IDTÁLLÓ GONDOLATOK MOTTÓK NAGY TERMÉSZET TUDÓSOK BÖLCS GONDOLATAIBÓL A TUDOMÁNY ÉS A MINDEN NAPI ÉLET VONAKOZÁSÁBAN

Hasonló dokumentumok
8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Magsugárzások, Radioaktív izotópok. Az atom alkotórészei. Az atom felépítése. A radioaktivitás : energia kibocsátása

Az ionizáló sugárzások fajtái, forrásai

Röntgensugárzás az orvostudományban. Röntgen kép és Komputer tomográf (CT)

Az atommag összetétele, radioaktivitás

Az atom felépítése Alapfogalmak

Sugárzások és anyag kölcsönhatása


Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Az ionizáló sugárzások előállítása és alkalmazása

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

A gamma-sugárzás kölcsönhatásai

Radioaktivitás és mikrorészecskék felfedezése

Az atommag összetétele, radioaktivitás

Bővített fokozatú SUGÁRVÉDELMI TANFOLYAM

Röntgensugárzás. Röntgensugárzás

Izotóp geológia: Elemek izotópjainak használata geológiai folyamatok értelmezéséhez.

Sugárvédelem kurzus fogorvostanhallgatók számra. Méretek. Az ionizáló sugárzások fajtái. 1. Atomfizika, Radioaktivitás és Röntgensugázás

Az atom szerkezete. Az eltérülés ritka de nagymértékű. Thomson puding atom-modellje nem lehet helyes.

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

A sugárzás és az anyag kölcsönhatása. A béta-sugárzás és anyag kölcsönhatása

Az ionizáló sugárzások előállítása és alkalmazása

PROMPT- ÉS KÉSŐ-GAMMA NEUTRONAKTIVÁCIÓS ANALÍZIS A GEOKÉMIÁBAN I. rész

Az ionizáló sugárzások el állítása és alkalmazása

Atommagok alapvető tulajdonságai

Az elektromágneses hullámok

Jelöljük meg a kérdésnek megfelelő válaszokat! 1, Hullámokról általában: alapösszefüggések a harmonikus hullámra. A Doppler-effektus

Modern fizika vegyes tesztek

FIZIKA. Sugárzunk az elégedettségtől! (Atomfizika) Dr. Seres István

Mag- és neutronfizika

Radioaktív sugárzások tulajdonságai és kölcsönhatásuk az elnyelő közeggel. A radioaktív sugárzások detektálása.

A sötét anyag nyomában. Krasznahorkay Attila MTA Atomki, Debrecen

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

A Nukleáris Medicina alapjai

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei


FIZIKA. Radioaktív sugárzás

Sugárzás kölcsönhatása az anyaggal 1. Fény kölcsönhatása az anyaggal. 2. Ionizáló sugárzás kölcsönhatása az anyaggal KAD

Bevezetés a részecske fizikába

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

A sugárzások a rajz síkjára merőleges mágneses téren haladnak át γ α

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

Az atommag szerkezete

Bevezetés a magfizikába

Az atommagtól a konnektorig

A radioaktív bomlás típusai

Sugárvédelem kurzus fogorvostanhallgatók számra. Töltött részecskék elnyelődése. Sugárzások és anyag kölcsönhatása. A sugárzások elnyelődése

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 23. MRF2 Kvarkok, neutrínók

Kémiai alapismeretek 2. hét

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (a) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: november 15. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

JÁTSSZUNK RÉSZECSKEFIZIKÁT!

Atomfizika. Fizika kurzus Dr. Seres István

ATOMFIZIKA, RADIOAKTIVITÁS

Röntgendiagnosztika és CT

Az atomhéj (atommag körüli elektronok) fizikáját a kvantumfizika írja le teljes körűen.

