ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ

1. ODDZIAŁYWANIEPROMIENIOWANIA Z MATERIĄ TADEUSZ HILCZER

2. Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny Wykład monograficzny dla doktorantów w semestrze zimowym roku akad. 2011-2012 Materiały pomocnicze (notatki wykładowcy) – na prawach rękopisu – nie do publikacji

3. Plan wykładu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny Wprowadzenie Podstawowe pojęcia Zderzenie i rozproszenie Przewodnictwo materii Naturalne źródła promieniowania jonizującego Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio Źródła promieniowania jonizującego Pole promieniowania jonizującego Detekcja promieniowania Skutki napromieniowania materii żywej Dozymetria medyczna Ochrona przed promieniowaniem Osłony przed promieniowaniem

4. Wprowadzenie

5. Wprowadzenie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny • oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią: • jest tematem interdyscyplinarnym • interesuje nie tylko fizykę, biologię czy medycynę ale również technikę i wiele innych dziedzin nauki • jest dla ogólnie rozumianej przyrody zarówno pożyteczne jak i szkodliwe • jest przedmiotem zainteresowania również tzw. opinii publicznej

6. Wprowadzenie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny • promieniowanie - specyficzny sposób rozchodzenia się energii który można opisać formalizmem falowym • ograniczymy się do opisu oddziaływania promieniowania jonizującego • promieniowanie jonizujące dzieli się na: • promieniowanie jonizujące bezpośrednio • promieniowanie jonizujące pośrednio

7. Wprowadzenie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny opracowano szereg algorytmów i programów komputerowych przybliżających oddziaływanie promieniowania jonizującego z różnymi rodzajami materii (biologicznej, twardej, itp.) ze względu na stały postęp nauki, algorytmy i programy muszą być stale ulepszane i modyfikowane jest to szczególnie ważne w medycynie, stosującej promieniowanie jonizujące w celach diagnostycznych i terapeutycznych

8. Wprowadzenie PROMIENIOWANIE X W.C.Roentgen Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

9. Wprowadzenie ODKRYCIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI H.Becquerel Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

10. Wprowadzenie BADANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI Maria Skłodowska-Curie Piotr Curie Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

11. Wprowadzenie BADANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI Komora Curie Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

12. Wprowadzenie BADANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI Początek XX wieku Ernest Rutherford Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

13. Wprowadzenie BADANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI Spintaryskop Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

14. Pierwsze pomiary cyfrowe raz W pracowni Rutherforda Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

15. Pierwsze pomiary cyfrowe raz raz W pracowni Rutherforda Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

16. Pierwsze pomiary cyfrowe dwa dwa raz W pracowni Rutherforda Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

17. Pierwsze pomiary cyfrowe trzy trzy W pracowni Rutherforda Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

18. Pierwsze pomiary cyfrowe sto sto raz W pracowni Rutherforda Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

19. Pierwsze pomiary cyfrowe co?? dosyć, więcej nie mogę raz W pracowni Rutherforda Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

20. Pierwsze pomiary cyfrowe raz W pracowni Rutherforda Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

21. Pierwszy „licznik” Geiger, 1919 właściwy detektor impulsy Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

22. Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 elektrometr strunowy- 1 Licznik GM- 1 Licznik GM - 2 kamera filmowa elektrometr strunowy- 2 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

23. Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

24. Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

25. Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 koincydencje Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

26. Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

27. Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 brak koincydencji Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

28. Promieniowanie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny oddziaływanie - przekaz energii pomiędzy dwoma ciałami oddziaływanie, jakiego doznaje materia od czynników zewnętrznych jest rozmaite jednym z czynników zewnętrznych jest promieniowanie promieniowanie - czynniki zewnętrzne, które można opisać procedurami falowymi źródło emitujące dużą liczbę określonych elementów nazywamy źródłem promieniowania promieniowanie jest zbiorem emitowanych elementówtworzących wiązkę rozchodzącą się w pewnym obszarze przestrzeni

29. Promieniowanie Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny Oddziaływanie materii z promieniowaniem dzielimy na pewne grupy, czasem bardziej merytorycznie a czasem tradycyjnie Energia przekazywana w akcie oddziaływania jest dostateczna do wzbudzenia lub jonizacji napotykanych atomów, cząstek, makrocząstek itp. Dzięki istnieniu rejestrowalnego wpływu określonego promieniowania na materię,można budować detektory dla tego promieniowania

