93470856 interactia radiatiilor nucleare cusubstanta

7/27/2019 93470856 Interactia Radiatiilor Nucleare Cusubstanta

http://slidepdf.com/reader/full/93470856-interactia-radiatiilor-nucleare-cusubstanta 1/13

CAPITOLUL III

INTERACTIA RADIATIILOR NUCLEARE CUSUBSTANTA

III.1. INTRODUCERE

Prin no iunea de radia ie se în elege, în accep iuneaţ ţ ţ ţ actual , un fascicul de particule în mişcare.ă Termenul departicul , folosit în sensul cel mai larg, cuprinde atât particuleă cu mas de repaus nul cât şi particule cu mas de repausă ă ă diferit de zero.ă

Prima categorie de particule cuprinde radia iile gama,ţ radia iile Röntgen sau X caracteristice, radia iile X de frânareţ ţ (Bremsstrahlung) şi radia iile de anihilare şi constitue radia iileţ ţ

electromagnetice sau radia iile fotonice.ţCea de a doua categorie poart numele de radia iiă ţ

corpusculare şi cuprinde radia iile alfa, deuteronii, protonii,ţ neutronii, radia iile beta, etc.ţ

Dup modul în care radia iile ionizante produc ionizareaă ţ mediului material prin care trec, ele se pot grupa în : particule direct ionizate sau particule înc rcate (electroni,ă

protoni, particule alfa, nuclee de atomi în mişcare, etc.)care produc ionizare prin ciocnire;

particule indirect ionizate sau particule neînc rcate careă pot ioniza prin interac iunea direct cu învelişul electronicţ ă sau nucleul, sau pot ini ia o transformare nuclear .ţ ă

III.2. TIPURI DE RADIATII NUCLEARE , LEGITATISPECIFICE SI MECANISME DE INTERACTIE

1. Radia iile corpusculare cu sarcin :ţ ăRadia iile alfaţ :



La trecerea lor printr-o substan , radia iile alfa pot suferiţă ţ trei tipuri de interac iuni: ciocnire, frânare în câmp electric şiţ captur de c tre nucleu. Tipul de interac iune cu probabilitateaă ă ţ cea mai mare este ciocnirea. În urma ciocnirii unei particule

alfa în mişcare, cu un atom, se poate produce o excitare aacestuia ca urmare a ridic rii unui electron pe un nivel superioră de energie. Aceast excitare are loc ca urmare a ac iuniiă ţ câmpului electric creat de particula alfa respectiv asupraă electronilor orbitali. La revenirea electronilor pe nivelelefundamentale, atomii vor emite radia ii electromagnetice, uneleţ

în spectrul vizibil (cazul sulfurii de zinc). Tot prin interac iunea cu p turile electronice ale atomilor,ţ ă

radia iile alfa pot produce smulgerea unor electroni din atomiiţ

respectivi. În acest fel r mâne înc rcat pozitiv (având o energieă ă negativ ). Fenomenul poart numele de ionizare. De multe ori,ă ă electronii smulşi se pot ataşa unor atomi neutri, creând astfelioni negativi. Deci, în ansamblu, la un act de ionizare seproduce o pereche de ioni: un ion pozitiv şi un ion negativ sauun ion pozitiv şi un electron. Fenomenul de ionizare este înso itţ

în medie de mai multe excit ri.ăInterac iunile particulelor grele înc rcate electric (protoni,ţ ă

deuteroni, particule alfa, nuclee mai grele) cu substan a au caţ

rezultat ionizarea şi excitarea atomilor substan ei str bate.ţ ă Particulele cu masa mare sunt deviate pu in dup ciocnirea cuţ ă electronii, deci traiectoria lor este practic liniar . La energiiă mari aceste particule produc reac ii nucleare, dar la energii miciţ şi medii, principalul proces îl constituie ionizarea. Datorită faptului c energia medie necesar form rii unei perechi de ioniă ă ă este mic , intensitatea fluxului de particule r mâne constantă ă ă pe o mare por iune de drum (fig.3.1).ţ

Fig. 3.1 Variatia intensitatii unui fascicul de particule greleincarcate, cu distanta. R este parcursul in substanta



