Περιεχόμενα μαθήματος (1/2)

Transcript

1 Περιεχόμενα μαθήματος (1/2) Εισαγωγή Τι είναι οι ακτινοβολίες - Είδη ακτινοβολίας Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Σωματιδιακή ακτινοβολία Μονάδες Πηγές ακτινοβολίας στο περιβάλλον Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Φύση φωτός Ηλεκτρομαγνητικό Φάσμα Νόμοι Stefan-Boltzmann, Wien, Kirkhoff Ακτίνες Χ, Ακτίνες γ, αλληλεπίδραση με την ύλη Υπεριώδης, ορατή και υπέρυθρη Μικροκύματα Ραδιοκύματα» Ηλεκτρομαγνητική επιβάρυνση από ανθρωπογενείς πηγές (δίκτυα διανομής Ηλ. Ενέργειας, ασύρματα δίκτυα, ραδιοφωνικές και τηλεοπτικές συχνότητες, οικιακές συσκευές κλπ).

2 Ραδιενέργεια Περιεχόμενα μαθήματος (2/2) Εισαγωγικές έννοιες Πυρηνικής Φυσικής. Μονάδες Αλληλεπίδραση με την ύλη Έκθεση Επικινδυνότητα Ανιχνευτές ακτινοβολιών - Όργανα μέτρησης Δοσιμετρία Όρια έκθεσης - Ραδιοπροστασία Σχάση, σύντηξη Πυρηνική ενέργεια πυρηνικά κατάλοιπα Ραδιοχρονολόγηση Κοσμική ακτινοβολία Πρωτογενής κοσμική ακτινοβολία Αλληλεπίδραση με την ύλη Δευτερογενής κοσμική ακτινοβολία Προέλευση κοσμικών ακτίνων Αναλαμπές ακτίνων γάμμα

3

4

5 Shortwave radiation balance

6 Επίγεια Ακτινοβολία Η ενέργεια που εκπέμπεται από τον ήλιο κι απορροφάται από την Γη επανεκπέμπεται σαν υπέρυθρη ακτινοβολία. Αυτή η ενέργεια απορροφάται από τα σύννεφα όπως επίσης και από τα ατμοσφαιρικά μόρια, με τους μεγαλύτερους απορροφητές να είναι οι υδρατμοί και το διοξείδιο του άνθρακα: Αυτά τα δύο αέρια μπορούν επαρκώς να δεσμεύσουν ένα μεγάλο κλάσμα ενέργειας (κυρίως στη φασματική περιοχή µm) στα κατώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας Στην περιοχή 8 έως 12 µm, που ονομάζεται ατμοσφαιρικό παράθυρο, η γήινη ακτινοβολία εκπέμπεται στο διάστημα εξαιτίας της σχετικά ασθενούς απορρόφησης σε αυτήν την περιοχή του φάσματος.

7 Απορρόφηση σε διαφορετικά μήκη κύματος στην ατμόσφαιρα Το ύψος της ημι-απορρόφησης, ορίζεται ως το ύψος στην ατμόσφαιρα (μετρούμενο από την επιφάνεια της Γης) όπου το ½ της ακτινοβολίας ενός δεδομένου μήκους κύματος που προσπίπτει στην άνω ατμόσφαιρα απορροφάται

8 Longwave radiation balance

9 Η αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη X-rays Scattering Energy Phototionisation Large no. of states -strongly absorbed Small no. of states -almost transparent Ionisation energy Ultraviolet Visible Infrared Electronic level changes Microwaves Rotation Vibration

10 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας-ύλης Τα διαφορετικά τμήματα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος έχουν πολύ διαφορετικά αποτελέσματα αλληλεπιδρώντας με την ύλη. Κάθε τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος έχει κβάντα ενέργειας κατάλληλα για την διέγερση καθορισμένων στοιχείων των υλικών διεργασιών. Τα επίπεδα ενέργειας για όλες τις υλικές διεργασίες στα ατομικά και μοριακά επίπεδα είναι κβαντωμένα, και αν δεν υπάρχουν διαθέσιμα κβαντωμένα επίπεδα ενέργειας διαταγμένα στο χώρο τα οποία εναρμονίζονται με τα κβάντα ενέργειας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, τότε η ύλη θα είναι διαμπερής σε αυτή την ακτινοβολία, και θα τη διαπεράσει.

11 Διαπερατότητα Μπορείς να δεις για πολλά μίλια μέσα από καθαρό αέρα και ένα καθαρό κομμάτι γυαλί είναι ολοφάνερα διαμπερές στα μήκη κύματος του ορατού φωτός. Ο αέρας ευτυχώς δεν είναι διαμπερής στις υπεριώδεις ακτίνες του ήλιου, αν και η αυξανόμενη διαφάνεια λόγω της μείωσης του όζοντος είναι ανησυχητική. Το καθαρό κομμάτι γυαλιού είναι διαμπερές στο ορατό φως επειδή τα διαθέσιμα ηλεκτρόνια στο υλικό τα οποία μπορούν να απορροφήσουν τα ορατά φωτόνια δεν έχουν διαθέσιμα ενεργειακά επίπεδα από πάνω τους στο εύρος των κβαντωμένων ενεργειών των ορατών φωτονίων. Τα άτομα του γυαλιού έχουν ενέργεια ταλάντωσης και βρίσκονται σε κατάσταση ώστε να μπορούν να απορροφήσουν τα υπέρυθρα φωτόνια, έτσι ώστε το γυαλί να μην είναι διαμπερές στις υπέρυθρες. Αυτό οδηγεί στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Τα κβάντα ενέργειας των φωτονίων που προσπίπτουν πρέπει να ταιριάζουν με διαθέσιμα διάκενα των ενεργειακών επιπέδων ώστε να απορροφηθούν.

12 Ακτινοβολία και ανθρώπινο σώμα

13 Ιονισμένη ακτινοβολία Ιονισμός είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια από ένα άτομο ή μόριο το εγκαταλείπουν κι έτσι παράγεται ένα «κομμάτι» θετικά φορτισμένο (θετικό ιόν). Η ταξινόμηση της ακτινοβολίας σαν «ιονισμένη» είναι απαραίτητα μία δήλωση ότι ένα ηλεκτρόνιο έχει αρκετή κβαντωμένη ενέργεια ώστε να εγκαταλείψει το άτομο/μόριο. Αυτός είναι ένας κρίσιμος διαχωρισμός, εφόσον η «ιονισμένη ακτινοβολία» μπορεί να παράγει έναν αριθμό από φυσιολογικά αποτελέσματα, όπως αυτά που σχετίζονται με ρίσκο μετάλλαξης ή καρκίνου, τα οποία η μη-ιονισμένη ακτινοβολία δεν μπορεί να παράγει άμεσα σε οποιαδήποτε ένταση.

14 Ιονισμένη ακτινοβολία Το πρακτικό όριο για το ρίσκο της ακτινοβολίας είναι αυτό του ιονισμού ενός υφάσματος. Εφόσον η ενέργεια ιονισμού ενός ατόμου υδρογόνου είναι 13.6 ev, το επίπεδο γύρω στα 10 ev είναι ένα προσεγγιστικό όριο. Εφόσον οι ενέργειες που σχετίζονται με πυρηνική ακτινοβολία είναι πολλούς βαθμούς πάνω από αυτό το όριο, στην κλίμακα των MeV, τότε ολόκληρη η πυρηνική ακτινοβολία είναι ιονισμένη ακτινοβολία. Παρομοίως, οι ακτίνες χ είναι ιονισμένη ακτινοβολία, αφού είναι το ανώτερο όριο της υπεριώδους περιοχής. Θυμηθείτε ότι στο φαινόμενο Κόμπτον, το ηλεκτρόνιο θα πρέπει να είναι ελεύθερο, ήσχεδόνελεύθερο. Στοφωτοηλεκτρικόφαινόμενο πρέπει να είναι δεσμευμένο.