3. GAMMA-SUGÁRZÁS ENERGIÁJÁNAK MÉRÉSE GAMMA-SPEKTROMETRIAI MÓDSZERREL

Az atom felépítése Alapfogalmak

Sugárvédelem alapjai. Nukleáris alapok. Papp Ildikó

Röntgendiagnosztika és CT

ELEMI RÉSZECSKÉK ATOMMODELLEK

Gamma sugárzás. Gamma-kamera SPECT PET. Tömeg-energia ekvivalencia. Nukleáris medicína. γ-sugárzás előállítása. γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Radiometrikus kutatómódszer. Összeállította: dr. Pethő Gábor, dr. Vass Péter

2, = 5221 K (7.2)

Miért érdekes? Magsugárzások. Az atommag felépítése. Az atom felépítése

FIZIKA. Atommag fizika

Biofizika tesztkérdések

A modern fizika születése

RADIOAKTIVITÁS, SUGÁRZÁSMÉRÉS

Atommodellek de Broglie hullámhossz Davisson-Germer-kísérlet

Folyadékszcintillációs spektroszkópia jegyz könyv

Atomfizika. Az atommag szerkezete. Radioaktivitás Biofizika, Nyitrai Miklós

Izotóp geológia: Elemek izotópjainak használata geológiai folyamatok értelmezéséhez.

Miért érdekes? Magsugárzások. Az atommag felépítése. Az atom felépítése

61. Lecke Az anyagszerkezet alapjai

RADIOKÉMIA SZÁMOLÁSI FELADATOK Szilárdtest- és Radiokémiai Tanszék

Mit értünk a termikus neutronok fogalma alatt? Becsüljük meg a sebességüket 27 o C hőmérsékleten!

A hőmérsékleti sugárzás

Hadronok, atommagok, kvarkok

Röntgendiagnosztikai alapok

FIZIKA KÖZÉPSZINTŐ SZÓBELI FIZIKA ÉRETTSÉGI TÉTELEK Premontrei Szent Norbert Gimnázium, Gödöllı, május-június

Tantárgy neve. Környezetfizika. Meghirdetés féléve 6 Kreditpont 2 Összóraszám (elm+gyak) 2+0

RADIOKÉMIA. László Krisztina, F ép. I. lh., I. emelet, 135

Röntgenanalitika. Röntgenradiológia, Komputertomográfia (CT) Röntgenfluoreszcencia (XRF) Röntgenkrisztallográfia Röntgendiffrakció (XRD)

A nukleáris fizika története, a nukleáris energetika születése

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

Röntgen. W. C. Röntgen. Fizika-Biofizika

1. mérési gyakorlat: Radioaktív izotópok sugárzásának vizsgálata

A sugárzások és az anyag fizikai kölcsönhatásai

Abszolút és relatív aktivitás mérése

Radioaktív elemek környezetünkben: természetes és mesterséges háttérsugárzás. Kovács Krisztina, Alkímia ma

Átírás:

! " #! " 154

IDTÁLLÓ GONDOLATOK MOTTÓK NAGY TERMÉSZET TUDÓSOK BÖLCS GONDOLATAIBÓL A TUDOMÁNY ÉS A MINDEN NAPI ÉLET VONAKOZÁSÁBAN (Ludwig Boltzman) (James Clerk Maxwell)!" #!!$ %!" % " " ( Bay Zoltán ) 155

FIZIKAI ALAPOK HULLÁM-RÉSZECSKE DUALITÁS: Elemi részecskék (elektron e -, proton p +, foton...) hullám és korpuszkuláris tulajdonságai hf De-Broglie posztulátum: u = --------------------- ( 2m(hf -W pot )) anyaghullám fázis sebessége h hf h Például foton impulzusa: I = --- = ----- ; vagy elektron hullámhossza λ = ------------- λ c (2meU) Kísérleti bizonyítékok: Davisson-Germer kísérlet Compton szóródás Fényelhajlás gravitációs térben SUGÁRZÁS TÍPUSAI: - Töltött részecskék kölcsöhatása alapján megjelen sugárzás [e - (β - ), e + (β + ), p +, D +, He ++ (α),... mezonok...] - Elektromágneses kölcsönhatáson alapuló sugárzás - Fékezési Röntgen sugárzás (X-ray, Brehmstrahlung) - Karakterisztikus Röntgensugárzás (elektron héj) - Gamma sugárzás (nukleon állapot átrendezdés) - Másodlagos kölcsönhatáson alapuló sugárzás - 1n 0 semleges neutron sugárzás ( magreakciók ) - neutrinó sugárzás (elektron-gyenge kölcsönhatás) 156

