Άσκηση 1. 1s 2s 2p (δ) 1s 3 2s 1. (ε) 1s 2 2s 1 2p 7 (στ) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2

Transcript

1 Άσκηση 1 Ποια από τα ακόλουθα διαγράµµατα τροχιακών και τις ηλεκτρονικές δοµές είναι επιτρεπτό και ποιο αδύνατο, σύµφωνα µε την απαγορευτική αρχή του Pauli; Εξηγήστε. (α) (β) (γ) 1s 2s 2p (δ) 1s 3 2s 1 (ε) 1s 2 2s 1 2p 7 (στ) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2

2 Άσκηση 2 Να γράψετε την ηλεκτρονική δοµή της θεµελιώδους κατάστασης των παρακάτω ατόµων. Η (υδρογόνο), Β (βόριο), Ο (οξυγόνο), Al (αλουµίνιο), K (κάλλιο), He (ήλιο), C (άνθρακας), F (φθόριο), Si (πυρίτιο), Ca (ασβέστιο).

3 Άσκηση 3 I) Κατά την διέγερση ενός ατόµου υδρογόνου από µία ενεργειακή κατάσταση σε µία άλλη έχουµε α. αύξηση της ενέργειας του ατόµου. β. ελάττωση της ακτίνας της τροχιάς του ηλεκτρονίου. γ. εκποµπή φωτονίου. δ. ιονισµό του ατόµου. II) Ποια από τις παρακάτω ηλεκτρονικές δοµές ατόµων εκφράζει άτοµο σε διεγερµένη κατάσταση; α. 1s 2 2s 1 β. 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 γ. 1s 2 2s 2 2p 6 δ. 1s 1 2s 2

4 Άσκηση 4 a. Να γράψετε την ηλεκτρονική δοµή του Μg και του Ar. ( ίδονται: Ατοµικός αριθµός Μg = 12 και Αr = 18) β. Πόσα ηλεκτρόνια του ατόµου Μg έχουν m s = +½;

5 Βασικά στοιχεία αλληλεπίδρασης ακτινοβολίας και ύλης ιάλεξη 2 η

6 Ύλη δεύτερου µαθήµατος Αλληλεπίδραση σωµατιδίων και ύλης Αλληλεπίδραση νετρονίων και ύλης Αλληλεπίδραση φωτονίων Εξασθένηση Απορρόφηση ακτινοβολίας από την ύλη

7 Αλληλεπίδραση σωµατιδίων και ύλης ιέγερση, ιονισµό και απώλεια ενέργειας µε εκποµπή ακτινοβολίας. Ειδικό ιονισµό. Σκεδασµό.

8 ιέγερση και αποδιέγερση ιέγερση είναι η µεταφορά µέρους της ενέργειας του προσπίπτοντος σωµατιδίου σε ηλεκτρόνιο στιβάδας ατόµου της ύλης, µε τρόπο ώστε το ηλεκτρόνιο αυτό να µεταπηδήσει σε εξωτερική στιβάδα (µεγαλύτερης ενέργειας). Αµέσως µετά τη διέγερση, το ηλεκτρόνιο θα επιστρέψει σε εσωτερική στιβάδα εκπέµποντας την περίσσεια της ενέργειας µε µορφή ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας. Το δεύτερο αυτό στάδιο καλείται αποδιέγερση.

9 Ιονισµός και απώλεια ενέργειας µε εκποµπή ακτινοβολίας o Τι είναι ιονισµός; o Αν το µέρος της ενέργειας του προσπίπτοντος σωµατιδίου που µεταφέρεται στο τροχιακό ηλεκτρόνιο είναι µεγαλύτερο της δεσµευτικής ενέργειας του δεύτερου, τότε θα συµβεί ιονισµός. o Μερικές φορές τα εκπεµπόµενα ηλεκτρόνια έχουν αρκετή κινητική ενέργεια και προκαλούν περαιτέρω ιονισµούς (σε γειτονικά άτοµα) που καλούνται δευτερογενείς. Τα ηλεκτρόνια - προϊόντα των δευτερογενών ιονισµών ονοµάζονται ακτίνες δέλτα.

