v
nZ
dx
dE
L
2
÷=
5. INTERAKCE ZÁŘENÍ S HMOTOU
Záření při průchodu hmotou ztrácí svou energii
interakcemi s elektronovým obalem i jádry atomů.
Pro lineární přenos energie platí:
Z … nábojové číslo částice
n ... (hustota elektronů absorbujícího prostředí) počet elektronů
v objemové jednotce
v … rychlost částic
αααα-částice
Dosah αααα-částic ve vzduchu (je kolem 10 cm )
(R vzdálenost v m, E v MeV)
Počet párů iontů na celé dráze αααα-částice ve vzduchu
R je v cm
hustota elektronů v kapalinách a tuhých látkách je
cca 1000x větší než v plynech
lineární přenos energie je proto cca 103
x větší
dosah záření je o tři řády kratší (pro α-záření jsou to
desítky µm)
ββββ-částice
(rychlé elektrony se spojitým spektrem energií)
přenos energie je menší jako u α-částic
příčinou je menší náboj elektronu a jeho větší
rychlost při stejné energii ( m/E2v = )
⇒ větší pronikavost (tedy i dosah) v absorbujícím
prostředí
R=0,0033 E3/2
6,25 . 104
R2/3
)E2(lnEZ~
dx
dE 2
ββ
Absorpční křivka pro ββββ- záření
d- tloušťka vrstvy (m)
µµµµ- lineární absorpční koeficient (m-1
) – závisí na hustotě
elektronů absorbujícího prostředí a energii β-záření
Brzdné záření
vzniká při průchodu β-záření látkou
pohybuje-li se β-částice v blízkosti jádra, je elektrickým
polem jádra urychleno a vyzařuje přitom
elektromagnetické záření z oblasti spojitého rtg. záření
(brzdné záření)
d
0eII µ−
=
λλλλ = 0,1 – 0,4 nm
tj. 60 – 250 keV
⇒ brzdné záření vzniká v prostředích v látkách
s vysokým Z a při velkých energiích ββββ - záření
Čerenkovovo záření
modrofialové světelné záření
vzniká při průchodu β-záření průhledným prostředím
(voda, sklo)
vzniká tehdy, je-li rychlost β-částic v prostředí větší než
rychlost světla v této látce
n –index lomu prostředí
β-záření vytváří při průchodu rázovou elektromagnetickou
vlnu, která se projeví jako světelný záblesk
ve vodě vzniká Čerenkovovo záření pro Eβ > 0,26 MeV
vββββ>c/n
Interakce γγγγ-záření s hmotou
Neionizující procesy
Bez interakce - kvantum záření může volně proletět mezi atomy
látky. K tomu často dochází zvláště u tvrdého záření při průchodu
lehkými materiály
• Rayleighův koherentní rozptyl záření na elektronech vázaných
v atomovém obalu, při němž se přenáší pouze hybnost, nikoli
energie (lehký foton se odráží od celého atomu, jehož hmotnost
je mnohonásobně větší)
• Thomsonův rozptyl na volných elektronech
• Excitace elektronů na vnějších slupkách atomů, načež se při
deexcitaci vyzařuje viditelné nebo infračervené záření
Ionizující procesy
γ-záření neionizuje prostředí tak jako hmotné částice
nesoucí náboj
k ionizaci dochází nepřímo účinkem sekundárních
elektronů, které v látce vznikají třemi ději
Eγ ~ 0,1 MeV 0,1 – 2 MeV > 1,02 MeV
sekundární elektrony způsobují ionizaci a excitaci
podobně jako u β-záření
γ-záření má velkou pronikavost ⇒ sekundární elektrony
jsou řidčeji rozloženy kolem dráhy částice
lineární přenos energie je malý a dosah záření velmi
velký (často se nedá určit)
zeslabení svazku γ-záření se řídí stejným vztahem
protože často nelze určit dosah γ-záření, vyjadřuje se
pronikavost tohoto záření pomocí tzv. polotloušťky, tedy
jako tloušťka vrstvy látky, která zeslabí intenzitu záření na
polovinu
I = I0 /2 …. d1/2 = ln2/µµµµ
Další možnou interakcí gama záření s hmotou je:
jaderná rezonanční fluorescence – Mössbauerův jev
Absorpce neutronů
volné neutrony se spontánně rozpadají
radioaktivitou ββββ- s poločasem asi 12 minut na protony,
elektrony a (anti)neutrina.
Ionizaci prostředí způsobují až sekundární částice, jež
vznikají při interakci neutronů s jádry atomů (odražená
lehká jádra, záření β, protony, částice alfa apod.).
Neutrony po vstupu do látky reagují téměř výhradně s
atomovými jádry, a to čtyřmi způsoby:
Pružný rozptyl - neutrony ztrácejí při průchodu látkou svou
energii srážkami s atomovými jádry
⇒⇒⇒⇒ nejúčinněji se neutrony zpomalují při srážkách
s lehkými jádry …………při srážce neutronu s jádrem vodíku se
∆E = E ⇒ veškerá energie se při jediné srážce přenese celá na
proton, který získá značnou energii a opouští své místo (velké
nebezpečí pro živé organismy).
Nepružný rozptyl - neutron opět předá část své energie jádru,
avšak tato energie se spíše než na mechanický pohyb jádra
2
)Mm(
mM4
EE
+
=∆
∆E úbytek energie neutronu při
jedné srážce
m hmotnost neutronu
M hmotnost jádra
spotřebuje na zvýšení vnitřní energie jádra - nastane excitace
jádra.
Při návratu jádra do původního stavu (deexcitaci vzbuzených
jaderných hladin) se vyzáří foton záření gama, který již vyvolává
ionizaci mechanismy popsanými v předchozím odstavci (fotoefekt,
Comptonův rozptyl, ...).
Klesne-li energie po srážkách pod ~10-2
eV, pak zanikají
jadernou reakcí (n,γ) - radiační záchyt
Záření gama pak již vyvolává ionizaci.
Další ionizace pak může nastat i následně a dlouhodobě: jádra,
jež pohltila neutron, jsou často radioaktivní a rozpadají se za
vyzáření dalšího ionizujícího záření, především beta.
K látkám, které nejúčinněji zachycují neutrony, patří
zvláště bor a kadmium, které se proto používají jako stínící
materiál pro neutronové záření a pro regulaci neutronového toku
v jaderných reaktorech.
Jaderné reakce, kdy po vniknutí neutronu do jádra je
emitována jiná částice, např. proton nebo částice alfa, které
ionizují.
10
B(n,αααα)7
Li , pak ionty Li i αααα-částice mají
značnou energii a ionizační schopnost