, drobin, makromolekuł, itd. w normalnych warunkach w warunkach makroskopowych jest elektrycznie obojętna składniki materii mogą jednak być zarówno w różnych stanach energii jak i stanach elektrycznych energia oddziaływania pomiędzy składnikami materii (przekazywana w różnych procesach) powoduje, że materia może znajdować się w różnych stanach skupienia dostarczona z zewnątrz energia może być w postaci –energii mechanicznej –energii cieplnej –energii pola elektrycznego –energii kwantu promieniowania –energii cząstek korpuskularnych

5 pochłonięcie przez element materii dV energię dostarczoną z poza układu może spowodować –zmianę energii oddziaływania –zaburzenia struktury elektronowej –… pochłonięta energia może spowodować, że element dV znajdzie się w wyższym stanie energii –stan wzbudzenia jest stanem nietrwałym –po pewnym czasie wzbudzony element wraca do stanu podstawowego skutek oderwania lub przyłączenia jednego lub większej liczby elektronów powoduje, że element dV –staje się elektrycznie nie obojętny jonem dodatni lub ujemnym Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 5 Przewodnictwo materii

6 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 6 Ziemia od początku istnienia znajduje się w polu promieniowania jonizującego pochodzenia kosmicznego jonizacja i wzbudzenie wywołane przez to pole odgrywają podstawową rolę we wielu procesach zachodzących w przyrodzie mechanizm wywołanych procesów jest w głównej mierze zależny od –rodzaju i stanu skupienia materii –struktury materii –gęstości materii –… Przewodnictwo materii

7 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 7 zjonizowana materia jest przewodnikiem prądu elektrycznego. To przewodnictwo można obserwować w postaci samoistnej jako –przewodnictwo właściwe ciał stałych –przewodnictwo komórek materii biologicznej –… Przewodnictwo materii

8 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 8 Przewodnictwo materii przewodnictwo elektryczne gazów badano od początku wieku XIX pod koniec XIX w. opracowano klasyczną teorię przewodnictwa metali po odkryciu promieniotwórczości i promieniowania kosmicznego rozpoczęto badania wpływu promieniowania jonizującego na gazy a następnie na ciało stałe trudne zagadnienie wpływu promieniowania na ciecze badano sporadycznie –głównie przez Ignacego Adamczewskiego

9 Ciało stałe zbiór elementów tworzących sieć krystaliczna wiązanie homopolarne - wymiana elektronów, głównie walencyjnych, pomiędzy podobnymi atomami wiązanie kowalencyjne - wymiana dwu elektronów o przeciwnych spinach –wiązanie wysycone, trzeci elektronu nie zwiększa energii wiązanie heteropolarne (jonowe) – przesuniecie chmury elektronowej w różnych atomach wiązanie metaliczne - elektrony całkowicie zdelokalizowane słabe wiązanie Van der Waalsa - pomiędzy indukowanymi momentami elektrycznymi molekuł słabe wiązanie wodorowe – przeniesienie protonu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 9

10 Ciało stałe w stanie równowagi termodynamicznej rozkład energii elektronów opisuje kwantowy rozkład Fermiego-Diraca: F - energia Fermiego, E – energia całkowita elektronu w temperaturze T, f (E,T) - miara prawdopodobieństwa obsadzenia przez elektron stanu o energii E Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 10

11 Ciało stałe T 0 –obsadzone są stany energii E < F –stany o energii E > F są puste T = 0 stan graniczny E = F układ zdegenerowany - układ opisany rozkładem Fermiego- Diraca Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 11

12 Ciało stałe stan cząstki w opisie –klasycznym sześć wielkości trzy składowe wektora położenia r trzy składowe wektora pędu p –kwantowym cztery wielkości trzy zależą od wybranej postaci układu kwantowego, albo –energia E, moduł momentu orbitalnego |M|, rzut tego momentu na wybraną oś M z –trzy składowe wektora falowego k składowa spinu s z Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 12

13 Ciało stałe zgodnie z zasadą Pauliego każdy zespół parametrów może w danym układzie pojawić się tylko jeden raz wektor falowy k określa energię poziomu E(k) w którym mogą znajdować się tylko 2 elektrony w stanie (k, s z ) może znajdować się tylko jeden elektron stan energii –w którym nie ma żadnego elektronu –całkowicie zapełniony nie dają żadnego przyczynku do przewodnictwa elektrycznego elektrony mogą przemieszczać się jedynie w stanie nie całkowicie zapełnionym, zajmując miejsca puste Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 13

