Do dr sema b lge ocak gaz n vers tes
Download
1 / 55

Doç.Dr.Sema BİLGE OCAK GAZİ ÜNİVERSİTESİ - PowerPoint PPT Presentation


  • 278 Views
  • Uploaded on

RADYASYON MADDE ETKİLEŞMESİ (YÜKLÜ PARÇACIKLAR). Doç.Dr.Sema BİLGE OCAK GAZİ ÜNİVERSİTESİ. Türk Fizik Derneği VIII. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu. RADYASYON NEDİR?. RADYASYON TÜRLERİ. RADYASYON TÜRLERİ. ALFA PARÇACIKLARI.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Doç.Dr.Sema BİLGE OCAK GAZİ ÜNİVERSİTESİ' - philyra-desma


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
Do dr sema b lge ocak gaz n vers tes

RADYASYON MADDE ETKİLEŞMESİ

(YÜKLÜ PARÇACIKLAR)

Doç.Dr.Sema BİLGE OCAKGAZİ ÜNİVERSİTESİ

Türk Fizik Derneği VIII. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu





Alfa par aciklari
ALFA PARÇACIKLARI

Alfa parçacığı iki proton ve iki nötrondan oluşmuş bir helyum

çekirdeğidir ve pozitif yüklüdür.

Αlfa parçacıklarını çok küçük kalınlıklardaki maddelerle

(örneğin ince bir kağıt tabaka ile) durdurmak mümkündür. Bunun sebebi, diğer radyasyon çeşitlerine göre sahip oldukları nispeten büyük elektrik yükleridir.

.


Beta par aciklari
BETA PARÇACIKLARI

Çekirdekteki enerji fazlalığı çekirdek civarında,

Pozitif yüklü elektronlar ile, negatif yüklü iyonlar ise

işaretiyle sembolize edilirler.


Radyasyon madde içinde etkileşimi ile dedekte

edilir.Nükleer ve parçacık çarpışmalarının,

bozunmaların araştırılması, böyle etkileşme

ürünlerinin ölçülmesi dedektörlere bağlıdır.

Radyasyonun madde içerisinde etkileşmesi önemlidir.

Radyasyonun dedektör maddesi ile etkileşimiyle başlar, bu etkileşimin sonucu sinyale çevrilerek kaydedilir.


Hassasiyet: Bir dedektör her parçacığa karşı

hassas olamaz.

Enerji çözünürlüğü: Dedektör gelen parçacığın

enerjisini ölçecekse bunu ne kadar

hassas ölçeceği ile ilgilidir.

Zaman çözünürlüğü: Sayım hızının büyüklüğü ile ilgidir.

Verim: Dedektörün üzerine çarpan 100 gamadan

kaçı dedekte edilebileceği ile ilgilidir.


RADYASYON MADDE ETKİLEŞMESİ

Herhangi bir nedenden dolayı atomdan bir elektron kopartılması veya atoma bir elektron bağlanması sonucunda atomun yük dengesi bozulur .

Bu olaylara iyonizasyon, iyonizasyon sonucu oluşan atoma iyon denir.

Etkileşme mekanizması parçacığın çeşidine ve enerjisine bağlı olduğu gibi girdiği ortamın atomunun proton sayısına ve

yoğunluğuna bağlı olarak değişir.


Y kl par aciklar
YÜKLÜ PARÇACIKLAR

Yüklü parçacıkların enerjileri, bunların madde tarafından soğurulmasının ölçülmesiyle tayin edilebilir.Genel olarak, yüklü parçacıklar madde içerisinden geçerken enerji kayıbı ve geliş doğrultularından sapmaları gibi iki ana özellikle karakterize edilirler.

hafif yüklü: elektron ve pozitron

ağır yüklü parçacıklar :muon, pion, proton, alfa


A ir y kl par aciklar
AĞIR YÜKLÜ PARÇACIKLAR

Parçacığın kinetik enerjisi atomun iyonlaşma enerjisinden

Yeterince büyük ise, enerjisini yolu üzerindeki atomları

iyonlaştırmak için maddeye aktarır.

Bir elektron ve bir ağır parçacık arasındaki çarpışmada, ağır

Parçacık ihmal edilebilir bir açıyla saptırılır. Böylece parçacık

hemen hemen bir doğru yol boyunca ilerler.


