4. Interakcia ionizujúceho žiarenia s hmotným prostredím
Pod pojmom ionizácia rozumieme proces, pri ktorom sa energia ionizujúceho žiarenia
spotrebuje na premenu neutrálnych atómov na kladné a záporné ióny. (Stratou jedného
obalového elektrónu vzniká kladný ión a v prípade, že sa spojí obalový elektrón s neutrálnym
atómom vzniká záporný ión.)
Kvantitatívne je ionizujúce žiarenie charakterizované hmotnosťou, ktorá je v prípade
fotónov elektromagnetického žiarenia nulová, vlnovou dĺžkou a energiou.
Jednotlivé druhy ionizujúceho žiarenia majú niektoré významné spoločné vlastnosti a
to:
• úbytok žiarenia so štvorcom vzdialenosti od zdroja žiarenia (vo vzduchu) a
• zoslabenie žiarenia pri prechode látkou v dôsledku ich vzájomnej interakcie.
Pri prechode častíc ionizujúceho žiarenia a fotónov elektromagnetického žiarenia hmotným
prostredím s absorpčnými vlastnosťami dochádza k ich vzájomnej interakcii.
Pri interakcii ionizujúceho žiarenia s hmotným prostredím dochádza k strate jeho
energie (úbytku žiarenia) v dôsledku absorpcie a rozptylu. Strata energie žiarenia závisí od
druhu a energie žiarenia a od absorpčných vlastností danej látky. Najväčší úbytok energie
žiarenia je u ťažkých nabitých častíc (α), najmenší u fotónového žiarenia ( γ ). Úbytok
žiarenia teda klesá s narastajúcou energiou žiarenia a zvyšuje sa s narastajúcim atómovým
číslom a špecifickou hustotou absorpčného materiálu.
V závislosti od druhu žiarenia a fyzikálnych vlastností absorpčného materiálu existuje
viacero mechanizmov interakcie (absorpcie). Medzi najznámejšie z nich patria: ionizácia,
excitácia, jadrové interakcie (v prípade extrémne tvrdého žiarenia), vznik brzdného žiarenia,
fotoefekt, Comptonov rozptyl a tvorba elektrón - pozitrónových párov.
Pri interakcii akéhokoľvek žiarenia s látkou, dochádza tiež k rozptylu, t.j. zmene
smeru dopadajúceho fotónu alebo častice, ako aj novovzniknutého (sekundárneho) žiarenia.
4.1 Interakcia žiarenia alfa
Častica α stráca svoju energiu postupne pozdĺž svojej dráhy, ktorá je priamková,
ionizáciou a excitáciou. Podstatou ionizácie je vyrazenie elektrónu z atómového obalu
a vytvorenie iónového páru skladajúceho sa z vyrazeného elektrónu a kladne nabitého zvyšku
atómu, ktorým je kladný ión. Excitácia je vybudenie elektrónu zo základného energetického
stavu na vyššiu energetickú úroveň, t.j. excitovaný stav.
Ionizácia a excitácia predstavujú v približne rovnakom pomere energetické straty α
častice. Na vytvorenie jedného iónového páru vo vzduchu je potrebná energia cca 34 eV.
Dolet alfa častíc závisí od vlastností absorpčného prostredia. V dôsledku veľkých strát energie
je pomerne malý a so zvyšujúcim sa protónovým číslom sa znižuje. Dolet častice alfa
s energiou okolo 10 MeV je vo vzduchu kratší ako 10 cm a vo vode alebo v biologickom
tkanive je asi 0,1 mm.