14 Model pasmowy poziomy energii elektronów tworzą grupy, zwane pasmami –pasmo walencyjne V - zbiór normalnie zapełnionych poziomów energetycznych –pasmo wzbronione G (przerwa energetyczna) - zbiór pusty, nie występują dozwolone poziomy energii –pasmo przewodnictwa C - zbiór dozwolonych wyższych poziomów energetycznych Wartość energii E G pasma wzbronionego decyduje o własnościach elektrycznych E G = 0 dla przewodników E G 2 eV dla półprzewodników E G dla izolatorów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 14

15 Model pasmowy stan całkowicie zapełniony albo całkowicie pusty nie dale przyczynku do przewodnictwa elektrony mogą przemieszczać się w stanie niecałkowicie zapełnionym zajmując wolne miejsca Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 15

16 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 16 stan gazowy cząstki poruszają się całkowicie bezładnie w nieograniczonej przestrzeni oddziaływania pomiędzy cząstkami ograniczają się do momentu bezpośredniego, przypadkowego, kontaktu najprostszym modelem oddziaływania jest zderzenie sprężyste Stan gazowy

17 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 17 Stan gazowy pewna liczba cząstek gazu może być elektrycznie nieobojętna gdy jonów jest na tyle mało, że można zaniedbać oddziaływania elektryczne pomiędzy nimi, można je traktować tak samo jak cząstki elektrycznie obojętne gdy gaz składa się z jednego rodzaju atomów oraz jonów powstałych z tych atomów, mamy do czynienia z jonami w gazie własnym.

18 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 18 Stan gazowy w warunkach równowagi termodynamicznej, gdy na jony w gazie własnym nie działa żadna porządkująca siła, rozkład prędkości elementów w gazie jest rozkładem Maxwella: dN/N - ułamek liczby elementów o masie m, których prędkość zawarta jest w przedziale (v, v + dv).

19 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 19 Stan gazowy liczba zderzeń pomiędzy elementami w gazie w czasie dt : - gęstość elementów, - przekrój czynny na zderzenie średnia droga swobodna elementu traktowanego jako kulka o promieniu : średnia droga swobodna jest odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia p, dla stosowanego modelu, nie zależy od temperatury T obserwowana słaba zależność od T wskazuje na ograniczoną stosowalność modelu

20 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 20 Stan gazowy odwrotność średniej drogi swobodnej jest miarą prawdopodobieństwa zderzeń w jednostce objętości gazu określa efektywny przekrój czynny na zderzenie – podawany również w jednostkach m 2 /m 3

21 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 21 jonizacja materii –proces, w wyniku którego neutralny elektrycznie element materii (atom, drobina, makromolekuła,...) otrzymuje (lub traci) ładunek elektryczny nq stając się jonem atomowym lub drobinowym o ładunku nq (n - krotność jonizacji) –realizowana w wielu procesach (fizycznych, chemicznych, biologicznych,...) skutek oddziaływania określonego czynnika zewnętrznego, (np. promieniowania jądrowego czy temperatury) –gdy energia jest wystarczająca do jonizacji Jonizacja

22 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 22 stan zjonizowania materii jednorodnej określa gęstość jonizacji –całkowity ładunek elektryczny Q wytworzony w objętości V przez N jonów –dla jonów o jednakowym ładunku q N - gęstość nośników ładunku Jonizacja

23 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 23 szybkość jonizacji w j –szybkość powstania N par jonów o ładunku Q w elemencie objętości V w przedziale czasu t –dla jonów o jednakowym ładunku q w p - szybkość powstawania nośników ładunku Jonizacja

24 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 24 wzbudzenie materii –proces, w wyniku którego element materii (atom, drobina, makromolekuła,...) znajdujący się w pewnym stanie energii np. stanie podstawowym, otrzymuje energię i przechodzi do wyższego stanu energii –realizowana w wielu procesach (fizycznych, chemicznych, biologicznych,...) skutek oddziaływania określonego czynnika zewnętrznego, (np. promieniowania jądrowego czy temperatury) –gdy energia nie jest wystarczająca do jonizacji Wzbudzenie

25 Wzbudzenie i jonizacja atomu przejścia elektronowe w atomie mogą odbywać się między skwantowanymi poziomami energii Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 25

26 Wzbudzenie i jonizacja atomu atom A w stanie podstawowym o energii E 0 będzie –atomem wzbudzonym pochłonie kwant energii E n –Atomem zjonizowanym pochłonie kwant energii większy od energii jonizacji E j oderwany elektron unosi nadmiar energii która nie jest skwantowana –istnieje dla niej kontinuum możliwych poziomów energii Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 26

