Ντόμαρη Ελένη Λάσκαρης Γιώργος Υπεύθυνη καθηγήτρια: Κ α Βλαστού

1. Φασματοσκοπία-α Ντόμαρη Ελένη Λάσκαρης Γιώργος Υπεύθυνη καθηγήτρια: Κα Βλαστού

2. Περίληψη • Σωμάτια-α Θεωρία της εκπομπής α • Φασματοσκοπία α • Πειραματική διάταξη • Πειραματική διαδικασία • Αποτελέσματα μετρήσεων • Συμπεράσματα-εφαρμογές φασματοσκοπίας α • Βιβλιογραφία

3. Τι είναι η φασματοσκοπία-α; • Μέθοδος ανίχνευσης ραδιονουκλιδίων που εκπέμπουν α-ακτινοβολία, πχ : • Ακτινίδες (Θόριο, Ουράνιο, Πλουτώνιο, Αμερίκιο και Κιούριο ) • Πολώνιο-210 • Ράδιο-226 • Παρέχει τη δυνατότητα προσδιορισμού όλων των ισοτόπων των ακτινίδων, εάν το ουράνιο είναι φυσικό, απεμπλουτισμένο ή εμπλουτισμένο • Μερικά από τα ισότοπα που ανιχνεύονται: • Θόριο (Th-232, Th-230, Th-228) • Ουράνιο (U-238, U-236, U-235, U-234) • Πλουτώνιο (Pu-239/240, Pu-238) • Αμερίκιο (Am-241)

4. Από τι αποτελείται η ακτινοβολία που εκπέμπεται από τον πυρήνα;

5. Εμβέλεια σωματίων-α • εμβέλεια = το ολικό μήκος της τροχιάς που πραγματοποιεί το σωμάτιο • Εξάρτηση από την αρχική ταχύτητα του σωματίου • Εμβέλεια στον αέρα: 2-10 cm • Εμβέλεια στα στερεά υλικά: πάρα πολύ μικρή • επιφανειακή πυκνότητα μάζας : d = m/s ή d = ρSl/S = ρl • απώλεια ενέργειας ανά μονάδα μήκους dE/dx (σχέση Bethe – Bloch)

6. Μέθοδοι καθορισμού της φύσης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας χρησιμοποίηση μαγνητικού πεδίου χρησιμοποίηση ηλεκτρικού πεδίου Τα σωμάτια α και β, όσο και οι ακτίνες γ, εκπέμπονται από τον πυρήνα Τα σωμάτια α και β έχουν και φορτίο και μάζα Στον πυρήνα συμβαίνει μεταστοιχείωση Περιορισμός στην αρχή της αφθαρσίας της ύλης που παραδέχεται η Χημεία

7. Διάσπαση-α • 1896: Becqurel(Γάλλος/βραβείο Nobel 1903 ) – ανακάλυψη ορυκτών ουρανίου που εκπέμπουν ακτινοβολία → αμαύρωση των φωτογραφικών πλακών , εκφόρτιση ηλεκτροσκοπίου • ραδιενέργεια → στοιχεία στο τέλος του περιοδικού συστήματος (ραδιενεργά στοιχεία) • 1903 :βραβείο Nobel στο ζεύγος Curie για την ανακάλυψη του Ra • 1911 :βραβείο Nobel Χημείας στη Maria Curie • 1903: ο Rutherford μέτρησε το φορτίο ανά μονάδα μάζας εκτρέποντας α σωμάτια σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία • 1908 : ο Rutherford αναγνώρισε τα σωμάτια-α σαν πυρήνες He

8. Γιατί συμβαίνει η διάσπαση-α ; • αποτέλεσμα της άπωσης Coulomb • σημαντική για τους βαρείς πυρήνες διότι η δύναμη Coulomb αυξάνεται ανάλογα με το μέγεθος του πυρήνα με ρυθμό Ζ2

