A sugárzások és az anyag fizikai kölcsönhatásai

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "A sugárzások és az anyag fizikai kölcsönhatásai"

Sándor Mezei
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 A sugárzások és az anyag fizikai kölcsönhatásai A kölcsönhatásban résztvevő partner 1. Atommag 2. Az atommag erőtere 3. Elektron (szabad, kötött) 4. Elektromos erőtér 5. Molekulák 6. Makroszkopikus rendszerek 1,2 abc: magreakciók 3,4 abc: ionizáló sugárzások kcshsai 5,6 abc: nem ionizáló sugárzások kcshsai a., b., c., Mechanizmus Elnyelődés (abszorpció) s: DI, DE; a: E kin + E* Koherens szórás (nincs energia átadás) s: DI Inkoherens szórás s: DI, DE (van energiaátadás) --> rugalmas, a: E kin (nincs gerjesztés) -->rugalmatlan a: E kin + E* (gerjesztés is van)

2 Sugárzások osztályozása 1. Magaktív töltött részecskék (p, d,t, alfa: m o > m e ) 2. Magidegen töltött részecskék (e+, e-) 3. Töltés nélküli (n: m o > 0) 4. Töltés és nyugalmi tömeg nélküli (elektromágneses sugárzások)

3 Magreakciók RUTHERFORD általában a N α X X(a, b)y 17 8 : Y O b p Megmaradási elvek: Nukleonok száma Elektromos töltés Energiamegmaradás Impulzusnyomaték Impulzus Spin Paritás

4 Energiamegmaradás E A E Y E A E X Q E= E kin + mc 2, magreakciók során felszabaduló energia: Q Reakció Q(MeV) (n,), (p,) 82 (n,p),(p,n) 02 (n,), (p,) 42 (n), (,p) -82 Urán hasadás 200 Termonukleáris reakció: 17.6 Pl.: 3 H(d,n) 4 He Kémiai reakció: 3*10-6 / molekula H 2 + 1/2O 2 H 2 0

5 Magreakciók mechanizmusa Bohr: az a részecske beépülésével egy gerjesztett átmeneti mag jön létre N α F O p A gerjesztési energia(e*) két részből tevődik össze: E* = E k + E a ahol E k a beépült részecske kötési energiája E a az a részecske kinetikus energiája A reakció termékei az átmeneti mag összetételétől és energiájától függnek 10 B 12 C α d 14 N * 10 B 13 C 13 N α p n

6 HATÁSKERESZTMETSZET A magreakció k sebessége (R) : R σ N, ahol σ - hatáskeresztmetszet - beeső részecskefluxus N - a célmagok száma egységnyi A A felületen S σ s: effektív felületként képzelhető el, amit ha eltalál a bombázó részecske, a reakció végbemegy egysége: 1 barn = m 2

7 Magreakciók töltött részecskesugárzással E Coulomb gát: C Za ZX e R R a R 1, X 2 A 0, /3 cm 6 MeV a X R a + R X Protonoknál: 1-12 MeV Alfa: 2-24 MeV alagúteffektus

8 Magreakciók alfa-sugárzással Rugalmas szóródás Rutherford Szórási képlete: A szögben szórt részecskék E energiája E/E 0 - tömegszám függés! Felület analitikai módszer: Rutherfor Backscattering Spectroscopy (RBS) E E 0 4 A cos 4 1 A 4 1 A 2 sin 2 2

9 Fontosabb alfa magreakciók - magreakciók ( n) reakciók: 9 Be + --> n + 12 C Laboratóriumi neutron forrás. Az alfa forrás lehet: Ra, Rn, Po, Am, Pu, stb. 11 B + --> n + 14 C ( p) reakciók: 14 N + --> p + 17 O Rutherford

10 Magreakciók egyéb töltött részecskékkel p, d - sugárzás 12 C + p --> + 13 N b + sugárzó Protondús (neutronhiányos) magok előállítása: Gyakorlati jelentőség: PET-Debrecen Izotóp 15 O 11 C 13 N 18 F (F - ) 18 F (F 2 ) T 1/2 (perc) Magreakció 14 N(d,n) 15 O 14 N(p,) 11 C 16 O(p,) 13 N 18 O(p,n) 18 F 20 Ne(d,) 18 F Célanyag 99 % N 2 1% O 2 N 2 ( 16 O) Víz ( 18 O)Víz 0.33% F 2 Neon-ban Termék 15 O 2 (gáz) 11 CO 2 / 11 CO (gáz) Előállítható Aktivitás 74 GBq (2 Ci) 111GBq (3 Ci) 13 NH 3 (Folyadék) 18 F - (Folyadék) 15 GBq (0,4Ci) 185 GBq (5 Ci) 18 F 2 (gáz) 11GBq (0,3 Ci)

11 T(d,n) 4 He hordozható neutronforrás 10 GBq T, W-ra gőzölt Zr

12 Termonukleáris reakciók 1. Proton-proton lánc - naptípusú csillagok alapvető energiaforrása 1 H + 1 H --> 2 H + e + + neutrínó T min = 1 millió K 2 H + 1 H --> 3 He + e + + e - --> 2 a keletkező gamma sugarak elnyelődnek a csillagok belsejében és gerjesztés útján látható tartományú fotonokká transzformálódnak. 1 gamma fotonból kb látható foton keletkezik. 3 He + 3 He --> 4 He H A neutrínó elhagyja a csillagot. 600 millió t H ég el másodpercenként és T min = 10 millió K 596 millió t He keletkezik. Nagy tömegű csillagokban beindul az un. Triple-alfa folyamat: 4 He + 4 He + 4 He --> 12 C T min = 100 millió K 12 C + 4 He --> He --> 20 Ne + Nagyobb tömegű csillagokban ahol a hőmérséklet nagyobb, mint 500 mk nagyobb magok égése is beindul:

13 A Nap-neutrínó probléma Neutrínó: W. Pauli jósolta meg elméletileg, kísérletileg Reines éa Cowan mutatta ki 1956-ban. A Napban lejátszódó folyamatokat csak közvetve tudjuk ellenőrizni. Ez a csak a Napot elhagyó egyetlen reakciótermék, a neutrínók vizsgálatával lehetséges. Feladat: detektáljuk a Nap p-p láncából származó neutrínókat ben 100,000 gallon perchloroethylene -- C 2 Cl 4 tartalmazó tartályban a következő reakciót figyelték: 37 Cl + neutrínó--> 37 Ar + e - (E.X. 35 napos felezési idő) A tartályt 1.5 km mélyen helyezték el egy aranybányában (Homestake bánya, Lead, SD, USA). A p-p lánc alapján 3 Argon atom keletkezését várták naponta, amit radioaktivitása útján könnyű detektálni. Eredmény: csak 1/3 mennyiséget mértek. A kísérlet 20 éve folyik és más obszervatóriumok is (Japán (Kamiokande), Oroszország (SAGE = Soviet(sic)-American Gallium Experiment) és Olaszország (GALLEX)) hasonló eredményt közöltek. Probléma: hol a hiányzó neutrínó? Részletes információ:

14 Neutron magreakciók A He kivételével minden elem Mindig exoterm A hatáskeresztmetszet erősen energia függő

15 235 U neutron befogási hatáskersztmetszete függése a neutron energiától

16 (n,) reakciók a leggyakoribbak. Példa: Magreakció (n,p) reakciók: s [barn] 23 Na(n,) 24 Na Ag(n,) 110m Ag Co(n,) 60 Co Cl(n,) 36 Cl Cd(n,) 114 Cd 6.31* Xe(n,) 136 Xe 2.7* N (n,p) 14 C Az élő szervezetben a 14 C/ 12 C arány kb. 1/8.3*10 11, ami 15 bomlás/perc/g szén b - 14 N (n,t) reakciók: 14 N + n --> 3 H + 12 C (n,) reakciók: Magreakció s [barn] 10 B(n,) 7 Li 3* Li(n,) 3 T 900

17 Bór Neutron Befogásos Terápia (BNCT) BSH (Na 2 B 12 H 11 SH) BSH -3R (Na 2 B 12 H 11 S-R-R-R R= Arginin)

18 Neutron aktivációs analízis (NAA) Promt-gamma aktivációs analízis (PGAA)

19 Az aktiválás időtörvénye Kérdés: hogyan adható meg egy pl. neutron abszorpcióval előállítható izotóp aktivitása a besugárzási idő függvényében? N db célatommag A Φ σ B λ C A keletkező radioaktív B magok mennyisége (N * ) időbeli változása: dn dt * s N N *

20 Ha t=0 esetben N*=0, akkor: A A ahol A 1 exp( t) s N

21 Budapesti Kutató Reaktor

23 PGAA érzékenysége

24 (n,f) reakciók, maghasadás (Otto Hahn): 235 U n 236 U 3n 90 Kr 143 Ba A természetes uránnak csak 0.71%-a 235-ös izotóp, a többi 238-as, amely termikus neutronokkal nem hasítható

25 235-U hasadvány-termékei eloszlása Hozam Tömegszám

26 (n,f) reakcióra képes magok Izotóp Kiindulási anyag Hatásos neutron 235-U Természetes urán termikus 233-U Természetes tórium, termikus neutron besugárzás 239-Pu 238-U neutron termikus besugárzás 241-Pu 238-U neutron termikus besugárzás 238-U Természetes urán gyors 232-Th Természetes tórium gyors

27 Láncreakció k - sokszorozási tényező: szekunder neutronok száma k primer neutronok száma

28 A rendszer lehet: szuperkritikus - atombomba szubkritikus kritikus - atomreaktor

29 Véges méretű rendszer esetén un. effektív sokszorosítási tényezőről beszélünk: k ahol k P - az adott méretektől függő paraméter a méret növeléséve l P közelít az egyhez. Kritikus térfogat (tömeg) esetén : k eff eff k P - végtelen kiterjedés ű rendszer sokszorosí a rendszer kritikussá válik. tási tényezője

30 Rezonancia abszorpció - Mössbauer-effektus Probléma: visszalökődés Megoldás: Dopler-elv Vizsgálható izotópok: 40 K, 57 Fe, 119 Sn, 121 Sb, 153 Eu, 191 Ir, 195 Pt, 197 Au

31 Magreakciók fotonokkal Neutronforrás: 2 H(,n) 1 H a D kötési energiája 2,2MeV ezért pl. 24 Na, E=2,76MeV-al szétlőhető!

Hasonló dokumentumok

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

Sugárzások és anyag kölcsönhatása Az anyaggal kölcsönhatásba lépő részecskék Töltött részecskék Semleges részecskék Nehéz Könnyű Nehéz Könnyű T D p - + n Radioaktív sugárzás + anyag energia- szóródás abszorpció