27 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 27 jonizację atomu A można opisać jako zderzenie –z cząstką B –atomem –jonem –kwantem promieniowania. wnioski z modelu zderzeniowego są przybliżone –dokładniejszy opis jest skomplikowany ze względu na zachodzące konkurencyjne procesy wzbudzenie drobin rekombinacja … Jonizacja atomu

28 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 28 elektron o dużej energii e s zderza się z atomem A –przekazuje mu skwantowaną część swojej energii –zachodzi zderzenie I-go rodzaju atom wzbudzony A* przechodzi do stanu podstawowego emitując foton z zasady równowagi szczegółowej wynika, że przejście do stanu podstawowego jest możliwe wtedy, gdy istnieje proces odwrotny - zderzenie II rodzaju Wzbudzenie atomu

29 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 29 atom w stanie wzbudzonym może zderzać się atomami –przy zderzeniu z atomem tego samego rodzaju zachodzi przekazywaniem energii wzbudzenia. proces ten może być powtarzany wielokrotnie, w jego wyniku pewna porcja energii może być przemieszczana w gazie na znaczne odległości. –przy zderzeniu z atomem innego rodzaju energia wzbudzenia będzie przekazywana jedynie w przypadku, gdy energia wzbudzenia atomu B jest niewiele różna od energii wzbudzenia atomu A Atom wzbudzony

30 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 30 przy zderzeniu atomu z elektronem o dużej energii może powstać jon dodatni –istnieje proces odwrotny - rekombinacja jonu z elektronem (zasada równowagi szczegółowej) –energia zjonizowanego atomu może być też wyemitowana w postaci kwantu energii hamowanie elektronu w polu jonu Atom zjonizowany

31 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 31 wzbudzenie atomu przez elektron zajdzie, gdy –energia elektronu jest większa od energii stanu wzbudzonego a przejście powrotne nie jest wzbronione stanu metastabilnego –gdy pęd elektronu spełnia odpowiednie warunki prawdopodobieństwo zderzenia elektronu z atomem –centralne - bardzo małe –niecentralne - duże Wzbudzenie atomu przez elektron

32 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 32 przy niecentralnym zderzeniu elektronu z atomem –zachowany moment pędu względem środka masy różnica pędów p przed i po zderzeniu musi być równa zmianie całkowitego momentu pędu atomu j - wektor całkowitego momentu pędu, l - wektor orbitalnego momentu pędu, s - wektor spinu warunek pędowy wzbudzenia atomu przez elektron w zderzeniu niecentralnym j 0 Wzbudzenie atomu przez elektron

33 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 33 stanu wzbudzonego i energie stanu metastabilnego [eV] Wzbudzenie atomu przez elektron atomstan wzbudzonystan metastabilny He21,219,8 20,7 Ne16,7 16,816,6 16,7 Ar11,6 11,811,5 11,7 Kr10,0 10,6 9,9 10,5 H10,2 H2H2 11,2 12,2- N10,22,4 - 3,6 N2N2 6,16,2 O 9,12,0 4,2 O2O2 5,01,0 1,8 Cl 9,20,1 8,9 Cl 2 3,6-

34 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 34 elektron e s (o masie m, energii E e, pędzie p e ) zderza się z nieruchomym atomem A o masie m A0 progową energię kinetyczną elektronu można oszacować wykorzystując niezmienniczość masy spoczynkowej –masa materii w stanie wzbudzonym jest równa: –niezmiennik transformacji Lorentza: Wzbudzenie atomu przez elektron

35 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 35 parametr P w –miara prawdopodobieństwa wzbudzenia –stosunek liczby wzbudzonych atomów do liczby padających elektronów Wzbudzenie atomu przez elektron atomprzejście (P w ) max He1 1 S P 1 1 Ne2 1 S P 1 0,6 Ar3 1 S P 1 2 H1 2 S 1/ P 1/2 <20 Hg6 1 S P 1 ~70 Hg6 1 S P 1 8

36 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 36 (I) - elektron za stanu podstawowego E 0 przechodzi do stanu wzbudzonego E a Wzbudzenie atomu przez elektron IIIIII E 0 E a E b E j

