2010

[POMIARY JDROWE]

Pomiary jdrowe 2010

T ABLE OF C ONTENTSEnergia wizania jder atomowych ........................................................................................................................ 2 Oddziaywania czstek alfa z materi ..................................................................................................................... 3 Oddziaywanie promieniowania gamma z materi ................................................................................................. 4 Efekt fotoelektryczny .............................................................................................................................................. 5 Zjawiska atomowe towarzyszce przemianom jdrowym...................................................................................... 6 Charakterystyczne promieniowanie X ................................................................................................................. 6 Zjawisko Augera .................................................................................................................................................. 6 Oddziaywanie elementarne neutronw z materi ................................................................................................ 7 Spowalnianie neutronw ........................................................................................................................................ 7 Neutrony termiczne ................................................................................................................................................ 8 rda neutronw ................................................................................................................................................... 9 Detektory neutronw termicznych ......................................................................................................................... 9 Zasada dziaania licznika scyntylacyjnego ............................................................................................................. 10 Zasada dziaania licznika pprzewodnikowego .................................................................................................... 11 Zasada dziaania licznika jonizacyjnego ................................................................................................................. 11 Oddziaywania czstek beta z materi .................................................................................................................. 12 rozpady.................................................................................................................................................................. 13

Page 1

Pomiary jdrowe 2010E NERGIA WIZANIA JDER ATOMOWYCHEnergi wizania nazywamy energi jak trzeba dostarczyd do jdra, aby umoliwid jego rozszczepienie.

Rys 1.

Wartod energii wizania Ew jder w funkcji liczby masowej A.

Rys 2.

Wartoc energii wizania jder przypadajce na jeden nucleon Ew/A w funkcji liczby masowej A

Energia wizania moze zostad policzona ze wzoru Weizsckera: Wspczynnik(

Rodzaj energii Objtociowa Powierzchniowa Kulombowska Asymetrii Pairingu (dwjkowania)

)

(

)

a0 ap ac aa

Rys 3.

Wartoci energii wizania jder przypadajce na jeden nukleon Ew/A w funkcji liczby masowej A, z uwzgldnieniem poprawe na energi powierzchniow, kulombowsk i asymetrii

Page 2

Pomiary jdrowe 2010O DDZIAYWANIA CZSTEK ALFA Z MATER IW oddziaywaniu czastek alfa z materi mona wyrnid takie zjawiska elementarne, jak: Jonizacja atomw lub czsteczek chemicznych polegajca na odrywaniu elektronw walencyjnych Wzbudzanie atomw polegajce na wybijaniu elektronw z ich orbitali wewntrznych Rozpraszanie niespryste na jdrach powodujce ich wzbudzanie, to znaczy przechodzenie do wyszych kwantowych stanw energii Reakcje jdrowe, najczciej typu (,n), (,p) lub (,d)

Rys 4.

Strumieo czstek alfa w funkcji odlegoci R od ich rda; zasig redni, Re zasig ekstrapolowany, Rm zasig maksymalny

Rys 5.

Wzgldna jonizacja waciwa w zalenoci od odlegoci R od rda czstek alfa o dwch rnych energiach pocztkowych.

Wskutek jonizacji i wzbudzania atomw, a take wzbudzania ich jder, czstki alfa wytracaj stopniowo energi kinetyczn, natomiast ich strumieo nie zmienia si, a do pewnej odlegoci R od rda. Dopiero po przekroczeniu takiego zasigu strumieo czstek zmniejsza si gwatownie do zera, jak na Rys 4. Maksima jonizacji waciwej wystpujcy przy koocu drogi czstek, mona tumaczyd tym, e w miar wytracania prdkoci (energii) czstki wydua si czas jej oddziaywania z napotykanymi po drodze atomami. Tym samym zwiksza si prawdopodobieostwo jonizacji tych atomw. Izotopowe rda czstek alfa wykorzystuje si, midzy innymi, w detektorach (czujnikach) dymu stanowicych podstawowy element systemw przeciwpoarowych. Zasada dziaania takiego detektora polega na tym, e czstki alfa jonizuj cay czas powietrze przepywajce przez komor jonizacyjn. W razie pojawienia si w takiej komorze czsteczek dymu zderzaj si one z jonami azotu i tlenu z rwnoczesn wymian adunku. W rezultacie lekkie jony skadnikw powietrza ulegaj neutralizacji, natomiast nonikami adunku staj si wieloatomowe (mniej ruchliwe) czsteczki dymu. Nastpuje wic spadek (zmniejszenia si) natenia prdu elektrycznego pyncego przez tak komor. Taka zmiana natenia prdu moe ju powodowad uruchomienie dowolnego urzdzenia alarmowego na przykad syreny akustycznej.