15 Ακτίνες Χ Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτρομαγνητικές ακτίνες υψηλής συχνότητας οι οποίες παράγονται όταν τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται ξαφνικά αυτές οι ακτίνες αποκαλούνται bremsstrahlung ακτινοβολία, ή «διαχωριζόμενη ακτινοβολία» (συνεχόμενη ακτίνα από ενέργειες). Οι ακτίνες Χ παράγονται επίσης όταν τα ηλεκτρόνια μεταπίπτουν από χαμηλότερα ατομικά ενεργειακά επίπεδα σε βαριά στοιχεία. Οι ακτίνες Χ που παράγονται με αυτόν τον τρόπο έχουν καθορισμένες ενέργειες ακριβώς όπως άλλες φασματικές γραμμές από ατομικά ηλεκτρόνια. Ονομάζονται χαρακτηριστικές ακτίνες-χ εφόσον έχουν ενέργειες καθορισμένες από τα ατομικά επίπεδα ενέργειας. Στις αλληλεπιδράσεις με την ύλη, οι ακτίνες-χ είναι ιονισμένη ακτινοβολία και παράγει φυσιολογικά φαινόμενα τα οποία δεν παρατηρούνται με οποιαδήποτε έκθεση μη ιονισμένης ακτινοβολίας όπως το ρίσκο μετάλλαξης ή καρκίνου στον ιστό. Συχνότητες 3 x Hz προς τα πάνω Μήκη κύματος: 10 nm - > προς τα κάτω Κβάντα ενέργειας: 124 ev -> προς τα πάνω

16 Ακτίνες-χ ήröntgen ακτίνες Ο Wilhelm Röntgen (27 Μαρτίου φεβρουαρίου 1923) ήταν ένας Γερμανός φυσικός, ο οποίος στις 8 Νοεμβρίου 1895, παρήγαγε κι ανίχνευσε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολίας σε μία περιοχή του μήκους κύματος γνωστή σήμερα σαν ακτίνες-χ ή Röntgen ακτίνες. Εξαιτίας αυτού του κατορθώματος κέρδισε το 1901 το βραβείο Νόμπελ στην φυσική.

17 Χαρακτηριστικά ακτίνων-χ Τα χαρακτηριστικά των ακτίνων-χ εκπέμπονται από βαριά στοιχεία όταν τα ηλεκτρόνιά τους μεταπίπτουν μεταξύ των κατώτερων ατομικών ενεργειακών επιπέδων. Η χαρακτηριστική εκπομπή των ακτίνωνχ η οποία φαίνεται σαν δύο αιχμηρές κορυφές στο σχήμα στα δεξιά συμβαίνει όταν παράγονται κενά στα n=1 ή στοκπερίβλημα των ατόμων και τα ηλεκτρόνια μεταπίπτουν από ψηλότερα για να συμπληρώσουν το κενό. Οι ακτίνες-χ που παράγονται από μεταπτώσεις από n=2 σε n=1 επίπεδα αποκαλούνται Κ-alpha ακτίνες-χ, κι αυτές από n=3->1 μετάπτωση καλούνται Κ-beta ακτίνες-χ (υψηλότερη ενέργεια, χαμηλότερη κορυφή). Μεταπτώσεις σε n=2 ή L-περίβλημα ορίζονται σαν L ακτίνες-χ (n=3->2 is L- alpha, n=4->2 is L-beta, κ.τ.λ.). Η συνεχής διανομή των ακτίνων-χ η οποία σχηματίζει τη βάση των δύο αιχμηρών κορυφών καλείται «bremsstrahlung» ακτινοβολία.

18 Μεταπτώσεις ακτίνων-χ Μεταπτώσεις ηλεκτρονίων σε χαμηλότερα ατομικά επίπεδα σε βαριά άτομα έχουν κβάντα ενέργειας τα οποία τα τοποθετούν στην περιοχή των ακτίνων-χ του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Οι εκπομπές των ακτίνων-χ που σχετίζονται με αυτές τις μεταπτώσεις ονομάζονται χαρακτηριστικές ακτίνες-χ. Στο σχήμα στα δεξιά παριστάνονται οι ιστορικοί προσδιορισμοί των χαρακτηριστικών ακτίνων-χ. οι συχνότητες των χαρακτηριστικών ακτίνων-χ μπορούννα προβλεφθούν από το μοντέλο του Bohr. O Moseley μέτρησε τις συχνότητες των χαρακτηριστικών ακτίνων-χ απόένα μεγάλο κλάσμα των στοιχείων του περιοδικού πίνακα και παρήγαγε ένα σχέδιο αυτών το οποίο τώρα ονομάζεται "Moseley plot".

19 Όταν η τετραγωνική ρίζα των συχνοτήτων των χαρακτηριστικών ακτίνων-χ των στοιχείων σχεδιοποιείται αντίθετα από τον ατομικό αριθμό, μία ευθεία γραμμή επιτυγχάνεται. Στα 20 του ο Henry Moseley ( ) μέτρησε και σχεδίασε τις ακτίνες-χ συχνότητες για περίπου 40 στοιχεία του περιοδικού πίνακα. Ανακάλυψε καινούρια στοιχεία, από χαμένες άκρες του σχεδίου. Τα ενεργά, πολύ σπάνια στοιχεία τεκτέτιο και προμέθιο, και τα δύο????? The radioactive very rare elements technetium and promethium, and the last two discovered naturally-occurring stable elements hafnium (discovered 1923) and rhenium (discovered 1925). Σχέδιο Moseley

20 Bremsstrahlung ακτίνες-χ "Bremsstrahlung" σημαίνει «διαχωριζόμενη ακτινοβολία" και διατηρήθηκε από τα γερμανικά για αν περιγράψει την ακτινοβολία η οποία εκπέμπεται όταν τα ηλεκτρόνια επιβραδύνουν ή «διαχωρίζονται» όταν εκτοξεύονται σε έναν μεταλλικό στόχο. Επιταχυνόμενα φορτία εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, κι όταν η ενέργεια των βομβαρδιζόμενων ηλεκτρονίων είναι αρκετά υψηλή, αυτή η ακτινοβολία βρίσκεται στην περιοχή των ακτίνων-χ του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Χαρακτηρίζεται από μία συνεχή διανομή ακτινοβολίας η οποία γίνεται πιο έντονη κι αλλάζει κατεύθυνση προς υψηλότερες συχνότητες όταν η ενέργεια των βομβαρδιζόμενων ηλεκτρονίων αυξάνεται.

21 Άσκηση Προσδιορίστε τη σταθερά του Planck h από το γεγονός ότι το ελάχιστο μήκος κύματος των ακτίνων Χ που παράγονται από ηλεκτρόνια επιταχυνόμενα σε δυναμικό 40 kv είναι 3.11 x m. Λύση: E = hc/λ h = ev λ min /c 1.60 x coul x 4.00 x 10 4 V x 3.11 x m 3.00 x 10 8 m/sec 6.64 x joule sec (coulomb V = Joule) Πόση είναι η σταθερά του Planck h σε ev sec?

22 X-ray tube Οι ακτίνες X που προορίζονται για διαγνωστικές διαδικασίες στην ιατρική ή για λόγους έρευνας, παράγονται από μια καθιερωμένη διαδικασία: επιταχυνόμενα ηλεκτρόνια (thermionic emission) από υψηλή τάση ενώ αυτά αφήνονται να προσκρούσουν πάνω σε μεταλλική επιφάνεια. Οι ακτίνες X παράγονται τη στιγμή που τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται απότομα τη στιγμή της πρόσκρουσης τους με τον μεταλλικό στόχο. Αυτές οι ακτίνες ονομάζονται συνήθως bremsstrahlung ή «ακτινοβολία επιβράδυνσης». Αν ο βομβαρδισμός των ηλεκτρονίων γίνεται με επαρκή ενέργεια, τότε αυτά μπορεί να διώξουν ηλεκτρόνια από εσωτερικές τροχιές ατόμων του μεταλλικού στόχου. Τα ηλεκτρόνια αυτά που μεταπηδούν από καταστάσεις υψηλής ενέργειας σε καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας, εκπέμπουν φωτόνια ακτινών X σε καθορισμένες ενέργειες (ανάλογα με την ενέργεια του ηλεκτρονίου). Αυτές οι ακτίνες X ονομάζονται χαρακτηριστικές ακτίνες x