ATOM ÉS ATOMMAG FIZIKA FBB FOGALMAI Egy X elem atommagját 3 szám megadásával jellemezhetjük, amely közül az egyik mindig redundáns. Nukleon: Az atommag alkotó elemeit, protont és neutront nulkeonnak nevezzük. Tömegszám: Megadja az atommagban lev nukleonok számát ( A ). Neutronszám: Egy adott atommagban lev neutronok száma ( N ). Rendszám: Az atommag töltését adja meg e + egységben. Az atommagban lev protonok számát adja meg ( Z ). Így a tömegszám a rendszám ées a neutronszám között az alábbi összefüggés áll fenn: A = Z + N Egy X elemet kölcsönösen egyértelmen eképp adható meg: ZX A Izotóp: Az azonos rendszámú ( Z=const) atommagokat izotópoknak nevezzük. Izotón: A különböz rendszámú, de azonos neutronszámú magokat izotónnak nevezzük. Izobár: Az azonos tömegszámú atommagokat izobárnak nevezzük. Pozitron: Olyan pozitív töltés részecske, amelynek tömege és töltése megegyezik az elektronéval (e + ). Az elektron antirészecskéje. Foton: Az elektromágneses sugárzás - fény, Röntgensugárzás, gamma sugárzás kvantuma. Mezonok: Közepes az elektron és a proton tömege közötti tömeggel rendelkez pozitív, negatív, és semleges töltés részecskék, amelyek a magerk (π mezonok) létrehozásában ill. a kozmikus sugárzásban ( µ mezonok ) játszanak szerepet. 157

!"#$ %&" '& (& )& * )&(&'&%&+&, 1.) A kis tömegszámú nukleonok az N=Z egyenes mentén találhatók 2.) A nagyobb tömegszámú nukleonok az N=Z egyenestl eltávolodnak, mégpedig a nagyobb neutronszám irányában, azaz az N>Z irányban. A nagyobb tömegszámú nukleonok tehát több neutront tartalmaznak mint protont. Ennek az a következménye, hogy a nukleonban lev protonok közötti Coulomb kölcsönhatás erssége számottev lesz a nukleont összetartó magkölcsönhatáshoz képest. Ez abból következik, hogy a nagyobb tömegszámú nukleonok átmérje nagyobb és a nukleonok közötti magkölcsönhatás a távolság függvényében nagyságrendekkel gyorsabban csökken mint az atommagot alkotó töltött részecskék protonok - között fellép Coulomb kölcsönhatás. Ez okozza a nagyobb tömegszámú nukleonok stabilitási problémáit, melynek közvetlen következménye lesz a nagyobb tömegszámú nukleonok alacsonyabb tömegszámú stabilabb állaptú nukleon állapotokra történ folyamatok, események létrejöttének. Ez a folyamat a természetes radioaktivitás, amelyet Becquerel 1896-ban fedezett fel és a Curie házaspár 1889-ben igazolt és megersített. A természetes radioaktivitás a természet azon általános érvény törvényének következménye, amelyet az energia minimum állapotra törekvés elvének nevezünk. 158

A különböz mérések és kisérletek azt mutatták, hogy a természetes radioktív bomlás kísérjelenségeként a következ sugárzási jelenségek, típusok figyelhetk meg: 1.) α sugárzás, mely nem más mint He ++ 2.) β sugárzás, mely e - ill. e + részecskék kibocsátásából áll 3.) γ sugázás a nukleon alkotóelemeinek energiaszint átrendezdését követ elektomágneses sugárzás. Az alábbi ábra azt az egyszer elvi elrendezést mutatja, melynek segítségével a különböz sugárzási formák egy ismeretlen sugárforrásból mily módon különíthetk el. γ detektor α detektor γ sugár Az egyes detektorok szerepe, hogy mérjék a különböz - α, β, γ - sugárzások intenzitását és energiáját. A radioktív sugárzás idbeli intenzitás változását a radioktív bomlási tórvény írja le: N(t) = N 0 e -λt vagy A(t) = A 0 e -λt, ahol N 0 a t 0 =0 idpillanatban a kiindulási atommagok száma, ill. A 0 a vizsgált radioaktív anyag kezdeti aktivitása. λ a bomlási idállandó, amely megadja annak valószínségét, hogy egységnyi id alatt egy radioaktív nukleon elbomlik. Az aktivitás és a radioktív nukleonszám közötti összefüggés: dn(t) A(t) = [db/sec] = [Bq] dt Az aktivitás az idegység alatt elbomlott nukleonok száma, melynek dimenziója [db/sec]=[bq] azaz Becquerel. 159

