ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ

1. ODDZIAŁYWANIEPROMIENIOWANIA Z MATERIĄ TADEUSZ HILCZER

2. 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

3. Przewodnictwo materii

4. Przewodnictwo materii • materia złożona z atomów, drobin, makromolekuł, itd. w normalnych warunkach w warunkach makroskopowych jest elektrycznie obojętna • składniki materii mogą jednak być zarówno w różnych stanach energii jak i stanach elektrycznych • energia oddziaływania pomiędzy składnikami materii (przekazywana w różnych procesach) powoduje, że materia może znajdować się w różnych stanach skupienia • dostarczona z zewnątrz energia może być w postaci • energii mechanicznej • energii cieplnej • energii pola elektrycznego • energii kwantu promieniowania • energii cząstek korpuskularnych Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

5. Przewodnictwo materii • pochłonięcie przez element materii dV energię dostarczoną z poza układu może spowodować • zmianę energii oddziaływania • zaburzenia struktury elektronowej • … • pochłonięta energia może spowodować, że element dV znajdzie się w wyższym stanie energii • stan wzbudzenia jest stanem nietrwałym • po pewnym czasie wzbudzony element wraca do stanu podstawowego • skutek oderwania lub przyłączenia jednego lub większej liczby elektronów powoduje, że element dV • staje się elektrycznie nie obojętny • jonem dodatni lub ujemnym Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

6. Przewodnictwo materii • Ziemia od początku istnienia znajduje się w polu promieniowania jonizującego pochodzenia kosmicznego • jonizacja i wzbudzenie wywołane przez to pole odgrywają podstawową rolę we wielu procesach zachodzących w przyrodzie • mechanizm wywołanych procesów jest w głównej mierze zależny od • rodzaju i stanu skupienia materii • struktury materii • gęstości materii • … Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

7. Przewodnictwo materii • zjonizowana materia jest przewodnikiem prądu elektrycznego. • To przewodnictwo można obserwować w postaci samoistnej jako • przewodnictwo właściwe ciał stałych • przewodnictwo komórek materii biologicznej • … Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

8. Przewodnictwo materii • przewodnictwo elektryczne gazów badano od początku wieku XIX • pod koniec XIX w. opracowano klasyczną teorię przewodnictwa metali • po odkryciu promieniotwórczości i promieniowania kosmicznego rozpoczęto badania wpływu promieniowania jonizującego na gazy a następnie na ciało stałe • trudne zagadnienie wpływu promieniowania na ciecze badano sporadycznie • głównie przez Ignacego Adamczewskiego Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

9. Ciało stałe • zbiór elementów tworzących sieć krystaliczna • wiązanie homopolarne - wymiana elektronów, głównie walencyjnych, pomiędzy podobnymi atomami • wiązanie kowalencyjne - wymiana dwu elektronów o przeciwnych spinach • wiązanie wysycone, trzeci elektronu nie zwiększa energii • wiązanie heteropolarne (jonowe) – przesuniecie chmury elektronowej w różnych atomach • wiązanie metaliczne - elektrony całkowicie zdelokalizowane • słabe wiązanie Van der Waalsa - pomiędzy indukowanymi momentami elektrycznymi molekuł • słabe wiązanie wodorowe – przeniesienie protonu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

10. Ciało stałe • w stanie równowagi termodynamicznej rozkład energii elektronów opisuje kwantowy rozkład Fermiego-Diraca: F - energia Fermiego, E – energia całkowita elektronu w temperaturze T, f (E,T) - miara prawdopodobieństwa obsadzenia przez elektron stanu o energii E Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

11. Ciało stałe • T 0 • obsadzone są stany energii E < F • stany o energii E > F są puste • T = 0 stan graniczny E = F • układ zdegenerowany - układ opisany rozkładem Fermiego-Diraca Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

12. Ciało stałe • stan cząstki w opisie • klasycznym sześć wielkości • trzy składowe wektora położenia r • trzy składowe wektora pędu p • kwantowym cztery wielkości • trzy zależą od wybranej postaci układu kwantowego, albo • energia E, moduł momentu orbitalnego |M|, rzut tego momentu na wybraną oś Mz • trzy składowe wektora falowego k • składowa spinu sz Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

