Radioaktivitás Biofizika előadások 2013 december Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal PTE ÁOK Biofizikai Intézet, Orbán József
Összefoglaló radioaktivitás alapok
Nukleononkénti kötési energia (MeV) Egy nukleon kötési energiája a rendszám függvényében 56 Fe 26 maghasadás (fisszió) fúzió Rendszám (atomi tömegegység) Minden atom(mag) a legstabilabb állapot elérésére törekszik, akár nukleonszám növeléssel, vagy csökkentéssel.
Neutronok száma Általános törvényszerűségek Neutron - proton arány növekszik ~1,5! b - -bomlás N=Z maghasadás vas-völgy fúzió b + -bomlás Protonok száma Az atommagok a legstabilabb szerkezetre törekednek! 56 26Fe http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch23/modes.php
Stabilitás elérésének módjai Maghasadás magfúzió Atomreaktor, atombomba csillagok http://outreach.atnf.csiro.au/education/senior/cosmicengine/sun_nuclear.html http://www.princeton.edu/~chm333/2002/spring/fusion/tour1/index.htm
A Z A Z a-bomlás» a-sugárzás A Z 4 X X + 2 X A Z 4 2 4 2 X +a He A: tömegszám (atomszám) Z: protonok száma 226 222 4 a 88 Ra 86Rn+ 2 Kilépési sebességük elérheti a 15 000 000 m/s-ot (0,05 c) Vonalas spektrum (karakterisztikus) 241 226 222 92 U, 95Am, 88Ra, 86Rn, 238 210 84 Po
b-bomlás» b-sugárzás Negatív b-bomlás Kísérlet: Curie 1911 Elmélet: Enrico Fermi, 1934 0 + n p + e + ν e A Z X A Z +1 X + e + e 137 55 137 Cs Ba + e + 56 ν e Kilépési sebességük elérheti a 180 000 000 m/s-ot (0,6 c) Folytonos spektrum (antineutrino miatt)
b-bomlás» b-sugárzás Pozitív b-bomlás + 0 + p n + e + ν e A Z X A Z 1 X + e + + e 22 11 22 + Na Ne + e + 10 ν e b - izotópok b + izotópok 3 14 137 132 1 H, 6C, 55Cs, 53I, C 22 Na 11 6, 11 40 19 K
g-sugárzás Kísérőjelenség! Elektromágneses sugárzás (g-foton) f>10 19 Hz, illetve E>100 kev a gerjesztett atommagok alacsonyabb energiaállapotba történő átmenetekor keletkezik Fénysebességgel terjed (foton!) Vonalas spektrum (karakterisztikus) Ba Ba +g 137m 137 56 56 m: metastabil állapot 22 40 137 11 Na, 19K, 55Cs, 132 53 I
Sugárzások - összehasonlítás külső hatás nélkül keletkezik fizikai és kémiai változások nem befolyásolják ionizáló hatása van (fizika) kémiai, biológiai hatása van Fizikai jellemzők: Aktivitás Élettartam Spektrum Áthatolóképesség és LET (lineáris energia transzfer)
(Radioaktív) sugárzás anyag kölcsönhatás (tananyag)
Sugárzás anyag kölcsönhatás I 0 (kezdeti intenzitás) anyag I I ~ n n: részecskeszám Reflexió Transzmisszió Abszorpció Szórás Compton-féle k.h. / E átadás + - - - + + + részleges
b,g LET és áthatolóképesség N (0) I N ( t) N (0) 2 x x 1 2 Maximális hatótávolság: R max = 8 x ½ N (0) /2 x 1/2 abszorbens vastagság (megtett út)
LET és áthatolóképesség a I sugárzás/részecske típusa abszorbens sűrűsége atomok rendszáma (elektronok száma) Maximális hatótávolság abszorbens vastagság (megtett út)
Összehasonlítás a Spektrum Vonalas (karakterisztikus) LET (ionizáció/mm) magas 8-10 000 b Folytonos (neutrino miatt) közepes 6-8 g Vonalas (karakterisztikus) alacsony 0,1-1
Összehasonlítás Áthatolóképesség, hatótávolság a b g Kicsi Levegő: cm Plexi: mm Közepes Levegő: m Plexi: cm Ólom: mm Nagy Ólom: cm
Radioaktivitás Milyen detektorokkal lehet az egyes radioaktív részecskéket detektálni? a ködkamra b Geiger Müller számláló g Szcintillációs detektor Miért van szükség ennyiféle detektorra? Eltérő az anyaggal való kölcsönhatásuk mértéke/módja.
g-sugárzás és anyag kölcsönhatásai Fotoeffektus foton (energia) abszorpció, elektron kilökés (ionizáció) E foton = W ki,e- + E kin,e- hf = W ki,e- + ½m e v 2 Párkeltés foton (energia) abszorpció, e - és e + keletkezik E foton = E e- + E e+ E > 1,02 MeV hf = m e- c 2 + m e+ c 2 = 2m e- c 2 http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/gamma/kolcson/compton.html
g-sugárzás és anyag kölcsönhatásai Fotoeffektus Párkeltés Compton-szórás fotonenergia részleges abszorpció, elektron kilökés (ionizáció) E foton,1 = E foton,2 + W ki + E kin,e- hf 1 = hf 2 + W ki,e- + ½m e v 2 Energia-, töltés- és lendületmegmaradás törvényei érvényesek! http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/gamma/kolcson/compton.html
Radioaktív sugárzás detektálása
b-sugárzás detektálása Geiger Müller számláló számláló gáz (!) Hans Geiger 1882-1945 anód: W-szál katód:cu-henger Anód-katód közötti nagyfeszültség: 500-2000V Töltőanyag: szerves oldószer gőze, nemesgáz; kioltógáz http://hu.wikipedia.org/wiki/geiger%e2%80%93m%c3%bcller-cs%c5%91
g-sugárzás detektálása Szcintillációs detektor detektor kristály (!) Nagy energiájú sugárzás, vagy részecskék hatására fényvillanás következik be. NaI-kristály Tl-mal szennyezve. Más g-detektorok: Félvezető detektor Sugárzás hatására a kristály vezetőképessége rövid időre megnő. Szilárdtest-nyomdetektor Sugárzás hatására a kristályszerkezet torzul.
KIEGÉSZÍTÉS Radioaktív sugárzás detektálása A radioaktív részecskék detektálásának lényegi lépése a részecske elektromos jellé alakítása (feszültség/áram). az így létrejött elektromos impulzus detektálható kell legyen (technikai feltétel) az impulzusok száma egyenesen arányos kell legyen a részecskék számával (a számlálás alapfeltétele)
A radioaktív sugárzás elleni védekezés 3 pontja Minimalizált kitettségi idő Maximalizált távolság (1/r 2 ) Védőanyagok használata