Wyznaczanie współczynnika promieniowania gamma dla różnych materiałów - Notatki - Fizyka, Notatki z Fizyka

Pobierz Wyznaczanie współczynnika promieniowania gamma dla różnych materiałów - Notatki - Fizyka i więcej Notatki w PDF z Fizyka tylko na Docsity! 1 15.03.2010 Wyznaczanie współczynnika promieniowania gamma dla różnych materiałów. Promieniowaniem jonizującym określa się to promieniowanie, które jest w stanie spowodować jonizację ośrodka, przez który ono przechodzi. Jonizacja polega na odrywaniu elektronów od obojętnych atomów, na skutek czego powstają jony dodatnie i ujemnie naładowane elektrony. Jonizacji może dokonać promieniowanie o dostatecznie dużej energii. Do promieniowania jonizującego zalicza się wysokoenergetyczne promieniowanie elektromagnetyczne – promieniowanie X i γ oraz promieniowanie korpuskularne – cząstki α, β i neutrony. Organizmy żywe na Ziemi już od początku swego istnienia były i są poddawane, choć ze zmiennym natężeniem, oddziaływaniu promieniowania jonizującego, które przechodząc przez materię powoduje rozpad związków chemicznych, wzbudzanie cząsteczek i atomów oraz tworzenie różnego rodzaju jonów. Jest to proces przekazywania materii energii promieniowania jonizującego, przy czym energia pierwotna zostaje zamieniona w końcowej fazie częściowo w ciepło, a częściowo w energię jonizacji i wzbudzenia cząsteczek i atomów. Istota zjawiska związana jest z wielkością energii promieniowania jonizującego. Energie te są rzędu od tysięcy elektronowoltów (keV) do milionów elektronowoltów (MeV). 1eV =1,6 *10 -19 J Źródłem promieniowanie jonizującego mogą być: -substancje radioaktywne ; - urządzenia, Np. aparaty rentgenowskie ; Źródła promieniowania można podzielić na: -naturalne, występujące w przyrodzie ; -sztuczne, wytwarzane przez człowieka ; Do źródeł naturalnych należą: -promieniowanie kosmiczne dochodzące do nas z kosmosu; -substancje promieniotwórcze zawarte w skorupie ziemskiej , m.in. uran, tor, rad; -substancje promieniotwórcze znajdujące się w organizmach ludzkich i innych organizmach żywych, głownie potas-40 Źródła sztuczne to: -źródła używane w badaniach radiologicznych i radioterapii, -opad promieniotwórczy- substancje promieniotwórcze powstałe w wyniku próbnych wybuchów jądrowych oraz podczas normalnej pracy i w czasie awarii elektrowni jądrowych krążą razem z wiatrem, a po pewnym czasie opadają na ziemię; - odpady promieniotwórcze; -źródła stosowane w przemyśle, gospodarce i nauce. Atomy pierwiastków występujących w przyrodzie można podzielić na 2 grupy: atomach o jądrach stałych (stabilnych) i atomy o jądrach nie trwałych, czyli promieniotwórczych, które są źródłem promieniowania jonizującego zarówno korpuskularnego, jak i elektromagnetycznego. Jądro atomowe, zwane też nuklidem, składa się z dwóch rodzajów cząstek zwanych nukleonami: protonów obdarzonych ładunkiem dodatnim i neutronów – cząsteczek elektrycznie obojętnych. Ładunek protonu jest równy liczbowo ładunkowi elektronu. Odpychającym siłom kulombowskim między protonami przeciwdziałają silne, specyficzne siły jądrowe, które działają miedzy wszystkimi nukleonami. Masy obu nukleonów są zbliżone do siebie i są około 2000 razy większe od masy elektronu. Tak więc prawie cała masa atomu jest skupiona w jądrze. W atomie liczba protonów w jądrze jest równa liczbie elektronów i dlatego atom jako całość jest elektrycznie obojętny. N= A-Z , gdzie Z - liczba atomowa A - liczba masowa N - liczba elektronów docsity.com 2 Atomy pierwiastków, których jądra mają taką samą liczbę protonów Z, a różną liczbę neutronów N noszą nazwę izotopów. Są to odmiany tego samego pierwiastka, Np. wodór i jego dwa izotopy – deuter i tryt. Pierwiastki, których jądra mają taką samą liczbę masową A, ale różnią się liczbą atomową Z są to izobary. Pierwiastki mające w jądrach jednakowe liczby neutronów N=A-Z, a różniące się liczbą atomową Z, nazywamy izotonami. Izobary i izotony to są pary lub trójki różnych pierwiastków. Jeżeli wyliczymy masę jądra na podstawie prostego sumowania mas nukleonów wchodzących w jego skład i porównamy z masą wyznaczoną doświadczalnie, to okaże się że masa jądra wyznaczona empirycznie jest mniejsza. Różnice między sumą mas protonów i neutronów a masą utworzonego z nich jądra nazywamy defektem (niedoborem ) masy: ΔM = Z Mp + (A-Z) Mn –Mj gdzie: Mp - masa protonu , Mn - masa neutronu, Mj - masa utworzonego jądra. Einstein , w swej teorii względności wykazał , że masa jest nieodłącznie związana z energią. Oznacza to, że każda masa jest równoważna pewnej masie. Tak więc niedobór masy ΔM jądra przekształca się w energię zwana energią wiązania: E= ΔM c 2 gdzie: ΔM - niedobór masy, c – prędkość fali elektromagnetycznej w próżni . Energia wiązania przypadająca na jeden nukleon, czyli energia właściwa wiązania, jest różna dla jąder różnych pierwiastków i waha się od 6 do 8,8 MeV, nie licząc izotopów wodoru. Największa jej wartość przypada na jądro o jednakowych ilościach neutronów i protonów. Dotyczy to pierwiastków ze środkowej części układu okresowego , dla których liczby masowe zawierają się w przedziale 40<A<140. Układy takie są szczególnie trwałe. Jądra ciężkie o dużej liczbie protonów, począwszy od Z>81>oraz A>210, są nietrwałe, ulegają naturalnemu rozpadowi promieniotwórczości. Zmiany zachodzące w jądrach pierwiastków promieniotwórczych naturalnych dzielimy na przemiany α i β. Obu tym przemianom może towarzyszyć emisja promieni γ. Przemiana α sprowadza się do emisji z badanego jądra dodatnio naładowanej cząstki, składającej się z dwóch protonów i dwóch neutronów (2p+2n) . Skład cząstki α odpowiada strukturze jądra helu. Emisja cząstki α zmniejsza ładunek dodatni jądra o dwie jednostki (liczba atomowa Z maleje o dwa) oraz jego masę o cztery jednostki (liczba masowa A maleje o cztery). Wskutek przemiany α , jądro danego pierwiastka przekształca się w jądro nowego pierwiastka, który znajduje się o dwa miejsca wstecz w układzie Mendelejewa. Jądro powstałego pierwiastka jest najczęściej w stanie wzbudzonym , tzn. w stanie energetycznym wyższym od stanu normalnego. Przejściu jądra ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego towarzyszy emisja krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego γ. Długości fal tego promieniowania zawierają się w granicach od 5*10 - 13 m do 4*10 -11 m. Emisja promieniowania γ nie powoduje zmiany liczby protonów i neutronów w jądrze, w związku z tym nie zmienia się jego liczba masowa. Położenie pierwiastka w układzie okresowym przy emisji promieniowania γ nie ulega zmianie. Schemat rozpadu α przedstawia się następująco   )(42 *4 2 HeYX A Z A Z        YY AZAZ 42 *4 2 Górny indeks * oznacza stan wzbudzony powstającego jądra; γ jest promieniowaniem elektromagnetycznym. W zależności od tego, czy dane jądro – w porównaniu z optymalnymi warunkami trwałości- ma nadmiar protonów czy neutronów, wykazuje ono tendencję do przemiany jednej postaci nukleonu w drugą. Równanie tych przemian w postaci uproszczonej można zapisać: evenp ~  evepn   docsity.com 5 3) Zjawisko tworzenia par elektronowych, w którym foton ulega całkowitej absorpcji, a pojawia się para elektron – pozyton. Opisane powyżej mechanizmy oddziaływania promieniowania γ z materia powodują , że natężenie wiązki maleje w miarę wnikania jej w głąb środowiska. Jeżeli na drodze wiązki promieniowania o natężeniu I0 umieścić substancję absorbującą o grubości x, to w wyniku absorpcji i rozproszenia części fotonów, natężenie promieniowania po przejściu warstwy x zmniejszy się i będzie wynosiło I. Zwiększenie grubości x o dx spowoduje zmniejszenie natężenia I o Di. Względne osłabienie natężenia promieniowania dI /I jest proporcjonalne do przyrostu grubości dx. dI/I = -μ dx Znak minus we wzorze oznacza zmniejszenie natężenia promieniowania. Współczynnik proporcjonalności nosi nazwę liniowego współczynnika pochłaniania: μ= (dI/I) *(1/dx) Liniowy współczynnik pochłaniania oznacza względne zmniejszenie natężenia promieniowania przez warstwę absorbentu o grubości jednostkowej. Wymiarem linowego współczynnika pochłaniania jest m -1 . Wartość liczbowa współczynnika zależy m.in. od gęstości absorbentu i długości fali promieniowania. Całkując równianie dI/I = -μ dx otrzymamy zależność: I=I0 e -μx gdzie: I0 – natężenie wiązki padającej, I – natężenie wiązki po przejściu warstwy o grubości x. wyznaczanie wartości liczbowej współczynnika pochłaniania: I = I0/e I0/e = I0 e -μx e 1/e= e -μx e czyli e= e μx e μ xe=1 xe=1/μ μ =1/xe Współczynnik pochłaniania jest liczbowo równy odwrotności grubości xe warstwy absorbentu, która powoduje e-krotne osłabienie natężenia wiązki padającej. Warstwa połowiąca d- tj. takiej grubości