Radyasyon - Madde Etkileşimi

RADYASYONUN MADDE İLE
ETKİLEŞİMİ
İlkay TÜRK ÇAKIR
TAEK
Sarayköy Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi
İÇERİK
 Radyasyon ve Radyoaktivite Nedir?
 Radyasyon Çeşitleri Nedir?
 Bazı Genel Bilgiler
 Alfa
 Beta
 Ağır ve Yüklü Parçacıkların etkileşimi
 Bethe Formülü
 Elektronların madde ile etkileşmeleri
 Bremssstrahlung
 Cherenkov Işıması
 Fotonlar
 Nötronlar
RADYASYON NEDİR?
Çekirdeğin kararlı durumdan kararsız duruma geçerken
enerjisini ışınım salarak vermesidir.
Radyasyon (veya ışınım), elektromanyetik dalgalar veya
parçacıklar biçimindeki enerji yayımı ya da aktarımıdır.
RADYOAKTİVİTE NEDİR?
Doğada mevcut elementlerin atomlarının bir kısmı kararlı
diğer bir kısmı ise kararsız çekirdeklere sahiptirler.
Daha ağır çekirdekler sahip oldukları fazla enerjiden dolayı
kararsızdırlar. Böyle çekirdeklere radyoaktif çekirdek veya
radyoizotop adı verilir. Bunlar fazla enerjilerinden kurtulmaya ve
kararlı duruma geçmeye çalışırlar. Bu olaya radyoaktivite veya
radyoaktif parçalanma denir.
- doğal radyoaktivite
- yapay radyoaktivite
RADYASYON
İYONLAŞTIRICI RADYASYON
PARÇACIK TİPİ
DALGA TİPİ
Alfa parçacıkları
Beta parçacıkları
Nötronlar
X-Işınları
Gama ışınları
İYONLAŞTIRICI OLMAYAN RADYASYON
DALGA TİPİ
Radyo dalgaları
Mikrodalgalar
Kızılötesi dalgalar
Görülebilir ışık
RADYASYON ÇEŞİTLERİ-I
 İyonlaştırıcı radyasyon (Atomlardan
elektron sökebilen)
Radyasyon,
“iyonlaştırıcı”
ve
“iyonlaştırıcı olmayan” radyasyon
olmak üzere ikiye ayrılır.
İyonlaştırıcı radyasyon, çarptığı
maddede yüklü parçacıklar (iyonlar)
oluşturabilen radyasyon demektir.
İyon
meydana
gelmesi
yani
iyonizasyon olayı herhangi bir
maddede meydana gelebileceği gibi
insanlar dahil tüm canlılarda da
oluşabilir.
* X-ışınları (Röntgen Işınları)
* Gama () ışınları
* Alfa () Parçacıkları
* Beta () Parçacıkları
* Nötron Parçacıkları
 İyonlaştırmayan radyasyon
(Atomlardan elektron sökemez)
* Radyo Dalgaları
* Mikro Dalgaları
* Kızıl ve Mor Ötesi ışıklar
* Görünür Işık
RADYASYONUN GİRİCİLİĞİ
Radyasyon yayımlandıktan sonra yolu üzerinde içinden geçtiği madde
ile etkileşir. Bu etkileşimlere ve sonuçlarına bakarak çekirdeğin içinde
gerçekleşen değişim hakkında bilgi edinebiliriz.
Radyasyon etkileşimleri sonucunda biyolojik, kimyasal ve fiziksel
değişimler de meydana gelir.
Nötronlar dışındaki diğer radyasyon
bağlı/yörünge elektronlarıyla etkileşir.
türleri
genellikle
atomun
Radyasyonun etkileştiği elektronun saçılıp atomu terketmesiyle,
ortamda bir iyon çifti meydana gelir. Tek bir nükleer radyasyon
parçacığının etkileşimi binlerce iyon çifti oluşturabilir. Bu yüzden
çekirdek kökenli radyasyona iyonize radyasyon adı verilir.
Nükleer radyasyon dört gruba ayrılabilir.
Radyasyonun elektrondan nasıl saçılacağını parçacığın yükü ve
kütlesi belirler.
 Ağır bir parçacık, çarpıştığı kendinden çok hafif elektrona çok az
enerji aktarabilir.
 Elektron-elektron saçılmalarında enerji paylaşımı daha belirgindir.
 Bir foton etkileştiği bağlı elektrondan saçılabileceği gibi, elektron
tarafından soğurulabilir.
