Promieniowanie jonizujące Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Fizyka MU, semestr 2 Uniwersytet Rzeszowski, 26 kwietnia 2017 Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 1 / 15
Oddziaływanie promieniowania jądrowego z materią Promieniowanie jądrowe α, β, γ, n oddziaływuje z atomami materii przekazując im część swojej energii. Dominuje jonizacja materii - wybijanie elektronów z atomów lub rozpad molekuł materii. W obu przypadkach powstają pary jonów dodatnich (kationy) lub ujemnych (aniony). Rodzaje jonizacji : jonizacja bezpośrednia - wywołana przez cząstki naładowane: α, e ± jonizacja pośrednia - wywoływana przez cząstki neutralne: γ, n Może nastąpić także wzbudzenie atomów lub molekuł. Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 2 / 15
Jonizacja bezpośrednia Jonizacja bezpośrednia na skutek oddziaływań elektromagnetycznych atomów lub molekuł z cząstkami naładowanymi α, e ±. Zjonizowanie 1 atomu gazu w powietrzu wymaga średnio 32 ev E prom Rodzaj promieniowania jądrowe α jądrowe β ± jądrowe γ roentegnowskie X Energia 4 8 MeV 10 kev 1 MeV 100 kev 10 MeV 10 ev 100 kev Stopniowe przekazywanie energii promieniowania α i β na skutek oddziaływań na całej drodze. Kolumna par jonów znacząca ślad jonizującej cząstki. Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 3 / 15
Odziaływanie promieniowania α Cząstka α to jądro 4 2He : masa 4 m N 10 4 m e ładunek + 2 e Stosunkowo niewielka prędkość (v 10 7 m/s c) - duża gęstość jonizacji na krótkim odcinku drogi prowadząca do dużych szkód. Mały zasięg - w powietrzu do 10 cm, ale w tkance 100 µm 0.1 cm. Kartka papieru już zatrzymuje cząstkę α. W tkance cząstka α tworzy 10 3 jonów/1 µm. Komórka ludzka to 10 µm i stąd 10 4 par jonów w komórce - ogromne szkody biologiczne. Przykłady emiterów - rad, radon, polon ( 210 84Po), pluton ( 238 94Pu) 226 88Ra 222 86Rn + 4 2He Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 4 / 15
Odziaływanie promieniowania β Lekkie i szybkie (v c) elektrony/pozytony e ± : mniejsze prawdopodobieństwo oddziaływania z materią niż dla cząstek α mniej par jonów pochodzących z jonizacji mniejsza część energii tracona na swojej drodze Zasięg to 5 500 cm w powietrzu i 5 15 mm w tkance. W przeciętnej komórce powstaje około 500 par jonów na skutek jonizacji przez promieniowanie β. Rekombinacja - cząstki zjonizowane ponownie przyłączają elektrony. Występuje znacznie częściej na śladzie cząstki α niż β. Powrót do stanu sprzed jonizacji następuje o ile substancja nie została uszkodzona w sposób trwały co zwykle zachodzi dla organizmów żywych. Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 5 / 15
Jonizacja pośrednia Jonizacja pośrednia jest powodowane przez fotony promieniowania γ lub neutrony n : fotony oddziałują z powłoką elektronową atomów neutrony oddziałują z jądrem atomowym Gwałtowność oddziaływania - γ lub n traci całą lub znaczną część swojej energii w niewielu oddziaływaniach. Przeciwieństwo - cząstka α lub e ± tracą energię stopniowo poprzez tysiące oddziaływań na swojej drodze. Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 6 / 15
Oddziaływanie promieniowania γ Efekt fotoelektryczny - wysokoenergetyczny foton γ jest pochłaniany przez silnie związany elektron z powłoki elektronowej atomu bliskiej jądra, który następnie uwalnia się z atomu hν = E k + W W to praca wyjścia, a E k to energia kinetyczna swobodnego elektronu. Efekt Comptona - foton γ jest rozpraszany przez słabo związany elektron z wyższych powłok atomowych, który uwalnia się z atomu γ + e e + γ Powstaje szybki elektron swobodny i foton o mniejszej energii, E γ < E γ Tworzenie par e + e - foton γ o energii E γ > 1.02 MeV = 2m ec 2 rozpada się w polu elektrycznym jądra na parę elektron-pozyton γ + A e + e + + A Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 7 / 15
Przenikliwość promieniowania γ Fotony łatwiej przenikają materię niż pozostałe promieniowanie, gdyż prawdopodobieństwo zajścia procesów z ich udziałem jest małe. Jest ono określone przez kolejne potęgi stałej struktury subtelnej α em 1 137 Eksponencjalny spadek natężenia promieniowania z odległością w materiale I(x) = I 0 e λx Stała tłumienia λ zależy od energii γ oraz rodzaju materiału. Pochłanianie fotonów jest najbardziej efektywne w materiałach ciężkich - ołów, żelazo, beton to osłony przed promieniowaniem γ i X. Foton o energii E γ = 1 MeV - niewielkie osłabienie w ciele ludzkim, ale 100 krotne osłabienie po przejściu 5 cm ołowiu. Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 8 / 15
