Promieniowanie jonizujące w środowisku (3) Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Rodzaje promieniowania jonizującego Promieniowanie  ( ogólnie cząstki ciężkie posiadające ładunek elektryczny: 1H, 2H, 4He, 12C o energii ponad 1MeV) Promieniowanie  (elektrony cząstki, które posiadają ładunek elektryczny ale bardzo małą masę w porównaniu z protonami) Promieniowanie  (promieniowanie elektromagnetyczne: gamma i rentgenowskie) Neutrony (posiadają masę porównywalną z masą protonu, nie posiadają ładunku) Różne rodzaje promieniowania oddziaływują na różne sposoby

Różnice w charakterze oddziaływania różnych rodzjów promieniowania Tylko promieniowanie (cząstki) posiadające ładunek elektyryczny ma własności bezpośredniej jonizacji Promieniowanie  (ładunek +2e) i promieniowanie  (ładunek -1e) mają ładunek więc bezpośrednio mają własność jonizacji Promieniowanie i neutrony najpierw przekazują swoją energię cząstce obdarzonej ładunkiem (elektronowi lub jądru atomowemu) i dopiero ta cząstka jonizuje atomy ośrodka, w którym się porusza

Różnice w charakterze oddziaływania różnych rodzjów promieniowania Cząstki  i inne ciężkie cząstki posiadające ładunek elektryczny np. protony, deuterony, jony. (duża masa, ładunek elektryczny) W zderzeniu z lekkim elektronem tracą znikomo małą część swojej energii i dalej poruszają się bez zmiany kierunku. Promieniownie  czyli elektrony (posiadające bardzo małą masę i ładunek elektryczny). W jednym zderzeniu z innym elektronem (zderzenie cząstek o tej samej masie) mogą przekazać nawet w całą swoją energię. Może też nastąpić znaczna zmiania kierunku toru poruszania się po zderzeniu. Promieniowanie  i promieniowanie X (bez ładunku, zerowa masa spoczynkowa) Oddziaływują z atomami, najpierw przekazując energię elektronowi. Dopiero ten elektron jonizuje dalej materię tak jak promieniowanie beta. Neutrony są cząstami bez ładunku ale posiadają masę prawie równą masie protonu. Co jakiś czas zderzają się z jądrami atomów i przekazują im część swojej energii. Jądra te poruszają się i jonizują inne atomy wzdłuż swojego toru.

Odziaływanie cząstek  z materią Jonizacja Zderzenia z elektronami Zderzając się z elektronami cząstki  przekazują im mała część swojej energii, która wystarcza jednak na zerwanie wiązania elektronu z jego jądrem. Powstaje swobodny elektron i dodatnio naładowany jon. Cząstka  porusza się dalej z nieznacznie zmniejszoną energią w prawie tym samym kierunku Zderzenia z jądrami atomowymi Zderzając się z jądrem (ciężkim obiektem) cząstki  mogą rozproszyć się zmieniając kierunek poruszania się nawet o 180 stopni a przy jednym zderzeniu mogą przekazać jądru wyjątkowo nawet całą swoją energię a zwykłe dużą jej część. Zderzenia z elektronami zachodzą znacznie częściej dlatego prawie wszystkie cząsteczki: - poruszają się prawie po linii prostej - tracą stopniowo swoją energię jonizując bardzo dużo atomów

Ilościowy opis procesu jonizacji dE/dx – energia tracona na drodze dx i R - zasięg Strata energii dE na krótkim odcinku drogi dx zależy od prędkości (energii kinetycznej) i ładunku cząstki a także od rodzaju materiału, w którym porusza się czastka

Opis procesu jonizacji c.d. Cząstka  traci swoją energię stopniowo. Na końcu drogi straty energii na jednostkę drogi są największe. Potem czastka zatrzymuje się. Protony przyspieszone w akceleratorze do energii 500 MeV. Gdy poruszają się w powietrzu, początkowo tracą one ok. 3keV na drodze 1cm a przy końcu drogi około 60 keV na drodze 1cm.

Oddziaływanie cząstek  z materią W wyniku oddziaływania powstają pary elektron-jon wzdłuż całej drogi cząstki  (tak samo dla innych cząstek o dużej masie i obdarzonych ładunkiem elektrycznych) Najwięcej par powstaje w pobliżu końca drogi Gdy mamy wiecej cząstek wpadających do jakiegoś materiału z taką samą energią to wszystkie będą stopniowo traciły energię w podobnym stopniu i wszystkie zatrzymują się po pokonaniu podobnej drogi Cząstki  mają określony zasięg, który zależy od ich energii początkowej i rodzaju materiału