Prin interac iuni succesive, suferite, într-un mediuţ material, radia ia alfa îşi pierde energia sa şi se încetineşteţ pân când energia ei scade sub o anumit limit , astfel încât să ă ă ă nu mai poat crea ioniz ri. În acest stadiu, particulele alfaă ă

capteaz câte doi electroni de la atomii mediului str b tut şi seă ă ă transform în atomi de heliu.ăUn alt tip de interac iune a particulelor alfa, şi anumeţ

interac iunea cu nucleul, este un fenomen foarte rar întâlnit. Înţ acest caz se produce o reac ie nuclear .ţ ă

Radia iile betaţ ;Ca toate particulele înc rcate, de altfel, excit şi ionizează ă ă

atomii substan elor prin care trec.ţMecanismul interac iunilor este asem n tor celui întâlnitţ ă ă

în cazul radia iilor alfa, cu deosebire c pentru radia iile betaţ ă ţ minus, for ele care ac ioneaz asupra electronilor din atomiiţ ţ ă materialelor sunt de respingere. Pierderea de energie, într-ointerac iune, este în general mic , ca şi în cazul radia iilor alfaţ ă ţ (o radia ie beta, cu energie de 1 MeV, sufer aproximativ 104ţ ă interac iuni pân la încetinirea complet ). Trecerea electronilorţ ă ă prin substan determin pierderea energiei prin ionizareaţă ă substan ei, dup o lege aproximativ exponen ial (fig.3.2).ţ ă ţ ă

Fig. 3.2 Scaderea intensitatii unui fascicul de radiatie β- ladeplasarea in substanta (cu R este notat parcursul)

În cazul în care, prin procesul de interac iune, este smulsţ electronul dintr-unul din straturile profunde ale atomului ciocnit(radia iile beta, având mas mult mai mic şi vitez mare, potţ ă ă ă p trunde mai uşor în învelişurile electronice ale atomului), el vaă fi înlocuit cu unul din electronii de pe nivelurile superioare,care, la rându-i, este succedat de un altul de pe un nivel maiexterior, pân în momentul când îi lipseşte un electron dină ultimul s u înveliş electronic. Prin acest proces complex deă

tranzi ii electronice, atomul va emite un spectru de radia iiţ ţ Roentgen de diferite energii (diferite lungimi de und ),ă



caracteristic pentru atomii fiec rui element chimic, precum şiă radia ii luminoase. Astfel, dac un electron este smuls de ceaţ ă mai apropiat orbit de nucleu (orbita K), atunci loculă ă electronului smuls poate fi ocupat de electronii de pe oricare

din orbitele L,M,N, etc. În spectru vor apare o serie de liniicorespunzând radia iilor electromagnetice de anumite lungimiţ de und , create ca urmare a smulgerii electronului din p tura K ă ă şi înlocuirii lui cu electroni de pe alte orbite. Apar radia iiţ fotonice caracteristice.

Dac electronul smuls, apar ine unuia dintre nivelele maiă ţ periferice ale atomului, locul s u este ocupat de un electron deă pe un nivel superior imediat vecin, procesul se succede înacelaşi sens şi atomul emite radia ii din domeniul spectruluiţ

vizibil.Ionizarea specific produs de particulele beta scade peă ă m sur ce creşte energia lor cinetic , atingând un minim la 1ă ă ă MeV, dup care creşte lent pentru energii mai mari. Unoraă dintre electronii smulşi din atomi de particulele beta, li se poateimprima o energie mai ridicat , încât aceştia, la rândul lor, potă provoca ioniz ri secundare.ă

Radia iile beta minus, dup ce şi-au cedat energiaţ ă cinetic , sunt absorbite de atomii ioniza i ai mediului,ă ţ

neutralizându-i sau de atomii neutri ai acestui mediu care seionizeaz negativ.ăRadia iile beta plus, au o via mai scurt decât cele betaţ ţă ă

minus, şi când ajung la o energie redus interac ioneaz cu ună ţ ă electron al mediului, dând naştere la dou cuante gama cuă energia de 0,51 MeV fiecare (energiile corespunz toare maseiă de repaus a electronului şi pozitronului). Fenomenul poartă numele de anihilarea pozitronului.