23 Αλληλεπίδραση ακτινών X με ύλη Καθώς οι κβαντισμένες ενέργειες των φωτονίων ακτινών x είναι πολύ υψηλές για να απορροφηθούν σε ηλεκτρονιακές μεταπτώσεις από καθορισμένες ενεργειακά καταστάσεις, αυτές μπορούν να αλληλεπιδράσουν με ένα ηλεκτρόνιο διώχνοντας το τελείως από το άτομο. Γι αυτό το λόγο και όλα τα είδη των ακτινών x χαρακτηρίζονται ως ιονίζουσες ακτινοβολίες. Αυτό μπορεί και συμβαίνει με τη μεταφορά όλης της ενέργειας σε ένα ηλεκτρόνιο φωτοιονισμός φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ή με το να δίνει μέρος αυτής στο ηλεκτρόνιο και το υπόλοιπο στη μορφή ενός φωτονίου χαμηλότερης (Σκέδαση Compton). Σε αρκετά υψηλές ενέργειες τα φωτόνια ακτινών x μπορούν να δημιουργήσουν (μετατραπούν σε) ζεύγος ηλεκτρονίου ποζιτρονίου (ύλη αντιύλη)

24 Η διττή φύση κύματος - σωματιδίου Ή

25 Κύματα φωτός Μέχρι περίπου το το1900, η κλασσική θεωρία των κυμάτων περιέγραφε τα ταπερισσότερα παρατηρούμενα φαινόμενα. Κύματα φωτός: Χαρακτιρίζονται από: Πλάτος (A) Συχνότητα ( ) Μήκος Κύματος ( ) Energy A 2

26 Και τότε εμφανίστηκε ένα πρόβλημα... Κατά την έναρξη του 20 ου αιώνα παρατηρήθηκαν μερικά φαινόμενα τα οποία δεν μπορούσαν να περιγραφούν από την μέχρι τότε θεωρία του φωτός. Δύο απ τα φαινόμενα που επηρέασαν περισσότερο ήταν: 1) Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο 2) Το φαινόμενο Compton

27 Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο (I) «Κλασσική» μέθοδος Αύξηση ενέργειας με αύξηση πλάτους Εκπομπή ηλεκτρονίων? όχι όχι όχι όχι Αν δοκιμάζαμε έτσι? Μεταβαλλόμενο μήκος κύματος, σταθερό πλάτος Εκπομπή ηλεκτρονίων? όχι Ναι, με χαμηλή ΚΕ Ναι, με υψηλή ΚΕ Δεν εκπέμπονταν ηλεκτρόνια μέχρι που η συχνότητα του φωτός ξεπέρ μια κρίσιμη τιμή, στο σημείο όπου ηλεκτρόνια εκπέμπονταν από την επιφάνεια! (Προσοχή: μικρό μεγάλη )

28 Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο (II) Ηλεκτρόνια προσελκύονται στον θετικά φορτισμένο πυρήνα λόγω ηλεκτρικής δύναμης Στα μέταλλα τα ηλεκτρόνια της εξωτερικής στοιβάδας δεν είναι σταθερά προσκολλημένα και μπορούν εύκολα να ελευθερωθούν από το πεδίο του ατόμου τους. Απλά απορροφά την απαιτούμενη ενέργεια Αυξάνουμε την ενέργεια ενός η/μ κύματος με την αύξηση της έντασης του (π.χ. φωτεινότητα) Energy A 2 Δε λειτουργεί αυτό? Δε λειτουργεί αυτό?

29 Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο(III) Μια διαφορετική προσέγγιση λέει ότι ότιτο τοφώς συμπεριφέρεται σαν σωματίδιο. Το Τοφωτεινό σωματίδιο θα θαπρέπει να ναέχει επαρκή ενέργεια για γιανα «ελευθερώσει» το τοηλεκτρόνιο από το τοάτομο του. Με την αύξηση του πλάτους απλά αυξάνεται ο αριθμός των φωτεινών σωματιδίων! Αυτό δε δεσημαίνει ότι αυξάνεται η ενέργεια του καθενός σωματιδίου ξεχωριστά! Πάντως, αν ανη ενέργεια αυτών των φωτεινών σωματιδίων συσχετιστεί με μετην συχνότητά τους, αυτό θα θαεξηγούσε γιατί υψηλές συχνότητες μπορούν να ναδιώξουν ηλεκτρόνια από τα ταάτομά τους, ενώ αντίστοιχα χαμηλές, όχι...

30 Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο (IV) Σε Σεαυτή την εικόνα «κβαντομηχανικής», η ενέργεια του φωτονίου θα θαπρέπει να ναξεπεράσει την δεσμευτική ενέργεια που ασκείται μεταξύ ηλεκτρονίου και πυρήνα. Αν Ανη ενέργεια του φωτονίου ξεπερνά την δεσμευτική ενέργεια, τότε το τοηλεκτρόνιο απελευθερώνεται με μεμία KE = E φωτονίου φωτονίου E δεσμευτική δεσμευτική Η ενέργεια του φωτονίου δίνεται από τον τύπο E=h όπου h = 6.6x [J [J s] s] η σταθερά του Planck. φωτόνιο Πριν τη σύγκρουση Μετά τη σύγκρουση

31 Φωτόνια ΗΚβαντικήθεωρίαπεριγράφει το φώς ως το πλήθος σωματιδίων που καλούνται φωτόνια Σύμφωνα με αυτή ένα φωτόνιο έχει ενέργεια ίση με: E = h = hc/ h = 6.6x10-34 [J*sec], η σταθεράτουplanck H ενέργεια του φωτός είναι ανάλογη με τη συχνότητα και αντιστρόφως ανάλογη με το μήκος κύματος! Όσο υψηλότερη η συχνότητα (μικρό μήκος κύματος) τόσο υψηλότερη η ενέργεια του φωτονίου! 10 φωτόνια έχουν ενέργεια αντίστοιχη με αυτή του ενός φωτονίου επί 10 φορές. Η κβαντική θεωρία περιγράφει πειράματα με ιδιαίτερη ακρίβεια, όπου η κλασσική κυματική θεωρία υστερούσε.

32 Ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου Μεταβαλλόμενο μήκος κύματος, σταθερό πλάτος Εκπομπή ηλεκτρονίων? Αυξάνοντας την ενέργεια Αυξάνοντας την ενέργεια E 1 = h E 2 = h E 3 = h όχι Ναι, με χαμηλή ΚΕ Ναι, με υψηλή ΚΕ E 3 > E 2 > E 1

33 Άσκηση (1/3) Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: Ακτινοβολία μήκους κύματος 300 nm προσπίπτει επί επιφανείας με έργο εξόδου ηλεκτρονίων 3 ev. α) Θα γίνει φωτοηλεκτρικό φαινόμενο; ΛΥΣΗ: α) για να γίνει ΦΦ πρέπει η ενέργεια των φωτονίων να είναι ίση ή μεγαλύτερη του έργου εξόδου. E=hc/λ= 4.14*10-15 ev.sec * 3*10 8 m/sec / 300*10-9 m = 4.14 ev Άρα θα γίνει ΦΦ.

34 Άσκηση (2/3) β) Αν γίνει (λέμε... αν..), πόση η ελάχιστη κινητική ενέργεια που θα έχουν τα ηλεκτρόνια και πόση η μέγιστη; Λύση: β) η κινητικήενέργειαθαείναιτ= hν b(όπου b ηενέργεια συνδέσεως του ηλεκτρονίου. Στην περίπτωση που η ενέργεια συνδέσεως είναι η ελάχιστη δυνατή, τότε την ονομάζουμε έργο εξόδου). Η μέγιστη προφανώς θα είναι 4.14 ev 3 ev = 1.14 ev Τόση ενέργεια όμως παίρνουν τα ηλεκτρόνια όταν η ενέργεια που δαπανάται για να ελευθερωθούν είναι το έργο εξόδου (δηλαδή η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να διαφύγει ένα ηλεκτρόνιο). Προφανώς για άλλα ηλεκτρόνια που είναι ισχυρότερα συνδεδεμένα, δαπανάται περισσότερη ενέργεια για να διαφύγουν, από 3 ev (οπότε τους μένει κινητική ενέργεια 1.14 ev), έως όλη η ενέργεια των φωτονίων (4.14 ev), οπότε δεν μένει τίποτα για κινητική ενέργεια. Άρα η ελάχιστη κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων που διαφεύγουν, είναι μηδέν, ή τείνειστομηδέν.