10 Ειδικός ιονισµός Ειδικός Ιονισµός (specific ionization) είναι ο αριθµός των πρωτογενών και δευτερογενών ζευγών ιόντων που παράγονται κατά την πορεία φορτισµένου ή µη σωµατιδίου στην ύλη, ανά µονάδα µήκους διαδροµής (συνήθως µετράτε σε αριθµό ζευγών ιόντων ανά mm διαδροµής). Καθώς το προσπίπτων φορτισµένο σωµατίδιο επιβραδύνεται κατά την πορεία του µέσα στην ύλη, ο ειδικός ιονισµός αυξάνεται παρουσιάζοντας ένα µέγιστο (κορυφή Bragg) λίγο πριν χάσει τελείως την ιονιστική του ικανότητα. Η κορυφή Bragg βρίσκει εφαρµογή στην ακτινοθεραπεία. Ρυθµίζοντας κατάλληλα την κινητική ενέργεια βαριά φορτισµένων σωµατιδίων είναι δυνατόν να αποδοθεί µε ακρίβεια µεγάλη ποσότητα ραδιενεργού δόσης, σε συγκεκριµένο βάθος στο σώµα του ασθενή (π.χ. σε καρκινικό όγκο), ενώ γειτονικοί υγιείς ιστοί (εκτός κορυφής Bragg) ακτινοβολούνται µε σηµαντικά λιγότερη ενέργεια.

11 Σκεδασµός Με την έννοια σκεδασµός περιγράφεται η αλλαγή της πορείας σωµατιδίου ή φωτονίου (π.χ. ως αποτέλεσµα αλληλεπίδρασής του µε την ύλη). Πιο συγκεκριµένα, όταν το φως πέφτει πάνω σε ύλη, η ύλη αφήνει το φως να συνεχίσει ευθύγραµµα, αλλά επίσης επανεκπέµπει το φως σε όλες τις διευθύνσεις. Ενέργεια µπορεί να χαθεί π.χ. για να παραχθεί ένα ζεύγος ιόντων. Όµως ακόµη και σε περιπτώσεις ιονισµού, η σύγκρουση µπορεί να θεωρηθεί ελαστική, αν η δεσµευτική ενέργεια του ηλεκτρονίου που εγκαταλείπει το άτοµο είναι πολύ µικρότερη της κινητικής ενέργειας του προσπίπτοντος σωµατιδίου.

12 Ελαστικός σκεδασµός Κατά τον ελαστικό σκεδασµό η αρχική κινητική ενέργεια και η ορµή όλων των εµπλεκοµένων σωµατιδίων διατηρούνται αµετάβλητες. Παράδειγµα; Οπισθοδρόµηση πυρήνα Προσπίπτων σωµατίδιο Πυρήνας Σωµατίδιο Εn = En

13 Ανελαστικός σκεδασµός Κατά τον ανελαστικό σκεδασµό η κινητική ενέργεια όλων των σωµατιδίων µετά την σύγκρουση είναι µικρότερη της αρχικής. Παράδειγµα; Ακτίνες - γ Προσπίπτων σωµατίδιο Πυρήνας Εκπέµπων σωµατίδιο Εn = En + Εγ

