Interactia radiatiei cu substanta

Primele experiente de radioactivitate ale lui Rutherford si apoi Villard au avut ca obiect modul de interactiune al radiatiilor nucleare cu material in stare solida si pe baza acestor interactiuni s-a facut o prima clasificare a radiatiilor nucleare. In aceasta clasificare s-au luat in considerare diferitele procese de absorbtie in materie a radiatiilor nucleare.

Comportarea radiatiilor α, care sunt nuclee de He₂⁴ dublu ionizate este tipica pentru o intreaga serie de nuclee incarcate, incepand de la protoni si pana la cele mai grele fragmente de fisiune. Aceste particule, care formeaza o prima categorie cu denumirea generala de ioni, pot avea o sarcina electrica cuprinsa intre e si Ze, unde Z este numarul atomic, iar e sarcina electronului.

Radiatiile β sunt fascicule de electroni; ele formeaza a doua categorie, care se comporta in mod diferit fata de particulele α la interactiunea cu materia.

A treia categorie o formeaza radiatiile γ si X, care sunt de natura electromagnetica si au alt mod de interactiune cu materia.

A patra categorie a radiatiilor nucleare o formeaza neutronii, descoperiti de Chadwick in 1932, care sunt particule neutre din punct de vedere electric si a caror masa este mult mai mare decat masa protonilor. Lipsa sarcinii electrice si masa lor determina o comportare diferita la interactiunea cu materia. In aceasta categorie se pot include datorita lipsei sarcinii electrice si neutrinii.

A cincea categorie o formeaza particulele obtinute fie in radiatia cosmica sau in acceleratoarele de mare putere, ca mezonii sau muonii, particulele V etc, care au o natura tranzitorie si timpi de viata foarte scurti.

1.1 Procesele de interactiune ale radiatiilor cu materia

Interactiunea diverselor particule in miscare cu materia pe care o strabat se produce in moduri diferite, depinzand atat de proprietatile particulei (masa, energie, sarcina electrica etc), cat si de ale mediului cu care interactioneaza.

Cunoasterea proceselor de interactiune ale fiecarei particule cu materia este necesara atat pentru alegerea sistemului de detectie optim pentru un anumit tip de particula, cat si pentru extragerea anumitor informatii asupra acestui proces in functie de tipul de experienta realizat. Aceste procese pot fi grupate in patru prototipuri: pentru particulele α β γ si pentru neutroni. Restul particulelor enumerate interactioneaza cu materia intr-un mod asemanator cu unul din aceste patru procese.

1.1.1 Interactiunea radiatiilor γ si X cu materia

Radiatiile γ si X sunt alcatuite din fotoni, iar intre lungimea de unda si energia radiatiei exista relatia:

(1.1)

unde λ reprezinta lungimea de unda data in unitati X (1 u.X= 10^-11cm), h reprezinta constanta lui Planck, c este viteza luminii in vid si E_γ este energia radiatiei γ data in MeV.

Datorita fenomenelor de interactie cu substanta un fascicul de radiatii γ sau/si X, alcatuit din fotoni se atenueaza din ce in ce mai mult pe masura ce patrunde in substanta. Atenuarea fasciculului de fotoni se datoreaza faptului ca fotonii dispar din fascicul prin doua procese:

procese de imprastiere

procese de absorbtie.

Spre deosebire de alte tipuri de radiatii, procesele de interactie a fotonilor sunt "catastrofice": intr-o singura interactie fotonul, isi poate modifica considerabil energia si/sau directia si aceasta cu o probabilitate uneori relativ mare. Cum insa probabilitatea de interactie in fiecare din procesele caracteristice fotonilor variaza in limite largi, este posibil ca un foton care patrunde in substanta sa nu interactioneze si sa parcurga astfel o distanta oricat de mare fara a suferi interactii.

