Interaction of Ionizing Radiation

Při průchodu ionizujícího záření hmotou dochází k interakci mezi částicemi nebo fotony záření a strukturami okolních atomů, tedy jádrem a elektronovým obalem. Samotný průběh interakce závisí na charakteru záření, jeho kinetické energii a složení látky ve které interakce probíhá.

Interakce je hodnocena ze dvou pohledů:

z pohledu záření – změny energie, počtu částic a směru procházejícího záření;
z pohledu prostředí – přesuny subatomárních částic a na ně navazující reakce.

Podle interakce rozdělujeme ionizující záření na:

přímo ionizující – elektricky nabité částice – záření α, β^- a β⁺, protony, jaderné fragmenty;
nepřímo ionizující – elektroneutrální záření – RTG, záření γ, neutronové záření.

Podle místa interakce dělíme na:

interagující s jádrem;
interagující s atomovým obalem.

Celkově lze tedy ionizující záření rozdělit do tří skupin:

elektromagnetické (fotonové) záření – RTG a γ záření;
nabité částice – p, α, β;
nenabité částice – neutrony.

Interakce elektromagnetického záření

thumb|right|Pravděpodobnost jednotlivých typů interakce fotonového záření. K interakci dochází v jádru a jeho elektromagnetickém poli nebo v obalu atomu. Interakce obou druhů záření (RTG a γ) jsou si velmi podobné, liší se místem vzniku (RTG z obalu, γ z jádra) a frekvencí.

Celkově rozlišujeme šest typů interakcí fotonového záření s hmotou (viz tabulka). Podrobněji budou rozebrány jen tři nejvýznamnější: fotoelektrický jev, Comptonův rozptyl a tvorba elektron-pozitronových párů.

	absorbce	pružná srážka	nepružná srážka
elektronový obal	fotoelektrický jev	Rayleighův rozptyl	Comptonův rozptyl
atomové jádro	fotojaderná interakce		jaderný rezonanční rozptyl
EMG pole	tvorba elektron-pozitronových párů

Fotoelektrický jev

__Fotoelektrický jev

Comptonův rozptyl

__Comptonův rozptyl

Comptonův rozptyl popisuje srážku fotonu s např. elektronem za následné změny vlnové délky vzniklého fotonu.

Historie

V roce 1905 zavedl Albert Einstein myšlenku korpuskulárně vlnového charakteru částic pro vysvětlení fotoelektrického jevu. Vzhledem k tomu, že podle ní bylo možné foton pokládat zároveň za vlnění i částici, mělo by docházet mezi ním a například elektronem k interakcím, které by svým charakterem odpovídaly pružným srážkám, při niž dochází v rámci izolované soustavy k zachování celkové hybnosti a energie. náhled|Schéma Comptonova experimentu|vlevo

Avšak dle představ klasické fyziky by po srážce fotonu s elektronem měl být elektron rozkmitán frekvencí dopadajícího fotonu a následně vyslat fotony opět se stejnou frekvencí.

Roku 1922 se rozhodl tuto teorii prověřit Arthur Holly Compton. Vytvořil experiment s rozptylem rentgenového záření na volných elektronech. Bylo třeba využít dopadu záření na materiály s velmi slabě vázanými elektrony. Rentgenové záření (λ = 0,07 nm ) dopadalo na uhlíkový terčík. Compton byl schopen zachytit zdvojené spektrální čáry: jedna odpovídala původní vlnové délce (rozptyl na pevně vázaných elektronech), druhá měla vlnovou délku vyšší (rozptyl na volných elektronech). Byla tak experimentálně potvrzena správnost Einsteinovy teorie a Compton roku 1927 získal Nobelovu cenu za fyziku.

Comptonův posun

Existence druhé vlnové délky byla vyjádřena rovnicí pro Comptonův posun:

$\lambda '-\lambda ={\frac {h}{m_{0}c}}(1-\cos \varphi ).$

λ... vlnová délka fotonu před srážkou

λ´ … vlnová délka fotonu po srážce

φ … úhel rozptylu

h/m₀c... Comptonova vlnová délka (pro elektron = 2,4262 · 10-12 m)

Dodatky k teorii

Teoreticky ke Comptonovu jevu dochází při každé srážce fotonu s elektronem, je-li však hmotnost fotonu velmi malá v porovnání s hmotností elektronu, je tento posun minimální. Vzhledem k tomu lze Comptonův jev pozorovat pouze za použití záření s vysokou hmotností fotonů, např. záření rentgenové nebo gama. náhled|vpravo|Demonstrace Comptonova jevu při použití gama záření Sekundární foton se vychyluje v intervalu 0–180° a na odchylce je závislá jeho energie. Pokud dochází ke zpětnému rozptylu (tj. 180° úhel), má foton nejmenší energii. Sekundární foton může být schopen znovu opakovat jev, pokud má dostatečnou energii, nebo zaniká fotoelektrickým jevem.

Využití

Comptonova jevu se využívá v mnoha vědních oborech. Jako příklad můžeme uvést zejména radioterapii (cílené poškozování DNA např. rakovinných buněk), spektroskopii (detekce ionizujícího záření) a astronomii (Comptonova gama observatoř).