absorbentu, która powoduje absorpcję połowy padającego nań promieniowania. Związek między μ i d wynika z równania I=I0 e -μx , w którym zgodnie z definicją warstwy połowiącej dla x= d jest I= I0/2. Wówczas: I0/2= I0 e -μd d=0,693 /μ masowy współczynnik pochłaniania: μm =μ/ρ Masowy współczynnik pochłaniania nie zależy ani od fizycznego, ani od chemicznego stanu substancji pochłaniającej, natomiast w przybliżeniu zależy od liczby atomowej materiału absorbentu Z i długości fali promieniowania λ. (μ/ρ) ∞ (Z 4 /A)*λ 3 Biologiczne oddziaływanie promieniowania jonizującego. Biologiczne skutki promieniowania jądrowego są spowodowane jonizacją i wzbudzeniami atomów żywych komórek. Powstają wówczas bardzo aktywne chemiczne rodniki, jony lub zjonizowane grupy atomów, które w sposób istotny wpływają na przebieg procesów chemicznych zachodzących w żywej komórce . Pewne składniki komórek są zmienione lub uszkodzone , a powstające produkty są toksyczne. Do oceny narażenia układów biologicznych na promieniowanie jonizujące używa się pojęcia dawek. docsity.com 6 Do ilościowego opisu jonizacji powietrza służy dawka ekspozycyjna –X, określająca ładunek elektryczny jednego znaku powstający w jednostce masy powietrza: X = ΔQ/Δm [C/kg] gdzie: ΔQ – bezwzględna wartość sumy ładunków jonów jednego znaku, Δm – masa elementu objętości, w której powstaje ładunek . Częściej niż dawki ekspozycyjnej używa się pojęcia dawki pochłoniętej –D. Dawka pochłonięta jest miarą pochłaniania promieniowania przez różne materiały i oznacza wielkość energii przekazaną przez promieniowanie jednostce masy ośrodka: D =ΔE/ Δm [J/kg] gdzie: ΔE – średnia energia pochłoniętego promieniowania, Δm – masa elementu objętości ciała pochłaniającego Jednostką dawki pochłoniętej jest 1 grej (1Gy= 1J/kg) Szkodliwość biologiczna promieniowania, przy pochłonięciu tej samej ilości energii przez żywą materię, zależy od rodzaju promieniowania. Ciężkie cząstki naładowane, np. cząstki α wywołują większe zmiany w komórkach niż słabiej jonizujące cząstki. Oceniając biologiczne działanie promieniowania na żywy organizm, wprowadza się pojęcie współczynnika jakości promieniowania Q, który wskazuje ile razy działanie promieniowania danego rodzaju na materię jest silniejsze od działania promieniowania gamma, przy tej samej wydzielonej energii materii. Współczynnik jakości promieniowania Q dla promieniowania γ jest równy 1, a dla cząstek alfa wynosi 10. Znając współczynnik jakości promieniowania możemy obliczyć równoważnik dawki H: H = D Q gdzie D jest dawka pochłonięta w tkance lub narządzie . Jednostką równoważnika dawki jest siwert(Sv), który jest równy: 1Sv=1Gy*Q Wymiar siwerta jest taki sam jak greja , mianowicie J/kg. Wyznaczanie współczynnika pochłaniania promieniowania γ dla różnych materiałów: Celem ćwiczenia jest wyznaczenie liniowego i masowego współczynnika pochłaniania promieniowania γ dla różnych materiałów. Używane w ćwiczeniu źródła zamknięte (tzn. nie mamy do niego dostępu) Zestaw do pomiaru współczynnika pochłaniania promieniowania: wnęka na źródła zamknięte i płytki absorbentu, osłona ołowiana, fotopowielacz, scyntylator NaJ(TI), przewód wysokiego napięcia(fotopowielacz →komputer), komputer, monitor Wiązka promieniowania γ, przechodząc przez absorbent ulega osłabieniu zgodnie ze wzorem xeII  0 W scyntylatorze kwanty promieniowania γ wywołują błyski luminescencyjne, które rejestruje fotopowielacz. Ilość rozbłysków podawana przez komputer jako ilość zliczeń n w określonym przedziale czasu jest proporcjonalna do natężenia wiązki promieniowania γ dochodzącej do scyntylatora. Przy braku absorbentu między źródłem a scyntylatorem otrzymujemy ilość zliczeń n0, proporcjonalną do początkowego natężenia wiązki promieniowania γ : n0 ∞ I0 Po przejściu promieniowania przez absorbent o grubości x, ilość zliczeń jest proporcjonalna do natężenia I wiązki: n ∞ I xenn  0 Z wykresu zależności n = f(x) wyznaczamy grubość absorbentu xe, która powoduje e-krotne osłabienie wiązki padającej, tzn. e n n 0 . Odwrotność grubości xe jest miarą współczynnika pochłaniania ex 1  . Współczynnik pochłaniania można również wyznaczyć z liniowej zależności )(ln 0 xf n n  . Współczynnik docsity.com 7 kierunkowy tej prostej jest równy liczbowo współczynnikowi pochłaniania promieniowania γ przez dany absorbent: x n n    0ln  docsity.com