interacţia radiaţiilor nucleare cu materia

Upload: micu-lucica

Post on 03-Jun-2018

236 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    1/12

    Interacia radiaiilor nucleare cu materia

    1. Generaliti

    nelegerea mecanismelor prin care radiaiile nucleare interacioneaz cu materiaprezint un interes fundamental, mai ales din punct de vedere radiologic. Aceast afirmaie

    este justificat dac se ine cont de urmtoarele considerente: (1) absorbia radiaiilor norganismele vii poate cauza efecte fiziologice nedorite! (") absorbia radiaiilor este

    principalul mod n care radiaiile pot fi detectate #i ($) gradul de absorbie sau tipul deinteraciune reprezint factorul primar n alegerea #i calcularea grosimii ecranelor de

    protecie.%at fiind varietatea tipurilor de radiaii nucleare (natur, sarcin electric, mas de

    repaus etc.), este de a#teptat ca acestea s interacioneze cu materia n moduri diferite. &particul (caracterizat printr'o mas de repaus mare #i o sarcin dublu pozitiv) nu poatepenetra o foaie de rtie #i are un parcurs limitat ciar #i n aer (acesta este #i motivul pentrucare emetorii sunt considerai n practic *reactivi cimici+ #i nu *surse de radiaii+). a

    cealalt e-trem, un neutrino prezint o probabilitate foarte sczut de a reaciona cu oricemediu, ciar #i atunci cnd strbate un mediu de grosime comparabil cu diametrul errei.

    Fig. 1./uterea de penetrare a radiaiilor nucleare prin diverse materiale

    %in punct de vedere al sarcinii electrice, radiaiile pot fi clasificate n dou categorii:ncrcate electric (pozitiv sau negativ) #i neutre. 0ste de a#teptat deci ca #i interaciaradiaiilor cu substana s poat fi mprit n dou clase generale: particulele ncrcateelectric ionizeaz direct mediul pe care acestea le strbat, n timp ce particulele nencrcate #ifotonii pot cauza ionizri numai indirect, prin intermediul radiaiilor secundare.

    & particul ncrcat electric aflat n mi#care este nconjurat de un cmp electric,care interacioneaz cu structura atomilor constitueni ai mediului pe care l strbate. Aceastinteracie conduce la scderea vitezei particulelor incidente (pierdere energetic) #i lacre#terea vitezei electronilor atomilor mediului penetrat (c#tig de energie). 0lectroniiaccelerai pot c#tiga suficient energie pentru a putea prsi atomul printe. Acest procescare se produce atunci cnd radiaia *atinge+ edificiul atomic, cu formarea de pereci de ioni,este denumit ionizare #i reprezint principalul proces care are loc la interacia radiaiei cumateria.

    Tabelul 1.nele proprieti fizice ale particulelor ionizante/articul 2imbol 3as de

    repaus2arcin 2pin

    /roton 45 1,66787 51 9%euteron %5 ",611; 51 1

    4elion 4e"5 ,6"

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    2/12

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    3/12

    ?a #i n cazul ionizrii @ n cazul n care atomul e-citat este parte constituent a uneimolecule @ ciar dac electronul rmne pe respectivul atom, n funcie de rolul su nlegtura cimic, molecula se poate rupe sau nu.

    n figura $. este prezentat scematic procesul de e-citare a unui atom produs latrecerea unei particule prin nveli#ul electronic al unui atom! se poate observa cum un

    electron avanseaz de pe stratul B pe stratul , datorit atraciei coulumbiene e-ercitat dectre elion (se presupune c e-ist un loc vacant n stratul ).

    Fig. 3./rezentarea scematic a procesului de e-citare

    2e poate vorbi #i de un proces de e-citare nuclear, atunci cnd un nucleon, ca urmarea unui c#tig energetic, trece ntr'o stare energetic superioar. ?a #i n cazul atomului,nucleul n stare e-citat rmne cu acela#i numr de nucleoni.