37 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 37 (I) - elektron za stanu podstawowego E 0 przechodzi do stanu wzbudzonego E a (II) - elektron ze stanu wzbudzonego E a przechodzi do stanu wzbudzonego E b którego energia jest większa od energii jonizacji E j Wzbudzenie atomu przez elektron IIIIII E 0 E a E b E j

38 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 38 (I) - elektron za stanu podstawowego E 0 przechodzi do stanu wzbudzonego E a (II) - elektron ze stanu wzbudzonego E a przechodzi do stanu wzbudzonego E b którego energia jest większa od energii jonizacji E j (III) - wzbudzony elektron o energii E b – E j opuszcza atom, inny elektron ze stanu E j przechodzi do stanu podstawowego - powstaje nie wzbudzony jon dodatni Wzbudzenie atomu przez elektron IIIIII E 0 E a E b E j

39 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 39 (I) - elektron za stanu podstawowego E 0 przechodzi do stanu wzbudzonego E a (II) - elektron ze stanu wzbudzonego E a przechodzi do stanu wzbudzonego E b którego energia jest większa od energii jonizacji E j (III) - wzbudzony elektron o energii E b – E j opuszcza atom, inny elektron ze stanu E j przechodzi do stanu podstawowego - powstaje nie wzbudzony jon dodatni Wzbudzenie atomu przez elektron IIIIII E 0 E a E b E j Opisany proces dyslokacji elektronowej zachodzący przy energiach charakterystycznych dla widm optycznych nazywa się zjawiskiem autojonizacji rentgenowskich - zjawiskiem Augera

40 Wzbudzenie atomu jonami i atomami atom może zostać wzbudzony przez zderzenie –z jonami –z szybkimi atomami Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 40 Zależność efektywnego przekroju czynnego na wzbudzenie atomów przez atomy od energii (dla różnych energii wzbudzenia atomów helu)

41 Wzbudzenie atomu kwantami promieniowania kwanty promieniowania w gazie o energii –małej - rozproszenie sprężyste –rezonansowej - silne pochłanianie energii w bardzo wąskim przedziale, odpowiadającym energetycznej szerokości linii rezonansowej progowa energia kinetyczna kwantu E - energia wzbudzenia –z niezmiennika transformacji Lorentza Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 41

42 Jonizacja atomu elektronami elektron e s ma energię kinetyczną większą od energii jonizacji atomu A –zbliżając się do atomu A wywołuje powstanie indukowanego momentu elektrycznego rośnie ze wzrostem liczby atomowej atomu A maleje ze wzrostem prędkości elektronu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 42

43 Jonizacja atomu elektronami powstają –jon dodatni A + –dwa elektrony e a i e w rozkład energii zależy od kąta zderzenia Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 43

44 Jonizacja atomu wodoru energia jonizacji atomu wodoru - suma energii kinetycznej i potencjalnej elektronu na orbicie atomowej v - prędkość elektronu na orbicie dla orbity o liczbie kwantowej n energia jonizacji po uwzględnieniu skwantowanego momentu pędu dla cięższych pierwiastków poprawne wartości otrzymuje się dla niektórych atomów wodoropodobnych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 44

45 Energie jonizacji Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 45 materiaenergia jonizacji [eV]materiaenergia jonizacji [eV] H13,6Cu 7,720,3 H2H2 15,4Br11,81936 He24,554,1Br 2 11,6 Li 5,475,3121,9Kr14,026,43768 C11,324, Rb 4, C2C2 12Mo 7,4 N14,529,547,273,597,4I10,419 N2N2 15,5I2I2 8,3 O13,535,25577,4Xe12,124, O2O2 13,6Cs 3, F17, Hg10,418,741,072,082,0 Ne21,540,863,297126Tl 6,120,329,7 Na 5,147,57298,9CO14,1 Cl13,022,539,747,467,788,6NO 9,5 Cl 2 11,6OH13,8 Ar15,727,840,761H2OH2O12,6 K 4,331,746,560,6CO 2 13,7 Cu 7,720,2NO 2 11 Ca 6,011,95167BF 3 17 Fe 7,91630BCl 2 11 Ni 7,618parafina10

46 Jonizacja atomu elektronami w chwili początkowej atom A o masie m A znajduje się w spoczynku a padający elektron o masie m e porusza się z prędkością v e0 maksymalna energia E max, jaką przy zderzeniu czołowym padający elektron może przekazać elektronowi atomowemu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 46

47 Jonizacja atomu elektronami Zależność przekroju czynnego na jonizację od energii elektronów (p = 1,32 hPa, T = 273 K) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 47