A napi fizikai és méréstechnikai gyakorlatban a bomlási idállandó - λ - helyett sok esetben a felezési id használatos a radioktív bomlás sebességének jellemzésére. A felezési id megadja azt az idt, amely alatt a nkleonok száma, vagy az aktivitás a kiindulasi idpontban mérthez képest a felére csökken : A(t) = A 0 e -λt A(t) = A 0 /2 A 0 /2 = A 0 e -λt -ln2 = -λt ln2 t = T 1/2 = összefüggést kapjuk a felezési id és a λ bomlási idállandó között. A γ sugárzás - elektromágneses sugárzás - és anyag kölcsönhatása A non-invazív orvosi diagnosztikában a 20keV W γ 800keV energiatartományba es γ sugárzást, ill. elektromágneses sugárzást alkalmazzuk beleértve az eszközök kalibrálási folyamatát is. Terápiás célokra már MeV tartományban es elektromágneses sugárzás alkalmazására is sor kerül. Mindezekkel egyetemben a következkben az elektromágneses sugárzás és anyag kölcsönhatását vizsgáljuk meg. Ez a sugárzás detektálása - szilárd test detektorok - és a sugárbiológiai (sugár terápia és sugárvédelem ) hatások fizikai jelenségeinek megértése szempontjából jelents. Elször tekintsük azt a fizikai jelenséget, tapasztalatot, ahogy egy E energiájú I0 intenzitású foton egy Z rendszámú ρ srség anyagon halad át a narrow beam geometriai modell feltételezése alapján. A közeg vastagsága legyen x és a közegen áthaladt csillapított sugárzás intenzitása Ix. 160

Tekintsük az alábbi ábrát: A µ(z, E) abszorpciós koefficiens amely a bees foton energiájától és a közeg elektron-denzitásától függ a következ additív alakban írható fel: µ(z, E) = µ Photo (Z, E) + µ Compton (Z, E) + µ Pair Production (Z, E) Az egyes additív tagok hozzájárulása az ered abszorpciós koefficienshez az energia függvényében az egyes fizikai folyamatok hatáskeresztmetsztétl függ, amely nem más mint az egyes folyamatok valószínség eloszlása egy adott térrészben. A következkben röviden áttekintjük az elektromágneses sugárzás és anyag között fellép kölcsönhatások fizikai folyamatait, hátterét. 161