 Nötronlar, elektronlarla manyetik momentleri üzerinden ancak çok
zayıf şekilde etkileşebilir. Baskın etkileşim atomun çekirdeği ile olur.
Genel kural olarak;
 Tüm radyasyon etkileşimleri elektron açığa çıkarsa --> İyonlaşma
 Ağır ve yüklü parçacıklar ile geri tepen atomlar bağlı elektronları saçar.
 Elektronlar madde ile etkileştiklerinde hareketli ve yüklü parçacıklar
oluştururlar.
 Nötronlar madde ile etkileştiklerinde geri tepen çekirdekler oluştururlar.
 Fotonlar madde ile etkileştiklerinde hareketli elektronlar oluştururlar
ALFA PARÇACIKLARI
Çekirdeğin kararsızlığı hem proton hem de nötron
fazlalığından ileri geliyorsa, çekirdek iki proton ve iki nötrondan
oluşan bir alfa parçacığı yayımlayarak bozunur. Böylece bozunan
çekirdeğin atom numarası 2, kütle sayısı ise 4 azalır. Rutherford alfa
parçacığının gerçekte He çekirdeği olduğunu göstermiştir. Bu
bozunumda proton ve nötron sayıları ayrı ayrı korunur. Ayrıca toplam
enerji de korunmalıdır.
β− bozunumu: Eğer bir radyonüklidin kararsızlığı çekirdekteki nötron fazlalığından ileri
geliyorsa, çekirdeğindeki enerji fazlalığını gidermek için nötronlardan birini proton ve
elektron haline dönüştürür. Proton çekirdekte kalırken, elektron hızla atomdan dışarı atılır.
β+ bozunumu: Atomun kararsızlığı nötron azlığından veya proton fazlalığından ileri
geliyorsa protonlardan biri nötron ve pozitif yüklü elektrona (pozitrona) dönüşür.
e- yakalama olayı:
Çekirdek proton fazlalığından dolayı kararsız ise atomun
çekirdeğe yakın (K,L) yörüngelerine yakın elektronlarından biri
çekirdek tarafından yakalanır. Elektronla bir proton birleşerek nötron
ve nötrino haline dönüşür.
Bu bozunumda çekirdekten parçacık salınmaz ancak pozitron
bozunmasında olduğu gibi proton sayısı bir eksilir. Kütle numarası ise
aynı kalır. Bu olayda boşalan elektron yörüngesine üst yörüngelerdeki
başka bir elektron geçer ve bremmstrahlung (frenleme) radyasyonu
adı verilen x-ışınları yayınlanır.
Bir malzeme içinden geçen yüklü parçacıkların enerji kaybetme
hızına malzemenin durdurma gücü denir. İki bileşenden oluşur:
 Elektronik durdurma gücü, yüklü parçacığın malzemedeki atomik
elektronlarla etkileşmesinden kaynaklanır.
 Nükleer durdurma gücü, yüklü parçacığın atomun çekirdeği ile
etkileşiminden kaynaklanır.
 dE / dx  Selektronik  Snükleer
Eksi işareti, yüklü parçacığın kinetik enerjisini kaybedeceğini
anlatır. Yüklü parçacıklar ile nükleer reaksiyonlar çok nadiren
gerçekleşse de, nükleer durdurma gücü hiçbir zaman sıfır olmaz,
ancak ihmal edilebilir.
Herhangi bir yüklü parçacık için bir ortamın durdurma gücü,
 İyonun kütlesi, yükü ve hızına
 Malzemenin atom numarası ve yoğunluğunun fonksiyonudur.
ELEKTROMANYETİK ETKİLEŞİM
Z2 electrons, q=-e0
 Yüklü bir parçacığı maddenin içinden geçirelim:
Elektronlarla etkileşimler - atomların uyarılması ve iyonlaşması, çoklu
saçılma, Bremsstrahlung (ve diğer EM radyasyonu), Çerenkov ışıması, geçiş
ışıması.
16
YÜKLÜ PARÇACIKLARIN ETKİLEŞİMİ
Madde içinde ilerleyen iyonize radyasyonun, etkileştiği
elektronlardan saçılır ve iyonun aldığı yol, saçılmalar arasındaki düz
doğru parçalarının birleşimi olarak düşünebilir.
Elastik bir saçılmada doğrusal momentum ve enerji
korunacağından, yüklü parçacığın madde içinde izleyeceği yolun
özelliklerinin belirlenmesinde parçacığın kütlesi belirleyicidir.