48 Jonizacja atomu elektronami dla atomów wzbudzonych przekrój czynny na jonizacje jest kilkakrotnie większy od przekroju czynnego na jonizację atomów w stanie podstawowym Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 48

49 Jonizacja atomu jonami dodatnimi i szybkimi atomami jony dodatnie o dostatecznej energii kinetycznej mogą jonizować atomy –opis jest skomplikowany oddziaływania zależą od parametrów obu oddziałujących cząstek efektywny przekrój czynny na jonizację atomu przez jon o ładunku q 2 i masie m 2 q 1, m 1 ładunek i masa elektronu, E j -energia jonizacji, E 2 - energię jonu dodatniego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 49

50 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 50 Jonizacja atomu jonami dodatnimi i szybkimi atomami

51 Jonizacja atomu kwantami promieniowania jonizacja atomu kwantami promieniowania, zwana również fotojonizacją (dla dużych energii) albo zjawiskiem fotoelektrycznym (dla energii małych) odgrywa ważną rolę przy oddziaływaniu promieniowania gamma z materią Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 51

52 Jonizacja atomu kwantami promieniowania w procesie jonizacji –przez kwant promieniowania emitowany jest jeden elektron podział energii i pędu na dwa ciała konieczna energia progowa jest mniejsza –przez elektron czy inną cząstkę o masie spoczynkowej różnej od zera są emitowane elektron oraz elektron i inna cząstka podział energii i pędu na trzy ciała konieczna energia progowa jest większa Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 52

53 Jonizacja atomu kwantami promieniowania kwant promieniowania –o małej energii przekazuje swoją energię elektronom z orbity walencyjnej nadwyżka energii kwantu jest przekazana elektronowi który uzyskuje energię kinetyczną Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 53

54 Jonizacja atomu kwantami promieniowania kwant promieniowania –o dużej energii wybija elektrony z głębokich orbit elektronowych energia może być w całości przekazana elektronowi w postaci energii kinetycznej albo część energii może zostać przekazana atomowi niezależnie od podziału energii w silnie wzbudzonym atomie zachodzi szereg procesów wtórnych, prowadzących stanu równowagi Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 54

55 Jonizacja atomu w stanie wzbudzonym energia kinetyczna cząstki A jest mniejsza od energii jonizacji cząstki B –jonizacja jest możliwa gdy atom B jest w stanie wzbudzonym w parach pierwiastków wieloelektronowych –jonizacja jest mozliwa przez kwant promieniowania o energii kilka razy mniejszej od energii jonizacji atom wzbudzony o energii wzbudzenia większej od energii jonizacji innego atomu może wywołać jego jonizację - zjawisko Peninga –np. atom neonu w stanie metatrwałym (E p = 16,5 eV) zderzając się z atomem argonu w stanie podstawowym wywoła jego jonizację (E j = 15,7 eV) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 55

56 Średnia energia jonizacji całkowita jonizacja jest sumą jonizacji pierwotnej i jonizacji wtórnej efekty wywołane jonizacją pierwotną i wtórną nie są normalnie rozróżnialne przy opisie zagadnień związanych z –detekcją promieniowania –osłonami –procesami biologicznymi –… istotne są procesy prowadzące do jonizacji materii Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 56

57 Średnia energia jonizacji średnia energia jonizacji –energia potrzebną na wytworzenie jednej pary jonów nie precyzując pochodzenia tej energii całkowita energia E C rozpraszana w materii składa się z całkowitej energii zużytej na –jonizację E J –wzbudzenie E P –na efekty cieplne E T Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 57

58 Energia jonizacji powietrzeHHeNOArCH 4 C4H4C4H4 EjEj 15, cząstki , protony elektrony Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 58 Energia jonizacji gazów E j i średnia energia jonizacji jednej pary jonów [eV]

59 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 59 jony dodatnie i ujemne w gazie mają w jednorodnym słabym polu elektrycznym E szybkość prawie równą średniej szybkości ruchu cieplnego pomiędzy kolejnymi zderzeniami na jon działa dodatkowa siła F E –wywołuje przyspieszenie w kierunku pola E w polu E energia jonu E j jest większa o wielkość uzyskaną na koszt pola E przy kolejnych zderzeniach jon przekazuje innym cząstkom pewną część swojej energii b E j (b < 1) Przewodnictwo gazu