Probabilitatea de interac iune a radia iilor beta cu nucleeleţ ţ atomilor mediului str b tut şi în special a radia iilor beta şiă ă ţ electronilor accelera i, care au energii ridicate, este mult maiţ mare decât în cazul radia iilor alfa. În acest caz, o parte dinţ energia cinetic a radia iilor se transform într-o radia ieă ţ ă ţ electromagnetic numit radia ie Roentgen de frânare. Acestă ă ţ fenomen, numit proces de frânare a electronilor, st la bazaă producerii radia iilor Roentgen folosite în medicin , cercetareţ ă sau industrie.

Spectrul energetic al radia iei de frânare este deci unţ spectru continuu, chiar în cazul în care radia ia beta incidentţ ă este monoenergetic . Energia maxim a limitei superioare aă ă



spectrului radia iei Roentgen de frânare este socotit egal cuţ ă ă energia maxim a radia iei beta incident .ă ţ ă

2. Radia iile f r sarcin :ţ ă ă ă

Radia iile electromagnetţ ice (fotonice) Roentgen şigama:

În procesul de propagare, radia iile Roentgenţ (X) şi gamase comport ca unele electromagnetice, iar în procesele deă interac iune cu substan a, aceste radia ii se comport ca unţ ţ ţ ă corpuscul (foton). Întrucât interac iunea radia iilor Roentgen şiţ ţ gama cu materia se produce de o manier identic , înă ă continuare se va folosi termenul de radia ii gama, în elegândţ ţ prin aceasta c aceleaşi interac iuni pot avea loc şi cu radia iileă ţ ţ

Roentgen. Din punct de vedere al radioprotec iei, principaleleţ tipuri de interac iuni ale radia iilor gama cu materia, sunt:ţ ţ efectul fotoelectric, efectul Compton, formare de perechi.

Dac presupunem c toate particulele au aceeaşi energieă ă şi se mişc toate în aceeasi direc ie cu viteza v, rela ia întreă ţ ţ densitatea de particule şi flux este:

vn ⋅=Φ (3.1)

Interac iile radia iilorţ ţ cu substan aγ ţ : Coeficientul liniar de atenuare.

Interac ia fotonilor cu substan a, deşi este de naturţ ţ ă electromagnetic , se deosebeşte fundamental de interac iaă ţ particulelor înc rcate; fotonii, neavând sarcin nu suferă ă ă ac iunea for elor coulombiene de distan lung . Înţ ţ ţă ă electrodinamica cuantic se arat c interac ia fotoniloră ă ă ţ γ cuelectronii are loc într-un domeniu de ordinul lungimii de und aă radiaţiei adic 10ă -13 m, care este cu trei ordine mai mic decâtă

raza atomului. De aceea cuantele γ trecând prin substanţă interac ioneaz rar cu electronii, comparativ cu o particulţ ă ă înc rcat , fiind socotite radia ii penetrante.Interac ia radia iiloră ă ţ ţ ţ γ cu substan a se rezum în principal, la urm toarele efecteţ ă ă (fig. 3.3):



interac ieiţ γ cu substan a se poate face corect numai înţ electrodinamica cuantic .ă

Legea de atenuare a unui fascicul de fotoni într-un strat desubstan de grosime x este:ţă

xe I I µ −= 0

(3.2)

unde I0 este num rul de fotoni care cad pe suprafa aă ţ absorbantului în unitatea de timp, I este num rul de fotoni careă r mân în fascicul dup traversarea stratului de substan deă ă ţă grosime x, deoarece atenuarea fasciculului se datoreşte înprincipal celor trei procese Compton, efect fotoelectric, şiformare de perechi, iar este coeficientul liniar de absorb ie,μ ţ care depinde de natura materialului absorbant. M rimea areă μ dimensiunea de lungime-1 (adic se m soar în mă ă ă -1) şi poate fiscris sub forma:ă

σ µ ⋅= N (3.3)

unde N este num rul de atomi din unitatea de volă um asubstan ei prin care trece particula respectiv , iar m rimea ,ţ ă ă σ având dimensiunea de arie, reprezint "sec iunea eficace" aă ţ procesului respectiv de ciocnire. Produsul N este sec iuneaσ ţ eficace macroscopic , fiind suma tuturor sec iunilor eficace dină ţ unitatea de volum.

