Γενικές αρχές ακτινοφυσικής Π. ΓΚΡΙΤΖΑΛΗΣ

Μέρος πρώτο

ΣΚΟΠΟΣΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Να εξηγηθούν βασικές έννοιες της φυσικής, που θα βοηθήσουν τον φοιτητή να μάθει: Τι είναι οι ακτίνες ΧΤι είναι οι ακτίνες Χ Πως παράγονταιΠως παράγονται Ποιες είναι οι ιδιότητες τουςΠοιες είναι οι ιδιότητες τους Πως αλληλεπιδρούν με την ύληΠως αλληλεπιδρούν με την ύλη Ποια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά του οδοντιατρικού ακτινογραφικού μηχανήματοςΠοια είναι τα βασικά χαρακτηριστικά του οδοντιατρικού ακτινογραφικού μηχανήματος

ΣΤΟΧΟΙ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ ΦΥΣΗ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΑΚΤΙΝΩΝ Χ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΚΑΙ ΥΛΗΣ ΑΚΤΙΝΟΓΡΑΦΙΚΟ ΜΗΧΑΝΗΜΑ

ΤΟ ΑΤΟΜΟ

Η «ΕΞΕΛΙΞΗ» ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ

Δημόκριτος (περίπου π.Χ.). Μεγάλος έλληνας φιλόσοφος, ο δημιουργός μαζί με τον Λεύκιππο της ατομικής υπόθεσης (Η ύλη αποτελείται από άφθαρτα, αδιαίρετα σωμάτια, τα άτομα, που κινούνται στο κενό και αλληλοσυμπλέκονται δημιουργώντας έτσι τα γνωστά μας όντα). Προσδιόρισε την έννοια «άτομο» ως την ελάχιστη αδιαίρετη υλική μονάδα, από την ελληνική λέξη «άτμητος». Η ύπαρξη των ατόμων επιβεβαιώθηκε πειραματικά 2300 χρόνια αργότερα και η εσωτερική τους δομή ανακαλύφθηκε από τον Ernest Rutherford το Η ατομική δομή της ύλης αποτελεί σήμερα τον ακρογωνιαίο λίθο στο οικοδόμημα των φυσικών επιστημών.

ΣΦΑΙΡΑ ΘΕΤΙΚΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ Το 1899 ο Τζόζεφ Τζων Τόμσον μέτρησε ξεχωριστά το φορτίο και τη μάζα του ηλεκτρονίου. Ο Τόμσον πρότεινε μια δοκιμαστική περιγραφή, ή μοντέλο, της συγκρότησης του ατόμου, σύμφωνα με το οποίο τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια είναι εντοπισμένα στο εσωτερικό μιας σφαίρας συνεχούς θετικού φορτίου.

Ernest Rutherford ( ). Μεγάλος πειραματικός φυσικός από τους πρωτοπόρους της Πυρηνικής Φυσικής. Ανακάλυψε το Ραδόνιο από το οποίο διαπίστωσε τον εκθετικό νόμο της ραδιενέργειας. Απέδειξε ότι η ραδιενεργός ακτινοβολία αποτελείται από σωμάτια α (πυρήνες Ηλίου-4), ή και σωμάτια β (ηλεκτρόνια). Διαπίστωσε πειραματικά την ύπαρξη του ατομικού πυρήνα και οδηγήθηκε έτσι στην "πλανητική" εσωτερική δομή των ατόμων. Δημιούργησε μια μεγάλη "Σχολή" φυσικών, που μεταξύ άλλων πέτυχε την πρώτη τεχνητή μεταστοιχείωση, την ανακάλυψη των ισοτόπων, την ορθή ταξινόμηση των χημικών στοιχείων βάσει του ατομικού αριθμού, την ανακάλυψη τον νετρονίου, κ.ά.

Το 1913 ο Bohr εφάρμοσε την κβαντική θεωρία του Πλανκ και του Αϊνστάιν στον πυρήνα του ατόμου του Ράδερφορντ και δημιούργησε το πασίγνωστο πλανητικό μοντέλο του ατόμου. Ο Μπορ σκέφτηκε ότι οι κβαντωμένες ενεργειακές καταστάσεις του ηλεκτρονίου του Πλανκ θα μπορούσε να αντιστοιχούν σε τροχιές των ηλεκτρονίων με διαφορετικές ακτίνες. Υπολόγισε τις ενεργειακές καταστάσεις του ατόμου του υδρογόνου και έδειξε ότι αντιστοιχούν σε κβαντωμένες κυκλικές τροχιές.