9. Διάσπαση α

10. Διατήρηση της ενέργειας • ενέργεια του αρχικού συστήματος :mxc2 • τελική ολική ενέργεια: mx’c2 + Tx’ + mαc2 + Tα • από τη διατήρηση της ενέργειας έχουμε : mxc2= mx’c2 + Tx’ + mαc2 + Tα → (mx -mx’- mα) c2= Tx’+ Tα • καθαρή ενέργεια : Q=(mx –mx’-mα) c2 • Αυθόρμητη διάσπαση: Q>0

11. Ενέργεια που απελευθερώνεται από διάφορα εκπεμπόμενα σωματίδια

12. αν και ένας πυρήνας μπορεί να αναγνωρίζεται σαν εκπομπός α δεν είναι αρκετό αυτό για να γίνει α διάσπαση • Αυτή η σταθερά διάσπασης δεν πρέπει να είναι πολύ μικρή αλλιώς η εκπομπή α θα συμβεί πολύ σπάνια πράγμα που σημαίνει πως ίσως μπορεί να μην ανιχνευτεί • Με τις παρούσες τεχνικές αυτό φανερώνει ότι ο χρόνος ημιζωής θα πρέπει να είναι μικρότερος από 1016y • Οι περισσότεροι πυρήνες με Α>190 (και ίσως με 150<Α<190) είναι ενεργειακά ασταθείς ενάντια στην διάσπαση α αλλά μόνο μισοί απ’ αυτούς μπορούν να εκπληρώσουν τις προϋποθέσεις

13. Μια τυπική διάσπαση α απελευθερώνει ενέργεια περίπου ίση με 5 ΜeV • Τα<< mc2 • Τ=P2/2mTα = Q/[1+(mα/ mx’)] Tα = Q[1-(4/Α)],για Α>>4 • το σωμάτιο α φέρει περίπου το 98% της Q-τιμής • Ο πυρήνας Χ’ να φέρει μόνο το 2% • Για μια τυπική Q τιμή των 5 ΜeV, ο ανακρουόμενος πυρήνας έχει μια ενέργεια της τάξης των 100keV

14. Πώς εξηγείται η εκπομπή των σωματίων α από τον πυρήνα; • Υποθέτουμε την ύπαρξη φορτισμένου σωματίου σ’ ένα πηγάδι δυναμικού • Περιοχή (r<α): • Κίνηση στην περιοχή αυτή με Εκιν=Q+Vo • Κλασικά δεν μπορεί να δραπετεύσει από την περιοχή αυτή • Περιοχή α< r<b: • αποτελεί ένα φράγμα δυναμικού • Κλασικά το σωματίδιο α δεν μπορεί να μπει σ’αυτήν την περιοχή από καμία κατεύθυνση • Περιοχή r>b: • κλασικά μία επιτρεπτή περιοχή έξω από το φράγμα.

15. Κβαντομηχανική ερμηνεία • κλασικά→απότομη αντιστροφή της κίνησής του κάθε φορά που προσπαθεί να περάσει το r=α • Κβαντικά → ευκαιρία διαφυγής (φαινόμενο σήραγγας → πυρηνικές διασπάσεις → σχετικώς απίθανη διαδικασία στις χαμηλές ενέργειες ) • Στην περίπτωση του 238U για παράδειγμα, η πιθανότητα διαφυγής είναι τόσο μικρή που το σωματίδιο α πρέπει κατά μέσο όρο να προσπαθήσει περίπου 1038 φορές μέχρι να διαφύγει!!!

16. 1911: Οι Geiger και Nuttall παρατήρησαν ότι τα εκπεμπόμενα σωμάτια α με μεγάλες ενέργειες διάσπασης έχουν μικρούς χρόνους ημιζωής και αντιστρόφως • 232Τh (1.4*1010y, Q=4.08MeV) και 218Τh (1.0*10-7s, Q=9.85MeV). ένας παράγοντας 2 στην ενέργεια έχει ως συνέπεια ένα παράγοντα 1024 στο χρόνο ημιζωής!!! • Θεωρητική εξήγηση των Geiger-Nuttall ένας από τους πρώτους θριάμβους της Κβαντικής Μηχανικής

