Ακτινοβολίες αλληλεπίδραση ακτινοβολίας γ με την ύλη 08/04/2017 Ζαχαριάδου Κατερίνα ΤΕΙ Πειραιά Ακτινοβολίες αλληλεπίδραση ακτινοβολίας γ με την ύλη Zachariadou Katerina

Άτομο Ηλεκτρόνιο e- Νετρόνιο n - + Πρωτόνιο p+ Πυρήνας

Το άτομο αποτελείται από Άτομο ηλεκτρικά ουδέτερο Φορτίο Μάζα Πρωτόνια + 1 Νετρόνια ουδέτερο 1 Ηλεκτρόνια - αμελητέα Μάζα ατόμου= Πρωτόνια + Νετρόνια - + Άτομο ηλεκτρικά ουδέτερο Πρωτόνια = Ηλεκτρόνια

Li 7 3 Άτομο Ατομικός αριθμός (Ζ) = Αριθμός πρωτονίων Μαζικός αριθμός (Α) = Αριθμός πρωτονίων (Ζ) + Αριθμός νετρονίων (Ν) A = Z + N 7 3 Μαζικός αριθμός Α = 7 Li Ατομικός αριθμός Z = 3 Ατομικός αριθμός Z = 3 Αριθμός νετρονίων Ν = 4

Li Άτομο 7 3 Ο ατομικός αριθμός χαρακτηρίζει το στοιχείο Δείχνει τη θέση του στον περιοδικό πίνακα Li 7 3

Ισότοπα Τα ισότοπα είναι άτομα του ίδιου στοιχείου που έχουν διαφορετικό μαζικό αριθμό (Α) Διαφορετικός αριθμός νετρονίων Ν Ίδιος ατομικός αριθμός Ζ (αριθμός πρωτονίων/ηλεκτρονίων) Έχουν ίδιες χημικές ιδιότητες 6 Z 6 6 N 8 12 A 14 Ισότοπα άνθρακα p n 12 6 14 6 C C

Ραδιενέργεια

Το 1896 ο Henri Becquerel παρατήρησε ότι ένα ορυκτό που περιείχε ουράνιο εξέπεμπε αόρατη ακτινοβολία . Η ακτινοβολία αυτή ήταν εξαιρετικά διεισδυτική , διαπερνούσε το μαύρο χαρτί - περιτύλιγμα του ορυκτού- και αμαύρωνε την φωτογραφική πλάκα. Henri Becquerel (1896) Νόμπελ Φυσικής 1903

Ραδιενέργεια Πολλά στοιχεία έχουν ισότοπα που είναι ασταθή Οι πυρήνες τους διασπώνται σε άλλους με ελευθέρωση ενέργειας Η διαδικασία ονομάζεται ραδιενέργεια

Ραδιενέργεια Κατά τη διάσπαση εκπέμπονται: Σωματίδια α Πυρήνες ηλίου 42He Σταματούν σε φύλλο χαρτιού Σωματίδια β-Ηλεκτρόνια Σταματούν σε φύλλο αλουμινίου Ακτινοβολία γ Ηλεκτρομαγνητική μειώνεται απόπαχύ στρώμα μολύβδου

Ραδιενεργές διασπάσεις Οι συνηθισμένες διασπάσεις είναι Διάσπαση με εκπομπή σωματιδίων α Διάσπαση με εκπομπή σωματιδίων β Σύλληψη ηλεκτρονίων

Διασπάσεις με εκπομπή σωματιδίων α Εκπέμπεται ένα σωματίδιο α (42Ηe) Ο ατομικός αριθμός (Ζ) ελαττώνεται κατά 2 Ο μαζικός αριθμός (Α) ελαττώνεται κατά 4 Αρχικός μητρικός πυρήνας Θυγατρικός πυρήνας 42Ηe p n Ζ = -2 Α = -4

