A sugárzás és az anyag kölcsönhatása. A gamma/röntgensugárzás és anyag kölcsönhatása

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "A sugárzás és az anyag kölcsönhatása. A gamma/röntgensugárzás és anyag kölcsönhatása"

Sándor Fábián
6 évvel ezelőtt
Látták:

1 A sugárzás és az anyag kölsönatása A gamma/röntgensugárzás és anyag kölsönatása

2 y Szóródások: rugalmatlan x Compton-szórás Rugalmas szórás kis energiáknál van, azaz << m. Nagyobb energiák rugalmatlan szórás: a foton energiája sökken (azt éjelektronnak adja át), iránya megváltozik. Energiák: -foton az ütközés előtt és után: ill. elektron az ütközés előtt és után: m ill. m, m és m a nyugvó ill. a mozgó elektron tömege.

3 Szóródások: rugalmatlan (Compton) Impulzusok ütközés előtt: -foton: / az x tengely irányába, az y tengely irányában Elektron: nulla Impulzusok ütközés után: Elektron: p e os az x irányban, p e sin az y irányban A -foton impulzusa ennek megfelelően sökken. Energiamegmaradás : E = m -m E m m v 1 E 1 m 1 v 1

4 Szóródások: rugalmatlan (Compton) Impulzus-megmaradás: A két egyenletből kifejezzük az elektron impulzusát, négyzetre emeljük és összeadjuk az egyenleteket: Az elektron impulzusa másképp is kifejezető: os p os e sin sin e p e v 1 v m v 1 v m mv p os p e e v 1 v m v 1 v m v m p

5 Szóródások: rugalmatlan (Compton) A két egyenletet egyenlővé téve, felasználva, ogy E= és E = m - m : A Plank-állandóval szorozva: Energia-változás: függ a foton kezdeti energiájától és a szórás szögétől: 1 1 m m os m m m os 1 m os. E E E E os m , os 1 E os 1 E E

6 Kölsönatás a éjelektronokkal: Fotoeffektus E k = -E i E k az elektron kinetikus energiája a kölsönatás után E i az elektron kötési energiája a gamma-foton kölsönatás előtti energiája A folyamat lejátszódásának akkor van jelentős valószínűsége, a a gamma-foton energiája összemérető az elektron kötési energiájával (K- és L-éjak) Az elektron kilökésével létrejött elektroniányos állapot megszűnése: karakterisztikus röntgensugárzás: Moseley-törvény 1 1 * R y ( Z 1) * ullámszám n m R y a Rydberg-állandó Z a rendszám n és m pedig az elektronátmenetet létreozó elektronéjak főkvantumszáma.

7 Fotoeffektus Auger-effektus: további elektronok távoznak az elektronéjból Kisebb rendszámoknál az Augereffektus, nagyobb rendszámoknál a karakterisztikus röntgensugárzás kedvezményezett.

8 Fotoeffektus A fotoeffektus atáskeresztmetszete (σ f ), - empirikus formula Z f áll. E E γ a gamma/röntgen-fotonok energiája A fotoeffektus termékei: fotoelektronok karakterisztikus röntgenfotonok Auger-elektronok Kapsolódó analitikai módszerek nagy felbontású béta-spektroszkópia fotoelektronspektroszkópis röntgenfluoreszenia analízis Auger-elektron spektroszkópia (Radioanalitika)

9 Párképződés Ha a -foton energiája () nagyobb, mint két elektron (m ) nyugalmi tömegének megfelelő energia, akkor a gamma-foton az atommag Coulomb-terével úgy lép kölsönatásba, ogy egy elektron és egy pozitron keletkezik. Ezt a folyamat a párképződésnek, az anniiláió fordított folyamata. E a -sugárzás energiája Z annak az elemnek a rendszáma, melynek Coulomb-terével kölsönatásba lép a -sugárzás K állandó m E e m KZ p f ( E ) E e

10 Cs-137

11 Gamma-sugárzás teljes abszorpiója Rayleig Tomson fotoeffektus Compton párképz I I e x

12 Magrezonania-abszorpió: Mössbauereffektus Magvisszalökődés miatti energiavesztés (E R ) - impulzusmegmaradás: Mv E v E E R Mv M E= E - E R 1 E M E a magból kilépő gamma-foton energiája M az atommag tömege v az atommag sebessége a -foton eltávozása után C a fény vákuumban mért sebessége Természetes vonalszélesség (Γ): Heisenberg-féle bizonytalansági reláió a gerjesztett állapot élettartama, magfolyamatoknál s, a vonalszélesség nagyon kisi

13 Mössbauer-effektus A vonalakat szélesíti a őmozgás: különböző sebességűek a gammafotonokat kibosátó atomok, mozognak egymásoz képest: a frekvenia (ν) a Doppler-effektus miatt eltolódik: 1 v Mössbauer: a őmérséklet atását akarta kiküszöbölni, a mintákat űtötte: a visszalökött atom az egész kristály, annak tömege írató M elyére.

14 Mössbauer-effektus Alkalmazását a kémiai analízisben: a kémiai állapot, azaz az oxidáiós állapot és a kémiai környezet az elektronfelő és a mag között fennálló elektrosztatikus kölsönatás miatt megváltoztatja az atommag energiaállapotát - izomereltolódásnak vagy kémiai eltolódás Ennek energiája 7-8 nagyságrenddel kisebb, mint a nukleáris energiák. Mérése: Doppler-effektus segítségével - a minta és a sugárforrás egymásoz viszonyított mozgatásával ozzuk létre a magrezonaniaabszorpiót. Egyúttal a sugárforrás és a minta relatív sebességét tekintjük a kémiai eltolódás mértékének is, így azt sebesség dimenzióban (pl. m/s, mm/s) adjuk meg. E sekély mozgatási sebesség a gamma-energia rendkívül finom angolását teszi leetővé, amivel a forrásban és az abszorberben levő Mössbauernuklid kémiai környezetének eltéréséből fakadó magenergianívóváltozást kompenzáljuk a forrásból kilépő gamma-foton abszorberberben való elnyelődést leetővé téve. A legjelentősebb vizsgálató izotópok: 57 Fe, 119 Sn, 11 Sb, 151 Eu, 191 Ir, 195 Pt, 197 Au.