35 Άσκηση (3/3) γ) Ποιο το μήκος κύματος του φωτός για το οποίο η μέγιστη κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων τείνει στο μηδέν; Λύση: γ) Προφανώςτομήκοςκύματοςγιατοοποίοηενέργεια των φωτονίων ισούται ακριβώς με το έργο εξόδου. Άρα πρέπει 3 ev = hc/λ = 4.14*10-15 ev*sec * 3*10 8 m/sec /λ Λύνοντας ως προς λ προκύπτει λ = 4.14*10-7 m = 414nm.

36 Το φαινόμενο Compton Το 1924, ο A. H. Compton ( ) διεξήγαγε ένα πείραμα στο οποίο ακτίνες X προσέπιπταν πάνω σε ύλη και αυτός μετρούσε την παραγόμενη ακτινοβολία Incident X-ray wavelength Scattered X-ray wavelength > 1 e Electron comes flying out Πρόβλημα: Σύμφωνα με την εικόνα του κύματος η εκπομπή ακτίνων Χ αποδίδει ενέργεια στο ηλεκτρόνιο μειώνοντας την συνολική ενέργεια. (το πλάτος του κύματος μειώνεται) ενώ πρέπει να ισχύει.

37 Ηκβαντικήθεωρίαστοπροσκήνιο. Μπορούμε να θεωρήσουμε την ακτινοβολία Χ ως σωματίδιο μηδενικής μάζας και στιγμιαία ισχύει p = E / c Incident X-ray p 1 / 1 = h / 1 1 Electron initially at rest Scattered X-ray p 2 2 = h 2 2 e e 2 > 1 p ee Ο Compton διαπίστωσε ότι ότιαν ανένα φωτόνιο αντιμετωπιστεί ως ως σωματίδιο μηδενικής μάζας και ισχύει στιγμιαία p=e/c, μπορούσε να ναεξηγήσει πλήρως την ενέργεια και την ορμή των διασκορπισμένων ηλεκτρονίων και φωτονίων.

38 Εξήγηση του φαινομένου Compton Light particle 1 Before Collision After Collision 2 Το Τοφαινόμενο Compton περιγράφει τέλεια συγκρούσεις φωτός με μεηλεκτρόνια αν ανθεωρήσουμε το τοφως σωματίδιο με: με: p = h/ and E = h h = hc/ h/ c pc

39 Σχέση DeBroglie s p = h / Όσο μικρότερο το μήκος κύματος τόσο μεγαλύτερη η ορμή του φωτονίου. Η ενέργεια του φωτονίου συνδέεται απλά με την ορμή με την σχέση: Ε 2 = p 2 c2 + m o2 c 4 E = pc (or, p = E / c ) Το μήκος κύματος συνδέεται με την ορμή με την σχέση: = h/p Η ορμή του φωτονίου δίνεται από τον τύπο: p = h /. Louis de Broglie ( ) Nobel prize 1929

40 Ορμή φωτονίων Ένα φωτόνιο με μεενέργεια E=1 [GeV],έχει ορμή p = E // c = (1 (1[GeV])/c = 1 [GeV/c] Ένα φωτόνιο με μεορμή 5 GeV/c έχει ενέργεια E = pc pc = (5 (5 GeV/c) * c = 5 [GeV] Επομένως η μόνη διαφορά μεταξύ της ενέργειας ενός φωτονίου και της ορμής του: Energy [GeV] momentum [GeV/c] Η c ισούται με με [GeV/c] και 3x10 88 [m/s].

41 Πρόβλημα Διασκορπισμού Incident X-ray wavelength i nm Electron initially at rest f e e KE=0.2 [kev] Before After Υπολογίστε την ενέργεια 1.5 [nm] φωτονίου ακτινοβολίας X. E = hc/ = (6.6x10-34 [J s])(3x10 8 [m/s]) / (1.5x10-9 [m]) = 1.3x10-16 [J]

42 Παράδειγμα Σκέδασης Εκφράστε την ενέργεια σε [kev]. 1.3x10-16 [J] * (1 [ev] / 1.6 x10-19 [J]) = 825 [ev] = [kev] Ποιο είναι το μέγεθος της ορμής του φωτονίου? p = E / c = [kev]/ c = [kev/c] Μετά την σύγκρουση η ενέργεεια του ηλεκτρονίου βρέθηκα ίση με 0.2 [kev]. Ποια η ενέργεια των σκεδασμένων φωτονίων? A) 0.2 [kev] B) [kev] C) [kev] D) [kev] Εφόσον η ενέργεια πρέπει να δαιτηρείται το φωτόνιο πρέπει να έχει εέργεια E= = [kev] Ποιο θα ήταν το μήκος κύματος των σκεδασμένων φωτονίων?

43 Σύνοψη Τα Ταφωτόνια μπορούν να ναθεωρηθούν ως ως «πακέτα φωτός» που συυμπεριφέρονται ως ωςσωματίδια. Για να ναπεριγραφούν οι οιαλληλεπιδράσεις του φωτός με μετην ύλη γενικά χρησιμοποιείται η σωματιδιακή προσέγγιση (κβαντική) του φωτός. Ένα φωτόνιο έχει ενέργεια που δίνεται από τον τύπο E = hc/, όπου όπου h = Σταθερά Planck s = 6.6x [J [J s] s] and, and, c = Ταχύτητα φωτός = 3x10 3x [m/s] [m/s] = μήκος κύματος (σε (σε[m]) Τα Ταφωτόνια περιλαμβάνουν ορμή η οποία συνδέεται με μετην ενέργεια με μετον τύπο: p = E // c = h/

44 Υλικά κύματα? «Αν τα κύματα συμπεριφέρονται ως σωματίδια ισχύει το αντίστροφο?» ΗαπάντησηείναιΝΑΙ. Την απάντηση δίνει η κβαντομηχανική και υπερβαίνει τα ταπλαίσια του μαθήματος. Τα Τασωματίδια έχουν μήκος κύματος: = h/p = h / mv Το μήκος κύματος ενός σωματιδίου εξαρτάται από τη τηδομή του, ακριβώς όπως ένα φωτόνιο! Η κύρια διαφορά είναι ότι ότιτα ταυλικά σωματίδια έχουν μάζα, ενώ τα ταφωτόνια όχι!

45 Υλικά κύματα (συνεχ.) Υπολογίστε το μήκος κύματος ενός αντικειμένου ενός κιλού που κινείται με ταχύτητα 1000 (m/s). = h/mv = 6.6x10-34 [J s]/(1 [kg])(1000 [m/s]) = 6.6x10-37 [m]. αυτό είναι τόσο μικρό που δεν μπορείς να μετρηθεί. Έτσι, σε μεγάλη κλίμακα, δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε τη κυματιδιακή συμπεριφορά της ύλης Υπολογίστε το μήκος κύματος ενός ηλεκτρονίου (m=9.1x10-31 [kg]) Το οποίο κινείται με ταχύτητα 1x10 7 [m/s]. = h/mv = 6.6x10-34 [J s]/(9.1x10-31 [kg])(1x10 7 [m/s]) = 7.3x10-11 [m]. Αυτό είναι κοντά στο μήκος κύματος των ακτίνων-χ

46 Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο είναι μία συσκευή η οποία χρησιμοποιεί τη κυματική συμπεριφορά των ηλεκτρονίων ώστε να δημιουργήσει εικόνες οι οποίες ειδάλλως είναι πολύ μικρές χρησιμοποιώντας ορατό φως. Αυτή η εικόνα τραβήχτηκε με μεηλεκτρικό μικροσκόπιο σάρωσης (Scanning Electron Microscope (SEM)). Αυτές οι οισυσκευές μπορούν αν αναναλύσουν χαρακτηριστικά μέχρι περίπου και 1 [nm]. Αυτό είναι περίπου 100 φορές καλύτερο από ένα μικροσκόπιο ορατού φωτός. Σημαντική σημείωση: Σωματίδια υψηλής ενέργειας μποροούν να χρησιμοποιηθούν για να αποκαλύψουν τη δομή της ύλης!