Ο Λουί ντε Μπρέιγ σκέφτηκε το 1924 την έννοια των υλικών κυμάτων. Ήθελε να δείξει πως οι τιμές της στροφορμής στις τροχιές του Μπορ ήταν φυσική συνέπεια στάσιμων ηλεκτρονικών κυμάτων. Μια τροχιά του Μπορ υπάρχει εκεί, όπου ένα ηλεκτρονικό κύμα κλείνει σε κύκλο, χωρίς να έχει διαφορά φάσης. Με τον τρόπο αυτόν ενισχύει αθροιστικά τον εαυτό του σε κάθε κύκλο, όπως το κύμα μιας μουσικής χορδής ενισχύεται αθροιστικά με διαδοχικές ανακλάσεις. Από την άποψη αυτή το ηλεκτρόνιο δεν το φαντάζεται κανείς σαν σωμάτιο εντοπισμένο σε κάποιο σημείο του ατόμου, αλλά μάλλον σαν η μάζα και το φορτίο του να απλώνονται σε στάσιμο κύμα, που περιβάλλει τον πυρήνα του ατόμου και που το μήκος του μπορεί να ταιριάζει ακριβώς στην περιφέρεια της τροχιάς

Στα μέσα της δεκαετίας του 1920 σημειώθηκαν πολλές αλλαγές στη φυσική. Όχι μόνο αποδείχθηκε πως το φως έχει ιδιότητες σωματιδίων, αλλά βρέθηκε ότι και τα σωματίδια έχουν ιδιότητες κύματος. Η εξίσωση του Schrοdinger προσδιορίζει ένα μάλλον καθαρά μαθηματικό παρά οπτικό μοντέλο του ατόμου. Στην κυματική εξίσωση του Σρόντινγκερ το πράγμα που "κυματίζει" είναι το μη άϋλο πλάτος του υλικού κύματος- μια μαθηματική οντότητα, που ονομάζεται κυματική συνάρτηση. Η κυματική συνάρτηση, που υπολογίζεται από την εξίσωση του Σρόντινγκερ, αναπαριστά όλες τις καταστάσεις, που μπορεί να συμβούν σε ένα σύστημα. Η θέση του ηλεκτρονίου στο άτομο του υδρογόνου, λόγου χάρη, μπορεί να βρίσκεται οπουδήποτε, από το κέντρο του πυρήνα ως μια άπειρη ακτινική απόσταση. Η δυνατή και πιθανή θέση του σε κάποια ειδική χρονική στιγμή δεν είναι ίδια. Ο φυσικός μπορεί να υπολογίσει την πιθανή θέση πολλαπλασιάζοντας την κυματική συνάρτηση με τον εαυτό της. Αυτό οδηγεί σε μια δεύτερη μαθηματική οντότητα, που ονομάζεται συνάρτηση πιθανότητας και μας δίνει τις πιθανότητες οι οποίες υπάρχουν σε δεδομένο χρόνο (ή χρόνους) για κάθε δυνατότητα που παριστάνει η συνάρτηση. Κβαντομηχανική