14 Αλληλεπίδραση νετρονίων και ύλης Τα νετρόνια είναι σωµατίδια, αλλά δεν έχουν φορτίο. Εποµένως δεν αλληλεπιδρούν µε ηλεκτρόνια της ύλης. Αλληλεπιδρούν µε πυρήνες απελευθερώνοντας πολλές φορές φορτισµένα σωµατίδια ή κοµµάτια πυρήνα, τα οποία µε τη σειρά τους (αν έχουν αρκετή κινητική ενέργεια) προκαλούν διεγέρσεις και ιονισµούς της ύλης. Τα νετρόνια αλληλεπιδρούν κυρίως µε πυρήνες ατόµων µικρού ατοµικού αριθµού (π.χ. H, C, O), οι οποίοι συνήθως αποκτούν κινητική ενέργεια αρκετή για να διεγείρουν και να ιονίσουν γειτονικά άτοµα. Τα νετρόνια µπορούν επίσης να «συλληφθούν» από πυρήνες ατόµων και να επανεκπεµφθούν ή να δηµιουργήσουν διαφορετικό πυρήνα, που συνήθως εκπέµπει την περίσσεια ενέργειά του µε τη µορφή ακτινοβολίας γ. 1Η + 1n 2Η + γ, Ε γ =2,22 MeV Οι νέοι πυρήνες που πιθανόν δηµιουργηθούν µε απορρόφηση νετρονίων µπορεί να είναι σταθεροί ή ραδιενεργοί.

15 Αλληλεπίδραση φωτονίων µε την ύλη Τα φωτόνια που προσπίπτουν στην ύλη µπορεί να την διαπεράσουν, να σκεδαστούν ή να απορροφηθούν. Υπάρχουν τέσσερις κύριοι µηχανισµοί αλληλεπίδρασης φωτονίων µε την ύλη (α) σκεδασµός Rayleigh, (β) σκεδασµός Compton, (γ) φωτοηλεκτρικό φαινόµενο και (δ) δίδυµη γένεση - εξαΰλωση.

16 Σκεδασµός Rayleigh Κατά το σκεδασµό Rayleigh το προσπίπτων φωτόνιο αλληλεπιδρά και διεγείρει όλο το άτοµο, σε αντίθεση µε τον σκεδασµό Compton και το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο (απορρόφηση). Ο σκεδασµός αυτός επικρατεί στην ακτινοδιαγνωστική πολύ χαµηλών ενεργειών (όπως στη µαστογραφία (15 µε 30 KeV). Κατά τη διάρκεια του σκεδασµού Rayleigh η ενέργεια του ηλεκτρικού πεδίου του προσπίπτοντος φωτονίου (ηλεκτροµαγνητικό κύµα) προκαλεί συντονισµένη (σε φάση) ταλάντωση όλων των ηλεκτρονίων του σκεδάζοντος ατόµου. Το νέφος των ηλεκτρονίων αυτού του ατόµου αµέσως επανεκπέµπει την ενέργεια που προσωρινά απορρόφησε, µε τη µορφή φωτονίου ίδιας ενέργειας µε του προσπίπτοντος, αλλά µε λίγο διαφορετική κατεύθυνση (γωνία αντίστροφα ανάλογη της προσπίπτουσας ενέργειας).

17 Το φαινόµενο Compton Η κλασική κυµατική θεωρία αδυνατούσε να εξηγήσει τη σκέδαση ακτίνων Χ από ελεύθερα ηλεκτρόνια. Προέβλεπε ότι η προσπίπτουσα ακτινοβολία συχνότητας f θα έπρεπε να επιταχύνει ένα ηλεκτρόνιο στην κατεύθυνση διάδοσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Το µήκος κύµατος της σκεδαζόµενης ακτινοβολίας έπρεπε να εξαρτάται από το χρονικό διάστηµα κατά το οποίο το ηλεκτρόνιο εκτίθεται στην προσπίπτουσα ακτινοβολία, καθώς και από την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Ο Compton απέδειξε πειραµατικά ότι η µετατόπιση του µήκους κύµατος των σκεδαζόµενων φωτονίων σε µια δεδοµένη γωνία είναι τελείως ανεξάρτητη από την ένταση της ακτινοβολίας και από τη χρονική διάρκεια της έκθεσης, αλλά εξαρτάται µόνο από τη γωνία σκέδασης. λ λ = 0 h m c e ( 1 cosθ)