13. Ciało stałe • zgodnie z zasadą Pauliego każdy zespół parametrów może w danym układzie pojawić się tylko jeden raz • wektor falowy k określa energię poziomuE(k) w którym mogą znajdować się tylko 2 elektrony • w stanie (k,sz) może znajdować się tylko jeden elektron • stan energii • w którym nie ma żadnego elektronu • całkowicie zapełniony • nie dają żadnego przyczynku do przewodnictwa elektrycznego • elektrony mogą przemieszczać się jedynie w stanie nie całkowicie zapełnionym, zajmując miejsca puste Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

14. Model pasmowy • poziomy energii elektronów tworzą grupy, zwane pasmami • pasmo walencyjne V - zbiór normalnie zapełnionych poziomów energetycznych • pasmo wzbronione G (przerwa energetyczna) - zbiór pusty, nie występują dozwolone poziomy energii • pasmo przewodnictwa C - zbiór dozwolonych wyższych poziomów energetycznych • Wartość energii EG pasma wzbronionego decyduje o własnościach elektrycznych • EG = 0 dla przewodników • EG 2 eV dla półprzewodników • EG  dla izolatorów Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

15. Model pasmowy • stan całkowicie zapełniony albo całkowicie pusty nie dale przyczynku do przewodnictwa • elektrony mogą przemieszczać się w stanie niecałkowicie zapełnionym zajmując wolne miejsca Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

16. Stan gazowy • stan gazowy • cząstki poruszają się całkowicie bezładnie w nieograniczonej przestrzeni • oddziaływania pomiędzy cząstkami ograniczają się do momentu bezpośredniego, przypadkowego, kontaktu • najprostszym modelem oddziaływania jest zderzenie sprężyste Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

17. Stan gazowy • pewna liczba cząstek gazu może być elektrycznie nieobojętna • gdy jonów jest na tyle mało, że można zaniedbać oddziaływania elektryczne pomiędzy nimi, można je traktować tak samo jak cząstki elektrycznie obojętne • gdy gaz składa się z jednego rodzaju atomów oraz jonów powstałych z tych atomów, mamy do czynienia z jonami w gazie własnym. Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

18. Stan gazowy • w warunkach równowagi termodynamicznej, gdy na jony w gazie własnym nie działa żadna porządkująca siła, rozkład prędkości elementów w gazie jest rozkładem Maxwella: • dN/N - ułamek liczby elementów o masie m, których prędkość zawarta jest w przedziale (v, v + dv). Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

19. Stan gazowy • liczba zderzeń pomiędzy elementami w gazie w czasie dt : • r - gęstość elementów, s- przekrój czynny na zderzenie • średnia droga swobodna l elementu traktowanego jako kulka o promieniu r: • średnia droga swobodna l jest odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia p, dla stosowanego modelu, nie zależy od temperatury T • obserwowana słaba zależność od T wskazuje na ograniczoną stosowalność modelu Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

20. Stan gazowy • odwrotność średniej drogi swobodnej jest miarą prawdopodobieństwa zderzeń w jednostce objętości gazu • określa efektywny przekrój czynny na zderzenie • podawany również w jednostkach m2/m3 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

21. Jonizacja • jonizacja materii • proces, w wyniku którego neutralny elektrycznie element materii (atom, drobina, makromolekuła,...) otrzymuje (lub traci) ładunek elektryczny nq stając się jonem atomowym lub drobinowym o ładunku nq (n - krotność jonizacji) • realizowana • w wielu procesach (fizycznych, chemicznych, biologicznych,...) • skutek oddziaływania określonego czynnika zewnętrznego, (np. promieniowania jądrowego czy temperatury) • gdy energia jest wystarczająca do jonizacji Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

22. Jonizacja • stan zjonizowania materii jednorodnej określa gęstość jonizacji • całkowity ładunek elektryczny Q wytworzony w objętości V przez N jonów • dla jonów o jednakowym ładunku q rN- gęstość nośników ładunku Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

23. Jonizacja • szybkość jonizacjiwj • szybkość powstania N par jonów o ładunku Q w elemencie objętości V w przedziale czasu t • dla jonów o jednakowym ładunku q wp - szybkość powstawania nośników ładunku Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

24. Wzbudzenie • wzbudzenie materii • proces, w wyniku którego element materii (atom, drobina, makromolekuła, ...) znajdujący się w pewnym stanie energii np. stanie podstawowym, otrzymuje energię i przechodzi do wyższego stanu energii • realizowana • w wielu procesach (fizycznych, chemicznych, biologicznych,...) • skutek oddziaływania określonego czynnika zewnętrznego, (np. promieniowania jądrowego czy temperatury) • gdy energia nie jest wystarczająca do jonizacji Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