Gelen ağır yüklü parçacık iyonizasyon enerjisinden daha büyük enerjiye sahip değilse, uyarılma durumu gerçekleşir.


Yüklü bir parçacık madde içerisinde bir uçtan daha büyük enerjiye sahip değilse, uyarılma durumu gerçekleşir.

diğer uca geçerken, elektronlar ile çarpışmalar

sonucunda enerjisini adım adım fakat sürekli

kaybeder.Belli bir mesafeyi kat ettikten sonra

enerjisinin tümünü kaybeder; Bu mesafeye

parçacığın menzili denir

Menzil parçacığın türüne , materyalin yapısına ve parçacığın enerjisine bağlıdır.


Bir malzeme içinden geçen yüklü parçacıkların daha büyük enerjiye sahip değilse, uyarılma durumu gerçekleşir.

enerji kaybetme hızına malzemenin durdurma

gücü adı verilir. Durdurma gücü iki bileşenden

oluşur.

a) Elektronik durdurma gücü: yüklü parçacığın malzemedeki atomik elektronlarla etkileşiminden kaynaklanır.

b) Nükleer durdurma gücü, yüklü parçacığın atomun çekirdeği ile etkileşiminden kaynaklanır.



Bethe gücü,ve Bloch formülü

n: Elektron yoğunluğu durdurucu materyalin yoğunluğu

ze: parçacığın elektrik yükü

v=βc: Parçacığın relativistik hızı

m: Elektronun durgun kütle enerjisi

I: İyonizasyon potansiyeli ( atom elektronların ortalama uyarılma enerjisini temsil eder.)

Z:Atom sayısı

A: Atom ağırlığı

:durdurucu materyalin yoğunluğu


Örnek gücü,: Berilyum metalinin 1000 MeV enerjili alfa parçacıkları için

durdurma gücünü Bethe-Bloch formülünü kullanarak belirleyiniz.

Berilyum: ρ: 1.85 g/cm3; Z=4; A=9

Bağıntısı kullanıldığında I=58 eV olarak bulunur.



İyonların madde içerisinde ilerlerken düz bir yol izlediklerini varsayarsak,herhangi bir kinetik enerji için menzil

  • Hızları aynı iki ağır iyondan birinin bilinen menzili kullanılarak diğerinin menzili belirlenebilir.


Pratik menzil hesapları izlediklerini varsayarsak,herhangi bir kinetik enerji için menzil;

Örneğin havada ilerleyen alfalar için ( MeV cinsinden)

Alfaların havadaki bilinen menzilini kullanarak saf bir element için aynı enerjideki alfaların menzili bulunabilir.

Burada , alfa parçacığının atom numarası Z olan elementin içindeki menzilidir..


Örnek izlediklerini varsayarsak,herhangi bir kinetik enerji için menzil: 10 MeV enerjili bir alfa parçacığının havadaki menzili nedir?

Aynı alfa parçacığının Alüminyum içerisindeki menzili nedir?


İyon madde içerisinde ilerledikçe kinetik enerjisi düzgün biçimde azalır. İyonun hızı belli bir değere yaklaştıkça iki durum gözlenir.

  • .1) β->0, enerji kayıp hızı belirgin şekilde artar. 2)İyon yörüngesel elektronlar yakaladıkça, iyonun yük durumu azalmaya başlar ve böylece enerji kayıp hızı aniden düşer.

Durmasına yakın daha çok enerji kaybederek daha çok iyonizasyon meydana getirecektir. Bu Brag eğrisi olarak bilinir. En sonunda , yüklü parçacık elektron yakalar ve durdurma gücü düşer.


Haf f y kl par aciklar
HAFİF YÜKLÜ PARÇACIKLAR düzgün biçimde azalır. İyonun hızı belli bir değere yaklaştıkça iki durum gözlenir.

Elektronlar, diğer elektronlarla çarpışmalarında büyük sapmalara uğrarlar ve düzensiz yörüngeler çizerler.Böylece, menzil (madde içinde gidebilen doğrusal uzaklık) elektronların takip ettikleri yol uzunluğundan çok farklı olacaktır.


Elektronun bir diğer elektronla çarpışmasında ilk enerjisinin büyük bir kısmı diğer elektrona aktarılabilir

Hızları yani enerjileri yüksek olan beta parçacıkları bir çekirdek alanından geçtiği zaman, radyasyon yolu ile bir enerji kaybına uğrar. Bu enerji Bremsstrahlung yada frenleme radyasyonu denilen sürekli X ışını spektrumu şeklinde görülür.