Fényelektromos hatás (foto effektus): Ezen kölcsönhatás során a γ foton teljes energiáját egy héjbeli kötött elektronnak adja át teljes mértékben és ezáltal az elektron kilép az atomból. E kölcsönhatás a γ kvantum és a héjbeli elektron között a tökéletesen rugalmatlan ütközéssel modellezhet, így az arra jellemz impulzus és energia törvénnyel írható le. γ foton E γ = hν energiával > e - Impulzus megmaradás: p γ = p e + p a, ahol p γ a γ foton, p e az elektron, p a az atom impulzusa. Energia megmaradás: E γ = E kin e- + E kin a + E B, ahol E γ a γ kvantum, E kin e- az elektron, E kin a az atom, E B pedig az ütközésben részt vev elektron kötési energiája. A kölcsönhatás során fellép és keletkez energiákhoz képest az atom E kin a kinetikus energiája elhanyagolható a többi energiákhoz képest. Kihasználva e közelítés adta körülményt a következ egyenletrendszert kapjuk: E γ E kin e- + E B E γ = hν Így E kin e- hν - E B energiával rendelkez héjbeli elektron hagyja el pályáját. Ez a fotoelektromos hatás, amely legnagyobb valószínséggel a bels héjakon valósul meg. E γ 0,5MeV felett a legnagyobb valószínsége a K héjon lév elektronnal valósul meg. Ezen fotoelektromos hatáshoz mindig kapcsolódik szekunder folyamat, jelenség, ugyanis az energiaminimumra törekvés elvébl következen az atom nem maradhat gerjesztett, azaz nagyobb energiájú állapotban. Ezen kísér jelenségek az esetek többségében karakterisztikus röntgensugárzás, fényjelenségek, esetleg a küls héjakról történ elektron kilépések lehetnek. E γ < 1MeV esetén a fotoelektromos hatás hatáskeresztmetszete jelents, a γ kvantumok egyik legfontosabb kölcsönhatási módja. Compton szóródás: E kölcsönhatás a bees γ fotonok és szabad elektronok között megy végbe. E folyamat létrejöttének alapfeltétele, hogy a bees γ kvantum energiája sokkal nagyobb legyen mint a kölcsönhatásban részt vev elektron kötési energiája. Ez a folyamat tipikusan mint egy γ kvantum és egy szabad elektron közötti tökéletes rugalmas ütközés jellemezhet, írható le. > e - ϕ szóródott γ kvantumok ν frekvenciával: E γ = hν E γ0 = hν 0 A kölcsönhatás következtében szóródott szabad elektronok u sebességgel 162

A jelenséget leíró impulzus és energia megmaradás törvénye relativisztikus formában: Impulzus törvény: p γ0 = p γ + p e Energia törvény: hν 0 + m 0 c 2 = hν + m 0 c 2 1 - (v/c) 2 Az egyenletrendszert (vektori összeadást figyelembe véve) a szórt foton frekvenciára a következ eredményt kapjuk: ν = 1 + ν 0 h ν 0 (1-cosϕ) m 0 c 2 Mivel nincs kitüntetett irány, ezért a ϕ szög egyenletes valószínségeloszlásban bármely értéket felvehet. A szórt γ fotonok energiája a ϕ = 180 esetén lesz minimális. Párképzés: E fizikai folyamat létrejöttének küszöbfeltétele, hogy a bees γ foton energiája E γ >1.02MeV kell legyen. Ezen küszöb energia szint alatt a jelenség nem jön létre. Ha a γ foton energiája meghaladja az 1.02MeV energiát, akkor a fotontér az anyaggal való kölcsönhatás során egy pozitron elektron pár keletkezik: γ e - + e + E γ >1.02MeV Az impulzus megmaradás törvénye végett a folyamat lejátszódásához még egy elektron vagy atommag részvétele is szükséges. A párkeltés során keletkezett pozitron (e + ) a környez elektronokkal kölcsönhatásban lépve létrjön még a pozitron annihiláció jelensége is, amely két egymással 180 -os szöget bezáró 510keV energiájú γ fotont emittál. e + + e - 2γ (2*510keV) Így egy γ sugárzás kölcsönhatásba lépve az anyaggal e három fent említett fizkai kölcsönhatási folyamaton keresztül veszít intenzitásából, azaz az elekromágneses sugárzás sugárgyengüléséért e három folyamat felel. E három kölcsönhatási folyamat szerepe a sugárgyengítési tényezben, vagy más szóval az abszorbció koefficiensbe az energia függvényeként az alábbi ábrán látható. 163

A a A µ(z,e) abszorpciós koefficiens energia függvénye. A sugárzás detektorok érzékenysége, detektálási hatásfoka is nagy mértékben e három f fizikai kölcsönhatástól függ. Minél nagyobb egy elektromágneses sugárzásdetektor abszorpció képessége, annál jobb a detektálás hatásfoka, érzékenysége. Továbbá egy sugárzásdetektor spektruma az egyes kölcsönhatási folyamatok htáskeresztmetsztétl függ. A nukleáris méréstechnikában és képalkotó diagnosztikában elterjedten használt a NaI(Tl) szcintillációs detektor rendszerek. Az alábbiakban a NaI(Tl) detektor három típusos spektrumát mutatjuk be alacsony, közepes és nagy energiás elektromágneses sugárzás esetére. 164

165

166

A β bomlás t-pusai 167