47 Παρατηρήσεις στα σωματιδιακά όργανα Είμαστε πλέον βέβαιοι ότι ότισωματίδια υψηλής ενέργειας (ηλεκτρόνια στην περίπτωση ενός SEM μπορούν να ναπαρέχουν έναν τρόπο να νααποκαλυφθεί η δομή της ύλης πέρα από αυτά που μπορούν να να φανούν με μετο τοοπτικό μικροσκόπιο. Όσο υψηλότερη ταχύτητα έχει ένα σωματίδιο, τόσο μικρότερο είναι το τομήκος κύματος debroglie Όσο μειώνεται το τομήκος κύματος, αποκαλύπτονται όλο και καλύτερες λεπτομέρειες της δομής της ύλης! Για να ναεξερευνηθεί η ύλη ύληστο στομικρότερό της τηςμέγεθος, χρειαζόμαστε πολύ πολύ υψηλές σωματιδιακές ταχύτητες! Σήμερα, αυτό αυτόεπιτυγχάνεται σε σεεγκαταστάσεις συχνά αποκαλούμενες σαν σαν atom-smashers. Εμείς προτιμούμε να νατα τααποκαλούμε «επιταχυντές».

48 Δημιουργία ζεύγους Όταν ένα φωτόνιο έχει κβάντα ενέργειας υψηλότερα από την υπόλοιπη μάζα ενέργειας ενός ηλεκτρονίου κι ενός ποζιτρονίου, τότε ένας από τους τρόπους που ένα τέτοιο φωτόνιο αλληλεπιδρά με την ύλη γίνεται παράγοντας ένα ζεύγος ηλεκτρονίουποζιτρονίου. Η υπόλοιπη μάζα ενέργειας του ηλεκτρονίου είναι MeV, έτσι για φωτόνια με ενέργεια περισσότερη των 1.022MeV, η δημιουργία ζεύγους είναι εφικτή. Για ενέργειες φωτονίων πολύ υψηλότερες αυτού του ορίου, η δημιουργία ζεύγους γίνεται ο κυρίαρχος τρόπος αλληλεπίδρασης των ακτίνων-χ και γ με την ύλη.

49 Συνιστώσες απορρόφησης για PE C & PP

50 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ Ακτινοβολία Bremsstrahlung: Εκπέμπεται κατά την επιβράδυνση των e - όταν αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες των ατόμων της καθόδου. H μείωση της Εκιν εκπέμπεται με τη μορφή φωτονίων. Χαρακτηριστική Ακτινοβολία: Τα επιταχυνόμενα e - συγκρούονται με τα ατομικά e - προκαλώντας διεγέρσεις - ιονισμούς στα άτομα. Κατά την αποδιέγερσή τους εκπέμπεται χαρακτηριστική ακτινοβολία Χ.

51 ΦΑΣΜΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ ΣΥΝΕΧΕΣ ΦΑΣΜΑ (Bremsstrahlung): Έχει καθορισμένη ανώτατη τιμή ενέργειας και παρουσιάζει ένα μέγιστο Emax. ΓΡΑΜΜΙΚΟ ΦΑΣΜΑ : Εμφανίζεται με τη μορφή κορυφών που επικάθονται στο συνεχές φάσμα. Οι ενέργειες των κορυφών αυτών είναι χαρακτηριστικά του ύλικού της ανόδου.

52 ΛΥΧΝΙΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ Παραγωγή e - με θερμιονική εκπομπή Επιτάχυνση e - σε ηλεκτρικό πεδίο Πρόσπτωση σε κατάλληλο στόχο 99 % Θερμότητα 1% Ακτίνες Χ

53 ΛΥΧΝΙΑ ΠΕΡΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΗΣ ΑΝΟΔΟΥ Κάθοδος Υψηλό σημείο τήξης (3400 ο C) Ανθεκτικότητα Άνοδος Υψηλό σημείο τήξης Υψηλό Ζ Υψηλή θερμική αγωγιμότητα Υψηλή θερμική χωρητικότητα Η λυχνία περιβάλλεται από ένα μεταλλικό κύλινδρο (κέλυφος). Είναι κατασκευασμένος από κράμα αλουμινίου με θωράκιση μολύβδου για ακτινοπροστασία.

54 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΤΟ ΦΑΣΜΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ Α) ΕΠΙΔΡΑΣΗ kv Συνεχές φάσμα: Αύξηση kv Γραμμικό φάσμα: Αύξηση kv Μετακίνηση προς μεγαλύτερες ενέργειες Καμία μεταβολή στη θέση/ Αύξηση έντασης

55 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΤΟ ΦΑΣΜΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ B) ΕΠΙΔΡΑΣΗ ma Ή ποσότητα της παραγόμενης ακτινοβολίας Χ είναι ανάλογη του αριθμού των προσπιπτόντων e -, δηλαδή της έντασης του ρεύματος της λυχνίας.

56 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΔΙΑΦΟΡΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΣΤΟ ΦΑΣΜΑ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ Γ) ΥΛΙΚΟ ΑΝΟΔΟΥ Συνεχές φάσμα : Ποσότητα ακτινοβολίας Ζ Γραμμικό φάσμα : Η ενέργεια των χαρακτηριστικών εξαρτάται από το υλικό της ανόδου. Δ) ΦΙΛΤΡΟ: Αποκόπτεται ένας αριθμός φωτονίων (κυρίως χαμηλής ενέργειας) Ελαττώνεται η ένταση της δέσμης και αυξάνεται η μέση Ε.

57 Ανακεφαλαίωση στην αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη Α) ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ Το φωτόνιο αλληλεπιδρά με ισχυρά συνδεδεμένο e - Το φωτόνιο απορροφάται πλήρως και εκπέμπεται φωτοηλεκτρόνιο σ Ζ 4 /Ε γ 3

58 Ανακεφαλαίωση στην αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη B) ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ COMPTON Το φωτόνιο σκεδάζεται με ελαφρά συνδεδεμένο e - Μεταφέρεται μέρος της ενέργειας του φωτονίου στο e -. Το δευτερογενές φωτόνιο σκεδάζεται κατά γωνία θ. σ Ζ/Ε γ where λ is the wavelength of the photon before scattering, λ is the wavelength of the photon after scattering

59 Ανακεφαλαίωση στην αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας με την ύλη Δίδυμη γένεση: Φωτόνια με ενέργειες > 1.02 MeV μπορεί να αλληλεπιδράσουν με έναν πυρήνα και να δημιουργηθεί ζεύγος ηλεκτρονίου ποζιτρονίου. Αυτό το ποσό ενέργειας είναι μόλις αρκετό για να παράξει την μάζα ηρεμίας του ηλεκτρονίου και του ποζιτρονίου (0.51 MeV έκαστο). Η περίσσεια ενέργεια θα μεταφερθεί εξίσου από τα δύο σωματίδια τα οποία προκαλούν ιονισμό κατά το διάβα τους μέσα από την ύλη. Το ποζιτρόνιο τελικά θα πιαστεί από ένα ηλεκτρόνιο και τα δύο σωματίδια θα εξαϋλωθούν παράγοντας δύο φωτόνια με ενέργεια 0.51MeV έκαστο γνωστά ως ακτινοβολία εξαϋλωσης. Τα φωτόνια αυτά θα χάσουν την ενέργεια αυτή μέσω φαινομένου Compton ή φωτοηλεκτρικού.

60 Absorption coefficients for PE C & PP

61 Άσκηση (1/2) Πόση γίνεται η ενέργεια μιας δέσμης φωτονίων με αρχικό μήκος κύματος λ = 0,1 nm όταν σκεδάζονται από ελεύθερα ηλεκτρόνια σε γωνία 60 0 ; Το αυτό για λ = 1 pm. Η σχέση της σκέδασης Compton είναι λτελ λαρχ = h/mc (1-cosθ) Ο άγνωστος στη σχέση αυτή είναι το τελικό μήκος κύματος. Ο λόγος h/mc για το ηλεκτρόνιο έχει την τιμή 2.42*10-12 μέτρα. Άρα: λτελ = λαρχ *10-12 m(1-cos60 0 ) = 100 * * *0.5 = pm Όπως βλέπουμε για τόσο μεγάλα μήκη κύματος, η σκέδασηcompton ελάχιστα μεταβάλλει το μήκος κύματος. Η ενέργεια του αρχικού φωτονίου είναι (για τα 100pm): Ε=hc/λ= 4.14*10-15 ev*sec * 3*10 8 m/sec / (100*10-1 2m) = kev Για τα pm, η ενέργεια είναι κατά 1,21% μικρότερη δηλαδή 12,27keV. Στις ενέργειες αυτές η πιθανότητα φαινομένου Compton είναι ασήμαντη σχετικά με την πιθανότητα φωτοηλεκτρικού.