Elektronlar için, birim uzunluk başına kaybedilen enerji ifadesi

de bethe tarafından elde edilmiştir. Çarpışmadan gelen enerji

kaybı;

Radyasyondan ileri gelen enerji kaybı;


Elektronun madde içerisindeki enerji kaybı; ifadesi

Radyasyon terimi sadece yüksek enerjilerde ve ağır materyallerde önem kazanmaktadır. Elektronların veya pozitronların betaların enerjisi artırılırsa, radyasyona enerji kaybı aniden yükselecektir. Bu şekilde parçacığın enerji kaybı çarpışma-iyonizasyon enerji kaybından büyük veya yakın olacaktır.


Enerji kaybı dağılımı, ifadesi Landau dağılımı ile temsil

edilir ve yaklaşık ifadesi

, en muhtemel enerji kaybından olan sapmadır.

burada

:Bethe-Bloch formülündeki ortalama enerji kaybı

:en muhtemel enerji kaybı

:gerçek enerji kaybı



Gama nlar n n madde ile etkile mesi
Gama ışınlarının madde ile etkileşmesi ifadesi

Gama ışınları, elektromanyetik spektrumdaki en kısa dalga boylu

ve en fazla enerjili elektromanyetik radyasyonlardır.

  • Yüksek enerjili bir parçacığın bir başka parçacık ile çarpışması,

  • Bir parçacık ve onun karşıt parçacığının birbirlerini yok etmesi,

  • Radyoaktik bozunma,

  • İvmelendirilmiş yüklü parçacıklar


Radyoaktif Çekirdek ifadesi

Parçacık-parçacık çarpışması

Madde- Anti Madde Çarpışması


Maddenin küçük bir ifadesi dx kalınlığında absorblanandI ışın şiddeti, bu kalınlığa giren I şiddeti ile

orantılıdır.

μ: gama ısınlarının enerjisine ve maddenin cinsine bağlı olan lineer soğurma katsayısıdır.

I: x kalınlığını geçen gama ışınlarının şiddeti,

başlangıçta gelen gama ışınının şiddeti


So urma katsay lar
Soğurma Katsayıları ifadesi

Dört çeşit soğurma katsayısı bulunur.

  • Lineer soğurma katsayısı olan μ birim kalınlık başına soğurulmayı verir ve

  • Birim kütle başına soğurulmayı veren ifade kütle

    soğurma katsayısıdır. Lineer soğurma katsayısının soğurucu

    maddenin yoğunluğuna oranı kütle soğurma katsayısını verir.

  • Mol başına düşen soğurma molarsoğurma katsayısını vermektedir . A atomik ağırlık gr/mol



Fotonlar madde içerisinde ilerlerken uzun menzilli etkileşmezler

ve sadece lokal veya kesikli etkileşimler geçirirler..

Coulomb veya nükleer kuvvete maruz kalmazlar.

Dolayısıyla, bir foton demeti herhangi bir malzeme içerisinde

ilerlerken, etkileşim geçiren fotonlar malzemeden ayrıldıkça

demetin şiddeti de azalır.

Düşük enerjili fotonlar sadece bir kez etkileşir ve tek bir

birincil elektron oluşturur.

Yüksek enerjili fotonlar ise birkaç kez etkileşebileceğinden

enerjileri tükenene kadar birkaç birincil elektron

oluşturabilecektir.

Yüksek enerjili fotonlar ise madde-antimadde çifti oluşturabilecek ve böylece ikincil elektronlar oluşturacaktır.


  • Demette kalan yani madde içinde etkileşmeye uğramayan fotonların enerjileri sabit kalır ve böylece belli bir malzeme kalınlığı içerisinde bir fotonun etkileşme olasılığı da fotonun enerjisi ne olursa olsun sabit kalır.

    Sonuç olarak;

    Gamma ve x-ışınlarının madde ile etkileşmelerini etkileşme tarzlarına göre;

  • soğurma

  • saçılma

    Gama ve x-ışınlarının soğurulması ve saçılması olaylarında en ağırlıklı olanlar,

  • fotoelektrik olay, (0.01 MeV < E< 0,5 MeV )

  • Çift oluşumu, ( > 1.02 MeV )’

  • inkoherent saçılma(Compton saçılması) (0.1 MeV < E< 10 MeV )

  • koherent saçılmadır.