Διασπάσεις με εκπομπή σωματιδίων β Εκπέμπεται ένα σωματίδιο β- (ηλεκτρόνιο) Ο ατομικός αριθμός (Ζ) αυξάνεται κατά 1 Ο μαζικός αριθμός (Α) παραμένει ίδιος Αρχικός μητρικός πυρήνας Θυγατρικός πυρήνας p β- n Ζ = +1 Α = ίδιος 8737Rb  8738Sr + β- + ενέργεια

Διασπάσεις με σύλληψη ηλεκτρονίων Συλλαμβάνεται ένα τροχιακό ηλεκτρόνιο από τον πυρήνα Ο ατομικός αριθμός (Ζ) μειώνεται κατά 1 Ο μαζικός αριθμός (Α) παραμένει ίδιος Αρχικός μητρικός πυρήνας Θυγατρικός πυρήνας p e- n Ζ = -1 Α = ίδιος 4019K + e-  4018Ar + γ + ενέργεια

Νόμος ραδιενεργών διασπάσεων Ο αριθμός των πυρήνων (dN) που διασπώνται στη μονάδα του χρόνου (dt) είναι ανάλογος του συνολικού αριθμού (Ν) των υπαρχόντων πυρήνων λ = σταθερά διασπάσεως του στοιχείου Είναι χαρακτηριστική για κάθε στοιχείο πχ. για το Ra (λ=0,0004273 ανά χρόνο) Δηλώνει την πιθανότητα να διασπαστεί ένας πυρήνας στη μονάδα του χρόνου Στα 10.000.000 άτομα Ra, διασπώνται 4273 ανά χρόνο

Νόμος ραδιενεργών διασπάσεων -ln N = λt + C t=0: N=No C = -ln No -ln N = λt - ln No  -ln N - ln No = -λt  ln N/No = -λt  N/No = e-λt  N = Noe-λt

Νόμος ραδιενεργών διασπάσεων Ν = Νοe-λt N: αριθμός των πυρήνων που παραμένουν μετά από χρόνο t No = ο αριθμός των αρχικών πυρήνων σε χρόνο t=0

Νόμος ραδιενεργών διασπάσεων-χρόνος ημιζωής Ημιπερίοδος ζωής Τ : χρόνος που απαιτείται για να διασπαστούν οι μισοί από τους αρχικούς πυρήνες ενός ραδιενεργού ισοτόπου Για κάθε ισότοπο είναι σταθερή και δεν επηρεάζεται από κανένα χημικό ή φυσικό παράγοντα Σταθερά διασπάσεως λ = 0,693/Τ N = Noe-λt  N/No = e-λt  Για την ημιπερίοδο ζωής Τ  N/No = 1/2 1/2 = e-λT  ln(1/2) = -λΤ  -0,693 = -λΤ  λ = 0,693/Τ

Νόμος ραδιενεργών διασπάσεων-χρόνος ημιζωής Μητρικοί πυρήνες Ν Ν αριθμός αδιάσπαστων πυρήνων σε χρόνο t Νo αρχικός αριθμός πυρήνων λ σταθερά διασπάσεως (αντίστροφη της ημιπεριόδου ζωής) 1/2 Θυγατρικοί πυρήνες D* Ν = Νο · e-λt 1/4 Αριθμός πυρήνων % 1/8 1/16 1/32 Ημιπερίοδοι ζωής

Ακτινοβολίας γ με την ύλη Aλληλεπίδραση Ακτινοβολίας γ με την ύλη

Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας-γ με την ύλη Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (χαμηλές ενέργειες φωτονίων) Ολική απορρόφηση του φωτονίου Compton scattering (ενέργειες ~1 MeV) Μερική απορρόφηση φωτονίου Αυθόρμητη δίδυμη γένεση: Υλοποίηση φωτονίου σε ζεύγος ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου

Αλληλεπίδραση ακτινοβολίας-γ με την ύλη Τα διαφορετικά είδη αλληλεπίδρασης της ακτονοβολίας γ με την ύλη συναρτήσει της ενέργειας των φωτονίων και του ατομικού αριθμού του υλικού με το οποίου αλληλεπιδρουν Z 0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Photon Energy (MeV) 20 40 60 80 120 Compton scattering Al Pb pair production photoelectric