•
İyonun alacağı yol, taşıdığı yüke ve kütlesine bağlıdır.
•
İyon, menzilinin sonuna doğru daha hızlı enerji kaybeder.
BETHE FORMÜLÜ
 Bethe formülü: Birim mesafedeki ortalama enerji kaybı /
yoğunluk.
BETHE FORMÜLÜ
Durdurma gücü Bethe fonksiyonu ile verilir:
n: elektron yoğunluğu
z: iyonun elektrik yükü
β: bağış hız
mec2: elektronun durgun kütle enerjisi
I: iyonizasyon potansiyeli
H2 için Z/A=1
elektronun
spini
×2
kuvantum
mekaniği
“density effect” - maddenin
polarize olması.
kinematik terim:
<dE/dX>∝β−2
Fermi platosu
βγ ≈ 3-4 :
minimum
iyonlaşma.
19
20
 İyonun yolu boyunca gördüğü enerji kaybının
integrali alınarak elde edilebilir.
 Menzil: Ağır ve yüklü bir parçacığın bir
malzeme içerisinde kaydedeceği mesafeye
«menzil» adı verilir.
 İyonların madde içerisinde ilerlerken düz bir yol
izledikleri varsayarak, herhangi bir kinetik
enerji için menzil
ELEKTRONLAR
Yüksek enerjili elektronların madde içinde geçişleri yüklü parçacıklarınkine benzer. Coulomb
etkileşmesi önemli bir rol oynar. Ancak 3 önemli fark gözlenebilir:
1- Gelen elektronlar genellikle rölativistiktir.
2- Saçılma, özdeş parçacıklar arasında gerçekleşir ve genellikle itici karakterdedir.
3- Çekirdek ile etkileşim ise çekicidir ve gelen elektronun doğrultusu belirgin şekilde değişebilir,
hatta ağır bir çekirdekle çarptığında geri de dönebilir.
Ayrıca elektronun kinetik enerjisinin bir kısmını Bremsstrahlung (frenleme) ışıması yoluyla
kaybeder. Bu ışıma yüklü bir parçacık ivmelendiğinde elektromanyetik radyasyon (x-ışınları)
yayımlanması olarak bilinir.
Burada elektronik durdurma gücü yüklü parçacıkların yörünge elektronları ile etkileşmesine
benzer.
Radyoaktif (yayıcı) durdurma gücü ise sadece elektron radyasyonuna özgüdür.
Elektron radyasyonu için elektronik durdurma gücü:
• Elektronların ve pozitronların madde içerisindeki etkileşmeleri hemen hemen aynıdır.
• Beta parçacıklarının madde ile etkileşmesi, iyonlaşma ve uyarılmanın yanı sıra
ortamdaki çekirdeğin elektrik alanından kaynaklıdır.
• Enerjileri yüksek olan beta parçacıkları bir çekirdek alanından geçtiği zaman,
radyasyon yolu ile bir enerji kaybına uğrar.
• Çekirdeğin elektriksel çekimi yüzünden izlediği düz yolda sapma meydana getirir.
• Beta parçacıkları enerjilerinin büyük bir kısmını ortamın yörünge elektronları ile
çarpışmada yada saçılmalarda kaybedecektir. Parçacığın izlediği yörünge zikzaklı
olacaktır. Betaların malzeme içindeki aldıkları yolları da daha uzun olacaktır. Bu
nedenle elektron radyasyonu için sabit bir menzil tanımlamak zordur.
BREMSSTRAHLUNG
Bremsstrahlung (frenlenme ışıması): İvmelendirilen herhangi bir yüklü parçacığın yaptığı
ışıma.
Parçacık hedefin atomlarının çekirdekleri tarafından saptırılıyor. Saptırılma sırasında EM
ışıma yapıyor.
Klasik olarak, Maxwell denklemleri ile belli bir momentum transferi sırasında yapılacak EM
ışımanın enerjisini hesaplayabiliriz.
Bremsstrahlung gelen parçacığın kütlesinin karesiyle ters orantılı. => Özellikle elektronlar ve
muonlar için önemli.
Kritik enerji (EC)≡Bir parçacığın madde içinde hareket ederken iyonizasyon ve Bremsstrahlung
sebebiyle olan enerji kayıplarının eşit olduğu durumdaki enerjisi.
Elektronlar: EC≃800MeV/(Z+1.2)
Muonlar: EμC≃5700GeV/(Z+1.47)0.838
25
FOTONLAR -I
Düşük enerjilerde fotonlar için en büyük enerji
kaybı fotoelektrik etki ile.