18 Σκεδασµός Compton Η σκέδαση Compton είναι η σύγκρουση του φωτονίου µε κάποιο από τα ηλεκτρόνια του ατόµου (συνήθως της εξωτερικής στοιβάδας) και η αποδέσµευσή του από το άτοµο µετά την πρόσκρουση του φωτονίου. Το ηλεκτρόνιο αυτό ονοµάζεται ηλεκτρόνιο Compton. To προσπίπτων φωτόνιο µετά την σύγκρουση, χάνοντας ενέργεια, σκεδάζεται µε γωνία 0-180, ανάλογα µε την ενέργεια που χάνει και η οποία απορροφάται από το ηλεκτρόνιο. Οι νόµοι διατήρησης της ορµής και της ενέργειας ισχύουν και η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου είναι ίση µε το άθροισµα της ενέργειας του σκεδαζόµενου φωτονίου και της κινητικής ενέργειας του ηλεκτρονίου που αποµακρύνεται.

19 Το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο Το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο είναι το φαινόµενο κατά το οποίο µια µεταλλική επιφάνεια απελευθερώνει ηλεκτρόνια στο περιβάλλον όταν πάνω της προσπίπτει φως. Κατά το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο, όλη η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου µεταφέρεται σε ηλεκτρόνιο, το οποίο και εγκαταλείπει το άτοµο του υλικού µε τι κινητική ενέργεια;

20 Το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο Εκποµπή φωτοηλεκτρονίων έχουµε µόνο όταν η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι µεγαλύτερη ή ίση µιας ορισµένης συχνότητας, η οποία είναι χαρακτηριστική για το µέταλλο. Αυτή η οριακή συχνότητα ονοµάζεται συχνότητα κατωφλίου (f ο ). Ο αριθµός των ηλεκτρονίων που αποσπώνται από το µέταλλο ανά µονάδα χρόνου είναι ανάλογος της έντασης της φωτεινής ακτινοβολίας που προσπίπτει στο µέταλλο. Η ταχύτητα µε την οποία εξέρχονται τα ηλεκτρόνια δεν εξαρτάται από την ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας αλλά µόνο από τη συχνότητά της και αυξάνεται όταν η συχνότητα της ακτινοβολίας µεγαλώνει. Η πιθανότητα φωτοηλεκτρικής απορρόφησης ανά µονάδα µάζας είναι ανάλογη του Ζ 3 /Ε 3, όπου Ζ ο ατοµικός αριθµός του υλικού και Ε η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου. Το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο λαµβάνει χώρα κυρίως σε υλικά µε µεγάλο ατοµικό αριθµό.

21 Έργο εξαγωγής Για να υπερνικήσει τις δυνάµεις που το συγκρaτούν στο µέταλλο ένα ηλεκτρόνιο πρέπει να προσλάβει ένα ελάχιστο ποσό ενέργειας. Η ενέργεια αυτή ονοµάζεται έργο εξαγωγής και συµβολίζεται, W εξ όπου ποικίλει από µέταλλο σε µέταλλο. Ισχύει ότι: Αν η ενέργεια hν του φωτονίου είναι µικρότερη από το έργο εξαγωγής, το ηλεκτρόνιο δε µπορεί να εγκαταλείψει το µέταλλο. Εάν είναι µεγαλύτερη ή ίση µε το έργο εξαγωγής το ηλεκτρόνιο εγκαταλείπει το µέταλλο µε κινητική ενέργεια που υπολογίζεται από τη παρακάτω σχέση. Συνοπτικά, Εκ = ½ mυ 2 = hν - W εξ (Φωτοηλεκτρική εξίσωση του Einstein) εξ hv W εξ 0, δηλαδή η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου πρέπει να είναι µεγαλύτερη ή οριακά ίση µε το έργο εξαγωγής, hv ή ν W εξ /h. Η συχνότητα κατωφλίου, f ο = W εξ /h