62 Άσκηση (2/2) Το αυτό για λ = 1 pm. Για 1 pm θα είναι λτελ = λαρχ *10-12 m (1-cos60 0 ) = 1 * * *0.5 = 2.21 pm Εδώ βέβαια η αρχική ενέργεια είναι 100 φορές μεγαλύτερη, 1242 kev. Η τελική θα είναι: Ε=hc/λ= 4.14*10-15 ev*sec * 3*10 8 m/sec / (2.21*10-12 m) ~ 580 kev Στις μεγάλες ενέργειες λοιπόν (~MeV), η ενέργειατου φωτονίου κατά τη σκέδαση Compton αλλάζει ισχυρά, ενώ η πιθανότητα του φαινομένου είναι κυρίαρχη (η δίδυμη γένεση δεν έχει αρχίσει και η πιθανότητα για φωτοηλεκτρικό έχει μειωθεί ισχυρότατα).

63 ΑΚΤΙΝΟΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΗ Σκοπός της Διαγνωστικής Ακτινολογίας είναι ο σχηματισμός εικόνων της εσωτερικής ανατομικής δομής του ανθρωπίνου σώματος με τη χρήση των ακτίνων Χ. Πηγή ακτίνων Χ Εξεταζόμενος Φιλμ Η απεικόνιση των δομών βασίζεται στο φαινόμενο της απορρόφησης της ακτινοβολίας Χ από το ακτινοβολούμενο σώμα και της αποτύπωσής της σε ένα (Σ) αποτύπωσης εικόνας (φιλμ, ενισχυτής εικόνας κ.λ.π.).

64 ΑΚΤΙΝΟΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΗ Η ακτινοδιαγνωστική στηρίζεται στις εξής ιδιότητες των ακτίνων Χ: να διαδίδονται ευθυγράμμως, να απορροφώνται από την ύλη εκλεκτικά (ανάλογα με την πυκνότητα και το ατομικό βάρος των στοιχείων από τα οποία αποτελείται), να μαυρίζουν (προσβάλλουν) την φωτογραφική πλάκα και να προκαλούν τον φθορισμό διάφορων κρυσταλλικών ουσιών, όπως το βολφραμικό ασβέστιο ή το βαριοκυανιούχο λευκόχρυσο. Στην απλή ακτινογραφία διακρίνονται τα όργανα που έχουν μεγάλη πυκνότητα, όπως είναι τα οστά ή ακόμα και τα όργανα που περιβάλλονται από άλλα όργανα με αραιή σύσταση, όπως είναι η καρδιά που περιβάλλεται από τους σχετικά αραιούς σε σύσταση πνεύμονες.

65 ΛΗΨΗ ΑΚΤΙΝΟΓΡΑΦΙΚΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ Η δέσμη των ακτίνων Χ διέρχεται από το ανθρώπινο σώμα και εξασθενεί. Η εξασθένηση είναι διαφορετική για τις διάφορες ανατομικές δομές. Αυτή η ανομοιογένεια καταγράφεται στο σύστημα σχηματισμού εικόνας.

66

67 Άλλες χρήσεις των ακτίνων Χ Με αυτές ανακαλύφθηκε και μελετήθηκε η κρυσταλλική δομή των στερεών (αργότερα και το DNA) Χρησιμοποιούνται πολύ στη μεταλλουργία, για τον έλεγχο της εσωτερικής συνέχειας ενός μεταλλικού υλικού. Έτσι ανακαλύπτονται μικρά κενά που σχηματίστηκαν κατά την πήξη του μετάλλου. Στην επιστημονική έρευνα επίσης η συμβολή τους είναι μεγάλη, κυρίως στη μελέτη της δομής των κρυστάλλων. Με ακτίνες Χ ελέγχονται οι πολύτιμοι λίθοι και αναγνωρίζονται, αν είναι γνήσιοι ή απομιμήσεις. Μελέτη και έλεγχος γνησιότητας έργων τέχνης... και άλλες πολλές...

68 Το παλίμψηστο Η ανακάλυψη της μοναδικής γνωστής ελληνικής εκδοχής του έργου του Αρχιμήδη ( π.χ.) "Περί οχουμένων" (Υδροστατική) και τα μοναδικάδιασωθέντααντίγραφατων έργων "Περί μηχανικών θεωρημάτων" και "Στομάχιον". Το πρωτότυπο κείμενο είχε αντιγραφεί σε περγαμηνή τον 10ο αιώνα από άγνωστο γραφέα. Τρείς αιώνες αργότερα, ο Ιωάννης Μύρωνας, μοναχός στα Ιεροσόλυμα, ανακύκλωσε την περγαμηνή ξύνοντας το αρχικό κείμενο και γράφοντας από πάνω ορθόδοξες προσευχές. Το μελάνι όμως που είχε χρησιμοποιηθεί από τον άγνωστο γραφέα για να καταγράψει την εργασία του Αρχιμήδη περιείχε σίδηρο. "Όταν οι ακτίνες X χτυπούν ένα άτομο σιδήρου αυτό εκπέμπει μια χαρακτηριστική ακτινοβολία, φωτοβολεί. Καταγράφοντας τη λάμψη αναδημιουργείται η εικόνα όλου του σιδήρου στο βιβλίο.

69 Ακτίνες Χ αποκαλύπτουν κρυμμένο έργο του Βαν Γκογκ. Το πορτραίτο μιας γυναίκας που κρυβόταν κάτω από ένα μεταγενέστερο τοπίο του Βαν Γκογκ ήρθε και πάλι στο φως χάρη σε ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας. Οι ερευνητές μπόρεσαν να αναδημιουργήσουν τα χρώματα του υποκείμενου πίνακα,μέσω του φθορισμού που προκαλούν τα άτομα υδραργύρου (που προέρχονταν από το κόκκινο χρώμα) και τα άτομα αντιμόνιου (κίτρινο χρώμα) όταν ακτινοβοληθούν από ακτίνες Χ.

70 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΑΝΤΙΚΥΘΗΡΩΝ Οι πρόσφατες μελέτες έγιναν με ακτίνες Χ και αποκάλυψαν εντυπωσιακές λεπτομέρειες για τα γρανάζια και τις σχέσεις τους. Οι μελέτες αυτές αποκάλυψαν τις εκπληκτικές αστρονομικές γνώσεις των Αρχαίων Ελλήνων, αλλά και ένα τεχνολογικό επίπεδο ακατανόητα υψηλό για την εποχή εκείνη.

71 Τα όρια δόσης και η μέτρηση της ακτινοβολίας Τα οφειλόμενα στην ακτινοβολία βιολογικά αποτελέσματα στον άνθρωπο, εξαρτώνται από την ενέργεια που απορροφάται και την κατανομή της στο σώμα, καθώς όλα τα όργανα και οι ιστοί δεν επιδεικνύουν την ίδια ευαισθησία στην ακτινοβολία. Η ποσότητα που χρησιμοποιείται για να εκφράσει το όριο κινδύνου από την ακτινοβολία λαμβάνει υπόψη αυτή τη διαπίστωση. Πρόκειται για μια μέση απορροφώμενη δόση, η οποία ονομάζεται ενεργός δόση και η μονάδα μέτρησής της ονομάζεται σίβερτ (sievert, Sv). Στις διαγνωστικές εφαρμογές των ακτίνων-χ και στα μέτρα προστασίας από την ακτινοβολία, οι σχετικές τιμές είναι πολύ μικρότερες από 1Sv. Κατά τη διάρκεια μιας συνήθους ακτινογραφίας θώρακα, ο ασθενής λαμβάνει δόση ίση με ένα χιλιοστό του sievert ή ένα1 msv. Οι κοσμικές ακτίνες δημιουργούν ένα φυσικό επίπεδο ακτινοβολίας της τάξης του ενός τρίτου του msv ετησίως. Στη περιοχή της Γενεύης, η ακτινοβολία από το φλοιό της Γης φθάνει περίπου το μισό msv ανά έτος.