4.2 Interakcia žiarenia beta
Častica β (β − - elektrón) stráca energiu pri prechode hmotným prostredím ionizáciou
a excitáciou. Ionizačné schopnosti sú až 10 krát slabšie ako v prípade častice alfa, pretože jej
hmotnosť je rádovo 1000 krát menšia a jej náboj je 2 krát menší ako v prípade častice alfa
(záporný jednotkový). Častica beta pri prechode prostredím naráža na jeho atómy a mení
svoju dráhu, ktorá je až štvornásobne dlhšia ako dolet častice. Dolet častíc beta vo vzduchu je
niekoľko metrov v závislosti od ich energie. Okrem uvedených mechanizmov vzniká aj
brzdné žiarenie a Čerenkovovo žiarenie. Vznik brzdného žiarenia závisí od protónového čísla
absorpčnej látky. Čím je protónové číslo väčšie, tým väčšiu časť svojej energie stráca beta
častica vo forme brzdného žiarenia. Tento druh interakcie nastáva, keď β - žiarenie s veľkou
energiou prechádza prostredím s vysokým hmotnostným číslom. Častica beta s veľkou
energiou sa dostane až do blízkosti atómového jadra, kde sa zabrzdí a vznikne kvantum
elektromagnetického žiarenia podobné ako v röntgenovej lampe. Toto je dôležité pri výbere
materiálu na tienenie beta žiarenia z hľadiska ochrany pred ním. Zásadne sa uprednostňujú
materiály s nižším protónovým číslom, ako je organické sklo (plexisklo) alebo hliník, nie
olovo. Ak je rýchlosť letiacej β častice väčšia ako fázová rýchlosť svetla v danom prostredí,
nastáva strata energie tvorbou tzv. Čerenkovovho žiarenia. Platí vzťah
v ≥ vf =
c
,
n
(4.1)
kde v je rýchlosť letiacej častice beta, vf je fázová rýchlosť svetla v danom prostredí, c je
rýchlosť svetla vo vákuu a n je index lomu daného prostredia. Čerenkovovo žiarenie
predstavujú fotóny elektromagnetického žiarenia s vlnovou dĺžkou na rozhraní ultrafialového
a viditeľného svetla, čo sa v niektorých prípadoch využíva aj na detekciu β žiarenia. Častice
β + (pozitróny) majú veľmi krátku životnosť. Pri prechode prostredím pozitrón z neho
preberie elektrón a spojí sa s ním. V mieste spojenia obidvoch častíc vznikajú dva fotóny
elektromagnetického žiarenia s energiou 510 keV (tzv. anihilačné žiarenie), ktoré sa šíria
navzájom opačným smerom.
4.3 Interakcia žiarenia gama
Žiarenie γ je najprenikavejším druhom jadrového žiarenia. Vo vzduchu má dosah až
niekoľko sto metrov v závislosti od energie.
Sú známe tri spôsoby interakcie gama žiarenia s látkou a to fotoefekt, Comptonov
rozptyl a tvorba elektrón - pozitrónových párov, ktorých vznik závisí od energie gama žiarenia
a vlastností absorpčného prostredia.
Fotoefekt (fotoelektrický jav) je interakcia nízko-energetického gama žiarenia (10
keV) pri prechode prostredím s vysokým protónovým číslom. Dopadajúci fotón (gama
kvantum) odovzdá celú svoju energiu elektrónu z obalu, ktorý tým uvoľní z atómovej väzby
a vyletí ako fotoelektrón (sekundárny elektrón, obr.4.1).
sekundárny elektrón
primárny fotón
eφ
Obr. 4.1 Schematické znázornenie fotoefektu
Časť tejto energie Ev sa spotrebuje na prekonanie výstupnej práce (väzobná energia
alebo tzv. ionizačná energia, ionizačný potenciál) a zvyšok je kinetická energia Ek
vzniknutého fotoelektrónu, f je frekvencia dopadajúceho fotónu a h je Planckova konštanta (h
= 6,62620.10-34J.s). Podľa zákona zachovania energie (Einsteinova rovnica pre fotoefekt) teda
platí, hf = Ev + Ek .
e - sekundárny elektrón
primárny fotón
φ
ρ
sekundárny fotón
Obr. 4.2 Schematické znázornenie Comptonovho rozptylu
Comptonov rozptyl (obr.4.2) sa uplatňuje (vzniká) pri stredných energiách žiarenia
gama (do 1MeV) pri jeho prechode (absorpcii) prostredím s nižším protónovým číslom.
