oddziaŁywanie promieniowania z materiĄ

ODDZIAŁYWANIEPROMIENIOWANIA

Z MATERIĄTADEUSZ HILCZER

Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 2

Wykład monograficzny dla doktorantóww semestrze zimowym roku akad. 2011-2012

Materiały pomocnicze (notatki wykładowcy) – na prawach rękopisu – nie do publikacji


Plan wykładu

1. Wprowadzenie2. Podstawowe pojęcia3. Zderzenie i rozproszenie4. Przewodnictwo materii5. Naturalne źródła promieniowania jonizującego6. Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio 7. Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio8. Źródła promieniowania jonizującego9. Pole promieniowania jonizującego10. Detekcja promieniowania11. Skutki napromieniowania materii żywej12. Dozymetria medyczna13. Ochrona przed promieniowaniem14. Osłony przed promieniowaniem

Wprowadzenie


Wprowadzenie

• 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


Wprowadzenie

• 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


Wprowadzenie

• 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

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 8

Wprowadzenie

W.C.Roentgen

PROMIENIOWANIE X


Wprowadzenie

ODKRYCIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI

H.Becquerel


Wprowadzenie

BADANIEPROMIENIOTWÓRCZOŚCI

Maria Skłodowska-CuriePiotr Curie

Początek XX wieku


Wprowadzenie


Komora Curie Początek XX wieku


Wprowadzenie


Ernest Rutherford Początek XX wieku


Wprowadzenie

Spintaryskop


Początek XX wieku


Pierwsze pomiary cyfrowe

raz

W pracowni RutherfordaPoczątek XX

wieku



raz

raz


wieku



razdwa

dwa


wieku



trzy

trzy


wieku



razsto

sto


wieku



raz

dosyć, więcej nie mogę

co??


wieku



raz


wieku


Pierwszy „licznik”Geiger, 1919właściwy

detektor

impulsy


Pierwszy układ koincydencyjnyW.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928

Licznik GM - 1

Licznik GM - 2

elektrometr strunowy - 1

elektrometr strunowy - 2

kamera filmowa


Pierwszy układ koincydencyjny

koincydencje

W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928


Pierwszy układ koincydencyjny

brak koincydencji

W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928


Promieniowanie

• 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 elementów tworzących wiązkę rozchodzącą się w pewnym obszarze przestrzeni


Promieniowanie

• 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


Promieniowanie jonizujące

• 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



• 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, ...).



• 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


Hipoteza de Broglie’a

• 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 l oraz pęd p:

c - prędkość światła, h – stała Plancka

nl

hc

l2p

mEh

ph

2l

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

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)

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 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


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


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


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


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 materii można 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


Budowa materii

• faza gazowa– stan skupienia w 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


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


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


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


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


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


Budowa materii

• radialny rozkład gęstości atomów potasu (w zależności od odległości od wybranego atomu)

f(N) [jedn.umowne]

8

16

24

0 0,03

0,02

0,01

0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 [nm]

340 K

670 K

300 K stan stały

stan ciekły


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


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


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

faza stała faza ciekła faza gazowa

T


Budowa materii

• istnieją substancje, w których pomiędzy– stanem stałym – kryształami molekularnymi– a stanem ciekłym - cieczą izotropową

kryształ molekularny

ciecz jednorodna


Budowa materii

• istnieją substancje, w których pomiędzy– stanem stałym – kryształami molekularnymi– a stanem ciekłym - cieczą izotropową– występuje faza pośrednia - mezofaza (ezo –

pośredni)

• mezofaza ma zarówno pewne cechy fazy stałej i fazy ciekłej


ciecz jednorodna

mezofaza


Budowa materii

• istnieją substancje, w których pomiędzy– stanem stałym – kryształami molekularnymi– a stanem ciekłym - cieczą izotropową– występuje faza pośrednia – kryształ plastyczny

• kryształ plastyczny ma zarówno pewne cechy fazy stałej i fazy ciekłej


ciecz jednorodna

mezofazakryształ plastyczny

oddziaŁywanie promieniowania z materiĄ

Documents