    ".$.BremsstrahlungAcest fenomen se refer la pierderea radiativ de energie suferit de ctre o particul

    n mi#care atunci cnd strbate un mediu dat, n urma interaciei cu respectivul mediu. Acestfenomen este semnificativ n cazul interaciei particulelor cu vitez ridicat (ncrcate negativ!de obicei, electroni) cu nucleele atomice (ncrcate pozitiv) prin intermediul cmpului de foreelectrice. Atracia coulombian ncetine#te electronul deviindu'l de la direcia sa iniial.0nergia cinetic pe care particulele o pierd este emis sub form de fotoni (denumii raze -,din cauz c sunt creai n afara nucleului). %e'a lungul timpului, fenomenul a fost denumit #i*radiaie de strpungere+, *radiaie alb+ sau *radiaie general+. Bremsstrahlung este unfenomen specific interaciilor dintre materialele cu Z mare (caracterizate prin forecoulombiene puternice) #i electronii bogai n energie (capabili s produc mai multe interaciinainte de a'#i pierde ntreaga energie).

    2.3. Interacia radiaiilor direct ionizante cu materia/articulele ncrcate nu necesit un contact fizic cu atomii pentru a interaciona cuace#tia. n acest caz, interaciunea coulombian va avea loc ciar #i la o distan considerabil,cauznd ionizri #i e-citri ale mediului pe care respectivele particule l strbat. /articulelencrcate electric (precum #i ) care pierd energie n acest mod sunt denumiteparticuledirect ionizante. Acest gen de interacii depind de energia (viteza) particulelor, sarcinaacestora, densitatea #i numrul atomic al absorbantului.

    Cora coulombian este semnificativ ciar #i la distane superioare dimensiuniiatomilor, indiferent dac particula posed o singur sarcin electric (electron). Astfel,independent de natura materialului cu care interacioneaz (oricare ar fi densitatea sa),electronul pierde continuu energie, cci el interacioneaz prin intermediul forei coulombienecu cel puin un atom al mediului strbtut.

    $

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    4/12

    $.1.Interacia particulelor cu materia/articulele sunt constituite din doi protoni (ncrcai pozitiv) #i doi neutroni, cei

    patru nucleoni constitueni fiind puternic legai prin intermediul forelor nucleare. %ac unastfel de elion se apropie de un electron (ncrcat electric negativ) apare o atracieelectrostatic puternic, n timp ce la apropierea de un nucleu atomic (ncrcat pozitiv) apare o

    repulsie coulombian puternic. %up cum se poate vedea n tabelul 1., particulele au masade circa

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    5/12

    energia dup ce strbat o grosime relativ sczut de material. %in acest motiv, parcursul nstrat al particulelor este cu mult inferior celui specific altor tipuri de radiaii. /e scurt,radiaia este puternic ionizant, avnd o putere de penetrare sczut .

    n momentul emisiei, particulele e-pulzate din nucleul radioactiv dat au apro-imativaceea#i energie, n consecin, apro-imativ acela#i drum prin material. /arcursul particulelor se e-prim de obicei n centimetri (grosime de strat) de aer. Delaia empiric ce leagdrumul parcurs n aer (Ra) #i energia elionilor (E) este:

    "A$$111, n urma studiilor e-perimentale efectuate asupra parcursului radiaiilor Eemise de nucleele radioactive, Feiger #i =uttall au stabilit c, pentru toate cele trei familiiradioactive naturale, e-ist o strns corelaie ntre constanta de dezintegrare a unui nucleuradioactiv #i parcursul particulelor emise de ctre acesta, n baza relaiei:

    BRAa+= lglg (")

    undeAeste o constant cu aceea#i valoare pentru toate cele trei familii, n timp ceBvariaz nlimita de 8G. /arcursul Ra fiind proporional cu E!", relaia anterioar indic @ pentrudomeniul de energii cuprins ntre #i >#eV@ dependena dintre #i parcursul elionilor naer.

    =umrul de pereci de ioni formate per centimetru de drum parcurs n orice mediueste denumit ionizare speci$ic, pentru o radiaie ionizant dat. n medie, pentru fiecare

    perece de ioni primari formai n aer, particulele pierd circa $ eV. %oar 86;; G dinaceast energie este necesar pentru smulgerea electronilor din structura atomilor, restul de

    pn la 166 G fiind pierdut n procesele de e-citare electronic. =umrul de pereci de ioniformate pe centimetru de aer parcurs depinde de energia particulelor #i variaz ntrelimitele apro-imative 8666 #i

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    6/12

    3surtori de ionizare specific n gaze, produs de radiaiile , au evideniat faptul cdensitatea de ionizare este ns mai mic dect cea produs de radiaiile . =umrul de

    pereci de ioni formai de ctre o particul n aer este 8,$"E , unde E este energiaparticulei (n eV), iar factorul *",%+ reprezint energia medie de ionizare a aerului. Astfel,pentru o particul cu energia de 1#eV, acest numr este de apro-imativ $6666. %ac latrecerea particulelor printr'un mediu dat, atomii acestuia sunt e-citai, revenirea la stareafundamental are loc cu emisia de cuante cu un spectru caracteristic, corespunztor energieide e-citare.