Dopadajúce gama kvantum odovzdá časť svojej energie elektrónu z vonkajších sfér,
ktorého väzobná energia je zanedbateľne malá voči energii fotónu. Tento elektrón vyrazí
a nový fotón s menšou energiou pokračuje v smere odklonenom od pôvodného.
Čím je strata energie väčšia, tým je aj uhol odklonu väčší. Najväčšia strata (absorpcia)
energie vzniká pri spätnom odraze. Vyrazený elektrón prechádza prostredím a v závislosti od
energie, ktorú získal, môže ionizovať a excitovať dané prostredie. Pôvodné kvantum gama
stráca postupne svoju energiu a mení svoj smer, až napokon zanikne fotoefektom.
Tvorba elektrón-pozitrónových párov môže nastať pri energiách fotónov gama žiarenia
vyšších ako 1,022 MeV, dopadajúcich do prostredia s vyšším protónovým číslom. Kvantum
gama prenikne do blízkosti atómového jadra (Coulombovského poľa jadra), kde sa vytvorí
dvojica elektrón-pozitrón, pričom sa spotrebuje celá jeho energia a to na vytvorenie
uvedených dvoch častíc a zvyšok energie si častice odnášajú vo forme kinetickej energie Ek
(obr.4.3).
sekundárny elektrón
e-
primárny fotón
E1
e+
e-
E2
Obr. 4.3 Schéma tvorby páru elektrón - pozitrón
Táto sa rovná kinetickej energii pôvodného fotónu zmenšenej o energiu ekvivalentnú
pokojovej hmotnosti elektrónu a pozitrónu
E k = hν − 2mc 2 .
(4.2)
Pravdepodobnosť vzniku páru je priamo úmerná Z2, teda tvorba párov dominuje pri
vysokých energiách a pri vysokých protónových číslach Z. Avšak len časť energie sa
skutočne pohlcuje. Vznikajúce pozitróny totiž prakticky okamžite anihilujú s elektrónmi za
vzniku dvoch fotónov s energiami 511 keV.
Absorpcia monoenergetického zväzku žiarenia sa riadi exponenciálnym zákonom
(4.3), kde I je intenzita žiarenia po prechode absorpčným prostredím o hrúbke d, I 0 je
intenzita dopadajúceho žiarenia a µ je lineárny absorpčný koeficient.
I = I 0 e − µd
(4.3)
V prípade gama žiarenia lineárny absorpčný koeficient µ zahrnuje tri zložky a to lineárny
absorpčný koeficient pre absorpciu fotoefektom τ, lineárny absorpčný koeficient pre
absorpciu Comptonovým rozptylom σ a lineárny absorpčný koeficient pre absorpciu tvorbou
elektrón-pozitrónových párov κ.
Hrúbka absorpčného prostredia, ktorá zníži intenzitu dopadajúceho žiarenia na
polovicu (50% absorbuje a 50% prepustí), sa nazýva polvrstva (polopriepustná vrstva) d 1 / 2 .
Úpravou rovnice (4.3 dostaneme vzťah medzi polvrstvou a lineárnym absorpčným
koeficientom
d1 / 2 =
ln 2
µ
=
0,693
µ
.
(4.4)
Uvedený vzťah sa používa na výpočet hrúbky materiálu chrániaceho pred ionizujúcim
žiarením (napr. na výpočet hrúbky stien röntgenového pracoviska).