72 Radiation absorbed dose (rad) Conventional units: A dose of 1 rad means the absorption of 100 ergs of radiation energy per gram of material SI units: A dose of 1 gray means the absorption of 1 joule of radiation energy per kilogram of material Conversions: 1 Gy = 100 rad 1 rad = 0.01 Gy 1 roentgen (R) = 258 microcoulomb/kg (µc/kg) 1 millicoulomb/kg mc/kg = 3876 milliroentgen (mr)

73 Gray (Gy) Απορροφούμενη δόση Absorbed dose (also known as total ionizing dose, TID) is a measure of the energy deposited in a medium by ionizing radiation. It is equal to the energy deposited per unit mass of medium, and so has the unit J/kg, which is given the special name Gray (Gy). 1Gy = 1J/kg The absorbed dose is not a good indicator of the likely biological effect. 1 Gy of alpha radiation would be much more biologically damaging than 1 Gy of photon radiation for example. Appropriate weighting factors can be applied reflecting the different relative biological effects to find the equivalent dose.

74 Sievert, Sv Ισοδύναμης δόσης Το sievert είναι η μονάδα SI της ισοδύναμης δόσης. Αυτή επιχειρεί να απεικονίσει όλες τις βιολογικές συνέπειες της ακτινοβολίας σε αντίθεση με την φυσική επίδραση, η οποία μετράται βάσει της απορροφημένης δόσης, η οποία μετράται σε grey. Ονομάστηκε από τον Rolf Sievert, Σουηδό φυσικό, γνωστό για τη δουλειά του πάνω στην μέτρηση δοσολογίας ακτινοβολιών καθώς και στην έρευνα πάνω στις βιολογικές συνέπειες της ακτινοβολίας. Βάση των μονάδων SI: 1 Sv = 1 J/kg = 1 m 2 /s 2 = 1 m2 s 2

75 Ισοδύναμα Δόσεων Για ένα δεδομένο ποσό ακτινοβολίας το βιολογικό αποτέλεσμα (μετρημένο σε sieverts) μπορεί να διαφέρει ιδιαίτερα σαν αποτέλεσμα διαφορετικής σχετικής βιολογικής αποτελεσματικότητας (relative biological effectiveness RBE ή Q) για κάθε είδος ακτινοβολίας που λαμβάνεται υπ όψιν. Το ισοδύναμο των δόσεων είναι ένα μέτρο του βιολογικού αποτελέσματος στην ακτινοβολία που δέχεται ένα ολόκληρο (πλήρες) σώμα και είναι ίσο με το προϊόν: Της απορροφημένης δόσης (σε Gy), Του παράγοντα ποιότητας Q (αδιάστατο) που εξαρτάται απί τον τύπο της ακτινοβολίας και Παράγοντα N (αδιάστατο), ανεξάρτητο από όλους τους άλλους σχετικούς παράγοντες 1Sv = 1Gy x Q x N Μετατροπή: 1 Sv = 100 rems 1 rem = 0.01 Sv

76 Τιμές Q Φωτόνια, (παντός ενέργειας) : Q = 1 Ηλεκτρόνια και μυόνια, (παντός ενέργειας) : Q = 1 Νετρόνια, ενέργεια < 10 kev : Q = 5 10 kev < ενέργεια < 100 kev : Q = kev < ενέργεια < 2 MeV : Q = 20 2 MeV < ενέργεια < 20 MeV : Q = 10 ενέργεια > 20 MeV : Q = 5 Πρωτόνια, ενέργειας > 2 MeV : Q = 5 Σωμάτια α καθώς και άλλοι ατομικοί πυρήνες: Q = 20

77 Τιμές N Ωοθήκες/Όρχεις : N = 0.20 Μεδούλι οστών, παχύ έντερο, πνεύμονας, στομάχι: N = 0.12 Εγκέφαλος, στήθος, νεφρό, ήπαρ, μύες, οισοφάγος, πάγκρεας, λεπτό έντερο, σπλήνα, θυρεοειδής αδένας, μήτρα: N = 0.05 Επιφάνεια οστών, δέρμα: N = 0.01 Και για άλλους οργανισμούς, σχετικούς με τον άνθρωπο: Ιοί, Βακτήρια, πρωτόζωα: N Έντομα: N Molluscs: N Φυτά: N Ψάρια: N Αμφίβια: N Ερπετά: N Πτηνά: N Άνθρωπος: N = 1

78 Αποτελέσματα διάφορων δόσεων Η αποτελεσματική δόση του φυσικού υποβάθρου διαφέρει αξιοσημείωτα από μέρος σε μέρος, αλλά τυπικά κυμαίνεται στα 2.4 msv/έτος Μια διαπεραστική δόση 1 Sv σε πλήρες σώμα κατ αντιστοιχία, προκαλέι ναυτία, 2-5 Sv προκαλούν απώλεια μαλλιών, αιμορραγίες καθώς και σε πολλές περιπτώσεις θάνατο. Πάνω από 3 Sv οδηγούν σε θάνατο το 50% των περιπτώσεων εντός 30 ημερών, Η επιβίωση πάνω από τα 6 Sv είναι σχεδόν απίθανη

79 Ασθένεια από ακτινοβόληση Ηασθένειααπόακτινοβόληση (Radiation poisoning, radiation sickness) είναι μία μορφή καταστροφής του οργανικού ιστού λόγω υπερβολικής έκθεσης σε ιονίζουσα ακτινοβολία. Ο όρος γενικά χρησιμοποιείται για οξεία προβλήματα που προκαλούνται από μεγάλη δόση ακτινοβολίας σε μικρή χρονική περίοδο, αλλά και για προβλήματα που προκλήθηκαν από έκθεση για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ο ιατρικός όρος για την «ασθένεια από ακτινοβόληση» είναι «οξύ σύνδρομο ακτινοβόλησης» (acute radiation syndrome, ARS). Το χρόνιο σύνδρομο άκτινοβόλησης υπάρχει αλλά είναι εξαιρετικά σπάνιο: έχει παρατηρηθεί σε εργάτες που δούλευαν στην εξόρυξη ραδίου καθώς και των πρώτο καιρό του Σοβιετικού πυρηνικού. Η έκθεση σε ακτινοβολία μπορέι να αυξήσει την πιθανότητα πρόκλησης άλλων ασθενειών, κυρίως καρκίνου, όγκων και καταστροφή του γενετικού υλικού.

80 Καμπύλη Δόσης/επιβίωση Με και χωρίς χρόνο ανάπαυσης για την αποκατάσταση/θεραπεία των κυττάρων

81 81

82 CERN LHC, to be finished in

83 83

84 84

85 85

86 86

87

88 Ακτίνες Γάμμα Ο όρος ακτίνα γάμμα χρησιμοποιείται για να δηλώσει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του πυρήνα ως μέρος της ραδιενεργού διεργασίας. Η ενέργεια της πυρηνικής ακτινοβολίας είναι πάρα πολύ μεγάλη λόγω του ότι προέρχεται από την εσωτερική «διαπάλη» μέσα στον πυρήνα των δύο πιο δυνατών δυνάμεων στη φύση, της σκληρής πυρηνικής και της ηλεκτρομαγνητικής. Το φωτόνιο της ακτινοβολίας γάμμα στην πραγματικότητα είναι ίδιο με αυτό των ακτινών-χ, από τη στιγμή που και οι δύο είναι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες: Οι όροι ακτίνες-χ και ακτίνες γάμμα ουσιαστικά δηλώνουν την προέλευση παρά το είδος της ακτινοβολίας. Στις αλληλεπιδράσεις με την ύλη, οι ακτίνα γ είναι ιονίζουσα ακτινοβολία και έχει φυσιολογικές επιδράσεις που δεν παρατηρούνται με οποιαδήποτε έκθεση σε μη ιονίζουσες ακτινοβολίες όπως ο κίνδυνος μεταλλάξεων και ο καρκίνου στους ιστούς. Συχνότητες: τυπικές >10 20 Hz Μήκη κύματος: τυπικά < m Ενέργεια κβάντου: τυπική >1 MeV

89 Εντός του αδιανόητα μικρού μεγέθους του πυρήνα, οι δύο πιο δυνατές δυνάμεις της φύσης ανταγωνίζονται η μία την άλλη. Όταν η ισορροπία χάνεται, η απορρέουσα ραδιενέργεια αποδίδει σωματίδια με τεράστια ποσά ενέργειας Πυρηνικές Δυνάμεις Το ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο Υδρογόνου έλκεται στον πρωτονιακό πυρήνα με μία τόσο μεγάλη δύναμη που η βαρύτητα και όλες οι άλλες δυνάμεις είναι συγκριτικά αμελητέες. Αλλά δύο πρωτόνια που άπτονται το ένα του άλλου θα αισθανόταν μία απωθητική δύναμη πάνω από 100 εκατομμύρια φορές πιο δυνατή!! Πώς λοιπόν αυτά τα πρωτόνια μπορούν να μένουν τόσο κοντά μεταξύ τους; Αυτό θα μπορούσε να δώσει μία εικόνα του μεγέθους της σκληρής πυρηνικής δύναμης η οποία κρατά τους πυρήνες συμπαγείς.