16 Vas(III) a FeF 3 ban szimmetrikus környezetben van, elektron-konfiguráió 3d 5, nagy spin - szinglet Vas(II) a FeF ben aszimmetrikus kémiai környezetben van, elektron-konfiguráió 3d 6. Az aszimmetrikus környezet kölsönatásba lép a mag elektromos kvadrupólus momentumával - dublet. Alasony őmérsékleten belső mágneses tér alakul ki, ami mágneses felasadást okoz (Zeeman-effektus) - szextet.

17 Vas(III) a FeF 3 ban szimmetrikus környezetben van, elektron-konfiguráió 3d 5, nagy spin - szinglet Vas(II) a FeF ben aszimmetrikus kémiai környezetben van, elektron-konfiguráió 3d 6. Az aszimmetrikus környezet kölsönatásba lép a mag elektromos kvadrupólus momentumával - dublet. Alasony őmérsékleten belső mágneses tér alakul ki, ami mágneses felasadást okoz (Zeeman-effektus) - szextet.

18 Fe(III)- és Fe(II)-szulfát Mössbauer-spektruma

19 Ferri- és ferro-szulfát Mágneses felasadás Sz: számláló D: detektor A: abszorbens (minta) K: kollimátor F: sugárforrás I: vizsgálati ív

20 A neutronok kölsönatása az anyaggal Neutronok keletkezése Neutronbomló izotópok jelentéktelen (atomreaktorok leállítása) Magreakiókban

21 Semleges Ruterford megjósolta 19-ban Neutronok felfedezése Gyakorlati felfedezés: 193: a magok energiaszintjeit vizsgálta Bote and Beker. Be-ot alfa-részeskékkel sugároztak be és nagy atótávolságú kb. 5 MeV energiájú sugárzást tapasztaltak. Feltételezték,ogy az gammafotonokból áll. 193-ben Irene Curie és Frederi Joliot-Curie ugyanezt a kísérletet végezték, de a kilépő sugárzást másképp detektálták és sokkal nagyobb energiájúnak találták. Cadwik: az energia 5 MeV: ugyanabban a reakióban keletkező gamma-energia nem függet a detektálás módjától teát nem leet supán gamma-foton, legalább egy más típusú részeskének is keletkezni kell. A osszú atótávolság azt jelenti, ogy ez a részeske sak akkor ad le energiát, a atommagokkal ütközik neutron Cadwik: nyugalmi tömeg megatározása idrogén és nitrogén atommagokkal való rugalmas ütközésben. A neutron és a idrogén atommag (proton) tömegének aránya kb. 1,1:1.

22 Neutronok előállítása Neutronforrások: n/s m. Alfa-forrás: Ra-6, Pu-39, Po-1 5 Cf spontán asadásával: neutrons/s. 9 (γ,n) magreakióban, a a gamma-foton energiája megaladja a targetmag kötési energiáját, pl. 4 Na-izotóp. Targetek: D, Li, Be, B. Pl. 9 Be(γ,n) 8 Be Be( α, n) Mobil neutronforrás: 4 Na-izotóp sója neézvízben oldva Neutrongenerátorok: a idrogén izotópjainak (deutérium, tríium) magreakióival. Ezeket lineáris gyorsítóban felgyorsítják, majd D- és/vagy T-tartalmú fém-idrid targetbe ütköztetik. Hozam n/s. H H 3 H H C He n He n H n p

23 Neutronok előállítása Ciklotronban (p,n) magreakióban. Target: lítium vagy beríllium Atomreaktorok: (n,f) Spalláiós neutronforrás Spalláió: fotonok vagy más, nagy energiájú részeskék (pl. GeV energiájú protonok) ütköznek a maggal, abból sok kisebb részeske (neutrons, könny atommagok) vagy fotonok lépnek ki. Target: neéz elem (pl. igany, wolfrám, ólom) Csak néány ilyen létesítmény van a világon A szabad neutronok élettartama kisi, protonná, béta-részeskévé (.78 MeV ) és antineutrínóvá alakulnak:. 1 1 n 1 p 1.5min A reakió felezési ideje: 1.5 min..78mev

24 Neutron kölsönatása az anyaggal Kölsönatásban részt vevő anyagi rész A sugárzásban Változások Az anyagban Héjelektron - A páratlan elektronok mágneses tere Rugalmas szórás Rugalmatlan szórás - Gerjesztés vagy mágneses relaxáió Magerőtér - Mag Magreakió Rugalmas szórás Rugalmatlan szórás Új atommag Kémiai változás emial ange - Gerjesztés vagy mágneses relaxáió

25 Neutron kölsönatása az anyaggal Legfontosabb kölsönatások: Magreakiók (Elméleti fizikai kémia II.) Szórás (rugalmas és rugalmatlan) Magreakiók Izotópelőállítások (Elméleti fizikai kémia II.) Nukleáris energiatermelés Analitika (kvalitatív, kvantitatív, szerkezetvizsgálatok radioanalitika) Szórási vizsgálatok radioanalitika)

Hasonló dokumentumok

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Radioaktivitás Biofizika előadások 2013 december Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal PTE ÁOK Biofizikai Intézet, Orbán József Összefoglaló radioaktivitás alapok Nukleononkénti kötési energia (MeV) Egy