KURZUS: Bevezetés a nukleáris technikába

MODUL: III. modul: Az ionizáló sugárzások kölcsönhatásai, detektálása és a maghasadás

7. lecke: Az ionizáló sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

| Feldolgozandó:
Elektromosan töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal (Sükösd 5.1.: 105-113. old.) Gamma- és neutronsugárzás kölcsönhatása az anyaggal (Sükösd 5.2.: 113-120. old.) A sugárzás gyengülése az anyagon való áthaladás során (Sükösd 5.2.: 120-121. old.)
Tanulási célok:
A lecke anyagának feldolgozása után ismerni fogja:
Az elektromosan töltött részecskék anyaggal való kölcsönhatásának mechanizmusát. A közvetve ionizáló sugárzások kölcsönhatását az anyaggal. A közvetlenül, illetve közvetve ionizáló sugárzások gyengülését az anyagon való áthaladásuk során.
A lecke anyagának rövid összefoglalása
A radioaktív sugárzások az anyagban megtett útjuk során ionokat keltenek. Az elektromosan töltött részecskék közvetlenül, a töltés nélküli részecskék pedig közvetett módon ionizálnak.
A töltött részecskék az atommaggal is kölcsönhatásba lépnek, ez a kölcsönhatás azonban elhanyagolható valószínűségű az elektronokkal való kölcsönhatáshoz képest. A kölcsönhatások során a nagy energiájú töltött részecske energiát ad át az anyagban lévő elektronoknak, ezáltal az energiája fokozatosan csökken. Az energia csökkenés addig folytatódik, amíg az átlagos mozgási energiája egyenlő nem lesz a hőmozgás energiájával. Az energia átadás lehetséges formái: gerjesztés, ionizáció, rugalmas ütközés az atomokkal és a fékezési sugárzás keltése. A hosszegységre jutó átadott energiát lineáris energiaátadásnak nevezzük.
Ha nagy energiájú nehéz töltött részecske ütközik rugalmasan az anyagban lévő elektronokkal, akkor az energia megmaradás és a lendület megmaradás törvényét alkalmazva belátható, hogy sok tízezer ütközés kell, amíg egy nehéz részecske az összes energiáját átadja az anyagnak. Az elektronnal való ütközés során a nehéz részecske lendület változása kicsi, ezért a nehéz részecske közel egyenes pályán mozog az anyagban. A meglökött elektronok kezdeti energiája sokkal nagyobb, mint az anyag atomjainak ionizációs energiája, ezért további atomokat tud ionizálni, un. másodlagos ionizáció jön létre. Az anyagba belépő nagy sebességű nehéz részecske kezdetben hosszegységenként csak kis energiát ad le, azaz az energiája csak lassan csökken. Ahogy azonban csökken a sebessége, egyre jobban ionizál és végül szinte hirtelen megáll. A legtöbb energiát a megállási pont környezetében adja le. Azt a távolságot, ameddig a sugárzás részecskéi eljutnak az anyagban, behatolási mélységnek nevezzük.
Az elektronok anyagban történő lefékeződése is a fent elmondottak szerint történik, azonban elektronok esetében néhány specialitást figyelembe kell venni. Például azt, hogy a bejövő elektronok ugyanakkora tömegűek, mint az anyagban lévő elektronok. Ezért az ütközésükkor nagy lendületváltozások is bekövetkezhetnek. Ennek következtében az elektronok zegzugos pályán mozognak az anyagban. Mivel az elektronok sebessége egyetlen ütközésben is nagyot változhat, a nagy gyorsulás miatt megnő a fékezési sugárzásos energia átadás szerepe.
Az elektromos töltés nélküli részecskék csak igen kis valószínűséggel lépnek kölcsönhatásba az anyaggal. Emiatt ezeknek a részecskéknek nagy lesz a hatótávolsága. A gamma sugarak elsősorban az anyagban lévő elektronokkal lépnek kölcsönhatásba. Az alábbi három folyamat szerepe a legnagyobb: Compton szórás, fotoeffektus és a párkeltés. A Compton szórás során a gamma-foton ütközik egy elektronnal és átad neki valamennyi energiát, ő maga pedig lecsökkent energiával, megváltozott irányba tovább halad. Fotoeffektus során a gamma foton kiüt egy elektront az elektronburokból és átadja neki az összes energiáját. A párkeltés az a folyamat, amikor egy nagy energiájú foton elektron-pozitron párt kelt. A neutronok semleges részecskék, ezért csak az atommagokkal lépnek kölcsönhatásba. A kölcsönhatásnak két formája lehet: a rugalmas szórás és az atommag reakció.

| Ellenőrző kérdések
1. Az alábbi sugárzások közül melyik nem ionizáló sugárzás?
| a) alfa-sugárzás.
| b) pozitron sugárzás.
| c) infravörös sugárzás.
| d) negatív bétasugárzás.
2. Az alábbi sugárzások közül melyik közvetve ionizáló sugárzás?
| a) Az alfa-sugárzás.
| b) A neutronsugárzás.
| c) A pozitron sugárzás.
| d) A negatív bétasugárzás.
3. Az alábbi kölcsönhatások közül melyik nem jellemző a gamma-sugárzásra?
| a) Az annihiláció.
| b) A fotoeffektus.
| c) A párkeltés.
| d) A Compton-szórás.
4. Az alábbi sugárzások közül melyikre értelmezhetó a felezési rétegvastagság?
| a) Az alfa-sugárzásra.
| b) A neutronsugárzásra.
| c) A negatív bétasugárzásra.
| d) A pozitív bétasugárzásra.