Oddziaływanie cząstek z materią Jonizacja Ponieważ elektron ma identyczną masę jak elektrony na orbitach atomów, dlatego w pojedynczym zderzeniu elektronu swobodnego z elektronem orbitalnym, ten swobodny może utracić znaczną część swojej energii a nawet całą energię. Prowadzi to do zasadniczo odmiennej, w stosunku do cząstek ciężkich, charakterystyki procesu przenikania prędkich elektronów przez materię Strata energii przez elektron następuje skokowo, ale z mniejszą częstością, a tory elektronów różnią się od linii prostej i mogą ulegać wielokrotnemu zakrzywieniu. Mniejsza gęstość jonizacji – dłuższy tor cząstki

Oddziaływanie cząstek z materią Promieniowanie hamowania Dodatkowo elektron może tracić swoją energię w zupełnie innym procesie. Elektron tak jak każda cząstka naładowana w chwili zmiany prędkości emituje promieniowanie elektromagnetyczne. Proces ten jest istotny podczas hamowania cząstek lekkich (takich jak elektrony) Emisja promieniowania hamowania staje się konkurencyjnym do jonizacji sposobem utraty energii przez promieniowanie  wtedy gdy promieniowanie  ma dużą energię i przechodzi przez materiał o dużej liczbie atomowej (np. Pb).

Zasięg promieniowania  i  Długość toru cząstek  zależy od ich energii. Dla cząstek o tej samej energii długości torów są prawie jednakowe. Długość toru definiuje zasięg cząstki w danym materiale Krzywa zasięgu dla elektronów (promieniowanie ) jest gorzej określona bo są większe różnice długości toru poszczególnych cząstek tkanka (mm) powietrze (cm) Energia  100 keV 0.0014 0.2mm 0.1 16cm 1MeV 0.0072 4.0mm 0.5 330cm Cząstka  o enegii kilka MeV mają w powietrzu zasięg kilka cm a w tkance miękkiej kilka m

Oddziaływanie promieniowania  z materią Promieniowanie  oddziaływuje z elektronami i jadrami ośrodka przez który przechodzi na wiele różnych sposobów. Większość procesów zachodzi z małym prawdopodobieństwem. Praktyczne znaczenie mają trzy mechanizmy podczas których energia fotonu zostaje przekazana cząstce posiadającej ładunek elektryczny(elektronowi). Są to: efekt fotoelektryczny efekt Comptona zjawisko tworzenia par elektron - pozyton

Efekt fotoelektryczny Kwant promieniowania gamma oddziałuje z atomem absorbenta i znika. Cała energia kwantu gamma przekazywana jest jednemu z elektronów związanych na powłoce. Zwykle jest to elektron silnie związany, najczęściej z powłoki K. Po zajściu efektu fotoelektrycznego nastepuje przebudowa powłoki elektronowej i emisja promieniowania X. Kwant promieniowania  znika. E kwanu  = E elektronu + E wiązania elektronu

Efekt fotoelektryczny c.d. Prawdopodobieństwo zajścia efektu fotoelektrycznego Największe dla kwantów gamma o małej energii i bardzo szybko maleje z energią. Największe dla absorbentów z ciężkich pierwiastków i bardzo szybko maleje gdy maleje liczba atomowa absorbenta Z. Przybliżony wzór:  = c Zn / E3.5 (n = od 4 do 5) Prawdopodobieństwo efektu dla pierwiastka Ca (Z Ca = 20) 40! razy większe niż dla pierwiastka tlenu (Z O=8) bo Ca/ O = (20 / 8)4 = (5 / 2)4 = 625/16 czyli około 40. Duża różnica w zdolności absorbcji promieniowania rentgenowskiego przez wapń i tlen (najcięższe składniki kości i mięśni) jest przyczyną dużego kontrastu zdjęć rentgenowskich

Efekt Comptona E kwantu = E kwantu po rozproszeniu + E elektronu Efekt Comptona to efekt rozpraszanie kwantu gamma na elektronach. Kwant gamma przy zderzeniu z elektronem zachowuje się jak cząsteczka. Oddaje elektronowi część swojej energii i już z mniejszą energią i w zmienionym kierunku podąża dalej z prędkością światła. E kwantu = E kwantu po rozproszeniu + E elektronu

Efekt Comptona c.d. Elektron na którym rozprasza się kwant gamma to elektron nie związany lub słabo związany z jądrem atomowym. Po rozproszeniu energie kwantu rozproszonego i elektonu są takie jakie wynikają ze zderzenia sprężystego dwóch obiektów. Prawdopodobieństwo zajścia efektu Comptona zależy od energii kwantu gamma.Maleje ono ze wzrostem energii ale nie dzieje się to tak szybko jak w przypadku efektu fotoelektrycznego. Prawdopodobieństo zajścia efektu Comptona zależy od rodzaju ośrodka, w którym zachodzi efekt. Prawdopodobieństwo rośnie liniowo wraz z liczbą atomową Z.