60 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 60 w czasie t jon na skutek x zderzeń zmieni swoje położenie o odległość l w kierunku pola E –dla dostatecznie długiego okresu czasu ustali się równowaga energetyczna –energia zyskana przez jon na koszt pola E = energii traconej przez jon podczas zderzeń po ustaleniu się równowagi jest stała – średnia szybkość jonu – energia jonu czas ustalania równowagi t jest dla jonów dodatnich i ciężkich jonów ujemnych bardzo krótki –zależy od ich rodzaju, temperatury T i ciśnienia p gazu. Przewodnictwo gazu

61 względna prędkość jonów w polu E może być dużo większa od prędkości drobin –średnia droga swobodna jonów j w gazie własnym jest zawarta w pewnym przedziale eksperymentalnie trudno jest dokładnie wyznaczyć średnią drogę swobodną –podawane wartości są orientacyjne Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 61

62 Średnia droga swobodna Średnia droga swobodna jonów j i elektronów e w gazie (p=1,33 kPa, T=273 K, E e =0,03 eV) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 62 gaz j [ m] e [ m] He Ne Ar Kr66250 Xe5,677 H2H N2N O2O2 70- Cl49-

63 Przewodnictwo gazu od energii elektronów zależy –efektywny przekrój czynny na zderzenie elektronów w gazie dla niektórych gazów istnieje ekstremum Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny Ar He Ne e [cm -1 ] E [eV]

64 Przewodnictwo gazu od energii elektronów zależy –średnia droga swobodna Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 64

65 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 65 natężenie pola elektrycznego E jest na tyle małe, że przekazywana energia b E j –nie wywołuje pobudzenia molekuł gazu –nie wywołuje jonizacji molekuł gazu –nie ma wzajemnego oddziaływania pomiędzy jonami ruch jonów w kierunku pola E określa szybkość unoszenia –dla stałej temperatury i ciśnienia szybkość unoszenia w jest proporcjonalna do natężenia pola E - ruchliwość jonów (dodatnich czy ujemnych), zależy od rodzaju, temperatury i ciśnienia gazu Szybkość unoszenia jonów

66 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 66 Ruchliwość jonów

67 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 67 szybkość unoszenia jonów (dodatnich lub ujemnych) poruszających się w gazie własnym można w pierwszym przybliżeniu opisać prostym modelem naładowanej kuli poruszającej się w polu elektrycznym, w którym znajdują się nienaładowane elektrycznie atomy Szybkość unoszenia jonów

68 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 68 prosta teoria ruchliwości Langevina –jon o masie m Jj i ładunku q –model naładowanej kuli wyniki jedynie jakościowe czas pomiędzy kolejnymi zderzeniami szacunkowo z średnich –drogi swobodnej jonu l j –szybkości ruchów cieplnych –nie zależy od pola E –jon doznaje przyspieszenia pod wpływem pola E szybkość unoszenia jonu: k – współczynnik (0,5 – 1,0) zależy od średniej szybkości Ruchliwość jonów – Teoria Langevina

69 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 69 teoria Langevina-Thomsona –lepsza zgodność uwzględniono –polaryzację materii pod wpływem oddziaływania jonu –wpływ spolaryzowanej materii na jon Ruchliwość jonów – Teoria Langevina-Thomsona

70 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 70 szybkość unoszenia dana jest wyrażeniem: m - masa molekuły, m j – masa jonu, - gęstość gazu, - przenikalność elektryczna gazu, b - stała zależna od sumy promieni jonu i molekuły oraz od temperatury dla silnych pól elektrycznych E szybkość unoszenia bardzo zależy od ciśnienia gazu Ruchliwość jonów – Teoria Langevina-Thomsona

71 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 71 prąd jonowy I j - ruch jonów (dodatnich lub ujemnych) Q - całkowity ładunek, q - ładunek jonu, N - liczba jonów (liczba nośników ładunku) gęstość prądu jonowego j j N - gęstość jonów, w - szybkości unoszenia Prąd jonowy w gazie

72 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 72 Jonizacja w polu E

73 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 73 jony w słabym polu elektrycznym E zachowują się jakby pola nie było gęstość jonów jest zależna jest od rekombinacji jonów gęstość prądu j j jonizacji j - gęstość par jonów, q - ładunek jonu, - przewodnictwo gazu (zależy od rodzaju jonów, temperatury i ciśnienia gazu) w miarę wzrostu natężenia pola E rekombinacja jonów zmniejsza się ze względu na zwiększenie się ich szybkości unoszenia Prąd jonowy w słabym polu E