30. Promieniowanie jonizujące Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny • Opis oddziaływania promieniowania jonizującego z materią: • jest skomplikowany ze względu na różne możliwości oddziaływania które zależą od cech fizycznych samego promieniowania i materii z którą oddziałuje • wykorzystuje zarówno mechanikę kwantową i klasyczną oraz kwantową teorię zderzeń • w większości przypadków wystarczy uwzględniać tylko oddziaływania kulombowskie

31. Promieniowanie jonizujące Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny • W medycynie dla promieniowania X przyjęła się nazwa promieniowanie jonizujące • fizycznie - jonizacja następuje pod wpływem oddziaływania kulombowskiego • Międzynarodowa Komisja Jednostek Radiologicznych (ICRU-1956) ustaliła podział promieniowania jonizującego na: • promieniowanie jonizujące bezpośrednio • lekkie (elektrony, pozytony, ...) • ciężkie (protony, deuterony, cząstki a, ciężkie jony ...) • promieniowanie jonizujące pośrednio • kwanty promieniowania elektromagnetycznego • ciężkie (neutrony, ...).

32. Promieniowanie jonizujące Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny • oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią • zachodzi w procesach, których prawdopodobieństwo zależy od charakterystycznych cech zarówno cząstek jak i materii • wywołuje zmiany w warstwie elektronowej w procesie jonizacji czy wzbudzenia • wywołuje zmiany podobne do wywołanych przez działanie mechaniczne, cieplne, elektryczne i inne • oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią biologiczną wywołuje skutki: • których złożony mechanizm można opisać w sposób bardzo przybliżony • zwykle widoczne po dłuższym czasie i to na tle skutków innych przyczyn

33. Hipoteza de Broglie’a Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny • Mechanika kwantowa pozwala przypisać: • cząstkom materialnym własności falowe • cząstkom falowym własności materialne • Cząstce o masie spoczynkowej m ≠ 0 i o energii kinetycznej E można przypisać długość fali de Broglie'a l: • kwantowi o masie spoczynkowej m= 0 i o energii hn można przypisać długości fali loraz pęd p: c - prędkość światła, h – stała Plancka

34. Zderzenie • zderzenie - na drodze poruszającej się cząstki znajduje się inna cząstka w ruchu lub w spoczynku i dochodzi do oddziaływania • zderzenie może być: • sprężyste • niesprężyste • zderzenia dwu lub więcej jednakowych lub różnych cząstek stanowią dużą i różnorodną grupę procesów zachodzących zarówno w makro jak i mikroświecie

35. Rozpraszanie • rozpraszanie - jednakowe ciała A tworzące strumień cząstek oddziałują z dużą liczbą ciał B tworzących pewną objętość – tarczę • ogólny opis rozpraszania cząstek jest skomplikowany • w wielu zagadnieniach wystarczy przybliżenie zderzenia sprężystego • przy opisie rozpraszania istotna jest geometria pola sił rozpraszających • opis rozpraszania jest stosunkowo prosty dla sił centralnych (grawitacyjnych, kulombowskich)

36. Budowa materii • budowa materii jest bardzo złożona: • ciała materialne zbudowane są z molekuł • molekuły zbudowane są z atomów • atomy zbudowane są elektronów i jąder atomowych • jądra atomowe zbudowane są nukleonów • nukleony zbudowane kwarków • kwarki i elektrony są (może na razie)podstawowymi cząstkami elementarnymi Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

37. Budowa materii • można mówić o poziomach opisu materii: • molekularnym • atomowym • jądrowym • cząstek elementarnych • każdemu poziomowi odpowiada pewien zakres energii oddziaływania • opisując procesy zachodzące w przyrodzie można ograniczyć się do odpowiedniego poziomu • do opisu klasycznych procesów fizykochemicznych wystarczy poziom atomowy • do opisu zagadnień chemii jądrowej trzeba uwzględnić poziom jądrowy Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

38. Budowa materii • stan skupienia materii - faza fizyczna - ogólny sposób w jaki molekuły danej substancji samorzutnie porządkują się (lub nie) • różne fazy fizyczne kontaktując się z sobą tworzą granice międzyfazowe • występowanie granic międzyfazowych jest dowodem, że substancje występują w różnych fazach fizycznych • tzw. kryterium mieszalności Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

39. Budowa materii • Większość substancji może w zależności od warunków (ciśnienia i temperatury) występować kolejno w wielu fazach • Woda pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym • w temperaturze poniżej 00 C jest kryształem • w temperaturach od 00 do 1000 C jest cieczą • w temperaturze powyżej 1000 C jest gazem • Przemiany substancji z jednego stanu skupienia w inny nazywa się przemianą fazową Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