25. Wzbudzenie i jonizacja atomu • przejścia elektronowe w atomie mogą odbywać się między skwantowanymi poziomami energii Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

26. Wzbudzenie i jonizacja atomu • atom A w stanie podstawowym o energii E0 będzie • atomem wzbudzonym • pochłonie kwant energiiEn • Atomem zjonizowanym • pochłonie kwant energii większy od energii jonizacji Ej • oderwany elektron unosi nadmiar energii która nie jest skwantowana • istnieje dla niej kontinuum możliwych poziomów energii Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

27. Jonizacja atomu • jonizację atomu A można opisać jako zderzenie • z cząstką B • atomem • jonem • kwantem promieniowania. • wnioski z modelu zderzeniowego są przybliżone • dokładniejszy opis jest skomplikowany ze względu na zachodzące konkurencyjne procesy • wzbudzenie drobin • rekombinacja • … Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

28. Wzbudzenie atomu • elektron o dużej energii es zderza się z atomem A • przekazuje mu skwantowaną część swojej energii • zachodzi zderzenie I-go rodzaju • atom wzbudzony A* przechodzi do stanu podstawowego emitując foton • z zasady równowagi szczegółowej wynika, że przejście do stanu podstawowego jest możliwe wtedy, gdy istnieje proces odwrotny - zderzenie II rodzaju Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

29. Atom wzbudzony • atom w stanie wzbudzonym może zderzać się atomami • przy zderzeniu z atomem tego samego rodzaju zachodzi przekazywaniem energii wzbudzenia. • proces ten może być powtarzany wielokrotnie, w jego wyniku pewna porcja energii może być przemieszczana w gazie na znaczne odległości. • przy zderzeniu z atomem innego rodzaju energia wzbudzenia będzie przekazywana jedynie w przypadku, gdy energia wzbudzenia atomu B jest niewiele różna od energii wzbudzenia atomu A Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

30. Atom zjonizowany • przy zderzeniu atomu z elektronem o dużej energii może powstać jon dodatni • istnieje proces odwrotny - rekombinacja jonu z elektronem (zasada równowagi szczegółowej) • energia zjonizowanego atomu może być też wyemitowana w postaci kwantu energii • hamowanie elektronu w polu jonu Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

31. Wzbudzenie atomu przez elektron • wzbudzenie atomu przez elektron zajdzie, gdy • energia elektronu jest większa od energii • stanu wzbudzonego a przejście powrotne nie jest wzbronione • stanu metastabilnego • gdy pęd elektronu spełnia odpowiednie warunki • prawdopodobieństwo zderzenia elektronu z atomem • centralne - bardzo małe • niecentralne - duże Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

32. Wzbudzenie atomu przez elektron • przy niecentralnym zderzeniu elektronu z atomem • zachowany moment pędu względem środka masy • różnica pędów Dp przed i po zderzeniu musi być równa zmianie całkowitego momentu pędu atomu j - wektor całkowitego momentu pędu, l - wektor orbitalnego momentu pędu, s - wektor spinu • warunek pędowy wzbudzenia atomu przez elektron w zderzeniu niecentralnym Dj 0 Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

33. Wzbudzenie atomu przez elektron stanu wzbudzonego i energie stanu metastabilnego [eV] Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

34. Wzbudzenie atomu przez elektron • elektron es (o masie m, energii Ee, pędzie pe) zderza się z nieruchomym atomem A o masie mA0 • progową energię kinetyczną elektronu można oszacować wykorzystując niezmienniczość masy spoczynkowej • masa materii w stanie wzbudzonym jest równa: • niezmiennik transformacji Lorentza: Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

35. Wzbudzenie atomu przez elektron • parametr Pw • miara prawdopodobieństwa wzbudzenia • stosunek liczby wzbudzonych atomów do liczby padających elektronów Tadeusz Hilczer, Przewodnictwo materii

36. I II III E b E j E a E 0 Wzbudzenie atomu przez elektron (I) -elektron za stanu podstawowego E0 przechodzi do stanu wzbudzonego Ea Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