Grosimea substan ei pentru care intensitatea radia iei seţ ţ reduce la jum tate (I = Iă 0/2), poart numele de grosime deă

înjum t ire, dă ăţ 1/2 (fig.3.4):

µ

2ln2/1 =d (3.4)

Importan a celor trei proceseţ prin care radiatia gama sedisipa in materie este diferit în atenuarea unui fascicul deă radia iiţ ,γ depinzând de energia radia iei şi de substan . Înţ ţă figura 3.1 este sugerat importan a relativ a celor treiă ţ ă procese. Curbele indic valorile lui Z şi energia hă f a fotonuluiincident pentru care sec iunile a dou procese vecine suntţ ă egale. Efectul fotoelectric este dominant pentru Z mari şienergii joase, efectul Compton pentru energii medii şi Z mici,

crearea de perechi pentru Z mari şi energii mari.



Fig. 3.4 Variatia intensitatii unui fascicul de fotoni gama cudistanta; se observa grosimea de injumatatire d1/2.

Efectul fotoelectric. Pentru procesul de absorb ie al unui foton de c tre unţ ă

atom, cu emisia unui electron, legile conserv rii impulsului şiă energiei se scriu:

w E E E

p p p

r e f

r e f

++=

+=(3.5)

unde:pf = hf/c este impulsul fotonului;Ef = hf este energia fotonului ( f=frecventa fotonului);Ee = energia cinetic a electronului;ă

pr şi Er ≈0 sunt respectiv impulsul şi energia nucleului de recul.Simpla aplicare a legilor de mai sus duce la concluzia c fotonulă nu poate fi absorbit de electronul liber. Energia cinetic aă electronului:

whf E c −= (3.6)

Efectul fotoelectric este însoţit de procese secundare,deoarece, prin emisia unui electron, atomul a rămas într-o stare

excitată. Astfel se poate emite o radiaţie I, care, de obicei esteabsorbită în substanţă (detector). Este probabil ca alţi electroni,de pe păturile vecine, să fie emişi din atomul excitat, energia deexcitaţie transformându-se în energie cinetică a acestorelectroni (electroni Auger).

Efectul Compton. Dacă energia fotonilor hf >> energia de ionizare, secţiunea

de absorţie fotoelectrică scade şi procesul mai probabil devineîmprăştierea Compton pe electroni liberi (fig. 3.5).

Legile de conservare ale impulsului şi energiei pentruacest proces sunt (fig.3.6):



γ γ

γ γ γ γ α

'

cos'

2'

24222

22

2

2

2

2

E E mccmc p

c

E E

c

E

c

E p

e

e

−=−+

−+=(3.7)

unde : pe este impulsul electronului de recul;

c

hf E =

γ este energia fotonului incident; (3.8)

Fig. 3.5 Importanţa relativă a diverselor procese prin careradiaţia γ interacţionează cu substanţa.



Fig. 3.6 Împrăştierea Compton

c

hf E

'=

γ este energia fotonului împrăştiat. (3.9)

Din relaţiile (3.7) scoatem energia fotonului împrăştiat:

( )α γ

γ

γ

cos11

'

2−

+

=

mc

E

E E

(3.10)

şi energia electronului de recul (electronul Compton):

( )

( )2

2cos11

cos1'

mc

E

mc E

E E E E e

γ

γ

γ

γ

α

α γ ⋅

−+

−=−=

(3.11)

Producerea perechilor electron-pozitron. În câmpul unui nucleu fotonul este absorbit şi sunt emişi un

electron şi un pozitron:

γ → ++ −

e e (3.12)

Nucleul va primi un recul; energia cinetică a acestuia esteneglijabilă, astfel încât bilanţul energetic se va scrie:



22mc E E hf

ee++= −+ (3.13)

Fotonul se poate transforma în perechea electron-pozitron

numai dacă energia sa depăşeşte suma energiilor de repaus aleelectronului şi pozitronului:

MeV mchf 02,122

=> (3.15)

No iuni generale despre interac ia radia iei cuţ ţ ţ substan aţ :

