A sugárzás és az anyag kölsönatása A gamma/röntgensugárzás és anyag kölsönatása
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.
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
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
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 1 51 1 51, os 1 E os 1 E E
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.
Fotoeffektus Auger-effektus: további elektronok távoznak az elektronéjból Kisebb rendszámoknál az Augereffektus, nagyobb rendszámoknál a karakterisztikus röntgensugárzás kedvezményezett.
Fotoeffektus A fotoeffektus atáskeresztmetszete (σ f ), - empirikus formula Z f áll. E E γ a gamma/röntgen-fotonok energiája. 4.1 3 A fotoeffektus termékei: fotoelektronok karakterisztikus röntgenfotonok Auger-elektronok Kapsolódó analitikai módszerek nagy felbontású béta-spektroszkópia fotoelektronspektroszkópis röntgenfluoreszenia analízis Auger-elektron spektroszkópia (Radioanalitika)
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
Cs-137
Gamma-sugárzás teljes abszorpiója Rayleig Tomson fotoeffektus Compton párképz I I e x
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 1-9 -1-7 s, a vonalszélesség nagyon kisi
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.
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.
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.
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.
Fe(III)- és Fe(II)-szulfát Mössbauer-spektruma
Ferri- és ferro-szulfát Mágneses felasadás Sz: számláló D: detektor A: abszorbens (minta) K: kollimátor F: sugárforrás I: vizsgálati ív
A neutronok kölsönatása az anyaggal Neutronok keletkezése Neutronbomló izotópok jelentéktelen (atomreaktorok leállítása) Magreakiókban
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.
Neutronok előállítása Neutronforrások: 1 6-1 8 n/s m. Alfa-forrás: Ra-6, Pu-39, Po-1 5 Cf spontán asadásával: 1 7-1 9 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 1 8-1 9 n/s. H H 3 H H 4 3 1 C He n He n H n p
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
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
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)