Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Nukleáris képalkotás - detektorok, módszerek és rendszerek 1. hét: Magfizikai alapok Radioaktív sugárzás Sugárzás és anyag kölcsönhatása 2. hét: Sugárzásdetektorok.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Nukleáris képalkotás - detektorok, módszerek és rendszerek 1. hét: Magfizikai alapok Radioaktív sugárzás Sugárzás és anyag kölcsönhatása 2. hét: Sugárzásdetektorok."— Előadás másolata:

1 Nukleáris képalkotás - detektorok, módszerek és rendszerek 1. hét: Magfizikai alapok Radioaktív sugárzás Sugárzás és anyag kölcsönhatása 2. hét: Sugárzásdetektorok Gáztöltésű detektorok Ionizációs kamra Proporcionális számláló GM cső Szcintillációs detektorok Szcintillátorok Fotondetektorok Félvezető detektorok

2 A mikrovilág fizikája kb Kvantáltság (pl. ħν energiakvantum ), kvantumszámok Kizárási elv (fermionokra) Részecske-hullám dualitás Tartózkodási valószínűség: | Ψ | 2 Határozatlansági reláció Δx Δp  ħ (puskagolyó ≈ cm) Δt ΔE  ħ Tömeg-energia ekvivalencia: E = m c 2 (eV,keV,MeV) Megmaradási tételek: energia, impulzus (lendület), impulzusmomentum (perdület), elektromos-töltés, barionszám, leptonszám, izospin, stb.

3 Az energiamegmaradás tétele

4 Az atomok felépítése Rutherford 1911 Rutherfordék észleltek néhány igen nagy szögben eltérülő (visszapattanó) alfa részecskét. Ez csakis akkor lehetséges, ha valahol az atom belsejében létezik egy erősen pozitiv, azaz az alfa részecskékkel azonos, töltésű és egyúttal nehéz, nagy tömegű képződmény. Vagyis az atomnak (egy ilyen) magja kell, hogy legyen.

5 Az atomok felépítése Chadwick 1932

6

7 Az atomok felépítése Alkotórészek: méret tömeg e - elektron (1897, Thompson) < cm keV/c 2 p + proton (1919, Rutherford) cm MeV/c 2 n neutron (1932, Chadwick) cm MeV/c 2 p, n = nukleonok a neutron szabad állapotban instabil ! Radioaktív bomlásban keletkeznek : e + pozitron (1932, Anderson) < cm keV/c 2 ν neutrinó (1919, Rutherford) -- < 0.2 eV/c 2 γ gamma (1900, Villard) ---- Eredetileg nincsenek a magban !

8 Milyen kölcsönhatások (erők) működnek az atomban (és az egész világegyetemben) ? erősség iránya hatótávolság időállandó távolságfüggés Gravitációs 1 (szempilla) vonzó ∞ ? 1/r 2 Gyenge (magerő) (25 km Pb) taszító cm s ?? Elektromágneses (bolygók) v/t ∞ ≥ s 1/r 2 Erős (magerő) (Nap) V/t ~ cm ≥ s e - αr /r 2 e −, e+ : G, EM p+ : G, Gy, EM, E n : G, Gy, EM,E ν : G, Gy γ : G, EM

9 Az atommag felépítése, főbb bomlásmódjai Vonzó magerő: p-n és p-p (igen közelről mindkettő taszító!) Taszító elektromágneses (Coulomb) erő a protonok között

10 Miért létezik atommag ? Energiamérleg megközelítés Tömeghiány = kötési energia = u = 28.3 MeV = 4 x 7.07 MeV Ha energetikailag kedvező (létrejöttével a rendszer összenergiája csökken) és kvantum-kiválasztási szabályok sem tiltják, akkor adott kötött nukleon- kombináció megvalósulhat = m C-12 / 12

11 Elektronhéj – atommag összehasonlítása

12 Atom és atommag energetikai viszonyai (potenciálgödör)

13 Milyen alakúak az atommagok ? Milyen a maganyag eloszlása ? Neutron-halo, -glória P + N alapállapot gerjesztett állapot