Interesul pentru problemele interac iei cu substan a seţ ţ leag de detec ia radia iilor nucleare: energia absorbit înă ţ ţ ă

mediu, la trecerea radia iei, conduce la apari ia diverselorţ ţ schimb ri, care pot fi utilizate pentru înregistrarea îns şi aă ă radia iei; în gaz, de exemplu, la trecerea particulelor înc rcateţ ă energia se formeaz în procesul de ionizare, perechi deă electroni liberi şi ioni, care schimb rezisten a electric aă ţ ă volumului de gaz; anumite cristale sunt transparente la radia iaţ electromagnetic din domeniul vizibil şi ultraviolet ap rut caă ă urmare a excit rilor provocate de particulele înc rcate.ă ă

Ce se întâmpl când radia ia traverseaz substan a, este oă ţ ă ţ

întrebare ce se pune în orice experiment de fizic nuclear .ă ă R spunsul cuprinde dou aspecte:ă ă1. Ce se întâmpl cu particulele din fasciculul de radia ieă ţ care traverseaz substan a; dac sunt înc rcate, ce energieă ţ ă ă pierd pe unitatea de lungime, dac sunt deviate din fascicul ceă distan parcurg, cum sunt absorbite etc.ţă2. Ce se întâmpl cu îns şi substan a la trecerea radia iei; deă ă ţ ţ exemplu ionizarea, apari ia unor schimb ri de structur ,ţ ă ă apari ia unei radioactivit i secundare etc.ţ ăţ

În general tabloul trecerii radia iei prin substan esteţ ţă complicat, dar o serie de concluzii necesare pentru practicalucrului cu radia ia se pot extrage uşor, f când o serie deţ ă simplific ri. La trecerea radia iei ionizante prin substan ,ă ţ ţă depinzând de felul particulelor, putem avea interac iiţ electromagnetice sau (şi) nucleare; interac iile pot fi elasticeţ sau inelastice. În detec ie ne vor interesa numai acele interac iiţ ţ care în domeniul dat energetic duc la pierderea cea maiimportant de energie pentru fasciculul de radia ie. Astfel,ă ţ pentru particulele înc rcate, protoni, electroni, etc., seă neglijeaz rolul interac iilor tari (nucleare) de distan scurt ;ă ţ ţă ă



electronii din substan fiind numeroşi rolul cel mai important îlţă joac interac iile electromagnetice care sunt de distană ţ ţă infinit . Particulele înc rcate din radia ia nuclear au de obiceiă ă ţ ă energia de ordinul l MeV sau mai mare, cu mult mai mare decât

energia de leg tur a electronilor din atom. Aceasta permite să ă ă se introduc o energie medie de ionizare şi calculele s se facă ă ă în ipoteza c fiecare electron are energia de leg tur cu nucleulă ă ă egal cu aceast energie de ionizare. La trecere neutroniloră ă prin substan , rolul cel mai important îl au, de data aceasta,ţă interac iile tari (nucleare), deoarece neutronul nu are sarcinţ ă electric .ă

Simplific rile necesare pentru în elegerea efectelor, celoră ţ mai importante pentru detec ie , la trecerea radia iei prinţ ţ

substan , sunt deci diferite, pentru diverse tipuri de radia ie.ţă ţ De aceea vom împ r i prezentarea trecerii radia iei prină ţ ţ substan în mai multe p r i:ţă ă ţ1. pentru particule înc rcate grele: protoni, deuteroni,ă particule alfa, ioni;2. pentru particule înc rcate uşoare: electroni şi pozitroni;ă3. fotoni;4. neutroni.

SUGESTII DE STUDIU INDIVIDUAL – CAPITOLUL III

1. Simulari virtuale :- Interactia radiatiei gama cu materia:http://holbert.faculty.asu.edu/eee460/gamma.html- Interactia radiatiei X cu materia:http://faraday.physics.utoronto.ca/PVB/Harrison/Flash/Nuclear/XRayInteract/XRayInteract.html- Mecanisme de actiune a radiatiei nucleare:http://holbert.faculty.asu.edu/eee460/radeffects.html

2. Aprofundare:- Ecranarea radiatiei gama:http://holbert.faculty.asu.edu/eee460/GammaShielding.pdf - Mecanismul de interactie cu neutronii:http://holbert.faculty.asu.edu/eee460/NeutronReactions.pdf

93470856 interactia radiatiilor nucleare cusubstanta

Documents