Foton enerjisi MeV seviyesinde ise, özellikle
hafif çekirdekli hedeflerde Compton saçılması
da önemli rol oynar.
Enerji yükseldikçe çekirdeğin alanı
sebebiyle olan elektron-pozitron çift
oluşması en önemli etki olur.
Yüksek enerjili foton ve elektronlar,
çift oluşması ve Bremsstrahlung
sayesinde EM çağlayanlar oluşturur.
27
FOTONLAR-II
Fotonlar madde içerisinde ilerlerken uzun menzilli etkileşmezler ve sadece yerel veya
kesikli etkileşmeler geçirirler. Yani Coulomb veya nükleer kuvvete maruz
kalmazlar.
Dolayısıyla bir foton demeti herhangi bir malzeme içerisinde ilerlerken etkileşim
geçiren fotonlar demetten ayrıldıkça demetin şiddeti de azalır.
Düşük enerjili fotonlar sadece bir kez etkileşir ve tek bir birincil elektron oluşturur.
Enerjili fotonlar ise birkaç kez etkileşebileceğinden enerjileri tükenene kadar birkaç
birincil elektron oluşturabilecektir.
Yüksek enerjili fotonlar ise madde-antimadde çifti oluşturabilecek ve böylece ikincil
elektronlar oluşturacaktır.
Demette kalan yani madde içinde etkileşmeye uğramayan fotonların enerjileri sabit
kalır ve böylece belli bir malzeme kalınlığı içerisinde bir fotonun etkileşme
olasılığı da fotonun enerjisi ne olursa olsun sabit kalır.
Bir foton demetindeki elektromanyetik ışımanın madde içindeki zayıflaması BeerLambert yasası ile ifade edilir.
Burada I0 ve I(x) sırasıyla malzeme üzerine gelen ve x kalınlığındaki malzemeden
geçen demet şiddetini temsil eder.
Yüklü parçacıkların madde içinde
birbirini izleyen çarpışmalarla
enerjilerini kaybetmelerine karşın
gama ışınları geçtikleri ortamla
doğrudan doğruya etkileşme
yapmazlar. Yüksüz oldukları için
madde tarafından çekilip itilmezler,
sadece çarpışmalar yaparlar.
***Madde içinde gama ışınları
başlıca üç yolla soğurulurlar.
Fotoelektrik olay
Compton oluşumu
Çift oluşum
29
FOTOELEKTRİK OLAY
Einstein, 1921 yılında
fotoelektrik etkiyi
açıklamak üzere
yaptığı çalışma ile
Nobel ödülü almıştır
Düşük enerjili bir foton genellikle içinden geçtiği
ortamdaki atomların yörüngesindeki bir elektrona bütün
enerjisini vererek onu pozitif yüklü çekirdeğin bağlayıcı
kuvvetinden kurtarır. Dışarıya fırlatılan bu elektrona fotoelektron
denir. Bu olay sonucunda oluşan elektron boşluğu dış
yörüngedeki başka bir elektron tarafından doldurulur ve bu
sırada x ışını yayımlanır. 0,5 MeV’den daha küçük enerjili
fotonların ağır elementler tarafından soğurulmasında bu olay
oldukça önemlidir.
 
 
Z5
hv 
7
2
Z5
hv 
E  me c 2
E  me c 2
30
COMPTON OLAYI
Atoma gevşek
olarak bağlanmış bir dış yörünge elektronu enerjisi
kendisine kıyasla çok daha büyük olan bir fotonla çarpışması sonucunda
meydana gelen olaya Compton Saçılması denir.
Foton, enerjisinin bir kısmını elektrona aktarıp saçılıma uğrayarak yoluna
devam eder. Foton ile elektron arasında oluşan açı fotonun enerjisine
bağlıdır. Yüksek enerjili fotonlar enerjileri belirli bir seviyeye düşene kadar
Compton saçılımına uğrarlar bu andan sonra da fotoelektrik olayla
absorblanırlar.
31
ÇİFT OLUŞUM
Eğer, fotonun enerjisi yeteri kadar büyük ise ve atom
çekirdeğinin çok yakınından geçerse, kütlesi olmayan fotonun
enerjisinden çekirdek yakınında aynı anda biri negatif yüklü
elektron diğeri pozitif yüklü pozitron olmak üzere iki parçacık
yaratılır. Böylece elektromanyetik bir dalgadan madde oluşur.