14 Mennyire üresek az atomok ? ρ mag = 200 Mt/cm 3 ρ nukleon = 700 Mt/cm 3 Arany atom Nap- rendszer Legkülső elektron Legkülső bolygó

15 Az atommagok azonosítása X vegyjel Z rendszám (protonok) N neutronok száma A =Z+N tömegszám 14 C = „szén-14” egyértelmű Atom tömege Rendszám protonok száma Neutronok száma

16 Izotóp és izobár magok iso = azonos topos = hely bar = súly

17 Az atommagok kötési energiái

18 Atommag-hasadás és fúzió Példák A hasadás lehet spontán folyamat is a fúzió soha !!

19 Radioaktivitás, radioaktív bomlás Természetes radioaktivitás Primordiális: 232 Th 14 Mrd év 238 U 4.5 Mrd év 40 K 1.2 Mrd év 235 U 0.7 Mrd év 222 Rn 4 nap Kozmikus eredetű: 14 C 5700 év 3 H 12 év Stabil magok száma: ~ Becquerel = 1 Bq = = 1 bomlás/sec

20 Milyen P-N kombinációk fordulnak elő ? Neutronok száma Protonok száma izotópok izobárok N = P

21 Milyen bomlási (átalakulási) módok léteznek?

22 α – bomlás ( erős kölcsönhatás) Főleg Z ≥ 82 magokra v α ≈ 0.1 c α = He ++ E+EM kölcsönhatás Z 0 → Z 0 -2 A 0 → A 0 -4 diszkrét energiák Magyarázat (magerő !)? Energetikailag OK, de miért ennyire eltérőek a felezési idők ??

23

24 Az α -részecske alagúteffektusa a mag Coulomb-potenciál gátján Gamow 1928 Makroszkopikus alagúteffektus: M=25 g H=20 cm d=1 mm T= év ! Az alagutazási idő rendkívül erősen függ az alagút hosszától és a gát magasságától. Ezért változik a felezési idő annyira az emittált alfa részek energiájától !

25 β - - és β+(pozitron)- bomlás, (héj)elektronbefogás (gyenge kölcsönhatás) β - = e - Z 0 → Z 0 +1 A 0 → A 0 folytonos energiák β+ = e+ Z 0 → Z 0 -1 A 0 → A 0 folytonos energiák V β ≈ 0.9 c

26 A β-stabilitás völgye (izotóp keresztmetszet) Proton többletNeutron többlet

27 A β-stabilitás völgye (izobár keresztmetszet) Magtömeg m Izobár keresztmetszet

28 β- bomlás részletesebb magyarázat

29 A pozitron ( e + ) Dirac („tenger”) 1928Anderson 1932 a pozitron, mint egy negatív energiájú elektron nagyenergiájú kozmikus részecskék által hiánya a Dirac tengerben keltett nyomok ködkamrában

30 Spontán hasadás

31 Egyéb (ritka) radioaktív bomlások A mag kibocsáthat protont, neutront, valamint nehezebb magcsomókat is, pl. C, O, Ne, Mg, Si atommagokat is !!

32 Komplex bomlási sorok (példa)

33 Radioaktív γ- sugárzás (nem magbomlás!) Magbomlások után gerjesztett állapotba került atommagok legerjesztési folyamatában kibocsátott diszkrét energiájú ( MeV) EM fotonok. v γ = c

34 Radioaktív - sugárzás kölcsönhatása az anyaggal Töltött részecskék Gamma sugárzás papírlap fémlemez ólomtégla

35 Radioaktív - sugárzás kölcsönhatása az anyaggal γ -sugárzás töltött részecskék az energia állandó az intenzitás állandó az intenzitás egyre csökken az energia egyre csökken (elnyelődés miatt) (lassulás miatt)

36 γ- sugárzás (EM) kölcsönhatása az anyaggal F otoeffektus: elnyelődés C ompton effektus: szórás P árkeltés: elnyelődés Intenzitáscsökkenés: I(x) = exp(- μ x) μ = μ F + μ C + μ P

37 γ- sugárzás kölcsönhatása az anyaggal Bejövő foton fotoelektron Bejövő foton elektron pozitron Szórt foton Meglökött elektron Szóródott foton FotoeffektusPárkeltés μ T ~Z 2 /E 2 Compton szórás Kötött elektronon μ F ~Z 5 /E 3.5 E ≥ 1.02 MeV μ P ~Z 2 ln(E) Kvázi szabad elektronon μ C ~Z/E elnyelődés szóródás Rayleigh sz. Koherens sz.