17. Τι μπορούμε να μάθουμε σχετικά με τα ενεργειακά επίπεδα του πυρήνα μελετώντας την α-διάσπαση; • Διάσπαση του 251Fm(5.3h) στα διάφορα ενεργειακά επίπεδα του 247Cf • Τα επίπεδα του 247Cf είναι επίσης κατειλημμένα από τη β-διάσπαση του 247Es (χρόνος ημιζωής: 4.7min ) → πολύ δύσκολο να το χρησιμοποιήσουμε για να προβλέψουμε τα επίπεδα ενέργειας του 247Cf

18. Ενεργειακό φάσμα σωματιδίων-α της διάσπασης του 251Fm

19. Για να βρούμε τις ενέργειες διάσπασης (οι οποίες είναι οι σχετικές ενέργειες των πυρηνικών καταστάσεων) πρέπει να χρησιμοποιήσουμε τη σχέση Tα = Q[1-(4/Α)]

20. Παρατηρούμενες ακτίνες-γ

21. Ενέργειες και τις εντάσεις που προκύπτουν απ’ τις παρατηρούμενεςακτίνες-γ

22. Η δουλειά του ντετέκτιβ • Πρέπει να λυθεί ένα παλζ συνδυασμών σωματιδίων-α και ακτίνων-γ που να δίνουν τα ενεργειακά επίπεδα του 247Cf • Υποθέτουμε ότι η υψηλότερη ενέργεια της διάσπασης-α καταλαμβάνει τη θεμελιώδη κατάσταση του 247Cf • Σωστή υπόθεση στην περίπτωση των άρτιων-άρτιων πυρήνων, διότι 0+→0+ οι διασπάσεις-α είναι πολύ ισχυρές και χωρίς διαφορές ανάμεσα στις κυματοσυναρτήσεις των αρχικών και τελικών πυρηνικών καταστάσεων • Σε πυρήνα περιττού Α, αρχικές και τελικές θεμελιώδεις καταστάσεις μπορεί να έχουν πολύ διαφορετικούς χαρακτήρες έτσι ώστε η διάσπαση στη θεμελιώδη κατάσταση μπορεί να είναι πολύ ασθενής ή ακόμα και να εξαφανιστεί • Οι διασπάσεις στις υψηλότερες ενεργειακές καταστάσεις του 247Cf είναι πολύπλοκες και απαιτούν χρήση πειραματικών τεχνικών χρονικής σύμπτωσης

24. Ανάλυση των α και γ διασπάσεων και το «τοπίο διάσπασης» που προκύπτει

25. Εφαρμογές φασματοσκοπίας α • Στην ιατρική- έλεγχος δειγμάτων από τον ανθρώπινο οργανισμό (ούρων, περιττωμάτων ) • ανάλυση του ουρανίου, θορίου και πλουτωνίου • στο νερό • στα τρόφιμα • στο χώμα • σε φίλτρα αέρα • δοσιμέτρησης σε περίπτωση εσωτερικής ραδιορύπανσης του προσωπικού σε ερευνητικά κέντρα ή σε περίπτωση ατυχημάτων • Τρία στάδια επεξεργασίας: • Χημική επεξεργασία: Εξάχνωση, αποτέφρωση, ιζηματοποίηση • Απομόνωση του προς ανάλυση ραδιονουκλιδίου από το συνολικό δείγμα: ανιονική-κατιονική χρωματογραφία, εκχύλιση • Παρασκευή δοκιμίου : ηλεκτροχημική εναπόθεση του προς μέτρηση ραδιονουκλιδίου σε ατσάλινο πλακίδιο

26. Πειραματική διάταξη • Φασματόμετρο α (SOLOIST,ORTEC) • Ανιχνευτής πυριτίου • Τροφοδοτικότου φασματόμετρου (NIM) • Περιστροφική αντλία λαδιού(0.01mBar, 75L/min) • Πολυκαναλικός αναλυτής • Ηλεκτρονικός υπολογιστής • Πηγές • Μία απόλυτα βαθμονομημένη (Am-241, U-238, U-235, Po-210) • Αμερικίου • Πολωνίου • Φυσικά δείγματα νερού • Τριπλή πηγή (Αm-241, Pu-239, Cm-244)

