Nukleáris képalkotás - detektorok, módszerek és rendszerek

1. hét: Magfizikai alapok Radioaktív sugárzás Sugárzás és anyag kölcsönhatása

2. hét: SugárzásdetektorokGáztöltésű detektorok

Ionizációs kamraProporcionális számlálóGM cső

Szcintillációs detektorokSzcintillátorokFotondetektorok

Félvezető detektorok

A mikrovilág fizikájakb. 1900-

• Kvantáltság (pl. ħν energiakvantum ), kvantumszámok• Kizárási elv (fermionokra)

• Részecske-hullám dualitás• Tartózkodási valószínűség: |Ψ|2 • Határozatlansági reláció

Δx Δp ħ (puskagolyó ≈ 10-33 cm)

Δt ΔE ħ• Tömeg-energia ekvivalencia: E = m c2 (eV,keV,MeV)• Megmaradási tételek: energia, impulzus (lendület),

impulzusmomentum (perdület), elektromos-töltés, barionszám, leptonszám, izospin, stb.

Az energiamegmaradás tétele

Az atomok felépítéseRutherford 1911

Rutherfordék észleltek néhány igen nagy szögben eltérülő (visszapattanó) alfa részecskét.Ez csakis akkor lehetséges, ha valahol az atom belsejében létezik egy erősen pozitiv, azazaz alfa részecskékkel azonos, töltésű és egyúttalnehéz, nagy tömegű képződmény. Vagyis az atomnak (egy ilyen) magja kell, hogy legyen.

Az atomok felépítéseChadwick 1932

Az atomok felépítése

• Alkotórészek: méret tömege- elektron (1897, Thompson) <10 -16 cm 511.00 keV/c2

p+ proton (1919, Rutherford) 10 -13 cm 938.26 MeV/c2

n neutron (1932, Chadwick) 10 -13 cm 939.55 MeV/c2

p, n = nukleonoka neutron szabad állapotban instabil !

• Radioaktív bomlásban keletkeznek :e+ pozitron (1932, Anderson) <10 -16 cm 511.00 keV/c2

ν neutrinó (1919, Rutherford) -- < 0.2 eV/c2

γ gamma (1900, Villard) -- --

Eredetilegnincseneka magban !

Milyen kölcsönhatások (erők) működnek az atomban (és az egész világegyetemben) ?

erősség iránya hatótávolság időállandó távolságfüggés

Gravitációs 1 (szempilla) vonzó ∞ ? 1/r2

Gyenge (magerő) 1026 (25 km Pb) taszító 10-16 cm 10-10-103 s ??

Elektromágneses 1036 (bolygók) v/t ∞ ≥10-20 s 1/r2

Erős (magerő) 1039 (Nap) V/t ~ 10-13 cm ≥10-23 s e-αr /r2

e− , e+ : G, EM p+ : G, Gy, EM, E n : G, Gy, EM,E ν : G, Gy γ : G, EM

Az atommag felépítése, főbb bomlásmódjai

Vonzó magerő: p-n és p-p (igen közelrőlmindkettő taszító!)

Taszító elektromágneses(Coulomb) erő a protonok között

Miért létezik atommag ?Energiamérleg megközelítés

Tömeghiány = kötési energia = 0.03035 u = 28.3 MeV = 4 x 7.07 MeV

Ha energetikailag kedvező (létrejöttével a rendszer összenergiája csökken) és kvantum-kiválasztási szabályok sem tiltják, akkor adott kötött nukleon-kombináció megvalósulhat

= mC-12 / 12

Elektronhéj – atommag összehasonlítása

Atom és atommag energetikai viszonyai(potenciálgödör)

Milyen alakúak az atommagok ?Milyen a maganyag eloszlása ?

Neutron-halo, -glória

P+ N

alapállapot

gerjesztett állapot

Mennyire üresek az atomok ?

ρmag = 200 Mt/cm3 ρnukleon = 700 Mt/cm3

Aranyatom

Nap-rendszer

Legkülső elektron

Legkülső bolygó

Az atommagok azonosítása

X vegyjel

Z rendszám (protonok)

N neutronok száma

A =Z+N tömegszám

14C = „szén-14”egyértelmű

Atomtömege

Rendszámprotonok

száma

Neutronokszáma

Izotóp és izobár magok

iso = azonostopos = helybar = súly

Az atommagok kötési energiái

Atommag-hasadás és fúzió Példák

A hasadás lehet spontán folyamat is a fúzió soha !!

Radioaktivitás, radioaktív bomlás

Természetes radioaktivitás Primordiális:232Th 14 Mrd év238U 4.5 Mrd év 40K 1.2 Mrd év235U 0.7 Mrd év

222Rn 4 nap

Kozmikus eredetű:14C 5700 év 3H 12 év

Stabil magok száma: ~ 210 1 Becquerel = 1 Bq = = 1 bomlás/sec

Milyen P-N kombinációk fordulnak elő ?

Neutronok száma

Pro

tono

k sz

áma

izotópok

izobárok N = P

Milyen bomlási (átalakulási) módok léteznek?

α – bomlás

(erős kölcsönhatás)

Főleg Z ≥ 82 magokravα ≈ 0.1 c

α = He++

E+EM kölcsönhatásZ0 → Z0-2A0 → A0-4diszkrét energiák

Magyarázat (magerő !)?Energetikailag OK, de miértennyire eltérőek a felezési idők ??

Az α-részecske alagúteffektusa a magCoulomb-potenciál gátjánGamow 1928

Makroszkopikus alagúteffektus:M=25 g H=20 cm d=1 mmT=10115 év !Az alagutazási idő rendkívül erősen függ az alagút hosszától és a gát magasságától.Ezért változik a felezési idő annyira az emittált alfa részek energiájától !