    Atenuarea unui fascicul care penetreaz o grosime de material absorbant (#i cu care@ de fapt @ interacioneaz, dnd na#tere la ionizri #i e-citri ale atomilor #i moleculeloracestuia, difuzii elastice ale radiaiilor incidente #i la radiaii de frnare) se e-prim prinrelaia:

    xeII

    =

    6 ($)

    n aceast relaie, cuI#i I&s'au notat intensitile fasciculului de radiaii nainte #irespectiv dup trecerea sa printr'un material de grosime xdat, iar reprezint coeficientulliniar de atenuare al acelor radiaii prin mediul dat (cm'(). %ac se nmule#te #i se mparte lae-ponenial cu densitatea mediului, rezult:

    Rm

    x

    eIeII

    ==

    66 (".)

    unde !msemnific coeficientul masic de atenuare (n cm"!g), iarR)xreprezint parcursulmasic ma-im al radiaiilor prin acel mediu (ng!cm"), adic distana ma-im strbtut deun flu- de radiaii pn la absorbia lor total prin substana dat. ntre energia ma-im #i

    parcursul masic ma-im al radiaiilor printr'un material dat, s'au stabilit relaii empirice.3ai e-act, s'au determinat #i trasat e-perimental curbe de tip *parcursenergie ma-im+

    pentru diferite materiale absorbante (*u, Al, +e, "-etc.) din care se poate deduce u#or celde'al doilea parametru dac se cunoa#te cel dinti (n fig. 8. este e-emplificat pentrualuminiu).

    Fig. .?urba de tip parcursenergie ma-im a radiaiilor prin aluminiu

    a fel ca #i particulele , particulele #i transfer energia mediului pe care l strbatprin procese de ionizare #i e-citare. n plus, acestea din urm pot produce interacii

    ;

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    7/12

    Bremsstrahlung, avnd drept rezultat emisia de radiaii -. n figura ; este scematizat oastfel de interacie.

    n acest caz, un flu- de particule ' nalt energetic strbat nveli#ul electronic cenconjoar nucleul atomic, suferind o puternic atracie electrostatic e-ercitat de ctrenucleu. Dezultatul este scimbarea vitezei #i a energiei cinetice a particulelor H '#i emisia de

    radiaii - @Bremsstrahlung, de natur electromagnetic.

    Fig. !.DadiaiaBremsstrahlung

    0nergia radiaiei - emise depinde de ct de mult a fost deflectat particula , procescare depinde @ la rndul su @ de ct de mult s'a apropiat electronul de nucleu. n consecin,

    se obine un spectru energetic foarte larg a radiaiilor -.Bremsstrahlungdevine un fenomenimportant de pierdere de energie atunci cnd energia particulelor iniiale este mai mare #icnd numrul atomic al materialului absorbant este mai mare.

    4. Interacia radiaiilor indirect ionizante cu materiaDadiaiile neutre din punct de vedere electric (radiaiile electromagnetice #i flu-urile

    de neutroni) nu posed un cmp de fore electrostatice, pentru a interaciona de la o anumitdistan cu particulele constituente ale materiei! din acest motiv, aceste radiaii trebuie sa vinn contact directcu particulele cu care interacioneaz. Dadiaiile electromagnetice - #i Iastfel nct ele se pot mi#ca liber prin spaiul intraatomic, cu o probabilitate sczut de ainteraciona cu materia. n contrast cu radiaiile direct ionizante anterior descrise, radiaiile

    neutre (inclusiv neutronii) nu pierd n mod continuu energie, prin interacie constant #icontinu cu mediul penetrat. n scimb, acestea pot strbate materialul, trecnd *prin+ maimuli atomi (molecule) nainte de a reaciona cu electronii sau nucleul unuia dintre ace#tia.ns, atunci cnd interacia are loc, se produc particule direct ionizante (ncrcate electric),care vor cauza ionizri secundare. Acest tip de radiaii este denumit radiaie indirectionizant! probabilitatea de interacie depinde de energia radiaiilor primare #i de densitatea #inumrul atomic al materialului absorbant.