Οι δομικοί λίθοι του κόσμου είναι κάποια μικροσκοπικά, "στοιχειώδη", "αδιαίρετα" σωματίδια, αυτά που ο Δημόκριτος ονόμασε "ά-τομα". Γύρω στο τέλος του 19ου αιώνα αρχές του 20ου είχε συσσωρευτεί αρκετή εμπειρία, που μπορούσε να συνοψιστεί ως εξής: Υπάρχουν μερικές δεκάδες διαφορετικά άτομα. Για κάθε ένα από αυτά ξέρουμε με αρκετή ακρίβεια το μέγεθος του, τη μάζα του καθώς και τους ειδικούς νόμους που καθορίζουν τον τρόπο που ενώνεται με ίδια ή διαφορετικά άτομα, για να φτιάξει πιο περίπλοκους συνδυασμούς, όπως π.χ. τα μόρια. Αργότερα όμως αποδείχτηκε ότι όλα αυτά τα σωματίδια, που ονομάστηκαν άτομα, δεν είναι στην πραγματικότητα "ά-τομα". Αντίθετα κάθε άτομο είναι μια σύνθετη δομή, που αποτελείται από άλλα πιο "στοιχειώδη" σωμάτια: τον πυρήνα, που βρίσκεται στο κέντρο του ατόμου και περιέχει σχεδόν όλη τη μάζα του, και τα ελαφρότερα ηλεκτρόνια, που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα. Υπάρχει μόνο ένα είδος ηλεκτρονίου, ενώ υπάρχουν τόσοι διαφορετικοί πυρήνες όσοι και άτομα. Το μέγεθος του πυρήνα είναι περίπου φορές μικρότερο από το μέγεθος του ατόμου, ενώ το μέγεθος του ηλεκτρονίου είναι πολύ μικρότερο και από αυτό ακόμη του πυρήνα. Έτσι το άτομο μοιάζει κάπως με μια μικρογραφία πλανητικού συστήματος. Το κάθε άτομο, παρ' όλη τη σύνθετη δομή του, διατηρεί τον αναλλοίωτο και αδιαίρετο χαρακτήρα του μέχρι κάποιο όριο εξωτερικών διαταραχών. Αν δηλαδή η ενέργεια που προσδίδετε στο άτομο είναι μικρότερη από κάποιο όριο, το άτομο συμπεριφέρεται σαν να ήταν αδιαίρετο και αναλλοίωτο και δικαιολογεί έτσι (έστω και προσεγγιστικά) το χαρακτηρισμό του ως στοιχειώδους δομικού λίθου του Κόσμου.

ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΑΝΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ (eV) Σαν "στοιχειώδη" σωματίδια της ύλης μπορούν να θεωρηθούν τα άτομα (όταν η ενέργεια δεν ξεπερνά το 1 eV περίπου), ή τα ηλεκτρόνια και οι πυρήνες (όταν η ενέργεια δεν ξεπερνά τα Ι eV περίπου), ή τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια, και τα νετρόνια (όταν η ενέργεια δεν ξεπερνά τα eV περίπου), ή τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ (όταν η ενέργεια δεν ξεπερνά τα ; eV). Τα βέλη στο σχήμα δείχνουν την κατεύθυνση προς την οποία βρίσκεται η περιοχή σταθερότητας του κάθε συστήματος. ΑΤΟΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ ΠΥΡΗΝΕΣ ΗΛΕΚ/ΝΙΑ ΠΡΩΤΟΝΙΑ ΝΕΤΡΟΝΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ ΚΟΥΑΡΚ

Ηλεκτρόνιο Πρωτόνιο Νετρόνιο Άτομο

Ηλεκτρόνια Φορτίο αρνητικό Κατανέμονται σε ενεργειακούς φλοιούς γύρω από τον πυρήνα σύμφωνα με τους τέσσερις κβαντικούς αριθμούς.

Κινούνται γύρω από τον πυρήνα Κινούνται γύρω από τον άξονα τους (έχουν στροφορμή-σπίν)

Πυρήνας Πρωτόνια Νετρόνια

Πυρήνας Πρωτόνια Κουάρκ

Πυρήνας Νετρόνια Κουάρκ

1836 ηλεκτρόνια 1 πρωτόνιο 1 νετρόνιο

Πόσο μικρός είναι ο πυρήνας σε σχέση με το άτομο; Το άτομο είναι έως φορές μεγαλύτερο από τον πυρήνα. Αν το άτομο είναι σαν το Ολυμπιακό στάδιο, ο πυρήνας θα είναι σαν ένα καρύδι τοποθετημένο στη σέντρα. Πόσο βαρύς είναι ο πυρήνας; Ο πυρήνας περιέχει το σύνολο σχεδόν της μάζας του ατόμου. Εάν γεμίζαμε ένα ζάρι με πυρήνες θα ζύγιζε τόνους!!!!

Όλα τα άτομα –πλην των ατόμων των ραδιενεργών στοιχείων – είναι σταθερά

Η ενεργειακή ισορροπία του ατόμου μπορεί να διαταραχθεί, όταν κάποια μορφή ενέργειας φτάσει στο άτομο. Η διαταραχή εξαρτάται από : Το είδος της ενέργειας Την ένταση της ενέργειας