22 Άσκηση 1 Αν φωτίσουµε τα µέταλλα λίθιο (έργο εξαγωγής 2,3 ev), βηρύλλιο (έργο εξαγωγής 3,9 ev) και υδράργυρο (έργο εξαγωγής 4,5 ev) µε φως µήκους κύµατος 400 nm προσδιορίστε: 1) Σε ποιο από τα µέταλλα παρατηρείται το φωτοηλεκτρικό φαινόµενο. 2) Τη µέγιστη κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων σε αυτή τη περίπτωση. ίδονται: c = 3 x 10 8 m / sec, h = 4,135 x ev s

23 Άσκηση 2 Μονοχρωµατικό φως λ = 300 nm πέφτει σε άτοµο Na µε έργο εξαγωγής W εξ. = 2,46 ev. Βρείτε: Α) Την κινητική ενέργεια των εκπεµπόµενων ηλεκτρονίων και Β) Το οριακό µήκος κύµατος (κατωφλίου) λ c για εκποµπή ηλεκτρονίων από το Na. ίδονται: c = 3 x 10 8 m / sec, h = 4,135 x ev s

24 Άσκηση 3 Αν το δυναµικό αποκοπής V 0 = 1,25 V, βρείτε: Α) Τη µέγιστη κινητική ενέργεια και Β) Τη µέγιστη ταχύτητα των εκπεµπόµενων ηλεκτρονίων. ίδονται: e = 1,6 x Cb και m = 9,11 x kg

25 Άσκηση 4 Ένας ραδιοσταθµός έχει συχνότητα 89,3 MHz και εκπεµπόµενη ισχύ 43 kw. Πόση ενέργεια εκπέµπεται από κάθε φωτόνιο; ίδονται: h = 6,626 x J s

26 Άσκηση 5 ίδονται τρία διαφορετικά µέταλλα µε αντίστοιχο έργο εξαγωγής: Αλουµίνιο 6,56 x J Κοβάλτιο 8,00 x J Χαλκός 7,52 x J (α) Όταν ακτινοβολία, συγκεκριµένης συχνότητας και έντασης, πρόσπιπτε διαδοχικά στην επιφάνεια του κάθε µετάλλου, παρατηρήθηκε εξαγωγή ηλεκτρονίων µόνο από ένα µέταλλο. Εξηγήστε ποιο ήταν το µέταλλο αυτό. (β) Στην προσπάθεια του ένας φοιτητής να εξάγει ηλεκτρόνια από τα άλλα δύο µέταλλα (πλην εκείνου που αναφέρεται στο (α) ερώτηµα), αυξάνει την ένταση της ακτινοβολίας διατηρώντας τη συχνότητα σταθερή. υστυχώς, για το φοιτητή, δεν παρατηρήθηκε και πάλι καµιά εξαγωγή ηλεκτρονίων και γι αυτά τα µέταλλα. Εξηγήστε τη παρατήρηση αυτή. (γ) Σε µια άλλη δραστηριότητα ο φοιτητής πήρε το µέταλλο στο οποίο αρχικά παρατηρήθηκε εξαγωγή ηλεκτρονίων µε την πρόσπτωση ακτινοβολίας και άρχισε να ελαττώνει τη συχνότητα της ακτινοβολίας διατηρώντας την ένταση σταθερή. Εξηγήστε τι θα παρατηρηθεί. (δ) Να υπολογίσετε την κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων που εξέρχονται από το χαλκό όταν προσπέσει πάνω στην επιφάνεια του ακτινοβολία συχνότητας ίση µε 1 x Hz. ( ίνεται η σταθερά του Planck = 6,626 x J s)

