Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

Átírás

1 Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal Dr. Vincze Árpád

2 Mitől függ a kölcsönhatás? VÁLASZ: Az anyag felépítése A sugárzások típusai, forrásai és főbb tulajdonságai A sugárzások és az anyag lehetséges fizikai kölcsönhatásai Kémiai hatások

3 Atomok és molekulák H-atom: e - p Thomson: m 19 1eV J 2 8 E mc ; c 310 ms m e proton kg 0.511MeV 27 1 kg 938.2MeV ~10-10 m Rutherford: az atommag sugara R R o A 1/3 ahol R o m és A atomtömeg

4 Chadwick felfedezte a neutront: Z db elektron a héjakon, Z db proton és A-Z db neutron a magban A tömegszám 14 C 6 Vegyjel Z rendszám A = Z + N Azonos A ======> IZOBÁROK Azonos Z ======> IZOTÓPOK Azonos N ======> IZOTÓNOK

5 A proton és a neutron finomszerkezete 27 m neutron kg MeV A neutron nem stabilis, átlagos élettartalma 16.9 perc: n p e ν e antineutrínó A neutron és a proton is tovább osztható! ==============> STANDARD MODELL

6 Az atom finomszerkezete

7 Elemi részecskék

8 Alapvető kölcsönhatások Kölcsönhatás típusa Erőhordozó Relatív erősség Időtartam erős elektromágneses gyenge gravitációs gluon foton bozon graviton

9 Az egyes sugárzások típusai és forrásai Kérdés: Mit nevezünk sugárzásnak? Válasz: Térben és időben terjedő energia Hogyan jellemezhetjük? Az energiát hordozó részecskék a., típusa b., energia szerinti (spektrális) eloszlása c., intenzitása (fluxusa) alapján

10 Forrásaik alapján: a., atommag eredetű (nukleáris) alfa, béta, gamma, neutron, proton b., elektron-héj eredetű röntgen, Auger, UV c., atomok, molekulák gerjesztéséből származó UV, VIS, IR d., elektromágneses térrel kapcsolatos mikro-, rádió-hullámok e., atomok, molekulák kollektív mozgásából eredő hanghullámok

11 Hatásuk alapján: a., b., c., Közvetlenül ionizáló (alfa, béta, gamma, röntgen, UV) Közvetve ionizáló (neutron) Nem ionizáló (UV, VIS, IR, mikro, rádió és hanghullámok)

12 Nukleáris sugárzások Becquerell:==> RADIOAKTIVITÁS -Léteznek nem stabil atomok, amelyek spontán bomlanak Hogyan jellemezhetjük a stabilitás mértékét? Az atommag kötési energiája: Z m E p m N m m A mc n m Z m 2 p A N m n kötési energia tömegdefektus

13 Az egy nukleonra eső átlagos kötési energia a tömegszám függvényében

14 N/Z változása a rendszám függvényében

15 A Z X -bomlás A-4 Z-2 Y 4 2 α 2 γ Nagy energiájú részecskék (3-9MeV) Spektrális eloszlásuk vonalas N E

16 Alfa Sugárzás Leány mag 231 Th Kiindulási mag 235 U Alfa részecske Hélium atommag

17 1. n Negatron : p e -bomlások A Z X ν e A Z1 Y e antineutrínó Nagy energiájú elektronok (0.01-3MeV) Folytonos energiaspektrum (E max ). e γ

18 Béta sugárzás 40 Ca 40 K Béta negatív részecske (elektron)

19

20 -bomlások γ Y X Pozitron: 2. A 1 Z A Z e e neutrínó ν e n p e c e A 1 Z A Z X ν Y X : Elektron befogás 3. neutrínó ν n e p e

21 Elektron befogás K L K L X C

22 -bomlás, izomer átalakulás Am Z X A Z X γ E γ E 2 E 1 E 2 Nagy energiájú fotonok Vonalas spektrum E 1 Belső konverzió Konverziós elektron sugárzás

23

24 Gamma sugárzás Gamma sugarak 60 Co 60 Ni

25 Neutron sugárzás Forrásai: spontán neutronbomlás ( 137 Xe)--> reaktormérgek maghasadás (spontán, atomreaktorok) (,n) magreakciók (hordozható neutronforrások) Forrásai: radioaktív bomlások kozmikus (nap) Neutrínó sugárzások

