Φυσικά ή τεχνητά ραδιονουκλίδια

Transcript

1 ΠΗΓΕΣ ΙΟΝΤΙΖΟΥΣΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ Φυσικά ή τεχνητά ραδιονουκλίδια π.χ. 60 Co, 137 Cs, Sr, Επιταχυντικές μηχανές π.χ. επιταχυντές e, επιταχυντές ιόντων Y Πυρηνικοί αντιδραστήρες π.χ. ακτινοβολία-γ, νετρόνια 90 90

2 ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ Λειτουργούν: βασιζόμενοι στην εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου για επιτάχυνση φορτισμένων σωματιδίων (π.χ. e, 1p, 1d, θετικών και Οι μη γραμμικοί χρησιμοποιούν και μαγνητικό πεδίο αρνητικών ιόντωνκ.λπ. ) Αποτελούνται από: 1. Μια πηγή φορτισμένων σωματιδίων 2. Ένα σύστημα «έκχυσης» των φορτισμένων σωματιδίων στον επιταχυντή 3. Ένα σύστημα επιτάχυνσης διαφορετικό σε κάθε συσκευή 4. Ένα σύστημα εξαγωγής των επιταχυνθέντων σωματιδίων και οδήγησής τους στον κατάλληλο στόχο

3 ΕΠΙΤΑΧΥΝΤΕΣ 1. Van de Graaf & Tandem Van de Graaf 2. Γραμμικοί επιταχυντές Μεγαλύτερος 3. Κύκλοτρα-Συγχροκύκλοτρα Ευρωπαϊκός 4. Σύγχροτρα επιταχυντής μέχρι το 2001: LEP (Large Electron- Positron Collider) στη Γενεύη της Ελβετίας (στο CERN) για έρευνα Σωματιδιακής Φυσικής Σήμερα: Στο ίδιο τούνελ λειτουργεί ο LΗC (Large Hadron- Collider)

4 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΙΟΝΤΙΖΟΥΣΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ Η μεταφορά ενέργειας στα άτομα απορροφητικού μέσου, κατά την αλληλεπίδραση του με ιοντίζουσες ακτινοβολίες, προκαλεί ιοντισμό ή και διέγερση αυτών με δημιουργία ζευγών ιόντων (Χ + + e ) και διηγερμένων ατόμων Για διευκόλυνση μελέτης μηχανισμών αλληλεπίδρασης κατατάσσουμε τις Ι.Α. σε: Φορτισμένα σωματίδια (π.χ. -α, -β, e, βαρέα θετικά ιόντα) Ουδέτερα σωματίδια (νετρόνια) Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτίνες-χ, ακτίνες-γ)

5 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΙΟΝΤΙΖΟΥΣΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ Οι τρεις κατηγορίες διαφέρουν: 1. Στον τρόπο μεταφοράς ενέργειας 2. Στην κατανομή των προϊόντων 3. Στη διεισδυτικότητα Τελικό αποτέλεσμα αλληλεπίδρασης: 1. Δημιουργία ιοντισμένων και διηγερμένων ειδών 2. Επίτευξης θερμικής ισορροπίας (ενέργεια στοιχειωδών σωματιδίων δέσμης = Eκιν. ατόμων μέσου) λόγω μείωσης ενέργειας δέσμης, με: Αλληλεπίδραση ηλεκτρικών πεδίων Εκπομπή ακτινοβολίας Κρούσεις

6 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ Τα Φ.Σ. αλληλεπιδρούν με την ύλη με τους εξής τρόπους: 1. Εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας 2. Μη ελαστικές κρούσεις 3. Ελαστικές κρούσεις 4. Εκπομπή Ακτινοβολίας Čerencov 5. Αφυλοποίηση ποζιτρονίου Ρυθμιστής: Η Ενεργός διατομή (σ)

7 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ 1. Εκπομπή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, λόγω επιβράδυνσης Φ.Σ. υψηλής ενέργειας στην περιοχή του πυρήνα (Ακτινοβολία Πεδήσεως ή Ακτινοβολία Bremsstralung) Η απώλεια ενέργειας ανά μονάδα διαδρομής Φ.Σ. είναι: de dx k z 2 Z 2. m όπου: z και m φορτίο και μάζα Φ.Σ., Z φορτίο του πυρήνα και k μια σταθερά Σημαντική για: Ε κιν. (ηλεκτρονίου) >100 kev, Μοναδικός τρόπος για: Ε κιν. (ηλεκτρονίου) = ΜeV Σημαντική για: Ε κιν. (βαρύτερων Φ.Σ. π.χ. p, d, -α) >10000 ΜeV 2

8 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ 2. Με μη ελαστικές κρούσεις (δηλ. άθροισμα κινητικών ενεργειών πριν και μετά τη σύγκρουση δεν παραμένει σταθερό), που συμβαίνουν όταν η αρχική ενέργεια Φ.Σ. δεν είναι πολύ μεγάλη Ιονισμός (e, δευτερογενές ηλεκτρ.) Διέγερση Η σ αυξάνει με: αύξηση φορτίου και ελάττωση ταχύτητας Φ.Σ. Έτσι : Σωματίδια α προκαλούν μεγάλη πυκνότητα ιοντισμών!! Οποιοδήποτε σωματίδιο προς το τέλος της διαδρομής του προκαλεί εντονότερο ιοντισμό!

