YÜKLÜ PARÇACIKLARIN MADDE İLE ETKİLEŞİMİ

1. YÜKLÜ PARÇACIKLARIN MADDE İLE ETKİLEŞİMİ Dr. Dilek KÖSEHAN

2. Fotonların Madde ile Etkileşimi • Madde içinden geçerken atom ile etkileşirler. • Etkileşim tipi fotonun enerjisi ve maddeyi oluşturan elementlerin kütle numaralarına bağlıdır.

3. 50-550 keV ve düşük atom numaralı elementler arasında= Compton saçılması • Yüksek atom numaralı elementler ile=fotoelektrik olay • Çok yüksek enerjili fotonlar (>1020keV) ile= çift oluşumu

4. Radyasyonun madde ile etkileşmesi bilgileri; radyasyonun dedeksiyonu, nükleer dedektörlerin geliştirilmesi ve dizaynı, radyasyondan korunma ilkelerinin belirlenmesi, yaşayan organizmalarda radyasyonun biyolojik etkilerinin incelenmesi gibi alanlarda kullanılmasına temel oluşturur.

5. Etkileşme mekanizması parçacığın çeşidine ve enerjisine bağlı olduğu gibi girdiği ortamın atomunun proton sayısına ve yoğunluğuna bağlı olarak değişir. Bu nedenle, yüklü ve yüksüz parçacıkların etkileşmesini ayrı ayrı düşünmemiz gerekir.

6. Yüklü parçacık ile soğurucu atomlar arasında güçlü bir elektrik kuvvet olduğundan yüklü parçacıklar madde tarafından yüksüz parçacıklara göre daha kolay durdurulurlar. • Fotonlar ile karşılaştırıldığında daha kısa bir mesafede daha çok enerji transfer ederler. • Bu nedenle de penetre olmayan radyasyon olarak da adlandırılırlar.

8. Yüklü parçacıkların madde ile etkileşimini incelerken yüklü parçacıkları hafif yüklü parçacıklar (elektron) ve ağır yüklü parçacıklar (proton, alfa) diye iki gruba ayırmak gerekir. • Madde içinden geçerken atomlar ile etkileşime girerler. Etkileşim primer olarak atomun yörüngedeki elektronları iledir, nadiren çekirdek ile etkileşim olur.

9. Ağır yüklü parçacıklar • Ağır yüklü bir parçacık soğurucu bir ortama girer girmez, ortamdaki atomların yörünge elektronların negatif yükü ile kendi pozitif yükleri arasında Coulomb kuvveti ile etkileşir. • Bu etkileşmelerde gelen parçacığın kinetik enerjisi atomun iyonlaşma enerjisinden yeterince büyük ise, enerjisini yolu üzerindeki atomları iyonlaştırmak için maddeye aktarır.

10. Hafif yüklü parçacıklar • Elektron ve pozitronların madde içerisindeki etkileşmeleri hemen hemen aynıdır. • Beta parçacıklarının madde ile etkileşmesi ağır yüklü parçacıklarda olduğu gibi iyonlaşma ve uyarılmanın yanı sıra ortamdaki çekirdeğin elektrik alanından kaynaklanır. • Hafif yüklü parçacıkların hızı, kütleleri daha küçük olduğu için aynı enerjiye sahip ağır yüklü parçacıklara göre daha yüksek olacaktır.

11. Elektronların uyarılması • Gelen ağır yüklü parçacık iyonizasyon enerjisinden daha büyük enerjiye sahip değilse, bu durum gerçekleşir. • Soğurucu maddenin atom veya molekülü gelen parçacığın enerjisinin bir kısmını soğurarak daha yüksek bir enerji seviyesine çıkar. • Soğurucu maddeye bağlı olarak uyarılmış atom ya da molekül sonradan görünür bölgede foton ışını yayınlayarak taban durumuna veya daha düşük enerji seviyesine döner (de-eksitasyon).

13. Elektron yörüngeleri arasındaki bağlanma kuvvetlerini yenecek kadar enerji gerektiği ve elektron yörüngeleri arası bağlanma enerjisi de elementin atomik yapısına bağlı olduğu için yayınlanan bu X-ışınına karakteristik X-ışını adı verilir.