26 Lineáris gyorsító Töltött részecske sugárzások Ciklotron

27 Röntgensugárzás 1895 W.C. Röntgen német fizikus: légritkított kisülési csövek vizsgálata közben fedezte fel. Karakterisztikus (elem analitika) Fékezési (diagnosztika)

28 Fékezési Röntgensugárzás keletkezése elektron Cél atommag W, Cu, Pb X-sugárzás X-sugárzás

29 Szinkrotronsugárzás relativisztikus sebességű könnyű elemi részecskék (elektronok, pozitronok) gyorsulásakor (fékezésekor) keletkezik Fluxusa szerese a röntgencsővekének (spektrális fényesség: megadott energiatartományú fotonok száma /s /vertikális szög /horizontális szög /forrás területe) Synchrotron SOLAIL

30 Szinkrotronsugárzás tulajdonságai Nagy intenzitás Rövid hullámhosszú fotonok melyek behatolnak az anyagba, és kölcsönhatnak az atomokkal Széles spektrális tartomány folytonos energiaeloszlással, monoenergetikus nyalábok széles energiatartományban) Magas polarizációfok az elektronpálya síkjában, amely nagyon fontos a röntgenfluoreszcenciás kísérleteknél a háttér redukciója miatt A röntgensugarak rövid impulzusok formájában emittálódnak, amelyek 1 ns-nál is rövidebbek, és az impulzusok közötti idő 20 ns vagy ennél is több Természetes kollimáció, a röntgensugarak a teljes szögtartományban emittálódnak horizontális irányban, de függőleges irányban jól kollimáltak.

31 Frekvencia [Hz] 3*10 20 Elektromágneses sugárzások Hullámhossz 1 pm Sugárzás típusa Sugárzás forrása gamma Radioaktív magok Foton energia 1.24 MeV 3*10 17 Nem-ionizáló 300 GHz 30 GHz 10 MHz 300 khz 1 nm 100 nm 1 mm 1 m 1 km röntgen ibolyán túli (UV) Látható (VIS) nm vörösen inneni (IR) 750 nm - 1 mm mikrohullámok rádióhullámok elektron fékeződés, belső héjak gerjesztése külső héj ionizációja molekula rezgések molekula rezgések és forgások elektromos rezgőkörök 1.24 kev ~ 10 ev 1.24 mev 1.24 mev 1.24 nev

32 UV sugárzások típusai ( nm) UV-C: nm UV-B: nm UV-A: nm Forrásai: 1. Nap 2. Gáztöltésű kisülési csövek (higanygőz) 3. Ívlámpák 4. Plazmavágó berendezések 5. UV lézerek Higanygőz lámpa: A gerjesztett higanygőz többek között UV-t bocsát ki mindhárom tartományban Wood üveg (Na-Ba-Szilikát üveg 9% NiO)

33 Látható fény ( nm) Izzó tárgyak Wolfram szál, halogén lámpák Elektrolumineszcencia, LED- technológia Szín Hullámhossz(nm) Összetétel Kék In 0.06 Ga 0.94 N Zöld 556 GaP 1.00 As 0.00 Sárga 578 GaP 0.85 As 0.15 Narancs 635 GaP 0.65 As 0.35 Vörös 660 GaP 0.40 As 0.60 Infravörös GaAs

34 Fekete test hőmérsékleti sugárzása Kirchoff: e(l,t)/a(l,t) = anyagfüggetlen E(T)= s T 4 Stefan - Boltzmann törvény Planck : u(,t) e h h kt 3 1 Wien-törvénye: l max = b/t b= állandó

35 IR sugárzások típusai (750 nm - 1 mm) Közeli (IR-A): 750 nm - 1,4 mm Közepes (IR-B): 1,4 mm - 3 mm Távoli (IR-C): 3 mm - 1 mm Globár: szilícium-karbid kerámia ~ 1600 o C Forrásai: 1. Nap 3. Ívlámpák 4. Villanócsövek 5. Gáztöltésű csövek

36 Mikrohullámú és rádiófrekvenciás sugárzások Források: mikrohullámú sütők mikrohullámú adatátvitel radar (impulzus modulált) rádióantennák

37 Mikrohullámú sugárzás keltése Mágneses tér körpályára készteti az elektronokat Az üregek előtt elhaladva mikrohullámú sugárzási tér keletkezik Magnetron

38 Radióhullámok keltése adóantennák