4.4 Interakcia neutrónov
Neutróny sú častice bez elektrického náboja a tak takmer neinteragujú s elektrónmi
obalu atómov látky, cez ktorú prechádzajú, ale interagujú s jadrami týchto atómov. Spôsob
interakcie neutrónov s hmotou závisí vo veľkej miere od ich energií, ktorých hodnoty môžu
byť v rozsahu od stoviek MeV, ku zlomkom eV . Jadrová sila, ktorá vedie k týmto
interakciám má veľmi malý dosah, čo znamená, že neutróny musia prejsť blízko jadra aby
došlo k interakcii. Pretože veľkosť jadra je malá v porovnaní s veľkosťou atómu ako celku, je
malá pravdepodobnosť interakcie neutrónov a tieto môžu prejsť v hmote značné vzdialenosti.
K najznámejším interakciám neutrónov patrí pružný a nepružný rozptyl, transmutácia, štiepna
reakcia a radiačný záchyt.
Pružný rozptyl nastáva pri kolízii neutrónu s jadrom atómu, pričom neutrón sa odrazí
a pokračuje iným smerom. Jadro, s ktorým sa neutrón zrazil, získa energiu, ktorú stratil
neutrón pri zrážke a odletí preč zvýšenou rýchlosťou (obr.2.9.a). Ak sa neutrón zrazí
s ťažkým jadrom, odrazí sa takmer s tou istou rýchlosťou a stráca veľmi málo energie.
Naproti tomu pri zrážke neutrónu s ľahkým jadrom, toto získa veľké množstvo energie, čo sa
účinne využíva na spomaľovanie neutrónov.
Pri nepružnom rozptyle neutrón narazí do jadra a pôsobením jadrových síl sa v ňom
zachytí, čím vznikne zložené jadro. Toto jadro je nestabilné a emituje neutrón s nižšou
energiou spolu s fotónom gama žiarenia, ktorý nesie zvyšok energie (obr.2.9.b). Tento proces
je účinnejší pri vysokých energiách neutrónu v ťažkých látkach.
neutrón
neutrón
cieľové jadro
cieľové jadro
neutrón
neutrón
a
cieľové jadro
cieľové jadro
b
Obr.4.4.a, b Schematické znázornenie pružného(a) a nepružného (b) rozptylu
Transmutácia nastáva, keď dopadom neutrónu vzniknuté zložené jadro, ktoré je
nestabilné a následne vyžiari nejakú časticu (alfa časticu, protón alebo iný neutrón), sa tým
zmení na jadro iného prvku. K tejto jadrovej reakcii dôjde s najväčšou pravdepodobnosťou,
keď energia dopadajúcej častice je v rozmedzí od jednotiek MeV až do niekoľko desiatok
MeV. Ako príklad uvedieme reakciu typu neutrón-protón (n, p), s kyslíkom (O), čím vznikne
dusík (N), schematicky znázornené rovnicou
16
8
O + 01n→167 N + 11p .
(4.5)
Jednou z najčastejších interakcií je reakcia neutrón-gama žiarenie (n, γ ), ktorá sa
nazýva radiačný záchyt. Jadro zachytí dopadajúci neutrón a vyžiari gama žiarenie, pričom
vznikne rádioaktívny atóm (izotop) stabilného prvku, ktorý bol ožiarený a je to zvyčajne beta
alebo gama žiarič (obr.4.5). Táto reakcia, ktorá sa vyskytuje u väčšiny materiálov, je
najdôležitejšia pre neutróny s veľmi nízkou energiou.
pomalý neutrón
23
Na
gama žiarenie
24
Na
Obr.4.5 Schematické znázornenie radiačného záchytu
Štiepna reakcia je typ interakcie, pri ktorom sa zložené jadro rozštiepi na dve jadrá.
Uvedené typy interakcií neutrónov sa využívajú na výrobu umelých rádioizotopov a
tiež ako metóda neutrónovej aktivačnej analýzy.
Pri veľmi vysokých energiách (nad 150MeV), môžu neutróny zasiahnuť jadro, čím
vznikne spŕška sekundárnych častíc (jav sa v angličtine nazýva „spallation“). Tieto
vysokoenergetické sekundárne častice sú veľmi škodlivé pre kohokoľvek vystaveného ich
účinkom.
Download

4 prednaska