Fotonii imprastiati pornesc sub diferite unghiuri formand radiatia imprastiata. Energia fotonului imprastiat poate fi egala sau mai mica decat cea a fotonului incident. Se utilizeaza clasificarea imprastierilor in elastice si inelastice, prin analogie cu ciocnirile.

Imprastierea elastica (coerenta) si neelastica (necoerenta) a unui foton poate avea loc cu un electron atomic, cu un nucleon sau datorita campului electric al unui nucleu. Din toate tipurile de imprastiere doua sunt mai importante :

imprastierea elastica (corenta) cu un electron atomic;

imprastierea neelastica cu un electron liber sau cvasiliber, cunoscuta sub numele de imprastiere Compton.

Printr-un proces de absorbtie fotonul dispare complet din fascicul, in sensul ca energia sa este complet consumata in procesul de interactie. Acest proces are loc fie cu un electron atomic -efect fotoelectric- fie cu campul nucleului-generare de perechi-.

Absorbtia radiatiei γ se face dupa legea lui Lambert. Ca si in cazul radiatiei β se poate defini si pentru radiatia γ un coeficient de absorbtie liniar (μ_l) si un coeficient de absorbtie masic (μ_m).

In cazul radiatiei de natura electromagnetica se defineste grosimea de injumatatire a materialului strabatut de radiatii () ca distanta in substanta in care intensitatea fasciculului scade la jumatate sau, altfel spus, ca fiind acea grosime ce absoarbe jumatate din fotonii radiatiei incidente.

1.1.2 Imprastierea coerenta

Fotonul incident poate interactiona cu un electron atomic aducandu-l in oscilatie, cu aceeasi frecventa ca a undei asociate fotonului incident. Electronul oscilant reemite energia primita sub forma unui foton imprastiat, care are aceeasi frecventa si deci aceeasi energie cu ale fotonului incident, dar o alta directie. Deoarece atomul caruia ii apartine electronul cu care fotonul a interactionat nu retine energie, nu are loc excitarea sau ionizarea atomului. Radiatia emisa prin aceasta interactie este coerenta cu cea incidenta, ceea ce inseamna ca prin suprapunerea lor apar efecte de ineterferenta.

Daca electronul este liber sau cvasiliber se arata ca debitul fluentei radiatiei imprastiate nu depinde de frecventa. Aceasta simplificare a fenomenului are o mare importanta teoretica deoarece conduce la stabilirea unei marimi de mare folos in studiul interactiei radiatiilor. Imprastierea coerenta datorata electronilor liberi se mai numeste si imprastiere Thompson. Daca se calculeaza fractiunea energiei imprastiate de catre un electron liber se deduce coeficientul de imprastiere Thompson pentru un electron liber:

(1.2)

care are aceeasi valoare pentru toate energiile fotonilor incidenti. In aceasta expresie e este sarcina electrica elementar, m₀ este masa de repaus a electronului, iar c este viteza luminii in vid.

In realitate, imprastierea coerenta se datoreaza electronilor legati, ceea ce are ca efect faptul ca probabilitatea imprastierii variaza cu frecventa. Aceasta imprastiere este cunoscuta sub numele de imprastiere Rayleigh. In domeniul vizibil al radiatiei electromagnetice, debitul fluentei radiatiilor imprastiate depinde de frecventa dupa legea a patra a frecventei (). In domeniul energiilor fotonilor care ne intereseaza aici, imprastierea coerenta este semnificativa la elementele cu Z mare.

Unghiurile permise radiatiei imprastiate coerente sunt totdeauna mici, deoarece la unghiuri mai mari impulsul transmis atomului ar conduce la excitarea sau ionizarea sa, fapt care nu ar mai corespunde imprastierii coerente. In imprastierea coerenta, intreaga energie a fotonului care se comunica electronului cu care fotonul incident a interactionat, trece integral la fotonul imprastiat.