Page 3

Pomiary jdrowe 2010O DDZIAYWANIE PROMIEN IOWANIA GAMMA Z MATE RIW oddziaywaniu fotonw gamma i X z materi naley wyrnid: Oddziaywania fotonw z elektronami walencyjnymi (sabo zwizanymi z atomem) Oddziaywania z elektronami silniej zwizanymi na wewntrznych powokach elektronowych Oddziaywania z jdrami atomowymi Oddziaywania z polem elektrycznym jder i elektronw atomowych

Skutkiem tych rnych oddziaywao mog byd nastpujce zjawiska: Rozpraszanie niekoherentne (komptonowskie) fotonw ze zmian ich energii h Rozpraszanie koherentne bez zmiany energii rozpraszanych fotonw Znikanie (absorpcja) fotonw

Rys 6.

Koherentne rozpraszanie fotonu na elektronie silnie zwizanym w atomie. May kt rozproszenia

Rys 7.

Koherentne rozpraszanie fotonu na jdrze. May kt rozproszenia

Rys 8.

Jdrowe rozproszenie rezonansowe fotonu o energii h0 przewyszajcej energi wzbudzenia jdra.

Rys 9.

Fotoreakcja (,n) lub (,p)

Rys 10.

Absorpcja fotoelektryczna fotonu o energii h przewyszajcego energi wizania.

Rys 11.

Niekoherentne (komptonowskie) rozproszenie fotonu na elektronie sabo zwizanym z atomem.

Tworzenie par elektronowo-pozytonowych+

Zjawisko tworzenia (kreacji) par czstek w postaci elektronu (e ) i pozytonu (e ) polega na zamianie energii h fotonu w polu kulombowskim jdra lub elektronu na mas tych czstek, przy spenieniu koniecznego tu warunku energetycznego:

Wizka fotonw gamma przechodzca przez orodek ulega osabieniu wg. prawa osabienia wizki:

Gdzie to wspczynnik osabienia, a x jest gruboci materiau. Na wspczynnik osabienia skadaj si nastpujce liniowe wspczynniki osabienia strumienia fotonw: n0 liczba atomw w jednostkowej objtoci materiau e przekrj czynny na komptonowskie rozproszenie fotonu a przekrj czynny na absorpcj fotoelektryczn przekrj czynny na tworzenie pary elektronowopozytonowej

(

)

Page 4

Pomiary jdrowe 2010W praktyce wykorzystuje si wspczynniki masowe o wymiarze cm /g. Wartod wspczynnikw masowych mona otrzymad, dzielc wartoci odpowiednich wspczynnikw liniowych przez gstod 3 absorbentu wyraon w g/cm . Mamy tu wic oglny zwizek2

Gdzie to cakowity masowy wspczynnik osabienia wizki promieniowania.

masowe wspczynniki odpowiednio rozpraszania, absorpcji fotoelektrycznej i tworzenia par.

Rys 12.

Masowe wspczynniki osabienia promieniowania gamma w glinie (aluminium) w funkcji energii fotonw.

E FEKT FOTOELEKTRYCZNYZjawisko absorpcji fotoelektrycznej polega na tym, e foton o energii h przekazuje ca energi ktremu elektronowi zwizanemu na wewntrznej powoce elektronowej atomu, powodujc wyrzucenie (wybicie) tego elektronu poza atom. W rezultacie foton znika, natomiast wybity z atomu elektron (fotoelektron) unosi pewn energi kinetyczn Ek okrelon wzorem:

Ew to energia wizania elektronu w atomie. Ze wzoru widad, i zjawisko absorpcji fotoelektrycznej na okrelonej powoce elektronowej w danym atomie moze zajd tylko przy spenieniu warunku hokrelonej powoce elektronowej w danym atomie moze zajd tylko przy spenieniu warunku Przekrj czynn a na absorpcj fotoelektryczn na jeden atom jest okrelony w przyblieniu wzorem

(

)

Gdzie 0 jest staym wspczynnikiem proporcjonalnoci.