14. Karakteristik X-ışınları Hedef atom üzerine gönderilen elektronların, hedef atomun yörüngesindeki elektronlarla etkileşimi sonrasında, aldıkları enerjiyle üst enerji seviyelerine çıkarlar. Kararsız durumdaki bu enerji seviyeleri geri bozunduğunda dışarıya foton yayınlanır. Enerjileri, seviyeler arasındaki farka eşit olan bu fotonlara karakteristik x-ışınları adı verilir.

15. Yüklü parçacıklar çekirdeklerle de reaksiyon verebilir, bu durum çekirdekten elastik saçılma olarak da bilinir. Fakat, atomun yarıçapı çekirdeğinkinden çok büyük olduğundan, atomun bir elektronu ile reaksiyonu daha olasıdır. Bu durumda büyük kütleli çekirdek, atomda değişiklik meydana getirmeksizin Coulomb itmesi ile ağır yüklü parçacıkların yön değiştirmesine neden olur.

16. Enerjinin çoğu parçacığın yolunun sonunda ortama depolanır. En sonunda, yüklü parçacık elektron yakalar ve durdurma gücü düşer. Bu davranış radyasyonun tıptaki uygulamalarında sıkça kullanılır. • Vücutta, verilen bir uzunlukta, kanser hücresini diğer hücrelere zarar vermeden parçalamak için ağır yüklü parçacıklar kullanılır.

17. Hızları yani enerjileri yüksek olan beta parçacıkları bir çekirdek alanından geçtiği zaman, radyasyon yolu ile bir enerji kaybına uğrar. • Bu enerji Bremsstrahlung ya da frenleme radyasyonu denilen sürekli X ışını spektrumu şeklinde görülür. • Bu radyasyon elektronun ivmelenmesinden ortaya çıkar, çekirdeğin elektriksel çekimi yüzünden izlediği düz yolda sapma meydana getirir.

18. Enerjisi birkaç MeV veya daha düşük ise bu radyasyona enerji kaybı düşük olacaktır. • Bu nedenle, beta parçacıkları enerjilerinin büyük bir kısmını ortamın yörünge elektronları ile çarpışarak ya da saçılma ile kaybedecektir. • Saçılma olursa parçacığın izlediği yörünge zikzaklı olacaktır. • Yani beta parçacıklarının yolları ağır yüklü parçacıkların yolları gibi düz olmayacaktır. Bu nedenle betaların yolları daha uzun olacaktır.

20. İyonlaşma • Yüklü bir parçacık madde içerisinde bir uçtan diğerine geçerken, elektronlar ile çarpışmalar sonucunda kinetik enerjisinin çoğunu kaybeder. Her bir etkileşme ile kaybedilen enerji çok küçük olacaktır. Bu enerji, toplam enerjinin, sadece küçük bir kısmına karşılık geleceğinden, gelen parçacık madde içerisinde bunun gibi pek çok etkileşme yapacaktır. • Bunun anlamı binlerce iyon çifti meydana gelecektir

21. Yeterince fazla enerjisi olan yüklü parçacıklar genellikle dış yörüngelerdeki elektronlardan birine enerjilerinin aktarır ve atomdan bir elektron salınmış olur. • Dış yörüngede oluşan boşluk hızlıca bağlanmamış bir elektron tarafından doldurulur. • Daha nadir olarak iç yörüngedeki elektronlardan biri salınır ise dış yörüngeden bir elektron iç yörüngeye düşer ve karakteristik X-ışını salınır.

22. İyonlaşma sadece yüklü parçacıklar ve madde arasında görülen bir etkileşim değildir. • Fotoelektrik olay Compton saçılması da foton-madde etkileşimlerinden iyonizasyon oluşturan olaylardır.

23. Spesifik İyonizasyon • Radyasyon etkisi ile soğurucu maddeden bir elektron atıldığında geride kalan pozitif yüklü atom ve serbest negatif yüklü elektron iyon çifti olarak adlandırılır. • Bir iyon çifti oluşturmak için gereken enerji her bir soğurucu madde için karakteristiktir. • Örneğin havada ya da suda bir iyon çifti oluşturmak için gereken enerji yaklaşık 33 eV (25-40eV) düzeyindedir.

