środa, 18 kwietnia 2018

Troszkę więcej o fizyce promieniowania jonizacyjnego


Zrozumienie promieniowania jądrowego wymaga pojmowania wzajemnego oddziaływania promieniowania i materii. Ten tekst traktuje o zasadniczych aspektach tego zagadnienia.

Promieniowanie a materia


Promieniowanie jądrowe powstaje w układach, ulegających przemianom jądrowym, W akceleratorach cząstek oraz, jak promieniowanie kosmiczne, w otaczającej przestrzeni. Emisja promieniowania obejmuje zarówno cząstki subatomowe i atomowe. Łatwo pominąć tu szereg pozycji, a wśród nich długą listę cząstek o bardziej przejściowym charakterze jak: obojętne mezony. Omówienie własności tych cząstek wykracza poza zakres krótkiego opracowania, jednakże ich detekcja opiera się na istotnych zasadach.

Charakter oddziaływania z materią jest różny dla różnych rodzajów promieniowania jądrowego. W niniejszej pracy pewne rodzaje promieniowania uznano za podstawowe i omówiono je szczegółowo. Własności innych rodzajów promieniowania można wyprowadzić z własności najbardziej do nich podobnego promieniowania podstawowego. Podstawowymi kryteriami w ocenie podobieństwa z punktu widzenia właściwości takich jak absorpcja są: ładunek i masa. Nie należy jednakże przeoczyć faktu, że cząstki przynależne do określonego typu podstawowego mogą się znacznie różnić pod względem tak ważnych cech, jak spin i moment magnetyczny.

Następujące rodzaje promieniowania wybrano jako podstawowe, cząstki fragmenty rozszczepienia, elektrony, promienie alfa i neutrony.

Alfa, promienie podstawowe


Strata energii naładowanych cząstek przechodzących przez materię, przypadająca na jednostkę długości toru, zależy od masy i ładunku cząstek. W grupie obejmującej cząstki alfa, jądra trytu, deuterony i protony, masy różnią się między sobą w stosunku nie większym niż 4 do 1, a ładunki w stosunku tylko 2 do 1. Dzięki temu zasięgi tych cząstek mogą być podane w ścisłych relacjach. Do tej samej grupy, oprócz wymienionych już cząstek, można zaliczyć mezony, jednakże z powodu dużej różnicy mas zmniejsza się dokładność określenia zależności ilościowych.

W ciągu wielu lat przepnowadzano gruntowne pomiary zasięgów cząstek alfa. Cząstki emitowane przez jądra promieniotwórcze, należały do pierwszych dostępnych rodzajów promieniowania. Energia, z którą są emitowane, zależy od rodzaju źródła promieniotwórczego i sięga wartości 10 MeV (megaelektronowoltów). Ponadto cząstki alfa mogą być przyspieszane w różnego rodzaju akceleratorach cząstek, aż do energii rzędu kilkuset megaelektronowoltów.

Absorpcja cząstek alfa


Cząstka przy przejściu przez absorbenty traci energię na wzbudzenie i jonizację ich atomów. Zjawiskiem w głównej mierze odpowiedzialnym za stratę energii jest wzajemne oddziaływanie pól kulombowskich cząstki z polami kulombowskimi elektronów związanych absorbenta. Ze względu
na stosunek mas rozpatrywanych cząstek odchylenia cząstek alfa są pomijalne. Dwa inne zjawiska mogą spowodować absorpcję lub odchylenie cząstki alfa od skolimowanej wiązki; są to: przemiana jądrowa i rozproszenie na jądrach atomowych. Udział tych zjawisk w procesie osłabiania wiązki cząstek alfa jest jednak pomijalny w porównaniu ze zjawiskami wzbudzenia i jonizacji.

Stanley Livingston i Hans Bethe obliczyli stratę energii naładowanej cząstki, spowodowaną przez jonizację i wzbudzenie. Strata energii na jednostkę długości toru, nosi obecnie nazwę zdolności hamowania materiału. W zakresie energii nierelatywistycznych liczba hamowania jest
funkcją logarytmiczną. Odpowiada to na wzrost czasu zużywanego przez cząstkę oz na przejście obok związanych elektronów i wynikające z tego dłuższe oddziaływanie na elektrony i większe prawdopodobieństwo wzbudzenia i jonizacji. Równanie przestaje jednak obowiązywać dla energii cząstek oz mniejszych niż 0,1 MeV, ponieważ prędkość cząstek staje się tak mała, że ich ładunki ulegają fluktuacjom spowodowanym występowaniem na przemian wychwytu i straty elektronów.

Absorpcję można badać doświadczalnie przez pomiar liczby par jonów wytworzonych na jednostkę długości toru; wielkość ta nosi nazwę jonizacji właściwej. Strata energii wiąże się z jonizacją przez wielkość wyrażającą stosunek energii straconej przez naładowaną cząstkę do całkowitego wytworzonego przez nią ładunku jonizacyjnego. Stwierdzono, że wartość zależy od szeregu czynników, m. in. od materiału absorbenta, rodzaju cząstek i ich energii. Powyższą zależność rozpatrzył Lars Uehlin. Okazuje się, że wszystkie wartości w dla gazów zawierają się w prze-
dziale od około 25 do 50 eV na parę jonów. W środowiskach ciekłych zagęszczonych w wynosi około 5 eV/parę jonów. Strata energii cząstki przypadająca na wytworzenie pary jonów w gazie znacznie przewyższa wartość energii potrzebnej wyłącznie do zjonizowania atomu. Dodatkowa energia zużywa się na dysocjację cząsteczek gazu oraz na wzbudzenie jego atomów i cząsteczek.

0 komentarze:

Prześlij komentarz