74 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 74 po przekroczeniu pewnej wartości natężenia pola E (charakterystycznej dla danego gazu) wszystkie jony dochodzą do elektrod dalsze zwiększanie natężenia pola E powoduje zwiększenie szybkości unoszenia jonów –nie zwiększa ładunku na elektrodach. przy stałej gęstości czynnika jonizującego natężenie prądu nasycenia I n jest proporcjonalne do szybkości jonizacji w j i objętości czynnej kondensatora V c dla płaskiego kondensatora o powierzchni elektrod S q - ładunek jonu Prąd jonowy w słabym polu E

75 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 75 jony w gazie własnym w zderzeniach –tracą praktycznie całą energię uzyskaną między zderzeniami na koszt energii pola E elektrony (ze względu na niewielką masę) –w zderzeniach tracą jedynie część energii –po zderzeniu mają przypadkowe kierunki, ruch jest chaotyczny o rozkładzie prędkości nie maxwellowskim Prąd jonowy w silnym polu E

76 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 76 średnia droga swobodna elektronu e jest wielkością przypadkową dla dostatecznie silnych pól E istnieje prawdopodobieństwo, że energia elektronu uzyskana na krytycznej drodze swobodnej kr przewyższy średnią energię jonizacji gazu elektron, który przejdzie bez zderzenia drogę e > kr uzyska energię większą od energii jonizacji: –elektron może wywołać powstanie nowej pary jonów jonizacja wtórna –elektrony wtórne mogą mieć energię większą od energii jonizacji –liczba jonów rośnie lawinowo ze wzrostem pola E Prąd jonowy w silnym polu E

77 prawdopodobieństwo przejścia elektronu drogi większej od krytycznej e - gęstość elektronów w gazie C - całkowity przekrój czynny na oddziaływanie elektronu z gazem j - przekrój czynny elektronu na jonizację Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 77

78 Jonizacja wtórna ilościowo zjawisko jonizacji wtórnej opisuje współczynnik a w którego określenie –ogólne - skomplikowane –przybliżone – teorie klasyczne klasyczna teoria Townsenda –elektron o energii większej od średniej energii jonizacji musi zjonizować atom obojętny –w silnym polu E można zaniedbać ruchy cieplne elektronu –średnia droga swobodna elektronu jest nie mniejsza od drogi krytycznej –współczynnik a w jest równy liczbie par jonów powstałych na jednostkowej drodze w kierunku anody Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 78

79 Jonizacja wtórna przyjmując - średnia liczba zderzeń elektronu na jednostkę drogi równa odwrotności drogi swobodnej jonizacja wtórna powoduje, że liczba jonów dochodzących do elektrod kondensatora, w którym panuje pole E wystarczające do uzyskania przez elektron energii większej od średniej energii jonizacji jest zawsze większa od liczby jonów wytwarzanych przez źródło promieniowania jonizującego –wzmocnienie gazowe Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 79

80 Wzmocnienie gazowe N 0 - liczba jonów wytworzonych przez źródło w płaszczyźnie B odległej o l x od anody do warstwy dx odległej o x od płaszczyzny B dojdzie N jonów jonizacja wtórna - w warstwie dx powstanie dN jonów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 80 liczby jonów w dwu warstwach odległych o x 1 oraz o x 2 współczynnik wzmocnienia gazowego

81 Wtórna emisja fotoelektronów oddziaływanie elektronów z atomami –nie zawsze jonizacja –czasem jedynie wzbudzenie atom wzbudzony przechodząc do stanu podstawowego emituje kwant energii jeżeli energia kwantu przewyższa energię jonizacji materiałów konstrukcyjnych np. kondensatora, następuje emisja wtórnych fotoelektronów z powierzchni elektrod fotoelektrony –z anody zostają natychmiast przez pole E zawrócone ku anodzie –z katody, przyspieszane w polu E, są źródłem dodatkowego prądu jonizacyjnego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 81

82 Wtórna emisja fotoelektronów Zderzenia jonów dodatnich nie wywołują bezpośrednio efektów wtórnych –nawet w silnych polach E nie uzyskują one dostatecznej energii kinetycznej do wtórnej jonizacji jon dodatni o dużej energii kinetycznej może wyrywać elektron z katody wyrwany elektron neutralizuje jon dodatni powstała obojętna molekuła może posiadać nadmiar energii wystarczającą do wybicia dalszego fotoelektronu powstały fotoelektron jest elektronem swobodnym - zwiększa wypadkowy prąd jonizacyjny Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 82