9 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ Οι καμπύλες Bragg δείχνουν τον ιοντισμό που προκαλούν Φ.Σ. καθώς διασχίζουν απορροφητικό μέσο Για ηλεκτρόνια ισχύει: de / dx) ( de / dx) ( Όπου: Ε κιν. = ενέργεια ηλ. σε MeV και Ζ ο ατομικός αριθμός του απορ. μέσου Ζεύγη ιόντων ανά μονάδα μήκους διαδρομής (ειδικός ιοντισμός) σωματιδίου-α, πρωτονίου και θραύσματος σχάσης σε απορροφητικό μέσο (καμπύλη Bragg)

10 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ 3. Με Ελαστικές Κρούσεις ή (οπισθοσκέδαση Rutherford), τα Φ.Σ. αλλάζουν διεύθυνση τροχιάς υπό την επίδραση του ηλ. πεδίου ατομικού πυρήνα Συμβαίνει κυρίως όταν τα Φ.Σ. είναι μικρής ενέργειας και μάζας, κινούμενα σε Α.Μ. υψηλού ατομικού αριθμού Πολύ σημαντικός τρόπος αλληλεπίδρασης για ηλεκτρόνια! Χρησιμοποιείται για αναλυτικούς σκοπούς επειδή γωνίες εκπομπής και ενέργειες σκεδαζομένων-β σχετίζονται με την ταυτότητα του απορροφητικού υλικού

11 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ 4. Με Εκπομπή Ακτινοβολίας Čerencov, όταν Φ.Σ. (κυρίως ταχέα ηλεκτρόνια) διασχίζουν ένα μέσο με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός σ αυτό. Π.χ. Όταν Ε κιν. (σωματιδίων-β)>0.6 MeV, τα -β κινούνται στο νερό με v -β >c φωτός ΝΕΡΟΥ και έτσι, επιβραδυνόμενα, εκπέμπουν ακτινοβολία Čerencov (γαλάζια περιοχή) μέσα σε κώνο γωνίας θ ίσης με: Εκπομπή ακτινοβολίας Čerencov sinθ c V p Όπου: v p η ταχύτητα του σωματιδίου-β και c η ταχύτητα του φωτός Χρήσεις: (1) Ανίχνευση σωματιδίων-β, (2) Μέτρηση ενέργειάς τους

12 Την ακτινοβολία Čerencov την παρατήρησε και την ερμήνευσε πρώτος ο σοβιετικός επιστήμονας Pavel Alekseyevich Cherenkov το 1934 (βραβείο Nobel φυσικής 1958 μαζί με Ilya Frank και Igor Tamm) Γαλαζωπό φως (ακτινοβολία Čerencov) γύρω από τον βυθισμένο στο νερό πυρήνα ενός αντιδραστήρα TRIGA.

13 ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ 5. Η Αφυλοποίηση Ποζιτρονίου συμβαίνει όταν ποζιτρόνια μικρής ενέργειας συγκρούονται κατευθείαν με ηλεκτρόνια και μετατρέπονται σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ακτινοβολία αφυλοποίησης) Κατά τη σύγκρουση η ενέργεια 2x0,51 MeV (μάζας ηλ. και ποζ.) μετατρέπεται το λιγότερο σε δύο φωτόνια με ενέργεια 0,51 MeV το καθένα σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ορμής: Εκπομπή ακτινοβολίας αφυλοποίησης β + + e 2 ακτίνες-γ (ακτινοβολία αφυλοποίησης)

14 J ΑΠΩΛΕΙΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΦΟΡΤΙΣΜΕΝΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ Η ενέργεια των Φ.Σ. μειώνεται μόνο με την εκπομπή ακτινοβολίας πέδησης και με μη ελαστικές κρούσεις Η απώλεια ενέργειας ανά μονάδα διαδρομής (-de/dx) ονομάζεται δύναμη ανάσχεσης του μέσου ή ειδική απώλεια ενέργειας και ισούται με: S de dx συνολ. de dx ακτιν. κρουσ. Ο συνολικός αριθμός ιόντων ανά μονάδα διαδρομής ονομάζεται ειδικός ιοντισμός: dni ζεύγη ιόντων.m 1 dx de dx, οπότε: όπου W=ενέργεια S WJ(J.m -1 J.m ) 1 για δημιουργία ενός ζεύγους ιόντων