Elektron-pozitronové páry

__Elektron-pozitronové páry _NOTOC__ Ke tvorbě elektron-pozitronových párů dochází při interakci vysokoenergetického γ záření s elektronovým obalem atomu. Je to energeticky nejvyšší možnost ze tří interakcí γ záření s obalem.

thumb|Tvorba elektron-pozitronového páru Při energiích fotonů teoreticky nad 1,02 MeV, prakticky však mnohem vyšších, dochází k přeměně fotonu blízko atomového jádra na pozitron a elektron. Přitom je nutné, aby se tak stalo v blízkosti atomového jádra nebo jiné částice, která může převzít část hybnosti fotonu (jelikož hybnost pozitronu a elektronu je nižší). Samovolná přeměna fotonu na elektron a pozitron není možná při jeho pohybu ve vakuu z důvodu zákona zachování hybnosti (součet hybností vzniklého elektronu a pozitronu je menší než hybnost dodaná fotonem). Samotná proměna probíhá v důsledku elektrického pole atomového jádra (čím větší náboj jádro má, tím je větší pravděpodobnost proměny). Kinetická energie vytvořeného elektron-pozitronového páru je rozdělena mezi obě částice náhodně.

Pomocí následující rovnice lze vyjádřit energetickou bilanci daného děje:

$hv=E_{e}+E_{p}+2m_{e}c^{2}$

Z uvedeného vztahu vyplývá, že energie fotonu musí být větší než energie, která představuje součet dvou klidových hmotností elektronu (součet klidové energie elektronu a pozitronu jsou stále stejné).

Vzniklé částice ztrácejí svou energii při interakcích s okolním prostředím, tj. ionizací nebo excitací. Pozitron se však většinou spojuje s elektronem za procesu anihilace a vyzáří tak dvě kvanta elektromagnetického záření o energii 511 keV. Tato kvanta se pohybují opačným směrem.

Interakce nabitých částic

Těžší částice, nesoucí náboj, interagují s hmotou nepružnými nárazy. Tím předávají okolí svou kinetickou energii. Tento děj nazýváme srážkové ztráty energie. Náboj se nemění.

Interakce může proběhnout také formou tzv. radiační ztráty, kdy spolu interagují pouze elektromagnetická pole částic. K tomu dochází často u lehkých částic, elektronů.

Částice záření nemusí předat celou svou energii najednou. Energie se v cílové struktuře projeví jako excitace buď jádra nebo elektronů v obalu. Vždy dochází ke ztrátám energie v podobě tepla. Pokud je předaná energie dostatečně velká, může dojít k odtržení elektronu, který se pak chová jako β^- částice, jeho kinetická energie je rovna energii předané nárazem. Toto takzvané sekundární elektronové záření je někdy označováno jako záření δ.

Těžší částice nesoucí větší náboj interagují častěji, svou energii předají okolí na krátké vzdálenosti a pak zanikají.

Iron

Interakce nenabitých částic

right Neutrony, jako nejvýznamnější zástupci skupiny nenabitých částic, interagují s okolní hmotou jen na základě silných a slabých jaderných sil.

Interakce může probíhat formou pružného a nepružného rozptylu, emisí nabité částice, radiačního (neutronového) záchytu, nebo dojde k rozštěpení jádra.

Pružný rozptyl

Nejpravděpodobnějším typem interakce je pružný rozptyl. Dochází k němu na velmi malých jádrech, která se svou velikostí blíží neutronu, jako například vodík. Energie, předaná neutronem, se celá přemění na kinetickou energii zasažené částice. Atom se neexcituje. Odražený neutron pokračuje dále se zbytkem energie. Tomuto ději se říká moderace neutronové rychlosti. Děj pokračuje dokud se neutron nezpomalí natolik, že může být absorbován jádrem. Moderace se využívá v ²³⁵uranových jaderných reaktorech, kdy atomy vodíku v molekule vody zpomalují rychlé neutrony, vzniklé štěpením.

Iron

Nepružný rozptyl

K nepružnému rozptylu dochází na jádrech těžkých prvků. Neutron, obdobně jako při pružném rozptylu, předá část své kinetické energie a jako zpomalený pokračuje dál. Zasažené jádro se ale excituje, část předané energie je vyzářena v podobě γ fotonu, zbytek se změní v kinetickou energii jádra.

Emise nabité částice

Neutron má tolik energie, že při zásahu jádra vyrazí jeden nebo i několik jaderných elementů. Kinetická energie neutronu je tedy spotřebována na vyražení protonu, α částice nebo deuteronu (jádro deuteria, jeden proton a jeden neutron), zbytek předané energie se změní v kinetickou energii vyražené částice. Tím může dojít ke vzniku nestabilního nuklidu a jeho dalšímu rozpadu.

Radiační záchyt

Neutron je zachycen jádrem, jeho kinetická energie je vyzářena v podobě γ fotonu.

Jaderné štěpení

Při vhodné rychlosti neutronu, v poměru k cílovému atomovému jádru, může dojít k rozštěpení jádra za vzniku štěpných produktů, kterými jsou většinou radioaktivní izotopy. Při štěpení se z jádra uvolní tolik energie, že vzniklé neutrony mají i vyšší energii, než ten, který způsobil štěpení. Obvykle je emitováni foton γ záření. Pokud se uvolní víc než jeden neutron schopný štěpení, dochází k tzv. lavinovému efektu s exponenciálním nárůstem interakcí. Této řetězové štěpné reakce se využívá u jaderných zbraní. V moderované podobě (= ne všechny vzniklé neutrony štěpí další jádra) je základem jaderného reaktoru.