Ionizující záření • základní pojmy a veličiny • mechanismus ztráty energie • interakce ionizujícího záření s hmotou Ionizující záření záření emitované radioaktivními nuklidy keV-MeV ionizační energie atomů a molekul < 25 eV při průchodu látkou vyvolá toto záření ionizaci excitaci poměr ionizovaných a excitovaných stavů: 1:2 Ionizující záření Ionizující záření Ionizující záření Ionizující záření Interakce ionizujícího záření s hmotou Co se stane s částicemi ? dolet (dosah), absorpce, přeměna Co se stane s látkou ? ionizace, vznik sekundární aktivity, radiační poškození… Ionizující záření Veličina charakterizující průlet ionizujícího záření látkovým prostředím dolet (dosah) Ionizující záření dráha částice je přímá částice přichází o část kinetické energie a dále pokračuje v průniku absorpce nastává, až kinetická energie klesne na energii srovnatelnou s ionizační maximum ionizace nastává krátce před doletem Ionizující záření sdělená energie - energie, kterou prostřední získá interakcí s ionizujícím zářením lineární přenos energie - rozložení sdělené energie podél dráhy částice Z … nábojové číslo částice n ... hustota elektronů absorbujícího prostředí - počet elektronů v objemové jednotce v … rychlost částic 𝐿 = d𝐸 d𝑥 Ionizující záření dolet α částic dolet -částic ve vzduchu max. 10 cm R = 0,0033 E3/2 počet párů iontů na celé dráze -částice ve vzduchu 6,25 · 104 R2/3 hustota elektronů v kapalinách a tuhých látkách je cca 1000x větší než v plynech lineární přenos energie je proto cca 103x větší dosah záření je o tři řády kratší (pro -záření jsou to desítky m) R vzdálenost v m, E v MeV Ionizující záření dolet α částic Ionizující záření dolet β částic - rychlé elektrony se spojitým spektrem energií - dráha je lomená - mnohonásobný Coulombovský rozptyl na jádrech nebo elektronech v obalu - přenos energie je menší jako u α částic - větší pronikavost, dosah v absorbujícím prostředí - příčinou je menší náboj elektronu a jeho větší rychlost při stejné energii m/E2v = ) Ionizující záření Ionizující záření absorpční křivka pro β- záření d 0eII − = d - tloušťka vrstvy (m)  - lineární absorpční koeficient (m-1) závisí na hustotě elektronů absorbujícího prostředí a energii - záření Ionizující záření brzdné záření vzniká při průchodu β- záření látkou pohybují-li se β- částice v blízkosti jádra, jsou elektrickým polem jádra zpomaleny a vyzařuje se přitom elektromagnetické záření z oblasti spojitého rentgenova záření brzdné záření vzniká v prostředích v látkách s vysokým Z a při velkých energiích β- záření  = 0,1 - 0,4 nm tj. 60 - 250 keV Ionizující záření Čerenkovovo záření - vzniká při průchodu β- záření průhledným prostředím (voda, sklo) - rychlost β- částic v prostředí je větší než rychlost světla v této látce - β- záření vytváří při průchodu rázovou elektromagnetickou vlnu, která se projeví jako světelný záblesk - ve vodě vzniká Čerenkovovo záření pro Eβ > 0,26 MeV Ionizující záření Čerenkovovo záření Ionizující záření interakce γ záření s hmotou neionizující procesy - bez interakce - kvantum záření může volně proletět mezi atomy látky, - často k tomu 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 Ionizující záření neionizující procesy - Thomsonův rozptyl na volných elektronech - Excitace elektronů na vnějších slupkách atomů, načež se při deexcitaci vyzařuje viditelné nebo infračervené záření interakce γ záření s hmotou Ionizující záření interakce γ záření s hmotou - -záření neionizuje prostředí tak jako hmotné částice nesoucí náboj - k ionizaci dochází nepřímo účinkem sekundárních elektronů, které v látce vznikají čtyřmi ději Ionizující záření interakce γ záření s hmotou E ~ 0,1 MeV 0,1 - 2 MeV > 1,02 MeV 8-10 MeV Ionizující záření interakce γ záření s hmotou - sekundární elektrony způsobují ionizaci a excitaci podobně jako u - záření -  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) Ionizující záření interakce γ záření s hmotou - zeslabení svazku -záření se řídí stejným vztahem jako u - záření Ionizující záření interakce γ záření s hmotou Ionizující záření interakce γ záření s hmotou Ionizující záření protože často nelze určit dosah -záření, vyjadřuje se pronikavost tohoto záření pomocí tzv. polotloušťky - tloušťka vrstvy látky, která zeslabí intenzitu záření na polovinu interakce γ záření s hmotou I = I0 /2 → d1/2 = ln2/ Ionizující záření interakce γ záření s hmotou Ionizující záření absorpce neutronů volné neutrony se spontánně rozpadají radioaktivitou - s poločasem asi 12 minut na protony, elektrony a (anti)neutrina ionizaci prostředí způsobují až sekundární částice, vznikající při interakci neutronů s jádry atomů (odražená lehká jádra, záření , protony, částice alfa, apod.) Ionizující záření absorpce neutronů Neutrony po vstupu do látky reagují téměř výhradně s atomovými jádry, a to čtyřmi způsoby: pružný rozptyl nepružný rozptyl radiační záchyt jaderná reakce Ionizující záření pružný rozptyl - neutrony ztrácejí při průchodu látkou svou energii srážkami s atomovými jádry 2 )Mm( mM4 EE + = E úbytek energie neutronu při jedné srážce m hmotnost neutronu M hmotnost jádra - 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) Ionizující záření nepružný rozptyl - neutron opět předá část své energie jádru, avšak tato energie se spíše než na mechanický pohyb 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 výše (fotoefekt, Comptonův rozptyl, ...) Ionizující záření radiační záchyt - neutron je jádrem pohlcen a zůstane v něm vázaný - následně je emitován jeden nebo více fotonů záření gama (při deexcitaci jaderných hladin vzbuzených při absorpci neutronu) - 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- a gama Ionizující záření radiační záchyt - radiační záchyt neutronů je nejúčinnější pro pomalé neutrony s nízkou energií - látky, které nejúčinněji zachycují neutrony, jsou zvláště bor a kadmium, které se proto používají jako stínící materiál pro neutronové záření a pro regulaci neutronového toku v jaderných reaktorech - záchyt neutronů v jádrech se používá ve velmi citlivé analytické metodě neutronové aktivační analýze Ionizující záření jaderné reakce po vniknutí neutronu do jádra je emitována jiná částice, např. proton nebo částice alfa do kategorie jaderných reakcí fakticky patří i radiační záchyt, jenže bez emise těžké částice radiační záchyt a další reakce vyvolané neutrony se používají pro výrobu umělých radionuklidů, především β-, v jaderných reaktorech Ionizující záření absorpce neutronů Ionizující záření absorpce neutronů Ionizující záření absorpce neutronů Ionizující záření odkazy na studijní materiály https://slideplayer.cz/slide/2935760/ https://astronuklfyzika.cz/JadRadFyzika6.htm