1.1.3. Efectul fotoelectric

Efectul fotoelectric are loc la intalnirea fotonului incident cu un electron care se afla pe una din orbitele atomului. Prin acest proces de interactie fotonul cedeaza intreaga sa energie hν electronului, care este smuls din atom. Daca E este energia de legatura a electronului in atom, atunci fotonul incident cedeaza energia E pentru smulgerea electronului, iar restul energiei fotonului incident () ramane ca energie cinetica a electronului emergent. Acest proces poate avea loc numai daca . Deoarece energiile de legatura au valori mici, efectul fotoelectric are loc chiar cu fotoni de energii mici. De exemplu, energiile de legatura sunt cuprinse intre 280eV si 88keV pentru plumb. Energia de legatura a electronilor periferici este mai mica decat aceea a electronilor situati pe orbitele interioare. Intr-un atom, electronii de pe orbita K au cea mai mare energie de legatura. Fotonii cu energii mici interactioneaza prin efect fotoelectric numai cu electronii periferici. Pe masura ce energia fotonilor incidenti creste, interactia are loc cu electroni din ce in ce mai legati. Datorita conservarii impulsului, la plecarea fotoelectronului atomul capata un recul, motiv pentru care nu poate avea loc efectul fotoelectric pe un electron liber, deoarece nu s-ar respecta legea conservarii impulsului.

Probabilitatea producerii efectului fotoelectric cu un anumit electron este cu atat mai mare cu cat energia fotonului este mai apropiata de energia de legatura a electronului respectiv. Prin urmare, daca fotonii incidenti au o energie mai mare decat cea a electronulilor K, este mai probabil ca efectul fotoelectric sa aiba loc cu electronii K decat cu electronii L, desi atat pentru orbita K, cat si pentru orbita L, este indeplinita relatia . Pentru energii mai mari decat energia de legatura a orbitei K se poate considera ca efectul fotoelectric are loc numai cu electronii K.

1.1.4 Efectul Compton

Efectul Compton are loc la intalnirea fotonului incident cu un electron liber sau usor legat. In acest proces de interactie, fotonul cedeaza numai o parte din energia sa incat dupa interactie rezulta un foton imprastiat sub un anumit unghi si cu o energie h. Electronul ciocnit, numit si electron de recul sau electron Compton, va avea energia cinetica:

(1.3)

Unghiurile de emergenta ale electronului Compton si fotonului imprastiat satisfac conservarea impulsului.

Electronul Compton preia o fractiune importanta din energia fotonului incident, fractiune cu atat mai mare cu cat energia fotonului incident este mai mare. Aceasta energie depinde insa si de unghiul de recul al electronului Compton, ea fiind maxima cand acest unghi are valoarea π. Mai concret, energia maxima a unui electron Compton este data de relatia:

(1.4)

1.1.5 Generarea de perechi

Formarea perechilor de electroni are loc la interactia dintre un foton cu o energie mai mare de 1.02MeV si campul nucleului. Prin acest fenomen apar doi electroni, unul pozitiv (pozitron) si altul negativ (negatron). Fotonul neavand masa de repaus, este necesar ca o parte din energia fotonului incident sa fie consumata pentru crearea celor doua mase de repaus, energia totala de repaus fiind 2 m₀c² = 1.02MeV, conform principiului echivalentei dintre masa si energie al lui Einstein. Aceasta valoare de 1.02MeV reprezinta pragul procesului de generare al perechilor de electroni. Restul energiei fotonului incident se distribuie ca energie cinetica celor doi electroni formati. Cu aceste considerente legea conservarii energiei se scrie:

(1.5)

unde si reprezinta energia cinetica a pozitronului, respectiv energia cinetica a electronului.

Conform legii conservarii impulsului nucleul trebuie sa aiba recul, deci rezulta ca si nucleul in campul caruia are loc procesul preia o parte din energie, insa aceasta cantitate este foarte mica, putand fi neglijata. In ceea ce priveste energiile si ale celor doi electroni, acestea pot lua valori continue intre 0 si 1.02MeV, deoarece energia fotonului incident se imparte nepreferential intre cei doi electroni.