38 Compton effektus

39 γ- sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

40

41 Töltött részecskék (EM) kölcsönhatása az anyaggal 5 MeV α sziliciumban szimuláció Mélységi kép (oldalnézet) Előlnézet energialeadás hatótávolság

42 Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal Egyetlen energikus töltött részecske pályája az azt szegélyező, a szilárd testet alkotó atomok ionizációja során kilökött (ún. delta) elektronok fürtjével

43 Az anyagon való áthaladás során egy töltött részecske kölcsönhathat Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal Az atomi elektronokkal ( általában ez a meghatározó) Az atommagokkal

44 Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal A töltött részecskéknek az atomi elektronokkal történő kölcsönhatása tisztán elektrosztatikus (Coulomb) jellegű Ionizáció – a részecske kiüt egy atomi elektront a kötött állapotból Egy ilyen kölcsönhatás lehet: Atomi gerjesztés – egy kötött elektron magasabb energiájú, de szintén kötött állapotba kerül Egy ionizált vagy gerjesztett atom karakterisztikus röntgen sugárzást vagy egy újabb, ún. Auger elektront bocsát ki. Mindkét esetben újabb elektronhiány(ok) áll(nak) elő egy külsőbb elektronhéjon, így a folyamat elölről kezdődik, ill. mindaddig folytatódik, míg szabad (nem kötött) elektronok révén az atom legkülső héján sem marad elektronhiány.

45 Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal dE/dx fajlagos energiaveszteség Töltött részecske impulzusa ~ 1/v 2

46 Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az anyaggal A bombázó elektronok mozgási energiájának és a fékező anyag minőségének hatása a behatoló elektronok pályájára. Az elektron (vagy pozitron) kis tömege miatt egy héj-elektronnal való ütközésben nagyon eltérülhet, ill. sok energiát veszíthet. Pályájuk ezért ennyire zegzugos – ellentétben más, sokkal nehezebb töltött részecskékkel. Al Au

47 Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az anyaggal A bombázó elektronok mozgási energiájának és a fékező anyag minőségének hatása a behatoló elektronok pályájára

48 Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal Fékezési sugárzás Cserenkov sugárzás μ FS ~ E Z 2 (z/m) 2 v > c/n Főleg könnyű részecskékre (elektron) jellemző a szuperszonikus repülők hangrobbanásával analóg

49 Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az anyaggal Az ionizáció és a fékezési sugárzás részesedése elektronok és pozitronok fékezésében

50 Pozitron kölcsönhatása az anyaggal Átlagosan kb s ideig (közben max. néhány mm utat tesz meg) a pozitron úgy viselkedik, mint bármely más töltött részecske. Energiát veszít, lelassul. Azután… annihilálódik egy elektronnal. Az annihiláció (annihilation) latin eredetû szó és megsemmisülést jelent. Annihiláció (vagy szétsugárzás) egy részecske és antirészecskéjének olyan kölcsönhatása (ütközése), amelyben az eredeti részecskék megszûnnek és új részecskék keletkeznek. A zárt rendszer energiája, impulzusa, impulzusmomentuma, elektromos töltése stb. természetesen megmarad

51

52

53


Letölteni ppt "Nukleáris képalkotás - detektorok, módszerek és rendszerek 1. hét: Magfizikai alapok Radioaktív sugárzás Sugárzás és anyag kölcsönhatása 2. hét: Sugárzásdetektorok."

Hasonló előadás


Google Hirdetések