Page 5

Pomiary jdrowe 2010Z kolei przekrj czynny na to zjawisko na jednostkow mas absorbentu (masowy wspczynnik absorpcji fotoelektrycznej) f otrzymujemy, mnoc przekrj czynny a przez liczb atomw w jednostce masy danego pierwiastka, a zatem:

(

)

Z JAWISKA ATOMOWE TOWARZYSZCE PRZEMIANOM JDROWYMC HARAKTERYSTYCZNEPRO MIENIOWANIE

X

W wyniku zarwno wychwytw K, jak i konwersji wewntrznej, w powokach elektrnowowych atomu pojawiaj si wolne miejsca (dziury) po elektronach wychwyconych przez jdro lub wyrzuconych z atomu. W -8 ten sposb atom ulega wzbudzeniu. redni czas trwania takiego stanu wzbudzonego jest na og rzdu 10 s. W cigu takiego czasu wzbudzony atom powraca do stanu podstawowego, to znaczy stanu rwnowagi o moliwie najmniejszej wartoci energii. Nastpuje to wskutek kolejnych (kaskadowych) przejd elektronw z poziomw wyszych na zwalniane miejsca na poziomach niszych. Takie przegrupowania elektronw wewntrz atomu zachodz dopty, dopki w calym atomie nie ustali si stan rwnowagi zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, to znaczy statystyk Fermiego-Diraca i zakazem Pauliego. Czstotliwod charakterystycznego promieniowania X towarzyszcego takim przejciom elektronowym zale od liczby atomowej Z danego atomu. Zalenod t mona przedstawid w postaci: ( )

gdzie: a wspczynnik liczbowy zaleny od liczb kwantowych charakteryzujcych poziomy energii w atomie, midzy ktrymi nastpuje dane przejcie elektronowe, b wspzynnik okrelany jako staa ekranowania

Rys 13. Energie fotonw charakterystycznego promieniowania X, odpowiadajce liniom emisyjnym K i L w funkcji liczby atomowej Z promieniujcego atomu

Z JAWISKO A U GERAZjawiskiem konkurencyjnym w stosunku do emisji fotonw charakterystycznego promieniowania X, jest emisja elektronw na przykad z poziomu L kosztem energii wzbudzenia danego atomu na poziomie K. Zjawisko to przypomina konwersj wewntrzn, z t jednak rnic, e elektrony konwersji s wyrzucane z atomu kosztem energii wzbudzenia jdra, a elektrony Augera kosztem energii wzbudzenia atomu.

Page 6

Pomiary jdrowe 2010Emisja elektronu Augera z poziomu L moe nastpid tylko wtedy, kiedy speniony jest warunek energetyczny: |( )| | |

gdzie: EK, EL energie wizania elektronw na poziomach K i L w danym atomie Wyrzucenie elektronu Augera z okrelonego poziomu elektronowego w danym atomie pociga za sob emisj caej serii charakterystycznego promieniowania X zwizanej z kolejnymi przeskokami elektronw z poziomw coraz wyszych na poziomy nisze.

O DDZIAYWANIE ELEMENT ARNE NEUTRONW Z MAT ERIWrd oddziaywao neutronw z materi naley wyrnid oddziaywania elektromagnetyczne. Dziki temu mog one oddziaywad z momentami elektronow i jder atomowych o nieskompensowanych magnetycznych momentach nukleonw tworzcych dane jdro. Znacznie wiksze znaczenie praktyczne maj oddziaywania silne neutronw z jdrami atomowymi lub ich poszczeglnymi nukleonami. Skutkiem tych oddziaywao mog byd nastpujce zjawiska: Rozproszenie spryste neutronu na jdrze, czyli reakcja typu (n,n) z zachowaniem sumarycznej energii kinetycznej caego ukadu zoonego z neutronu pierwotnego, jdra tarczy i neutronu wtrnego Rozproszenie niespryste, to znaczy reakcja typu (n,n ) prowadzca do wzbudzenia jdra z natychmiastow reemisj energii wzbudzenia w postaci fotonu gamma; w tym przypadku sumaryczna energia kinetyczna zderzajcych si obiektw (neutronu i jdra) nie jest zachowana, poniewa czd tej energii przeksztaca si w energi h fotonw gamma Reakcje jdrowe z oddziaywaniem bezporednim typu pick-up (n, d) lub knock out (n,p) Reakcje jdrowe na przykad typu (n, ), (n, p), (n, 2n) itp. Zachodzce poprzez jdro zoone Wychwy radiacyjny (n, ) polegajcy na absorpcji neutronu przez jdro i natychmiastowej emisji jednego lub kilku fotonw gamma Reakcje rozszczepienia (n, f) niektrych jder cikich

S POWALNIANIE NEUTRON WMikroskopowy przekrj czynny a na absorpcj neutronw przez okrelone jdro zaley od energii kinetycznej E tych czstek, a tym samym ich prdkoci v. Dla neutronw o energiach duo mniejszych od energii Q danej reakcji egzoenergetycznej (E