83 Wtórna emisja fotoelektronów stosunek liczby elektronów wybitych z katody na skutek różnych procesów wtórnych do liczby jonów dodatnich dochodzących do katody określa współczynnik jonizacji powierzchniowej –dla gazów i metali bardzo mały, rzędu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 83

84 Całkowite wzmocnienie gazowe kondensator wypełniony gazem –współczynnik wzmocnienia gazowego m G w kondensatorze jest N 0 jonów –w procesie jonizacji wtórnej powstanie m G N 0 jonów dodatnich –wybite elektrony wtórne wywołają powstanie a p m G N 0 elektronów współczynnik jonizacji powierzchniowej a p miara - prawdopodobieństwa wyrwania elektronu z katody –elektrony spowodują powstanie nowych jonów –proces będzie narastał lawinowo Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 84

85 Całkowite wzmocnienie gazowe liczba powstających elektronów współczynnik całkowitego wzmocnienia gazowego –małych wartości a p całkowite wzmocnienie gazowe jest równe wzmocnieniu m G –zależy od natężenia pola E, rodzaju i ciśnienia gazu p, oraz parametrów geometrycznych komory Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 85

86 Jonizacja lawinowa dla dużych wartości natężenia pola E –prawdopodobieństwo efektów wtórnych jest bardzo duże –wzmocnienie gazowe jest prawie nieskończone –ładunek zbierany na elektrodach nie zależy od jonizacji pierwotnej każdy powstały elektron zapoczątkowuje lawinę elektronów po przekroczeniu natężenia pola E –następuje więc wyładowanie ciągłe, podtrzymujące się samoistnie –pole E w kondensatorze jest zaburzone chmurą powstałych jonów dodatnich wzmocnienie gazowe ma skończoną wartość Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 86

87 Jonizacja lawinowa lawinowy proces jonizacji, zapoczątkowany przez pojedynczy akt jonizacji –nie ustaje po usunięciu źródła –może być wygaszony innymi metodami po przekroczeniu granicznej wartości natężenia pola E –następuje niekontrolowane zwiększenie prądu jonizacyjnego –następuje przebicie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 87

88 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 88 w polu E występuje dyfuzja jonów –ma charakter wymuszony –ruch jonów w kierunku zgodnym z kierunkiem pola E –prędkość jonu jest sumą prędkości wywołanej dyfuzją i polem E jony dyfundują w szybkością unoszenia która porządkuje ich ruch –w słabym polu E prędkość jonów j - gęstość jonów, D - współczynnik dyfuzji Dyfuzja w polu E

89 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 89 po rozwiązaniu dla słabych pól E (dla p = const): dla słabych pól E gęstość jonów –jest określona stosunkiem energii elektrostatycznej do energii cieplnej –ma rozkład Boltzmanna Dyfuzja w polu E

90 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 90 dyfuzja ambipolarna –jony i elektrony o takiej samej gęstości poruszają się ze wspólną prędkością – chwili początkowej szybkości unoszenia obu nośników są różne, co powoduje powstanie obszaru z nadmiarem jednego znaku wypadkowe pole hamuje szybkie nośniki i przyspiesza nośniki wolniejsze po ustaleniu się równowagi ruch obu nośników można opisać jako ruch zespołu obu ładunków o jednakowej szybkości w słabym polu E ruchliwość nie jest funkcją pola Dyfuzja ambipolarna w polu E

91 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 91 przy równomiernym rozkładzie swobodnych ładunków w nieskończonej objętości każdy z nich znajduje się w wypadkowym polu ładunków pozostałych –w warunkach równowagi wszystkie siły się równoważą. rozpychanie –pojawienie się ograniczenia objętości na wyróżniony ładunek będzie działać wypadkowa siła różna od zera –wywoła to ruch ładunków do momentu ponownego ustalenia się równowagi Rozpychanie w polu E

92 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii 92 w rozpatrywanej objętości gazu nie ma rekombinacji objętościowej ani jonizacji –siła działająca na ładunek będzie go przyspieszać w kierunku mniejszego natężenia pola E –w wyniku przemieszczania się nośników ich gęstość będzie malała w czasie dla stanu stacjonarnego dużym prędkościom unoszenia odpowiada mała gęstość ładunku przestrzennego i odwrotnie jeżeli równocześnie zachodzi dyfuzja i rozpychanie rozwiązanie odpowiednich zależności jest trudne –w większości przypadków wystarczy informacja, który z tych procesów jest dominującym Rozpychanie w polu E


Pobierz ppt "ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ TADEUSZ HILCZER."

Podobne prezentacje


Reklamy Google