27 Άσκηση 6 ίνεται το διάγραµµα σταθµών ενέργειας του ατόµου του υδρογόνου E (x J) n=5 n=4 n=3 n=2 n=1 E 5 = -0,87 E 4 = -1,36 E 3 = -2,42 E 2 = -5,43 E 1 = -21,7 (α) Με πόσους δυνατούς τρόπους µπορεί ένα ηλεκτρόνιο να αποδιεργεθεί (µεταπηδήσει) από την τέταρτη (n=4) στη δεύτερη (n=2) ενεργειακή στάθµη; Να υπολογίσετε την ενέργεια του φωτονίου σε κάθε αποδιέργεση. (β) Να υπολογίσετε τη συχνότητα ενός φωτονίου που εκπέµπεται µε αποδιέργεση του ατόµου του υδρογόνου από τη τέταρτη (n=4) στη δεύτερη (n=2) ενεργειακή στάθµη. (γ) Τι είναι το γραµµικό φάσµα εκποµπής του υδρογόνου; ίδονται: h = 6,626 x J s

28 ίδυµη γένεση 1. Η δίδυµη γένεση είναι το φαινόµενο της παραγωγής ενός ζεύγους σωµατιδίου και του αντισωµατιδίου του, 2. Για να γίνει η παραγωγή του ζεύγους (π.χ. ηλεκτρόνιο και ποζιτρόνιο) πρέπει η ενέργεια του φωτονίου να είναι τουλάχιστον ίση µε την ολική ενέργεια ηρεµίας των δύο σωµατιδίων (2 x 1,022 KeV στην περίπτωση του ηλεκτρονίου - ποζιτρονίου), και ότι η κατάσταση επιτρέπει και στην ενέργεια και στην ορµή να διατηρηθούν σταθερές, 3. Όλοι οι άλλοι κβαντικοί αριθµοί των δύο σωµατιδίων που παράγονται και διατηρούνται (στροφορµή και ηλεκτρικό φορτίο), πρέπει να έχουν άθροισµα µηδέν - έτσι τα δύο σωµατίδια θα έχουν αντίθετες τιµές αυτών των κβαντικών αριθµών.

29 Εξαΰλωση Η εξαΰλωση είναι το αντίθετο φαινόµενο της δίδυµου γένεσης. Όταν για παράδειγµα ένα ηλεκτρόνιο και ένα ποζιτρόνιο αντιδρούν µεταξύ τους λόγω του αντίθετου φορτίου τους δηµιουργούνται δύο ακτίνες γάµµα. Η διαδικασία αυτή ικανοποιεί 1. Την διατήρηση του φορτίου. Το καθαρό φορτίο πριν και µετά είναι µηδέν. 2. Την διατήρηση της ορµής και της ολικής ενέργειας. Αυτή η αρχή απαγορεύει την δηµιουργία µιας ακτίνας γάµµα. Ενώ κάθε φωτόνιο θα έχει ενέργεια ίση µε την ενέργεια ηρεµίας του ηλεκτρονίου 511 kev. 3. Την διατήρηση της στροφορµής.

30 Είδη ραδιενεργού ακτινοβολίας Οι διασπάσεις των πυρήνων κατά την ραδιενέργεια, φυσική ή τεχνητή, είναι τεσσάρων ειδών και αντίστοιχα προκύπτουν τέσσερα είδη ραδιενεργού ακτινοβολίας: Ακτινοβολία α Ακτινοβολία β Ακτινοβολία γ Ακτίνες - Χ

