3 interakce záření a neutronů s látkou

Co se děje při interakci ionizujícího záření s látkou?

• dochází k přeměně energie

• v látce vzniká sekundární záření (často se fyzikálně liší od primárního)

• primární i sekundární ionizující záření vyvolávají ionizaci => tvorba volných radikálů

• část energie se přeměňuje v teplo

Proč jsou volné radikály nebezpečné?

jsou vysoce chemicky reaktivní

Je interakce záření s látkou předem určena? Na čem závisí jeho pravděpodobnost?

interakce záření s látkou je náhodný proces

pravděpodobnost, že bude ozařovací částice reagovat s částicí látky = účinný průřez

Co je to útlum?

snižování intenzity původního svazku

• absorpcí (zánik různými způsoby)

• rozptylem (odchýlení částic => opuštění primárního svazku)

V jakém vztahu jsou intenzita dopadajícího a prošlého záření?

I = I0 e(-μ x)

• I = intenzita prošlého záření

• I0 = intenzita dopadajícího záření

• μ = hmotnostní koeficient útlumu (jednotkou jsou m(-1)) - závisí na druhu záření, druhu látky a její hustotě

• x = tloušťka vrstvy

Jakými způsoby může interagovat rengtenové/gama záření s látkou?

• pružný rozptyl

• fotoelektrický jev

• Comptonův rozptyl

• tvorba elektron-pozitronových párů

• jaderný fotoefekt

Charakterizuj pružný rozptyl.

• atom absorbuje kvantum záření

• přechází do excitovaného stavu

• okamžitě emituje kvantum o stejné energii

• změna směru šíření je malá

Charakterizuj jaderný fotoefekt.

fotony o velmi vysoké energii (nad 8 MeV) mohou pronikat do jader atomů a navodit některý z druhů jaderné přeměny

Jak se liší rentgenové a gama záření?

místem vzniku

• rtg - v elektronové obalu

• gama - v jádře

K čemu dochází při fotoelektrickém jevu?

• zaniká foton

• je vyražen elektron z obalu atomu (většinou z K vrstvy)

Popiš Einsteinovu rovnici pro fotoelektrický jev.

hf = W + ½ m v(2)

• hf = energie dopadajícího fotonu

• W = výstupní práce = energie potřebná pro přemístění elektronu z dané vrstvy

• ½ m v(2) = kinetická energie vyraženého elektronu

• energie dopadajícího fotonu je přeměna na výstupní práci a kinetickou energii

Co se s atomem děje po uvolnění elektronu?

neobsazené místo se musí rychle zaplnit jiným elektronem

• znovuobsazení => uvolnění energie => sekundární záření

• sekundární foton může reagovat s dalšími atomy, jeho energie je klesá

• obzvlášť při nižší energii původního rtg záření jsou nové fotony rychle tlumeny a záření z tělesa nevychází (víceméně srovnatelné s absorpcí)

Charakterizuj Comptonův rozptyl. Uveď vzorec.

oproti fotoelektrickému jevu je energie dopadajícího fotonu výrazně vyšší a není zcela absorbována => vzniká foton o nižší energii (může se chovat jako záření beta)

• výstupní práce je zanedbatelná, interakce je podobná setkání fotonu s volným elektronem

• rozptýlený foton má nižší energie => i nižší frekvenci

h f1 = h f2 + ½ m v(2)

• W zanedbatelná

• f1 = frekvence dopadajícího elektronu

• f2 = frekvence rozptýleného elektronu

Co je to Comptonův posun?

při rozptýlení fotonu dochází ke změně vlnové délky

• f1 > f2 => λ1 < λ2

• rozdíl vlnových délek je ovlivněn úhlem, pod kterým je elektron rozptylován

Převládá u Comptonova rozptylu útlum nebo absorpce? Jak je tato veličina ovlivněna energií fotonů a hustotou elektronů?

útlum, převládá výrazně

• s rostoucí energií fotonů klesá koeficient útlumu

• s rostoucí hustotou elektronů v látce roste útlum

Jaký vliv má Comptonův rozptyl na rentgenovou diagnostiku? Jak se tento problém řeší?

odražené záření dopadá na detektor a tím zhoršuje kontrast

řešení: Buckyho clona

Charakterizuj tvorbu elektron-pozitronových párů.

vyskytuje se jen u fotonů s velmi vysokou energií - v radioterapii

• nejméně 1,02 MeV, ale pro vyšší pravděpodobnost potřeba podstatně vyšší energie

foton se v blízkosti těžkého jádra přeměňuje na elektron a pozitron

• pozitron rychle interaguje s libovolným elektronem v prostředí => přeměna na dva fotony

Jak lze vypočítat lineární koeficient útlumu? Jaký vliv na něj má protonové číslo atomů látky?

jako součet koeficientů pro:

• fotoelektrický jev

• Comptonův rozptyl

• tvorbu párů

s rostoucím protonovým číslem roste

Jak s látkou interagují elektricky nabité částice?

přímo ionizují okolní atomy

Vyjmenuj elektricky nabité částice.

• elektrony - záření β

• pozitrony - záření β

• heliová jádra - záření α

• deuterony

• protony

• urychlené ionty

Může jaderné záření ionizovat nepřímo?

ano - pomocí neutronů

Jak s prostředím interaguje záření beta?

• elektron je vyražen z obalu => atom se stává kladně nabitým

• elektron může proniknout až do jádra atomu, spojit se s protonem a vytvořit tak neutron => přebytečná energie vyzářena jako záření gama

Co se někdy označuje jako záření delta?

souhrn sekundárních elektronů uvolněných při fotoelektrickém jevu nebo Comptonově rozptylu

• elektrony s vysokou energií, které se chovají stejně jako záření beta => velký vliv na biologický efekt fotonového záření

Charakterizuj chování alfa částic v látce.

ionizují přímo

• mají vysokou ionizační schopnost => velmi rychle ztrácejí energii => jejich dráha je krátká

• podél jejich krátké dráhy vzniká mnoho iontů

Jakými dvěma způsoby mohou ionizovat neutrony?

nepřímo

• pružnými nárazy

• nepružnými nárazy

Popiš pružné nárazy.

rychlý neutron zasáhne do jádra těžkého prvku

• odražen téměř bez ztráty energie

• => těžké kovy nedokáží pohlcovat neutronové záření

rychlý neutron zasáhne do jádra lehkého prvku

• velké ztráty energie

• energie transformována do kinetické energie jádra, která dokáže ionizovat další atomy nárazy

Popiš nepružné nárazy.

pomalý neutron narazí do jádra

• předají jádru svou energii => mohou vyvolat emisi jiné částice

• mohou být emitovány z jádra, ale již s jinou energií