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

A mikrovilág fizikája kb. 1900- Kvantáltság (pl. ħν energiakvantum ), kvantumszámok Kizárási elv (fermionokra) Részecske-hullám dualitás Tartózkodási valószínűség: |Ψ|2 Határozatlansági reláció Δx Δp  ħ (puskagolyó ≈ 10-33 cm) Δt ΔE  ħ Tömeg-energia ekvivalencia: E = m c2 (eV,keV,MeV) Megmaradási tételek: energia, impulzus (lendület), impulzusmomentum (perdület), elektromos-töltés, barionszám, leptonszám, izospin, stb.

Az energiamegmaradás tétele

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.

Az atomok felépítése Chadwick 1932

Az atomok felépítése Alkotórészek: méret tömeg e- elektron (1897, Thompson) <10 -16 cm 511.00 keV/c2 p+ proton (1919, Rutherford) 10 -13 cm 938.26 MeV/c2 n neutron (1932, Chadwick) 10 -13 cm 939.55 MeV/c2 p, n = nukleonok a neutron szabad állapotban instabil ! Radioaktív bomlásban keletkeznek : e+ pozitron (1932, Anderson) <10 -16 cm 511.00 keV/c2 ν neutrinó (1919, Rutherford) -- < 0.2 eV/c2 γ gamma (1900, Villard) -- -- Eredetileg nincsenek a magban !

Milyen kölcsönhatások (erők) működnek az atomban (és az egész világegyetemben) ? erősség iránya hatótávolság időállandó távolságfüggés Gravitációs 1 (szempilla) vonzó ∞ ? 1/r2 Gyenge (magerő) 1026 (25 km Pb) taszító 10-16 cm 10-10-103 s ?? Elektromágneses 1036 (bolygók) v/t ∞ ≥10-20 s 1/r2 Erős (magerő) 1039 (Nap) V/t ~ 10-13 cm ≥10-23 s e-αr /r2 e− , e+ : G, EM p+ : G, Gy, EM, E n : G, Gy, EM,E ν : G, Gy γ : G, EM

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

Miért létezik atommag ? Energiamérleg megközelítés Ha energetikailag kedvező (létrejöttével a rendszer összenergiája csökken) és kvantum-kiválasztási szabályok sem tiltják, akkor adott kötött nukleon- kombináció megvalósulhat = mC-12 / 12 Tömeghiány = kötési energia = 0.03035 u = 28.3 MeV = 4 x 7.07 MeV

Elektronhéj – atommag összehasonlítása

Atom és atommag energetikai viszonyai (potenciálgödör)

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

Mennyire üresek az atomok ? Arany atom Nap- rendszer Legkülső elektron bolygó ρmag = 200 Mt/cm3 ρnukleon = 700 Mt/cm3

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

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

Az atommagok kötési energiái

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

Radioaktivitás, radioaktív bomlás Természetes radioaktivitás Primordiális: 232Th 14 Mrd év 238U 4.5 Mrd év 40K 1.2 Mrd év 235U 0.7 Mrd év 222Rn 4 nap Kozmikus eredetű: 14C 5700 év 3H 12 év Stabil magok száma: ~ 210 1 Becquerel = 1 Bq = = 1 bomlás/sec

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

Milyen bomlási (átalakulási) módok léteznek?

α – bomlás (erős kölcsönhatás) α = He++ E+EM kölcsönhatás Z0 → Z0-2 A0 → A0-4 diszkrét energiák Magyarázat (magerő !)? Energetikailag OK, de miért ennyire eltérőek a felezési idők ?? Főleg Z ≥ 82 magokra vα ≈ 0.1 c

Az α-részecske alagúteffektusa a mag Coulomb-potenciál gátján Gamow 1928 Makroszkopikus alagúteffektus: M=25 g H=20 cm d=1 mm T=10115 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 !

β-- és β+(pozitron)- bomlás, (héj)elektronbefogás (gyenge kölcsönhatás) Z0 → Z0+1 A0 → A0 folytonos energiák β+ = e+ Z0 → Z0 -1 A0 → A0 Vβ ≈ 0.9 c

A β-stabilitás völgye (izotóp keresztmetszet) Proton többlet Neutron többlet

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

β- bomlás részletesebb magyarázat

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

Spontán hasadás

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

Komplex bomlási sorok (példa)

Radioaktív γ-sugárzás (nem magbomlás!) Magbomlások után gerjesztett állapotba került atommagok legerjesztési folyamatában kibocsátott diszkrét energiájú (0.01-10 MeV) EM fotonok. v γ = c

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

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)

γ-sugárzás (EM) kölcsönhatása az anyaggal Fotoeffektus: elnyelődés Compton effektus: szórás Párkeltés: elnyelődés Intenzitáscsökkenés: I(x) = exp(- μ x) μ = μF + μC + μP

γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal Bejövő foton fotoelektron elektron pozitron Szórt foton Meglökött elektron Szóródott foton Fotoeffektus Párkeltés μT ~Z2/E2 Compton szórás Kötött elektronon μF ~Z5/E3.5 E ≥ 1.02 MeV μP ~Z2 ln(E) Kvázi szabad elektronon μC ~Z/E elnyelődés szóródás Rayleigh sz. Koherens sz.

Compton effektus

γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

γ-sugárzás kölcsönhatása az anyaggal

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

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

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

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.

Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal dE/dx fajlagos energiaveszteség Töltött részecske impulzusa ~ 1/v2

Elektronok és pozitronok kölcsönhatása az anyaggal Au 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.

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

Töltött részecskék kölcsönhatása az anyaggal Fékezési sugárzás Cserenkov sugárzás μFS ~ E Z2 (z/m)2 v > c/n Főleg könnyű részecskékre (elektron) jellemző a szuperszonikus repülők hangrobbanásával analóg

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

Pozitron kölcsönhatása az anyaggal Átlagosan kb. 10-9 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