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Hertz το 1887, κατά την διάρκεια των πειραμάτων του για την διάδοση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Ο Hertz πρώτος είχε διαπιστώσει ότι οι καθαρές μεταλλικές επιφάνειες εκπέμπουν φορτία όταν εκτίθενται σε υπεριώδες φως

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Μέτρηση του δυναμικού V0 που απαιτείται για να μηδενιστεί το ρεύμα . Αυτό το δυναμικό σχετίζεται με την κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων: eV0 = KE max = mv max2 Αξιοπερίεργα πειραματικά δεδομένα:

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Hallwachs κ.α 1889 Tα εκπεμπόμενα σωμάτια αποσπώνται λόγω του προσπίπτοντος φωτός (Hallwachs 1889)  Το φαινόμενο οφείλεται στην εκπομπή αρνητικά φορτισμένων σωματιδίων Lenard και J.J. Thomson 1889 Τα εκπεμπόμενα σωμάτια είναι ηλεκτρόνια (Elster και Geitel 1891 Το φωτόρευμα είναι ανάλογο της έντασης του φωτός

eV0 = KE max = mv max2 Lenard 1902  Οι κινητικές ενέργειες των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων είναι ανεξάρτητες από την ένταση του φωτός !!!!!! (Elster και Geitel 1891 Το φωτόρευμα είναι ανάλογο της έντασης του φωτός

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο:Αξιοπερίεργα πειραματικά δεδομένα: Lenard 1902  Οι κινητικές ενέργειες των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων είναι ανεξάρτητες από την ένταση του φωτός !!!!!! Lenard 1902  δεν εκπέμπονται ηλεκτρόνια αν η συχνότητα είναι μικρότερη μίας τιμής: συχνότητα κατωφλίου Lenard 1902  Τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια έχουν μέγιστη κινητική ενέργεια που είναι τόσο μεγαλύτερη όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα του φωτός

Συχνότητα κατωφλίου Δεν εξηγείται με βάση την κυματική φύση του φωτός Εαν το φως είναι κυματικό φαινόμενο θα πρέπει καθώς αυξάνεται η ένταση του προσπίπτοντος φωτός, δηλαδή καθώς αυξάνεται η ολική ενέργεια που προσπίπτει στην επιφάνεια ) να προσδίδεται αρκετή ενέργεια για την απελευθέρωση ηλεκτρονίων ανεξαρτήτως της συχνότητας της προσπίτπουσας ακτινοβολίας. Θα έπρεπε η ενέργεια των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων να εξαρτάται από την ένταση του προσπίπτοντος φωτός Η μέγιστη κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων δεν εξαρτάται από την ένταση του φωτός Συχνότητα κατωφλίου

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο-Ερμηνεία Τα φωτόνια έχουν ενέργεια και ορμή!!! Einstein : Για την ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου πρέπει να θεωρηθεί ότι το φως αποτελείται από σωματίδια : κβάντα φωτός ή φωτόνια Τα φωτόνια έχουν ενέργεια και ορμή!!! Σταθερά του Planck

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο-Ερμηνεία Ένα κβάντο φωτός δίνει όλη την ενέργεια του, hf, σε ένα μόνο ηλεκτρόνιο του μετάλλου. Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την επιφάνεια του μετάλλου έχουν τη μέγιστη κινητική ενέργεια Kmax. Έτσι η μέγιστη κινητική ενέργεια για αυτά τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια είναι h e KE max = eV0 = hf - W όπου W είναι το έργο εξαγωγής για το μέταλλο, το οποίο αντιστοιχεί στην ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να δοθεί στο ηλεκτρόνιο προκειμένου να αποσπασθεί από το μέταλλο. Κατά συνέπεια η γραφική παράσταση της κινητικής ενέργειας (δηλαδή του δυναμικού αποκοπής) συναρτήσει της συχνότητας f είναι μια ευθεία της οποίας η κλίση σχετίζεται με τη σταθερά Planck's constant h και τέμνει τον άξονα x στη συχνότητα κατωφλίου (fc) όπου V0 = 0 : Πιθανότητα αλληλεπίδρασης με την ύλη μέσω φωτοηλεκτρικού φαινομένου fc = W/h

ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ COMPTON

ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ COMPTON Nobel Prize in 1927 Η κλασική κυματική θεωρία αδυνατούσε να εξηγήσει τη σκέδαση ακτινών Χ από ελεύθερα ηλεκτρόνια. Προέβλεπε ότι η προσπίπτουσα ακτινοβολία συχνότητας f0 θα έπρεπε να επιταχύνει ένα ηλεκτρόνιο στην κατεύθυνση διάδοσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Το μήκος κύματος της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας έπρεπε να εξαρτάται από το χρονικό διάστημα κατά το οποίο το ηλεκτρόνιο εκτίθεται στην προσπίπτουσα ακτινοβολία, καθώς και από την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Ο Compton απέδειξε πειραματικά ότι η μετατόπιση του μήκους κύματος των σκεδαζόμενων ακτινών Χ σε μια δεδομένη γωνία είναι τελείως ανεξάρτητη από την ένταση της ακτινοβολίας και από τη χρονική διάρκεια της έκθεσης, αλλά εξαρτάται μόνο από τη γωνία σκέδασης. Nobel Prize in 1927

ΔΙΔΥΜΗ ΓΕΝΕΣΗ

Η ΔΙΔΥΜΗ ΓΕΝΕΣΗ Η δίδυμη γένεση αφορά την αλληλεπίδραση ενός φωτονίου με ένα άλλο φωτόνιο το οποίο εκπέμπεται είτε από τον πυρήνα είτε από ατομικά ηλεκτρόνια, δηλαδή ένα φωτόνιο το οποίο εκπέμπεται από φορτία Ένα φωτόνιο το οποίο θα αλληλεπιδράσει εισέρχεται ενώ παράλληλα υπάρχει και ένας πυρήνας ο οποίος ακτινοβολεί ένα άλλο φωτόνιο και ανακρούεται. Το φωτόνιο το οποίο ακτινοβολήθηκε από τον πυρήνα αλληλεπιδρά με το φωτόνιο που θα κάνει τη δίδυμη γένεση, ανταλλάσσουν ένα υπερβατικό ηλεκτρόνιο και παράγεται ένα ζεύγος ηλεκτρονίου – ποζιτρονίου. Το φαινόμενο της δίδυμης γένεσης είναι απαγορευμένο στην Κλασσική Φυσική και στα πλαίσιά της Πολλοί πιστεύουν λανθασμένα ότι κατά τη δίδυμη γένεση για κάποιους λόγους ένα φωτόνιο «σπάει» σε ένα ζεύγος ηλεκτρονίου και ποζιτρονίου. Αυτό είναι κινηματικά απαγορευμένο. Δεν είναι δυνατόν ένα σωμάτιο με μηδενική μάζα ηρεμίας να διασπαστεί και να δώσει δύο άλλα σωμάτια με μάζα ηρεμίας διαφορετική του μηδενός.

ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΦΩΤΟΝΙΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΥΛΗ σp.e: φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ιονισμός του ατόμου σRayleigh: Σκέδαση του φωτονίου από το άτομο συνολικά (το άτομο ούτε ιονίζεται, ούτε διεγείρεται) σCompton: Σκέδαση Compton σε ημιδέσμια ηλεκτρόνια, ιονισμός knuc.: Δίδυμη γέννεση στο Η.Μ. πεδίο του πυρήνα ke: Δίδυμη γέννεση στο Η.Μ. πεδίο των ατομικών ηλεκτρονίων

Εξασθένηση ακτινοβολίας γάμμα H Εξασθένηση της ακτινοβολίας γάμμα μέσα από την ύλη οφείλεται στην αλληλεπίδρασή της μέσω των τριών φαινομένων : φωτοηλεκτρικό , Compton, δίδυμος γένεση:

Ασκήσεις