Fotoelektrik olay
Fotoelektrik olay fotonların enerjileri sabit kalır ve böylece belli bir malzeme kalınlığı içerisinde bir fotonun etkileşme olasılığı da fotonun enerjisi ne olursa olsun sabit kalır

Madde üzerine düşen foton, madde atomunun bağlı elektronların

bir tanesine tüm enerjisini vererek, bu elektronu yörüngesinden

ayırıp serbest hale getirir. Bu olayın gerçekleşmesi için


Bu olayın gerçekleşmesi için; fotonların enerjileri sabit kalır ve böylece belli bir malzeme kalınlığı içerisinde bir fotonun etkileşme olasılığı da fotonun enerjisi ne olursa olsun sabit kalır

Serbest hale geçen elektronun kinetik enerjisi

Gelen fonun enerjisi

Sökülen elektronun bağlanma enerjisi

  • Bu olayda tek bir foton bir serbest elektrona dönüşür.

  • Momentumun korunumu gereği elektronun atoma bağlı olması şarttır.

  • Atomdan kopan elektron malzeme içinde saçılmalara uğradıkça kinetik enerjisini kaybeder.


  • Düşük atom numaralı (Z) elementlerin bağlanma enerjileri de düşük

  • Z arttıkça bağlanma enerjisi de artar ve böylece

    fotoelektrik etki de artar.

  • Fotoelektrik olayı atomun çevresinde tüm yörüngelerde meydana gelebilir.

  • Fotoelektrik olayı, düşük enerjilerde dış, yüksek enerjilerde ise

    iç yörüngelerde meydanagelmektedir.


Gelen bir radyasyonun, bir hedef parçacıkla belli bir biçimde etkileşme olasılığını ifade etmenin en kullanışlı yolu tesir kesiti kavramıdır. Tesir kesiti, bu etkileşmelerin gerçekleşme olasılığının bir ölçüsü olarak tanımlanır. Tesir kesiti;

  • Tesir kesiti , foton enerjisi arttıkça hızla azalır.

  • Tesir kesiti soğurucu malzemenin atom numarasına bağlıdır.


  • Ortaya çıkan enerji, bir dış yörüngedeki elektronu sökmek için kullanılırsa, ışımasız bir geçiş yapar ve fazla enerjisini dışarı atar olaya Auger olayı, sökülen elektrona da Auger elektronu denilir

Auger olayı, elektronları daha gevsek bağlı ve karakteristik fotonların daha kolay soğurulduğu atom numarası düşük olan elementlerde


Nkoherent sa lma
İnkoherent boşluk üst tabakalardan elektron geçişi görülür. Saçılma

inkohorent saçılmada gelen ve saçılan fotonlar arasında enerji farkı vardır. Yani gelen ve saçılan fotonların dalga boyları birbirinden farklıdır. Bu saçılmada fazlar arasında bir bağlantı yoktur. Bu sebeple de saçılan dalgalar arasında bir girişim gözlenemez

  • Compton saçılması,

  • Nükleer saçılma,

  • Raman saçılması.


Compton sa ilmasi
COMPTON SAÇILMASI boşluk üst tabakalardan elektron geçişi görülür.

MeV mertebesindeki enerjilere doğru gidildikçe

Compton saçılması baskın duruma gelir

Fotoelektrik olay K ve L tabakalarındaki elektronlarıyla ilgili

Compton olayı dış tabaka elektronlarıyla ilgili

Elektronun bağlanma enerjisi gelen fotonun enerjisi yanında

ihmal edilecek kadar küçük olduğu durumlarda baskın olarak

gelir.

Compton olayının teorisinde momentum ve enerji korunumu kanunları kullanılarak oluşturulur.

kanunları kullanılarak oluşturulur.


Enerji korunumu boşluk üst tabakalardan elektron geçişi görülür.

Bu olayda saçılan elektronun toplam enerjisi;

Rölativite teorisine göre toplam enerji

şeklindedir.


Bu iki bağıntıdan boşluk üst tabakalardan elektron geçişi görülür.

elde edilir.

Compton formülü


Elektron başına tesir kesiti 1929 yıllında boşluk üst tabakalardan elektron geçişi görülür. VonOskarKlein ve

Y.Nishina tarafından hesaplanmıştır.