Zjawisko tworzenia par elektron-pozyton Gdy energia kwantu gamma przekracza dwukrotnie energię masy spoczynkowej elektronu ( 2mec2 = 1.02 MeV) możliwy jest proces w którym kwant gamma zamienia się na parę cząstek elektron-pozyton. Proces występuje dla dużych energii promieniowania gamma, większych od progowej energii 1.02 MeV E kwantu = E pozytonu + E elektronu + 1.02 MeV Prawdopodobieństwo tworzenia par: Rośnie wraz z energią promieniowania gamma Rośnie z liczbą atomową absorbenta jak Z2

Wzajemne relacje trzech zjawisk występujących podczas oddziaływania promieniowanie  z materią Al Pb Pb Al W ołowiu dominującym efektem jest efekt fotoelektryczny aż do energii 600 keV. Potem dominuje efekt Comptona, a dopiero powyżej 5 MeV zjawisko tworzenia par. W aluminium (małe Z) efekt fotoelektryczny jest istitny tylko do energii 200 keV. W całym zakresie energii dominuje efekt Comptona.

Zmiana natężenia promieniowania gamma wraz z grubością absorbujęcego je materiału I(d) = natężenie po przejściu warstwy o grubości d I0 = natężenie początkowe  = współczynnik absorpcji Natężenie promieniowania  maleje wraz z gubością warstwy tak jak funkcja e-x. Aby znaleźć natężenie po przejsćiu przez promieniowanie określonej grubości należy znać współczynnik absorpcji . Współczynnik ten zależy od energii promieniowania gamma i rodzaju materiału.

Oddziaływanie neutronów z materią Neutrony nie mają ładunku elektrycznego. Mają masę w przybliżeniu równą masie protonu Neutrony zderzają się w środowisku z jądrami atomów z których zbudowany jest materiał i przekazują im część swojej energii kinetycznej w zderzeniach sprężystych. Dopiero te jądra, uderzone przez neutron, poruszając się ze stosunkowo dużą energia mają zdolność jonizacji innych atomów znajdujących się na ich drodze. Ponieważ zderzenia występują dość rzadko, neutrony mogą przenikać przez grube warstwy materiału bez żadnego oddziaływania. Neutrony szybkie o typowej energii około 1 MeV, mają średnią drogę swobodną między kolejnymi zderzeniami rzędu kilkudziesięciu cm

Oddziaływanie neutronów z materią c.d. Neutrony powolne (o energii poniżej 0.5 eV czyli znacznie mniejszej nawet od energii wiązania elektronów w atomie) są z dużym prawdopodobieństwem pochłaniane przez jądra atomowe. Zachodzą reakcje jądrowe. Powstaje nowe jądro mające w swoim składzie o jeden neutron więcej. Jądro to jest często jądrem niestabilnym czyli promieniotwórczym. Materiał naświetlony neutronami aktywuje się. Neutrony powolne mają średnią drogę swobodną rzędu 1 cm.

Absorpcja promieniowania

Podsumowanie oddziaływania jonizujacego z materią  silnie jonizują ośrodek wzdłuż krótkiej prostej drogi (zasięg – mikrony)  słabiej jonizują (zasięg mm)  wtórna jonizacja - promieniowanie przenikliwe – przechodzi przez warstwy kilku o kilkunastu cm neutrony – bardzo przenikliwe. Zachodzi wtórna jonizacja i aktywacja materiału. Tylko naświetlanie neutronami może sprawić, że materiał staje się radioaktywny

Podsumowanie Promieniowanie   i  oddziaływuje z elektronami atomów znajdujących się na torze (kierunku) tych cząstek. Zjonizowane atomy wkrótce wracają do stanu podstawowego. Potem nie ma już mierzalnych śladów po oddziaływaniu Wyjątek to oddziaływanie neutronów z materią. Te potrafią wniknąć do jądra atomowego. Po wychwycie neutronu jądro zmienia się w inne, na ogół jądro radioaktywne, które potem rozpada się z jakimś czasem połowicznego zaniku. Neutrony aktywują materiały – po naświetleniu strumieniem neutronów materiał staje się radioaktywny Reakcje jadrowe mogą również wywoływać cząstki , protony i inne (ciężkie jony) przyspieszane w akceleratorach do energii większych niż energie cząstek w rozpadach promieniotwórczych

Promieniowanie jonizującege w środowisku Izotopy promieniotwórcze – naturalne ( są w środowisku niezależnie od człowieka) Długożyciowe, pochodzące z szeregów promieniotwórczych i powstające w atmosferze Izotopy promieniotwórcze – sztuczne (wytworzone przez człowieka w akceleratorach) zamknięte i otwarte źródła promieniotwórcze Izotopy promieniotwórcze – odpady w energetyce jadrowej Wtórne promieniowanie kosmiczne Promieniowanie lamp rentgenowskich

Charakterystyka źródeł promieniotwórczych Rodzaj emitowanego promieniowania – podstawowa informacja potrzebna do ustalenia środków bezpieczeństwa Aktywność źródła (jak silne jest źródło) Czas połowicznego zaniku (jak trwałe jest źródło) Stan fizyczny i chemiczny (otwarte i zamknięte źródła promieniotwórcze)