Prin interactiile descrise mai sus, fotonii radiatiilor electromagnetice penetrante elibereaza un flux de electroni secundari, care devin astfel purtatorii prin care energia radiatiilor electromagnetice primare este absorbita in substanta. Electronii secundari, avand un spectru de energie dependent de spectrul radiatiilor electromagnetice primare si de substanta iradiata, interactioneaza la randul lor cu aceasta, cedand energia prin mai multe mecanisme sau tipuri de interactii. Dintre acestea mentionam:

ciocnirea inelastica cu unul din electronii orbitali ai atomilor substantei, avand ca rezultat excitarea sau ionizarea atomilor

generarea de radiatii electromagnetice de franare, denumite si Bremsstrahlung

imprastierea elastica (coulumbiana) pe nucleele atomilor substantei;

generarea de radiatii electromagnetice prin efect Cerenkov sau prin anihilarea unui electron cu un pozitron

reactia nucleara initiata de electroni, numita si electrodezintegrare nucleara.

Fasciculul de electroni secundari reprezinta o veriga intermediara intre cedarea energiei de catre radiatia electromagnetica primara si absorbtia energiei in substanta iradiata. Din acest punct de vedere, procesele de interactie mentonate mai sus pot fi locale, in care energia cedata este absorbita in substanta in aceea regiune elementara, sau nelocale, in care pana la absorbtia energiei in substanta iradiata intervin si verigi tertiare, cum este cazul radiatiei de franare sau a radiatiei δ.

1.1.6 Interactia neutronilor cu substanta

Interactiunea neutronilor cu materia este diferita fata de cea a particulelor incarcate si a radiatiilor electromagnetice. Interactiunea neutronilor cu electronii atomilor este neglijabila, principalul fenomen de interactiune avand loc cu nucleele atomilor din materie. Reactia neutronului cu un nucleu este

(1.6)

unde reprezinta nucleul compus aflat in stare excitata. Nucleul va ramane in aceasta stare un timp foarte scurt . Energia de excitatie include atat energia cinetica, cat si energia de legatura.

In functie de modul in care este eliminat surplusul de energie, pot avea loc diferite reactii nucleare.

Toate procesele care au loc la interactiunea neutronului cu materia depind de energia fasciculului de neutroni si de caracteristicile materialului absorbant. Neutronii, in functie de energia lor, pot fi clasificati in neutroni reci, lenti, termici, epitermici, rapizi si ultrarapizi.

Procesele de interactiune a neutronilor cu materia sunt urmatoarele:

imprastiere elastica (n,n), cand in urma ciocnirii neutronul cedeaza energie nucleului fara a-l aduce in stare excitata;

imprastiere inelastica (n,γ), (n,2n), (n,n), cand in urma ciocnirii nucleul trece intr-o stare excitata, din care revine la starea normala fie prin emiterea unei radiatii γ (n,γ), fie prin emiterea unui neutron secundar atunci cand energia fasciculului de neutroni incidenti este egala sau mai mare de 10MeV;

reactia de captura (n,γ), cand nucleul bombardat capteaza neutronul si numarul sau de masa creste cu o unitate. Energia de excitatie este eliminata prin emiterea unei cuante γ, avand o energie de cativa MeV. De obicei se intampla la fasciculele de neutroni termici si este numit fenomen de captura prin rezonanta;

emiterea unei particule incarcate (n,p), (n,α),(n,αp), (n,d), (n,t) etc. are loc doar la energii mari ale neutronilor (neutroni rapizi), deoarece particula emisa trebuie sa invinga bariera de potential coulumbian a nucleului. Datorita emiterii unei particule secundare incarcate, care excita si ionizeaza mediul, acest proces este utilizat pentru detectia fasciculelor de neutroni;

fisiunea, care are loc atunci cand un nucleu capteaza un neutron, spargandu-se in doua fragmente de fisiune de mase aproximativ egale. Fenomenul de fisiune este insotit si de emisia a doi sau trei neutroni secundari.