    .1.Interacia radiaiilor cu materiaDadiaiile - #i difer doar prin originea lor, iar o radiaie - individual nu poate fi

    deosebit de una . Ambele sunt de origine electromagnetic #i difer de undele radio saulumina vizibil prin lungimea de und mai mic. %iferena de nume indic originea acestora:

    7

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    8/12

    n timp ce radiaiile sunt de origine nuclear, cele - provin din norul electronic ce nconjoarnucleul atomic. Ambele au masa de repaus nul, nu au sarcin electric #i se mi#c cu vitezaluminii. /ot fi puse n eviden doar n baza interaciilor pe care flu-urile de radiaii (privite ca*pacete+ de energie @ cuante) le sufer atunci cnd strbat un strat de materie. %in acestemotive, n continuare se vor discuta procesele care au loc la interacia radiaiilor cu materia.

    0-ist trei mecanisme majore de interacie a radiaiilor cu materia: e$ect $otoelectric, e$ect*ompton#igenerare de perechi e.e'/

    (a)E$ectul $otoelectriceste un mecanism de tipul *totul sau nimic+: la ciocnirea unuifoton de energie mic (sub 1#eV) cu un electron aflat pe unul din straturile energeticeinferioare ale atomului (B, etc.), se e-pulzeaz un fotoelectron (fig. 7.). ocul rmas vacanteste completat de ctre un alt electron aflat pe un nivel energetic imediat superior, iar e-cesulde energie este cedat sub form de radiaii - (sau de fluorescen).

    Fig. ".2cematizarea efectului fotoelectric

    0nergia cinetic a fotoelectronului este egal cu diferena dintre energia cuantei incidente #i energia de legtur a fotoelectronului cu nucleul atomului respectiv./robabilitatea ca efectul fotoelectric s aib loc este ma-im atunci cnd energia fotonului este egal cu energia de legtur a electronului.

    (b)E$ectul *ompton(sau 0mpr1tierea *ompton) se produce atunci cnd un foton de

    energie medie interacioneaz cu un electron liber sau slab legat, interacie n urma creiarezult un nou foton (mpr#tiat), cu energie mult mai mic dect a celui incident. 0lectronulrespectiv, n urma coliziunii cu cuanta iniial, se va deplasa pe o direcie aflat sub unungi oarecare fa de sensul de deplasare al acelui foton incident (fig.

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    9/12

    Fig. #.2cematizarea efectului ?ompton

    2pre deosebire de fotoelectroni, a cror energie fluctueaz n jurul unei valori medii,electronii ?ompton sunt plurienergetici (distribuie energetic continu), iar energia lorma-im este mai mic dect cea a electronilor rezultai prin efect fotoelectric. %in acestmotiv, electronii ?ompton vor produce e-citarea diferit a atomilor #i moleculelor cristaluluiscintilator utilizat pentru detectarea acestora. /rin deze-citarea speciilor bogate energetic, seobin cuante electromagnetice cu energii (la rndul lor) variabile, fapt care conduce n final laapariia unor pulsuri de tensiune cu nlimea (amplitudinea) distribuit continuu, cu o limitma-im bine conturat.

    (c) 2roducerea deperechi e.3e'4are loc atunci cnd toat energia fotonului este

    convertit n mas. Aceast conversie a energiei n mas apare n prezena unui cmp electricputernic, care poate fi privit drept *catalizator+ pentru proces. Astfel de cmpuri electrice potfi gsite n apropierea nucleelor atomilor cu numr atomic mare.

    ?nd un flu- de fotoni cu energie egal sau mai mare de 1,6"" #eV trece princmpul nuclear al unui nucleu apare o perece pozitron@electron. 3asa acestor particule poate

    fi creat din energia pur a fotonului, n acord cu ecuaia lui 0instein:"

    cmE = , undeEesteenergia (n5ouli), mmasa (n 6g) iar c viteza fotonului (n m!s). /entru crearea masei derepaus a celor doi electroni ("6,811#eV=1,6""#eV), este necesar ca fotonul incident saib o energie mai mare de 1,6""#eV. /rin urmare, generarea de pereci de electroni este un

    proces de interacie cu prag de energie.

    Att pozitronul ct #i electronul produc ionizri secundare, pierznd o parte dinenergie n acest tip de procese. %up un timp dat, pozitronul se une#te cu electronul (prinaniilare), dnd na#tere la dou cuante , fiecare cu energia de 6,811#eV (fig. >.). ltimulstadiu al aniilrii este absorbia fotoelectric sau mpr#tierea ?ompton, urmat deabsorbie fotoelectric.

