Medical knowledge | Biophysics » A radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A sugárzás detektálása. Különböző sugárzások tulajdonságai Típus töltés Energia hordozó E spektrum α-sugárzás 2 pozitív töltés (He atommag) α részecske vonalas γ- sugárzás töltés nélküli nagy energiájú foton vonalas β– - sugárzás egységnyi negatív töltés nagy energiájú elektron folytonos β+ - sugárzás egységnyi pozitív töltés nagy energiájú pozitron folytonos α-sugárzás: az α részecskék energiája jellemző az adott bomlásra 226Ra E α részecskék 4.784 MeV kinetikus energiával (1 eV = 1.6×10–19 J) 222Rn Töltött részecskék és anyag kölcsönhatása: A nagy energiájú töltött részecskék kinetikai energiájuk jelentős részét az elnyelő közeg elektronjaival történő elektrosztatikus kölcsönhatás révén veszítik el. Átadott energia gerjesztés ionizáció Nehéz töltött

részecskék (p.l α részecske, M>>m0): M, +ze, E=1/2 M v2 v z 2M ΔE ∝ 2 b E b F F=kze2r–2 m0, -e A kölcsönhatás során átadott energia fordítottan arányos a részecske kinetikai energiájával (E). Nagy EÆ nagy v Ærövidebb idő a kölcsönhatásraÆkisebb energia átadás. A részecske töltésének négyzete szerepel az összefüggésben δ sugár becsapódó részecske pályája ionizáció gerjesztés Bragg csúcs ion pár / cm z 2M ΔE ∝ 2 b E behatolási mélység ion pár / cm Bragg csúcs behatolási mélység β– sugárzás: nagy kinetikus energiával bíró e–, folytonos energia spektrum magyarázat: e– és egy másik elemi részecske, μ (anti-neutrino) osztozik a β– bomlás során felszabaduló fölös energián E1 ΔE = Eβ+Eμ E2 N (Eβ) β max Eβ [keV] A β– sugárzás kölcsönhatása az elnyelő közeggel: az α sugárzás elnyeléséhez hasonló alapelvek DE 1, a nagy energiájú elektron a vele megegyező

tömegű atomi elektronnal lép kölcsönhatásba Æ a kölcsönhatás nagy mértékű energia vesztéshez és a mozgás irány jelentős változásához vezethet. 2, az atommagok elektromos erőterével a kölcsönhatás nagymértékű lassulást okozhat Æ bremsstrahlung (fékezési rtg. sugárzás) 1, és 2, következményeÆ a β– részecskék pályája zegzugos δ sugár I = I 0e becsapódó részecske pályája ionizáció gerjesztés −μ x fékezési rtg. sugárzás A β– és α sugárzás ionizáló képességének összehasonlítása 1, azonos kinetikai energiák mellett (1/2mv2) a β– részecskék sebessége sokkal nagyobb mint az α részecskéké (8000 mβ~ mα) 2, az α részecske töltéses a β– kétszerese 2 z 3, ΔE ∝ M b2 E 1, 2 és 3 eredményeképp azonos kinetikai energiák mellett a β– részecskék áthatoló képessége sokkal nagyobb mint az α részecskéké. (pl 2 MeV α részecske vízben ~8 μm, ugyanilyen energiájú β– részecske

vízben 2 cm behatolási mélységgel jellemezhető). A γ sugárzás jellemzői • α és β bomlás kísérő jelensége • a γ energia jellemző az adott bomlásra (vonalas spektrum) • amikor a leánymag a bomlást követően gerjesztett állapotba kerül, akkor a fölös energia γ sugárzás formájában emittálódik. • a γ foton emissziója a bomlást követő igen rövid időn belül megtörténik (10–13 s-on belül, kivéve a metastabil magokat Æ lásd későbbi előadások) A γ sugárzás kölcsönhatása az anyaggal: az energia átadás mechanizmusa a rtg. sugárzás abszorpciójához vezető folyamatokkal egyezik meg: Fotoeffektus Compton effektus Pár képződés A károsítás mechanizmusa:az ionizációk szinte teljes egészéért az elsődleges interakciók során keletkezett nagy energiájú elektronok a felelősek. EMIATT a γ és rtg sugárzásokat INDIREKTEN IONIZÁLÓ sugárzásoknak hívjuk, töltött részecskéket kell mozgásba hozniuk.

Elnyelési törvény: az rtg. elnyeléséhez hasonló: I=I0e–μx Az γ sugárzás exponenciális gyengülése anyagi rétegen való áthaladás során átmenő intenzitás rétegvastagság I=I0e–μx Direkten és indirekten ionizáló sugárzások: a károsítás (ionizáció) hasonlítása β– radiáció A becsapódó részecske pályája ionizáció gerjesztés BŐR γ foton E=hf mozgásba hozott elektronok ionizáció gerjesztés A sugárzás detektálása: gáz töltésű detektorok részecske anód Ionizációs áram + – GM α β Feszültség (V) A sugárzás detektálása: scintillációs detektor kristály becsapódó részecske photon becsapódó részecske fotoelektron fotokatód NaI(Tl) NaI(Tl) hf fotoelektron számláló kimenet vákuum Wilson Cloud Chamber Bubble Chambers • An old technology, no longer used • Very illustrative • Cold H2 liquid is both the target and the detector. • Liquid is superheated & boils due

to ionization Bubble chamber Liquid Hydrogen Bubble chamber Liquid Hydrogen Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A sugárzás detektálása. Töltött részecskék energiájának meghatározása: Mágneses spektrométerek Részecske q töltéssel és m tömeggel F=qvB F = m v2 r–1 Ha ismerjük q, B, m értékét, akkor v értéke kiszámítható r kísérletes meghatározását követően. r fotolemez v diafragma v sugárforrás B, a rajz síkjára merőleges B F A fotoeffektus mechanizmusa kötési energia (keV) 100 keV foton hf=A+1/2mv2 66 keV fotoelektron Compton szórás Vegyérték elektronok Compton el. E = 1/2mev2 p = mev beérkező foton E = hf szórt foton p = hf/c E = hf’ p = hf’/c Párképződés, annihilació Beérkező foton elektron pozitron hf = mec2 = 0.511 MeV hf = mec2 = 0.511 MeV annihilációs sugárzás