90 Μοντέλο κλίμακας για τη συσχέτιση ενός ατόμου με το ηλιακό σύστημα Μπορείτε να διακρίνεται ένα χρυσό δακτύλιο που να περιέχει ένα μεγαλύτερο κλάσμα συμπαγούς ύλης από το ηλιακό σύστημα; Υπόαυτήτηνκλίμακα, το πλησιέστερο αστέρι (ο Κένταυρος μαζί με τον πιο λαμπρό «γείτονά» του, το Άλφα του Κενταύρου, σε απόσταση 4 ετών φωτός) θα ήταν λίγο περισσότερο από μίλια μακρυά.

91 Ακτινοβολία (Ραδιενέργεια) γάμμα Η ακτινοβολία γάμμα αποτεκ\λείται από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Διακρίνεται από τις ακτίνες-χ μόνο διότι προέρχεται από τον πυρήνα. Οι περισσότερες από τις ακτίνες γάμμα έχουν περισσότερη ενέργεια από τις ακτίνες-χ και συνεπώς είναι πιο διεισδυτικές. Είναι η πιο χρήσιμη μορφή ακτινοβολίας για ιατρικές εγφαρμογές, αλλά την ίδια στιγμή είναι και η πιο επικίνδυνη λόγω της ικανότητάς της να διαπερνά μεγάλα πάχη ύλης.

92 Διάγραμμα β - μετάπτωσης Ο πυρήνας του Καισίου 137 υφίσταται b μετάπτωση Cs 137 Ba 137 +e - +v e(anti) Μέγιστη ενέργεια (Emax) της βήτα 0.51MeV, 1.17MeV Χρόνος ημιζωής 30 έτη Ενέργεια φωτονίου 662 kev Μετατρέπεται σε Βάριο είτε απ αυθείας στην βασική μορφή (1.17 MeV) (το 5% των περιπτώσεων), ήστηνδιηγερμένητουμορφή(στο 95% των περιπτώσεων) Σε χρόνο της τάξης του psec η διηγερμένη μορφή του Βαρίου (Ba) χάνει την ενέργεια διέγερσης... Ακτινοβολία γάμμα εκπέμπεται με ενέργεια E=0,662 MeV

93 Μετάπτωση του Κοβαλτίου-60 Το Κοβάλτιο-60 (60Co) είναι ένα ραδιενεργό ισότοπο του κοβαλτίου, με χρόνο ημιζωής τα 5.27 έτη. Το 60Co λόγω της αρνητικήε βήτα μετάπτωσης, μεταπίπτει στο σταθερό ισότοπο Νικέλιο- 60 (60Ni). Όταν το 60Co μεταπίπτει, το 99.88% των ηλεκτρονίων έχουν μία ενέργεια κοντά στα 315 kev. Το ενεργοποιημένο Ni-atom εκπέμπει δύο γάμμα ακτινοβολίες με ενέργειες 1.17 και 1.33 MeV, αντίστοιχα.

94 Διείσδυση μέσω ύλης Αν καιτοπιοσυμπαγέςκαιπιοενεργητικόαπότις ραδιενεργές εκπομπές, το σωματίδιο άλφα είναι το πιο λίγο διεισδυτικό λόγω της έντονης αλληλεπίδρασής του με την ύλη. Η ηλεκτρομαγνητική γάμμα ακτινοβολία είναι υπερβολικά διεισδυτική, διαπερνώντας ακόμη και σημαντικά πάχη από μπετό. Το ηλεκτρόνιο της βήτα ακτινοβολίας αλληλεπιδρά έντονα με την ύλη και έχει μικρό εύρος διεισδυτικότητας.

95 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας γάμμα με την ύλη Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Φαινόμενο Compton hv -e hv' Παραγωγή «ζεύγους» απλή διέλευση hv -e hv -e +e hv

96 Ακτινοβολία γάμμα στην ιατρική Λόγω της ιδιότητας που έχει να διεισδύει στους ιστούς, η γάμμα ακτινοβολία /X-ακτινοβολία έχει ένα μεγάλο εύρος σε ιατρικές εφαρμογές όπως CT Έλγχο και ακτινοθεραπεία. Ωστόσο, ως μορφή ιονίζουσας ακτινοβολίας έχει την ικανότητα να προκαλεί μοριακές μετατροπές, δύναται λοιπόν να προκαλέσει καρκίνο όταν επηρεαστεί το DNA. Πέρα από την ιδιότητα που έχουν να προκαλούν καρκίνο, οι ακτινοβολίες γάμμα χρησιμοποιούνται επίσης στην θεραπεία κάποιων μορφών καρκίνου. Κατά την διαδικασία που ονομάζεται γάμμα-knife επέμβαση (gamma-knife surgery), πολλαπλές δέσμες γάμμα ακτινοβολίας κατευθύνονται στον όγκο ούτως ώστε να καταστρέψουν τα καρκινικά κύτταρα. Οι δέσμες εκτοξεύονται υπό διαφορετικές γωνίες για να επικεντρώσουν την ακτινοβολία στον όγκο ελαττώνοντας την καταστροφή του γύρω ιστού.

97 Ακτινοβολία γάμμα στην ιατρική Η ακτίνες γάμμα χρησιμοποιούνται επίσης για διαγνωστικούς σκοπούς στην πυρηνική ιατρική. Διάφορα ραδιοϊσότοπα εκπομπής ακτινοβολίας γ χρησιμοποιούνται, ένα από τα οποία είναι το τεχνήτιο-99m. Όταν χορηγείται σε έναν ασθενή, μία γ κάμερα χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει μία εικόνα της κατανομής του ραδιοϊσοτόπου αναγνωρίζοντας την γ ακτινοβολία που αυτό εκπέμπει. Μία τέτοια τεχνική μπορεί να εφαρμοσθεί για τη διάγνωση μίας μεγάλης γκάμας συνθηκών (π.χ. εξάπλωση καρκίνου στα οστά).

98 Αποστείρωση με ακτινοβολία γάμμα Η ακτινοβολία γάμμα είναι πολύ διεισδυτική και συχνά χρησιμοποιείται στην αποστείρωση ιατρικού εξοπλισμού όπως σύριγγες, βελόνες κλπ, πριν αυτά απορριφθούν. Η χρήση της ακτινοβολίας γάμμα απαιτεί «βαριά» θωράκιση ασφαλείας για τον χρήστη: επίσης απαιτείται η αποθήκευση του ραδιοϊσοτόπου (Κοβάλτιο-60), το οποίο εκπέμπει συνεχώς ακτινοβολία γ (δεν μπορεί να πάψει να εκπέμπει και συνεπώς αποτελεί μία πηγή κίνδυνου στην περιοχή που βρίσκεται η συσκευή).

99 Άλλες χρήσεις της ακτινοβολίας γάμμα Στις Η.Π.Α., οι ανιχνευτές ακτινοβολίας γάμμα, έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται ως μέρος του συστήματος ασφαλείας για τον έλεγχο τον εμπορικών Container (Container Security Initiative) που μπαίνουν από τα σύνορά τους. Οι συσκευές αυτές κοστίζουν 5x10 6 δολάρια και μπορούν να ελέγχουν 30 containers την ώρα. Σκοπός είναι ο έλεγχος τον εμπορευμάτων που μεταφέρονται με τα Container πριν αυτά μπουν στη χώρα.