=E /(mec2)

re=e2/40mc2 =2,18 fm ;elektronun yarıçapı

Denklemi atomun elektron sayısı (Z) ile çarparsak

Compton saçılmasında enerjinin bir kısmı absorbe olur, bir kısmı da sapar (saçılır),

Sapma tesir kesiti


Absorbe boşluk üst tabakalardan elektron geçişi görülür. tesir kesiti

Raman Saçılması:Fotonun moleküller tarafından soğurulması olayıdır. Bu saçılmada, fotonu soğuran molekül, soğurmadan önce uyarılmış bir durumda değilse, gelen fotondan daha az enerjiye sahip bir foton yayınlar.

Nükleer Saçılma:Bu saçılma inkoherent saçılma olarak da adlandırılabilir. Fotonun atomun çekirdeği ile etkileşmesi sonucu meydana gelmektedir. Bu saçılmanın toplam inkoherent saçılmadaki hissesi oldukça azdır


Koherent sa lma
Koherent boşluk üst tabakalardan elektron geçişi görülür. saçılma

Koherent saçılma, fotonların atomdan, enerjilerinde bir değişiklik olmadan saçılması olarak tarif edilir. Bu saçılmada gelen fotonla saçılan fotonun dalga boyları aynıdır

Rayleigh saçılması: Bu olay, gelen bir foton bağlı bir elektron

üzerine düştüğünde, elektronun atomdan sökülecek kadar enerji

alamadığı hallerde meydana gelir. Bu yüzden düşük foton

enerjilerinde ve yüksek atom numaralı ağır elementlerde daha

çok meydana gelmektedir. Büyük enerjili fotonların hafif

elementlerden saçılmasında Rayleigh saçılması,Compton

saçılması yanında ihmal edilebilir


Elastik Nükleer Saçılma boşluk üst tabakalardan elektron geçişi görülür. : Fotonun, çekirdeğin oluşturduğu

Coulomb alanından saçılmasıdır. Bu olayda çekirdek çevresindeki

durgun Coulomb alanında bir elektron-pozitron çifti oluşur.

Atomun tamamen geri tepmesiyle bu çiftin yok olması enerji

ve faz bakımından, gelen fotonun aynısı olan yeni bir foton

meydana getirir.

Thomson Saçılması: Gelen dalga tarafından çekirdek

salındırılır. Çekirdeğin kütlesi çok büyük olduğundan bu etki çok

küçüktür.

Nükleer Rezonans Saçılma: Bu saçılma olayı, fotonun atom

çekirdeği ile etkileşmesi sonucu meydana gelir.Bu

olayda çekirdek iki nükleer enerji seviyesi arasındaki farka eşit

enerjiye sahip olan bir fotonun soğurulması ile uyarılır.


Ift retimi
Çift Üretimi boşluk üst tabakalardan elektron geçişi görülür.

Çift oluşumu, bir fotonun bir elektron ile bir pozitrona dönüşmesi olayıdır. Elektron ile pozitronun kütleleri ve yükleri eşit fakat yükleri zıt işaretlidir.

Bir elektronun veya pozitronun durgun kütle enerjisi 0.51 MeV. çift oluşumu olayının olabilmesi için foton enerjisinin en az 1.02 MeV olması gerekir


  • Gelen foton, çekirdeğin boşluk üst tabakalardan elektron geçişi görülür. Coulomb alanı ile etkileşir ve enerjisi

    bir elektron ve bir pozitron (madde-anti madde çifti) üretmeye

    harcanır.

  • Coulomb alanı içerisinde enerji ve momentumun korunumu

    gereği, üretilen elektron ve pozitron gelen fotonun ilk doğrultusu

    ile küçük bir açı yaparak ileri doğru hareket ederler.

  • Üretilen parçacık çifti, malzeme içindeki yörünge

    elektronları ve çekirdekler ile etkileşebilir.

  • Tesir kesiti, artan foton enerjisi ile hızla artar

    ve 10 MeV üzerinde doyuma ulaşır.

  • Bu süreç için eşik enerjisi 1.022 MeV’dir.

  • Yüksek enerjili fotonlar için baskındır.


  • Üretilen pozitron bir elektron ile karşılaştığında

  • yokolma reaksiyonu gerçekleşir


ad