31 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας α µε την ύλη Κατά τον τύπο αυτό της ραδιενέργειας εκπέµπονται σωµάτια α από τον ασταθή µητρικό πυρήνα του στοιχείου Ήλιον και ο αρχικός πυρήνας µετατρέπεται σε πυρήνα άλλου στοιχείου (θυγατρικός). Λέµε ότι έχοµε µεταστοιχείωση, αφού ο θυγατρικός πυρήνας αντιστοιχεί σε άλλο στοιχείο. Έτσι όπως φαίνεται και στο διπλανό σχήµα ο πυρήνας τού ασταθούς ουρανίου-238 εκπέµπει σωµατίδια α και µετατρέπεται σε πυρήνα θορίου-234. Όταν σωµάτια α, όπως και όλα τα άλλα φορτισµένα σωµάτια, διέρχονται από την ύλη, χάνουν ενέργεια λόγω διέγερσης και κυρίως λόγω ιονισµού, που προκαλούν στα άτοµα του απορροφητή. Η απώλεια αυτή της ενέργειας οφείλεται στην αλληλεπίδραση των πεδίων Coulomb του σωµατίου α και των δέσµιων ηλεκτρονίων του ατόµου. Άλλες πιθανές αλληλεπιδράσεις είναι οι πυρηνικές αντιδράσεις, η µη ελαστική σκέδαση των α από πυρήνες κλπ. Όλες όµως αυτές οι αλληλεπιδράσεις είναι αµελητέες για τις ενέργειες των α που θεωρούµε.

32 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας β µε την ύλη Στη περίπτωση αυτή έχοµε εκποµπή ηλεκτρονίου (e - ) ή ποζιτρονίου (e + ), αντιηλεκτρονίου δηλαδή, από τον µητρικό πυρήνα µε την ταυτόχρονη µετατροπή νετρονίου σε πρωτόνιο ή πρωτονίου σε νετρόνιο στο εσωτερικό του. Και σ αυτή τη περίπτωση έχουµε µεταστοιχείωση. Έτσι στα παρακάτω σχήµατα πυρήνας βρωµίου µετατρέπεται σε πυρήνα κρυπτού µε ταυτόχρονη εκσφενδόνιση ηλεκτρονίου (αριστερά), ή σε πυρήνα σεληνίου µε ταυτόχρονη εκσφενδόνιση ποζιτρονίου (δεξιά).

33 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας β µε την ύλη Τα σωµάτια β, ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια διερχόµενα από την ύλη χάνουν ενέργεια, όπως και τα βαριά φορτισµένα α-σωµάτια, κυρίως λόγω ιονισµού και διέγερσης των δέσµιων ηλεκτρονίων του ατόµου. Ωστόσο, τα σωµάτια β σε αντίθεση µε τα βαριά σωµάτια α, έχουν την ίδια µάζα µε τα τροχιακά ηλεκτρόνια και εποµένως η απόκλιση κατά τη σκέδαση είναι µεγάλη.

34 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας γ µε την ύλη Σ αυτή τη περίπτωση εκπέµπεται ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία εξαιρετικά υψηλής συχνότητας, άρα και ενέργειας, από τον ασταθή αρχικό πυρήνα, ο οποίος έτσι έρχεται σε σταθερή κατάσταση χωρίς να υπάρξει µεταστοιχείωση.

35 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας γ µε την ύλη Η αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας γ µε την ύλη είναι τελείως διαφορετική από εκείνη των φορτισµένων σωµατίων, τα οποία όπως είδαµε χάνουν την ενέργειά τους λόγω κυρίως αλληλεπιδράσεων µε τα ατοµικά ηλεκτρόνια. Η απώλεια ενέργειας των φορτισµένων σωµατίων γίνεται σταδιακά, σαν αποτέλεσµα πολλών κρούσεων, που σε κάθε µια ένα τµήµα της αρχικής ενέργειας απορροφάται. Τρεις κυρίως είναι οι µηχανισµοί, υπεύθυνοι για την απορρόφηση της: 1. Φωτοηλεκτρικό φαινόµενο (επικρατεί για ενέργειες των γ από 100 kev έως 500 kev), 2. Φαινόµενο Compton (από 100 kev έως 1,0 MeV), 3. ίδυµη γένεση (για ενέργειες µεγαλύτερες από 1,02 MeV).