32
eFotoelektrik olay
Geri tepen
elektron
Gelen foton
Compton saçılması
eθ
Saçılan
foton
eÇift oluşumu
foton
e+
NÖTRONLAR-I
Nötronlar yüksüz parçacıklar olduklarından çekirdek ile nükleer
kuvvetler ile etkileşirler.
Çekirdeğe yaklaştıklarında yüklü parçacıklarda olduğu gibi Coulomb
engelini yenmek zorunda değildirler.
Çekirdek ile etkileşebilmeleri için çekirdeğe en az 10-13 cm kadar
yaklaşmalılardır.
Nötronları algılamak için yüklü parçacıklar üretilmek zorundadır.
Bu sebeple, nötronları bir çok protonu olan malzeme ile yavaşlatmak
faydalı olacaktır. Çünkü enerjinin büyük bir kısmı çarpışma ile benzer
kütleli parçacığa aktarılır.
34
NÖTRONLAR-II
Nötronlar, sadece atomun çekirdekleri kuvvet yoluyla etkileştiklerinden madde içinde oldukça
giricidirler.
Elektronlar ile etkileşimleri oldukça zayıftır, bu durun çok daha küçük olduğu için, hızlı bir
nötronun çekirdek ile etkileşmesi olasılığı çok çok küçüktür.
Çekirdek, atomdan çok daha küçük olduğu için, hızlı bir nötronun çekirdek ile çarpışma olasılığı
çok düşüktür.
Madde içerisinde ilerleyen bir nötron bir çekirdekle karşılaşıp nükleer bir reaksiyon
gerçekleştirene kadar, sabit enerjiyle düz bir çizgi halinde yoluna devam edecektir.
Ayrıca nötron etkileşimleri çekirdek ve nükleer dönüşümle gerçekleşebileceğinden, etkileşim
önemli radyasyon hasarı oluşur.
35
NÖTRONLAR-III
Nötronlar, sadece atomun çekirdekleri kuvvet yoluyla etkileştiklerinden madde
içinde oldukça giricidirler.
Elektronlar ile etkileşimleri oldukça zayıftır, bu durum taşıdıkları ve manyetik dipol
momentumlarından kaynaklanır.
Ayrıca nötron etkileşimleri çekirdek ve nükleer dönüşümler gerçekleşebileceğinden,
etkileşim önemli radyasyon hasarı oluşur.
Madde içerisinde ilerleyen bir nötron, bir çekirdekle karşılaşıp nükleer bir reaksiyon
gerçekleştirene kadar, sabit enerjiyle
Bu yüzden nötron zayıflaması da üstel bir bağımlılık içerir.
Malzeme içerisinde birden fazla izotop varsa (iki izotopu olan gümüş) veya
bir bileşik söz konusu ise malzeme için tesir kesiti aşağıdaki formül ile
verilir. Burada f’ler her bir izotopun malzeme içinde ağırlık yüzdesidir.
36
Nötronlar enerjilerine bağlı olarak madde içinde farklı reaksiyonlara yol açarlar.
1. Elastik saçılma, A(n,n)A: Nötronlar için temel etkileşimdir, nötron ile çekirdek arasında
kinetik enerji aktarımı şeklinde gerçekleşir.
2. İnelastik saçılma, A(n,n’)A*: Yeterince enerji taşıyan bir nötron (1 MeV civarı) A çekirdeği
ile çarpıştığında onu uyararak A* durumuna geçirir.
3. Radyatif yakalama, A(n,γ)A+1: Gelen nötron çekirdekte tutulur ve açığa gama çıkar.
Düşük enerjili nötronlar için önemlidir.
4. Fisyon, A(n,f): Her nötron enerjisinde mümkündür, ancak ısıl enerjilerde (0.025 eV)
daha olası bir reaksiyondur. Gelen nötron çekirdekte tutulduğunda nötronun bağlanma
enerjisi çekirdeğin fisyon engel yüksekliğini aşıyorsa fisyon gerçekleşir.
KAYNAKLAR
•
http://ahmetbozkurt69.files.wordpress.com/2011/05/nukleerfizik2-5radyasyonunmaddeileetkilesimi.pdf
•
http://tarlafel.org/thm/tac/YAZOKULU/yazokulu7/dersler/EOzcan_Radyasyonun_Maddeyl
e.pdf
•
http://w3.gazi.edu.tr/~mkaradag/tezler/ebruseyrek.pdf
38
SON !!!