    >

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    10/12

    Fig. $./rocesele de producere de pereci de ioni e.3e'#i de aniilare

    /robabilitatea producerii de pereci e.3e' este inferioar celor specifice efectuluifotoelectric sau a efectului ?ompton, deoarece @ n acest caz @ fotonul trebuie s fie apropiatde nucleu. Aceast probabilitate cre#te pentru energii nalte #i pentru materiale cu numr demas mare.

    .".Interacia neutronilor cu materia=eutronii difer de radiaiile ionizante cu sarcin prin aceea c @ a#a cum le spune #i

    numele @ sunt neutri din punct de vedere electric #i nu sufer interaciuni de natur electric latrecerea prin materie. 0i interacioneaz numai cu nucleele atomilor. nui nucleu i estecaracteristic *energia de legtur nuclear+, de care se ine seama la interaciunea cu unneutron. %in punct de vedere al modificrii energiei de legtur a nucleului *ciocnit+, deci al*structurii+ sale, distingem trei tipuri de interacii:

    (a) 0mpr1tierea elastic a neutronilor de ctre nucleu: n acest proces, nucleul nu'#imodific energia de legtur #i deci nici structura sa! are loc doar un scimb de energiecinetic ntre neutronul incident #i nucleul pe care acesta l'a ciocnit (fig. 16.a).

    (b) 0mpr1tierea neelastic a neutronilor de ctre nucleu: acestui caz i corespunde o

    scimbare a energiei de legtur a nucleului, fr scimbarea structurii sale (fig. 16.b)! dac neste neutronul #iAeste nucleul ciocnit, o astfel de reacie se poate scrie:

    ++ AnAn (8)

    undeA7 este simbolul utilizat pentru nucleul e-citat! nucleul e-citat poate reveni ulterior lastarea sa energetic fundamental prin emisia unei cuante , n urma unui proces dedeze-citare:

    +

    AA (;)

    16

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    11/12

    (c) captura neutronului, cu schim8area structurii nucleului: n acest caz are loc oreacie nuclear (reacie de captur): neutronul este captat de ctre nucleulA, rezultnd altenuclee (notate n reacia urmtoare cuB, *etc.):

    +++ *BAn (7)

    nele dintre nucleele rezultate pot fi nuclee simple sau relativ simple: protoni,deuteroni, elioni etc.

    /rin mpr#tiere neelastic #i prin captur neutronic, interaciile ce au loc cauzeazproducerea fie de fotoni , fie de particule ncrcate electric (protoni, deuteroni, elioni).oate acestea conduc indirect, respectiv direct, la ionizarea substanei.n cazul mpr#tierii elastice, scimbul de energie ntre neutron #i nucleu este cu att mai marecu ct nucleul ciocnit de ctre neutronul incident are masa mai apropiat de aceea aneutronului. a ciocnirea cu atomul de idrogen protonul (nucleu cu mas egal cu aneutronului) preia o bun parte din energia cinetic a neutronului #i devine *proton de recul+./rin producerea particulelor de recul, neutronii #i pierd energia cinetic #i @ deci @ ncetinesc.ncetinirea neutronilor este mai evident n substanele cu nuclee ale cror mas este maiapropiat de cea a neutronului. 2ubstanele utilizate pentru ncetinirea neutronilor se numescmoderatori@ acest aspect va fi detaliat n capitolul dedicat reactorilor nucleari.

    (a)

    (b)Fig. 1%./rocesele de mpr#tiere elastic (a) #i neelastic (b) a neutronilor

    %in punctul de vedere al neutronului incident, la ciocnirea neutron@nucleu sunt maiprobabile urmtoarele procese:

    11

  • 8/12/2019 Interacia Radiaiilor Nucleare Cu Materia

    12/12

    la energie mic a neutronului: mpr#tiere elastic #i captura! foarte rar, la ciocnirea cuunele nuclee u#oare pot avea loc reacii nucleare (n,p) #i (n,9,iar la ciocnirea cu unele nucleemasive apare fisiunea nuclear! la energie mare a neutronului: mpr#tierea elastic #i neelastic, dar #i reacii nucleare ncare se emite o particul ncrcat electric: (n,p), (n,) etc.

    1"