Promieniowanie neutronowe Neutrony przekazują w oddziaływaniu z materią swoją energii kinetycznej. Neutrony oddziaływują z jądrem przenikając przez powłoki elektronowe. Neutrony prędkie E k > 0.5 MeV - oddziałują z jądrami poprzez rozproszenia elastyczne (energia kinetyczna układu n + A jest zachowana). największe starty energii przez oddziaływania z jądrami wodoru - osłony neutronowe to woda, parafina, polietylen (dużo atomów H) w tkance ludzkiej jest dużo H 2 O - silne rozpraszanie neutronów i utrata ich energii na drodze kilku cm. Neutrony powolne E k < 0.5 MeV - powodują reakcje jądrowe. neutrony termiczne - nie mogą tracić energii kinetycznej, gdyż otaczające je jądra mają własną energię drgań, którą oddają neutronom. Wnikają za to do jądra prowadząc do jego rozpadu. Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 9 / 15
Zasięg promieniowania - podsumowanie Promieniowanie Energia Powietrze Woda Ołów α 5 MeV 4 cm 25 µm 10 µm β 100 kev 10 cm 150 µm 10 µm 1 MeV 3 m 4 mm 300 µm γ 100 kev 100 m 15 cm 300 µm 1 MeV 250 m 30 cm 3 cm X 10 kev 3 m 5 mm 15 µm 50 kev 80 m 15 cm 250 µm E max β ; osłabienie strumienia kwantów 10 razy Źródło: Piotr Jaracz, Promieniowanie jonizujące w środowisku, Wydawnictwo UW, Warszawa 2001 Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 10 / 15
Jednostki dozymetryczne Dozymetria - dział fizyki jądrowej zajmujący się badaniem rozkładu promieniowania jonizującego wokół źródła i jego oddziaływania z materią, a także ich związku ze skutkami napromieniowania. Aktywność źródła promieniowania jonizującego - liczba rozpadów w jednostce czasu A = dn = Nλ = N ln 2, 1 Bq = 1 rozpad, 1 Ci = 37 GBq dt T 1/2 s Dawka pochłoniąta promieniowania jonizującego - energia promieniowania przekazana jednostce masy substancji D = Eprom m, 1 Gy (grej) = 1 J kg Moc dawki - dawka pochłonięta w jednostce czasu Ḋ = dd dt, Gy/rok, mgy/h Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 11 / 15
Równoważnik dawki Dawka pochłonięta D nie bierze pod uwagę biologicznej "skuteczności" promieniowania jonizującego. Ta sama energia powoduje różne skutki biologiczne. Na przykład, promieniowanie α powoduje 20 razy silniejszy efekt jonizacyjny niż promieniowanie β o tej samej energii. Równoważnik dawki H - uwzględnia rodzaj promieniowania R H = w R D, 1 Sv (sivert) = w R 1 Gy w R to bezwymiarowy współczynnik jakości promieniowania zmieniający się od 1 dla γ, e ± do 20 dla α, n i cięższych cząstek. Dawka efektywna E - uwzględnia wrażliwość tkanki T na promieniowanie E = w T w R D RT T,R w T to czynnik wrażliwości tkanki na promieniowanie z przedziału (0, 1). Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 12 / 15
Czynniki wagowe w R i w T [ICRP60] Promieniowanie w R Fotony wszystkich energii 1 e ±, miony 1 Neutrony < 10 kev 5 10 kev 100 kev 10 100 kev 2 MeV 20 2 MeV 20 MeV 10 > 20 MeV 5 protony > 2 MeV 5 czastki α, ciężkie jony 20 Tkanka lub narząd w T Gruczoły płciowe (gonady) 0.20 Czerwony szpik kostny 0.12 Jelito grube 0.12 Płuca 0.12 Żołądek 0.12 Pęcherz moczowy 0.05 Gruczoły sutkowe 0.05 Wątroba 0.05 Przełyk 0.05 Tarczyca 0.05 Skóra 0.01 Powierzchnia kości 0.01 Pozostałe tkanki 0.05 CAŁE CIAŁO 1,00 1990 Recommendations of the International Commissions on Radiological Protection, Pergamon Press, Oxford 1991 Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 13 / 15
Podsumowanie Każde promieniowanie oddaje ośrodkowi materii swoją energię powodując określone skutki fizyczne chemiczne biologiczne Głównym efektem fizycznym jest jonizacja atomów i molekuł. Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 14 / 15
Problemy do rozwiązania 1. Jaka jest prędkość w jednostkach prędkości światła c cząstki alfa o energii kinetycznej 4 MeV, a jaka jest prędkość elektronu o tej samej energii? 2. Obliczyć aktywność promieniotwórczą 1 g radu 226 Ra. Obliczyć moc promieniowania alfa w tym rozpadzie przyjmując średnią energię rozpadu równą 5 MeV. 3. Ile wynosi dawka promieniotwórcza 226 Ra pochłonięta przez człowieka o wadze 65 kg w ciągu 1 godziny? Ile wynosi równoważnik tej dawki? Jaka jest dawka efektywna przy naświetleniu skóry, a jaka przy naświetleniu szpiku kostnego? Wykład IV Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Promieniowanie jonizujące 15 / 15