37. I II III E b E j E a E 0 Wzbudzenie atomu przez elektron (I) -elektron za stanu podstawowego E0 przechodzi do stanu wzbudzonego Ea (II) - elektron ze stanu wzbudzonego Eaprzechodzi do stanu wzbudzonego Eb którego energia jest większa od energii jonizacji Ej Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

38. I II III E b E j E a E 0 Wzbudzenie atomu przez elektron (I) -elektron za stanu podstawowego E0 przechodzi do stanu wzbudzonego Ea (II) - elektron ze stanu wzbudzonego Eaprzechodzi do stanu wzbudzonego Eb którego energia jest większa od energii jonizacji Ej (III) - wzbudzony elektron o energii Eb – Ej opuszcza atom, inny elektron ze stanu Ej przechodzi do stanu podstawowego - powstaje nie wzbudzony jon dodatni Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

39. I II III E b E j E a E 0 Wzbudzenie atomu przez elektron (I) -elektron za stanu podstawowego E0 przechodzi do stanu wzbudzonego Ea (II) - elektron ze stanu wzbudzonego Eaprzechodzi do stanu wzbudzonego Eb którego energia jest większa od energii jonizacji Ej (III) - wzbudzony elektron o energii Eb – Ej opuszcza atom, inny elektron ze stanu Ej przechodzi do stanu podstawowego - powstaje nie wzbudzony jon dodatni • Opisany proces dyslokacji elektronowej zachodzący przy energiach charakterystycznych dla widm • optycznych nazywa się zjawiskiem autojonizacji • rentgenowskich - zjawiskiem Augera Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

40. Wzbudzenie atomu jonami i atomami • atom może zostać wzbudzony przez zderzenie • z jonami • z szybkimi atomami Zależność efektywnego przekroju czynnego na wzbudzenie atomów przez atomy od energii (dla różnych energii wzbudzenia atomów helu) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

41. Wzbudzenie atomu kwantami promieniowania • kwanty promieniowania w gazie o energii • małej - rozproszenie sprężyste • rezonansowej - silne pochłanianie energii w bardzo wąskim przedziale, odpowiadającym energetycznej szerokości linii rezonansowej • progowa energia kinetyczna kwantu E - energia wzbudzenia • z niezmiennika transformacji Lorentza Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

42. Jonizacja atomu elektronami • elektron es ma energię kinetyczną większą od energii jonizacji atomu A • zbliżając się do atomu A wywołuje powstanie indukowanego momentu elektrycznego • rośnie ze wzrostem liczby atomowej atomu A • maleje ze wzrostem prędkości elektronu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

43. Jonizacja atomu elektronami • powstają • jon dodatni A+ • dwa elektrony ea i ew • rozkład energii zależy od kąta zderzenia Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

44. Jonizacja atomu wodoru • energia jonizacji atomu wodoru - suma energii kinetycznej i potencjalnej elektronu na orbicie atomowej v - prędkość elektronu na orbicie • dla orbity o liczbie kwantowej n energia jonizacji po uwzględnieniu skwantowanego momentu pędu • dla cięższych pierwiastków poprawne wartości otrzymuje się dla niektórych atomów wodoropodobnych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

45. Energie jonizacji Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

46. Jonizacja atomu elektronami • w chwili początkowej atom A o masie mA znajduje się w spoczynku a padający elektron o masie me porusza się z prędkością ve0 • maksymalna energia Emax, jaką przy zderzeniu czołowym padający elektron może przekazać elektronowi atomowemu Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

47. Jonizacja atomu elektronami Zależność przekroju czynnego na jonizację od energii elektronów (p = 1,32 hPa, T = 273 K) Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

48. Jonizacja atomu elektronami • dla atomów wzbudzonych przekrój czynny na jonizacje jest kilkakrotnie większy od przekroju czynnego na jonizację atomów w stanie podstawowym Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

49. Jonizacja atomu jonami dodatnimi i szybkimi atomami • jony dodatnie o dostatecznej energii kinetycznej mogą jonizować atomy • opis jest skomplikowany • oddziaływania zależą od parametrów obu oddziałujących cząstek • efektywny przekrój czynny na jonizację atomu przez jon o ładunku q2 i masie m2 q1, m1 ładunek i masa elektronu, Ej -energia jonizacji, E2 - energię jonu dodatniego Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

50. Jonizacja atomu jonami dodatnimi i szybkimi atomami Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)