36 Ακτινοβολία Χ Είναι και αυτή ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία (φωτόνια) υψηλής ενέργειας, της ίδιας φύσης µε την ακτινοβολία γ, αλλά διαφορετικής προέλευσης. Παράγεται στις ηλεκτρονικές στιβάδες των ατόµων (χαρακτηριστική ατοµική ακτινοβολία), ή σε στόχους επιβράδυνσης ταχέως κινουµένων φορτισµένων σωµατιδίων (ακτινοβολία πέδης) σε ειδικές για το σκοπό αυτό διατάξεις (λυχνίες ακτίνων - Χ, επιταχυντές σωµατίων). Η ακτινοβολία Χ παρουσιάζει τις ίδιες βασικές φυσικές ιδιότητες µε την ακτινοβολία γ σε ότι αφορά τη διεισδυτικότητά της.

37 Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας Χ µε την ύλη Compton. Πρόκειται για φαινόµενο σκέδασης των ακτίνων Χ, όταν αυτές προσπίπτουν στην ύλη. Στο φαινόµενο αυτό το µήκος κύµατος των ακτίνων Χ µεταβάλλεται µε αποτέλεσµα να διαφέρει το µήκος κύµατος εισερχοµένων µε το µήκος κύµατος εξερχοµένων ακτίνων Χ. Το φαινόµενο δεν απασχολεί την Επιστήµη της οµής της Ύλης αλλά άλλους κλάδους. Bragg σκέδαση ή Thomson φαινόµενο. Ο νόµος Bragg ηλ = 2dsinθ είναι η βάση επιλύσεως της πλειοψηφίας των κρυσταλλογραφικών προβληµάτων. Εδώ έχουµε σταθερό µήκος ακτίνων Χ κατά την είσοδο τους και κατά την έξοδο τους από την ύλη. Fluorescence (Φθορισµός). Η ιδιότητα του φθορισµού της ύλης όταν αυτή αντιδρά µε ακτίνες Χ είναι πολύ σηµαντική και βοηθά στην επίλυση πολλών προβληµάτων. Έχει δε τεράστιο πεδίο εφαρµογών. Κατά την εκδήλωση του φαινόµενου αυτού, το µήκος κύµατος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας µεταβάλλεται. Φαινόµενο Beer. Ο νόµος Beer (I = I o e -µd ) αναφέρεται στην απορρόφηση των ακτίνων Χ από την ύλη. Η απορρόφηση είναι σηµαντικός παράγοντας στην εξέταση υλικών µε ακτίνες Χ και εξετάζεται ενδελεχώς από τη επιστηµονική κοινότητα που ασχολείται µε ακτίνες Χ. Αυτή καθαυτή η απορρόφηση έχει ευρύ πεδίο εφαρµογών. ηµιουργία φωτοηλεκτρονίων. Η δηµιουργία φωτοηλεκτρονίων κατά την επίδραση ακτίνων Χ και ύλης δεν απασχολεί τον τοµέα έρευνας της κρυσταλλογραφίας.

38 ιαφορές µεταξύ των ακτινοβολιών Στην εικόνα πού ακολουθεί φαίνεται η διαφορά στην διεισδυτική ικανότητα της σωµατιδιακής ακτινοβολίας α, της σωµατιδιακής ακτινοβολίας β, και της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας γ. Η πρώτη απορροφάται από ένα φύλλο χαρτιού, η δεύτερη από φύλλο αλουµινίου πάχους αρκετών εκατοστών, ενώ η τελευταία απορροφάται από τσιµέντο πάχους πολλών εκατοστών.

39 Εξασθένηση Απορρόφηση ακτινοβολίας από την ύλη Η ιδιότητα αυτή του υλικού να απορροφά µέρος των φωτονίων της δέσµης της ακτινοβολίας ονοµάζεται απορρόφηση (absorb). Η εξασθένηση (attenuation) της ακτινοβολίας οφείλεται στην απώλεια φωτονίων που δεν είναι σε θέση να διαπεράσουν την ύλη. Ο βαθµός εξασθένησης εξαρτάται από την ενέργεια των φωτονίων που προσπίπτουν στο δείγµα, καθώς επίσης από το πάχος και το ατοµικό βάρος των ατόµων του δείγµατος.