40. Budowa materii • Otaczającą nas materię tworzą elementy: • bardzo proste - atomy gazów szlachetnych • bardziej złożone - np. molekuły H2 • bardzo złożone - np. molekuła DNA • Do opisu procesów zachodzących w otaczającej nas materiimożna ograniczyć się do poziomu atomowego • Na poziomie atomowym wyróżniamy klasycznie trzy podstawowe stany skupienia elementów materii istniejące w określonej temperaturze i ciśnieniu • stan stały • stan ciekły • stan gazowy Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

41. Budowa materii • faza gazowa • stan skupieniaw którym cząsteczki mogą się swobodnie przemieszczać w całej objętości zajmowanej przez gaz a między cząsteczkami oddziaływania są bardzo słabe oprócz tych wynikających z przypadkowych zderzeń między nimi • objętość zajmowana przez gaz w określonej temperaturze i przy danym ciśnieniu jest stała niezależnie od rodzaju cząsteczek jakie są w gazie i zależy wyłącznie od liczby tych cząsteczek • cząsteczki nie mają żadnego uporządkowania Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

42. Budowa materii • fazy płynne • płyn jest każda substancja która może płynąć • dowolnie zmieniać swój kształt w zależności od naczynia w którym się znajduje oraz być przepompowywana przez rury • płynami są • wszystkie ciecze • gazy • mieszaniny różnych faz fizycznych • piana, emulsja, zawiesina, pasta • podstawową cechą płynów jest ich lepkość • miara oporu wewnętrznego jaki stawia płyn poddawany naprężeniom ścinającym zmuszającym go do przepływu Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

43. Budowa materii • faza ciekła • cząsteczki mają pełną swobodę przemieszczania się w objętości zajmowanej przez ciecz • między cząsteczkami cieczy występują oddziaływania niewystarczające do utworzenia stałych połączeń • słabe oddziaływania między cząsteczkami nie znoszą się nawzajem przy powierzchni cieczy w miejscu kontaktu cieczy z inną fazą lub próżnią • brak znoszenia się tych oddziaływań powoduje zjawisko napięcia powierzchniowego Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

44. Budowa materii • faza stała – faza krystaliczna • molekuły lub atomy nie mają pełnej swobody przemieszczania się w objętości zajmowanej przez kryształ • zajmują ściśle określone miejsca w sieci krystalicznej • mogą jedynie drgać w obrębie zajmowanych przez siebie miejsc • elementy mają przestrzenne uporządkowanie dalekiego zasięgu • charakteryzuje się najwyższą energią oddziaływania • elementy materii tworzą określone struktury krystaliczne Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

45. Budowa materii • kryształ ma symetrię translacyjną która odróżnia go od ciał amorficznych • oddziaływania między cząsteczkami w krysztale: • wiązania wodorowe • słabe oddziaływania elektrostatyczne • wiązania Van der Waalsa • silne oddziaływania elektrostatyczne • występujące w kryształach jonowych Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

46. Budowa materii • w fazie stałej i ciekłej odległości między elementami są rzędu nanometrów • odpowiada to liczbie 1022 - 1023 elementów na 1 cm3 • w fazie gazowej w warunkach normalnych średnie odległości pomiędzy sąsiadami są kilka razy większe • odpowiada to liczbie około 1021 elementów na 1 cm3 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

47. Budowa materii • radialny rozkład gęstości atomów potasu (w zależności od odległości od wybranego atomu) stan stały stan ciekły Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

48. Budowa materii • w fazie stałej atomy znajdują się w określonych położeniach • funkcja rozkładu gęstości jest dyskretna • wynik uporządkowania dalekiego zasięgu • w fazie ciekłej atomy rozłożone są w sposób przypadkowy • funkcja rozkładu jest ciągła • lokalne maksima są przejawem uporządkowania bliskiego zasięgu Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

49. Budowa materii • w fazie stałej • elementy materii nie mogą się przemieszczać ze swoich położeń równowagi (uporządkowania dalekiego zasięgu) • podczas ogrzewania w określonej temperaturze i ciśnieniu zachodzi przemiana fazowa ciało stałe-ciecz • w fazie ciekłej • elementy materii w nie posiadają uporządkowania dalekiego zasięgu • mogą swobodnie poruszać się i obracać • podczas ogrzewania w określonej temperaturze i ciśnieniu zachodzi przemiana fazowa ciecz-gaz Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

50. faza stała faza ciekła faza gazowa T Budowa materii • schemat jednorodnych trzech faz słuszny jedynie dla molekuł prostych • dla materii złożonej z skomplikowanych molekuł mogą istnieć w fazie stałej i ciekłej podstany, które rozgraniczają określone przemiany fazowe Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)