24. Spesifik iyonizasyon; iyonizan radyasyonların iyonlama kapasitesini tanımlamak için kullanılır. • Birim yol boyunca üretilen iyon çiftlerinin ortalama sayısıdır. • Ağır yüklü parçacıklar hafif yüklü parçacıklardan daha yüksek spesifik iyonizasyona sahiptir.

25. Lineer enerji transferi (LET) • İyonizan radyasyonun içinden geçtiği maddede takip ettiği yolun herbir birim uzunluğunda aktardığı enerji miktarına Linear enerji transferi(LET) adı verilir. • Bu kantite için kullanılan birim, radyasyonun içinden geçtiği maddenin yoğunluk birimindeki her bir mikrona düşen KeV (KeV/mikron) ile ifade edilir ve spesifik iyonizasyon ile ilişkilidir. • LET=SIxW

26. LET, farklı radyasyon tiplerinde farklı biyolojik etkinin oluştuğunu sayısal olarak gösteren fiziksel bir parametredir. • Alfa paritkülleri yüksek LET radyasyon, beta partikülleri ve fotonlar düşük LET radyasyon olarak kategorize edilir.

28. İyonlaşma • Soğurucu ortamın atomundan kopan elektron negatif iyonu, geriye kalan atomda pozitif iyonu meydana getirecektir. İyon çiftleri tekrar bir araya gelme eğilimine sahiptir. Bu durum yüklü parçacığın enerjisinin tamamını kaybedip duruncaya kadar devam eder. Meydana gelen negatif iyon tekrar ikincil bir iyonlaşmaya sebep olabilir, bu elektronlar delta-ışınları olarak bilinir.

30. İyonlaşma • Ağır yüklü parçacıkların atomik elektronlarla çarpışmaları yollarında herhangi bir değişiklik meydana getirmez, yol aşağı yukarı bir doğrudur. Bu sebeple, yüklü parçacıklar, verilen bir soğurucu madde içinde belirli bir menzil ile karakterize edilirler. • Menzil, parçacıkların madde içerisinde duruncaya kadar aldıkları yol olarak tanımlanır.

31. Parçacığın durdurma gücünü biliyor isek ortam içerisindeki beklenen menzilini hesaplayabiliriz. • Ağır yüklü parçacıklar madde içerisinde ilerlerken yavaşlar, enerji kaybındaki miktar onun kinetik enerjisindeki değişikliğe bağlı olarak değişecektir. • Durmasına yakın daha çok enerji kaybederek daha çok iyonizasyon meydana getirecektir.

32. Daha hafif, daha az yüklü (ör. beta parçacıkları) ve/veya daha yüksek enerjiye sahip parçacıkların menzili daha ağır, daha fazla yüklü (ör. alfa partikülleri) ve/veya daha az enerjisi olan parçacıklarınkinden uzundur.

33. Bir elektron soğurucu madde içerisinde ilerlerken her bir atom ile etkileşiminde enerji kaybeder. • Her etkileşim sırasında kaybedilen enerji miktarı %3-4 düzeyinde farklılık gösterebilir. • Bu da toplam menzilde ufak farklılıklara neden olur ve bu duruma menzilde dağılma-saçılma adı verilir. • Daha ağır olan alfa partikülleri daha az olarak etkilenir ve menzilde çok az bir saçılma görülür.

34. Annihilasyon-parçacık yokolması • Bu etkileşim genellikle bir pozitron ve bir elektron arasında gerçekleşir. • Pozitron kinetik enerjisini iyonizasyon ve uyarılma ile kaybettikten sonra serbest ya da gevşek bağlı bir elektron ile birleşir. • Elektron ve pozitronlar eşit kütleye sahip ancak zıt elektrik yüklü parçacıklardır.

35. Annihilasyon-parçacık yokolması • Bu etkileşim patlayıcıdır ve iki parçacığın toplam kütlesi, her biri 511 keV enerjili, zıt yönde hareket eden iki foton şeklinde enerjiye dönüşür. • Bu olay kütle-enerji eşitliğine bir örnektir.

39. Bremsstrahlung-frenleme radyasyonu • Elektron ya da pozitron gibi küçük yüklü parçacıklar madde içinden geçerken çekirdek tarafından muhtemelen çekirdeğin pozitif yüküne bağlı olana saptırılırlar ve bu tip bir etkileşim sonucu sürekli bir X-ışını (Bremsstrahlung-frenleme radyasyonu) yayılımı olur.