β-- és β+(pozitron)- bomlás, (héj)elektronbefogás(gyenge kölcsönhatás)

β- = e-

Z0 → Z0+1A0 → A0

folytonos energiák

β+ = e+

Z0 → Z0 -1A0 → A0

folytonos energiák

Vβ ≈ 0.9 c

A β-stabilitás völgye (izotóp keresztmetszet)

Proton többlet Neutron többlet

A β-stabilitás völgye (izobár keresztmetszet)M

agtö

meg

m

Izobár keresztmetszet

β- bomlás részletesebb magyarázat

A pozitron ( e+ )

Dirac („tenger”) 1928 Anderson 1932a pozitron, mint egy negatív energiájú elektron nagyenergiájú kozmikus részecskék általhiánya a Dirac tengerben keltett nyomok ködkamrában

Spontán hasadás

Egyéb (ritka) radioaktív bomlások

A mag kibocsáthat protont, neutront,valamint nehezebb magcsomókat is, pl.C, O, Ne, Mg, Si atommagokat is !!

Komplex bomlási sorok (példa)

Radioaktív γ-sugárzás (nem magbomlás!)

Magbomlások után gerjesztett állapotbakerült atommagok legerjesztési folyamatábankibocsátott diszkrét energiájú (0.01-10 MeV) EM fotonok.

v γ = c

Radioaktív-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

Töltött részecskék

Gamma sugárzás

papírlap

fémlemez

ólomtégla

Radioaktív-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

γ-sugárzás töltött részecskék az energia állandó az intenzitás állandó az intenzitás egyre csökken az energia egyre csökken (elnyelődés miatt) (lassulás miatt)

γ-sugárzás (EM) kölcsönhatása az anyaggal

Fotoeffektus: elnyelődés

Compton effektus: szórás

Párkeltés: elnyelődés

Intenzitáscsökkenés: I(x) = exp(- μ x) μ = μF + μC + μP

γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

Bejövő foton

fotoelektron

Bejövő foton

Bejövő foton

Bejövő foton

elektron

pozitron

Szórtfoton

Meglökött elektronSzóródott foton

Fotoeffektus Párkeltés

μT ~Z2/E2

Compton szórás

Kötött elektrononμF ~Z5/E3.5

E ≥ 1.02 MeVμP ~Z2 ln(E)

Kvázi szabad elektrononμC ~Z/E

elnyelődés

szóródásRayleigh sz.Koherens sz.

Compton effektus

γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

Töltött részecskék (EM) kölcsönhatása az anyaggal

5 MeV αsziliciumban szimuláció

Mélységi kép (oldalnézet)

Előlnézet

energialeadáshatótávolság

Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal

Egyetlen energikus töltött részecske pályája az azt szegélyező, a szilárd testetalkotó atomok ionizációja során kilökött (ún. delta) elektronok fürtjével

Az anyagon való áthaladás során egy töltött részecske kölcsönhathat

Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal

• Az atomi elektronokkal ( általában ez a meghatározó)

• Az atommagokkal

Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggalA töltött részecskéknek az atomi elektronokkal történő kölcsönhatása tisztán elektrosztatikus (Coulomb) jellegű

• Ionizáció – a részecske kiüt egy atomi elektront a kötött állapotból

Egy ilyen kölcsönhatás lehet:

• Atomi gerjesztés – egy kötött elektron magasabb energiájú, de szintén kötött állapotba kerül

Egy ionizált vagy gerjesztett atom karakterisztikus röntgen sugárzást vagy egy újabb, ún. Auger elektront bocsát ki. Mindkét esetben újabb elektronhiány(ok) áll(nak) elő egy külsőbb elektronhéjon, így a folyamat elölről kezdődik, ill. mindaddig folytatódik, míg szabad (nem kötött) elektronok révén az atom legkülső héján sem marad elektronhiány.

Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggald

E/d

x fa

jlag

os

ener

gia

vesz

tesé

g

Töltött részecske impulzusa

~ 1/v2

Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az anyaggal

A bombázó elektronok mozgási energiájának és a fékező anyag minőségének hatása a behatoló elektronok pályájára. Az elektron (vagy pozitron) kis tömege miatt egy héj-elektronnal való ütközésben nagyon eltérülhet, ill. sok energiát veszíthet. Pályájuk ezért ennyire zegzugos – ellentétben más, sokkal nehezebb töltött részecskékkel.

Al

Al Au

Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az anyaggal

A bombázó elektronok mozgási energiájának és a fékező anyag minőségének hatása a behatoló elektronok pályájára

Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal

Fékezési sugárzás Cserenkov sugárzás μFS ~ E Z2 (z/m)2 v > c/nFőleg könnyű részecskékre (elektron) jellemző a szuperszonikus repülők hangrobbanásával analóg

Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az anyaggal

Az ionizáció és a fékezési sugárzás részesedése elektronok és pozitronokfékezésében

Pozitron kölcsönhatása az anyaggal

Átlagosan kb. 10-9 s ideig (közben max. néhány mm utat tesz meg) a pozitron úgy viselkedik, mint bármely más töltött részecske. Energiát veszít, lelassul.Azután…

annihilálódik egy elektronnal.

Az annihiláció (annihilation) latin eredetû szó és megsemmisülést jelent. Annihiláció (vagy szétsugárzás) egy részecske és antirészecskéjének olyan kölcsönhatása (ütközése), amelyben az eredeti részecskék megszûnnek és új részecskék keletkeznek. A zárt rendszer energiája, impulzusa, impulzusmomentuma, elektromos töltése stb. természetesen megmarad

http://lasp.colorado.edu/cassini/images/Electromagnetic%20Spectrum.jpg