28. Πλεονεκτήματα ανιχνευτών ημιαγωγών • γραμμική απόκριση σε μια μεγάλη κλίμακα ενεργειών • μεγαλύτερη διακριτική ικανότητα σε δοσμένο μέγεθος εξαιτίας της μεγάλης πυκνότητας του στερεού σε σχέση με το αέριο • πιθανότητα για ειδική γεωμετρική κατασκευή • γρήγορος παλμός • δυνατότητα να λειτουργεί στο κενό • μη ύπαρξη ευαισθησίας σε μαγνητικά πεδία

29. Ηλεκτρική κατάταξη των στερεών

30. Αγωγιμότητα • στους αγωγούς τα ηλεκτρόνια κινούνται ελευθέρα σε δυναμικό διάφορο του μηδενός • στους μονωτές τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να κινηθούν κάτω υπό οποιαδήποτε δυναμικό • στους ημιαγωγούς στις χαμηλές θερμοκρασίες τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται κάτω από οποιοδήποτε δυναμικό . Όταν η θερμοκρασία των ημιαγωγών αυξάνει τα ηλεκτρόνια κινούνται και το ηλεκτρικό ρεύμα περνάει σε ορισμένη τάση

31. Οι ηλεκτρονικές καταστάσεις στα στερεά • ελεύθερο άτομο ηλεκτρόνια μόνο σε συγκεκριμένες ενεργειακές καταστάσεις • στερεά : ενεργειακές καταστάσεις ενεργειακές ζώνες

32. Σύγκρουση φορτισμένου σωματιδίου μ’ένα ηλεκτρόνιο του ημιαγωγού • οπή έλλειψη ενός ηλεκτρονίου • Συνεισφορά των οπών στην αγωγιμότητα • Η θερμότητα δεν είναι ο μονός τρόπος που η ενέργεια μπορεί να δοθεί σε ένα ηλεκτρόνιο • Όμοια αποτελέσματα : • απορρόφηση των ακτινοβολιών • σύγκρουση με ένα φορτισμένο σωματίδιο

33. Η αγωγιμότητα των ημιαγωγών • j = σΕ • j = e N u • σ = e N • μ = ( u / E ) • Στους ημιαγωγούς και τα ηλεκτρόνια και οι οπές πρέπει να παίρνονται υπό όψη όταν η αγωγιμότητα μετριέται και η έκφραση για την αγωγιμότητα γίνεται • σ=e (Neμe+Npμp) οπού Νe και Νp είναι συγκεντρώσεις των ηλεκτρονίων και των οπών αντίστοιχα

34. Η επαφή P-nΟ σχηματισμός μιας επαφής P-n • Οι ανιχνευτές ημιαγωγών λειτουργούν όπως οι θάλαμοι ιονισμού • Στους μονιστικούς θαλάμους τα φορτία που προκαλούνται από την ακτινοβολία μαζεύονται με την βοήθεια ενός ηλεκτρικού πεδίου από την τάση • Ένας ημιαγωγός n-τύπου έχει περίσσεια σε ηλεκτρόνια • Ένας ημιαγωγός p-τύπου έχει περίσσεια σε οπές

35. Ανάστροφη πόλωση • Εξάρτηση του δυναμικού Voαπό τις συγκεντρώσεις των οπών –ηλεκτρονίων (της τάξης 0.5 V ) • Εάν ένα εξωτερικό δυναμικό Vb ενωθεί με το θετικό πόλο στην περιοχή n-τύπου τότε έχουμε δυναμικό κατά μήκος της περιοχής απογύμνωσης Vo+ Vb ανάστροφη πόλωση . Τέτοιο εξωτερικό δυναμικό τείνει να κάνει την κίνηση των ηλεκτρονίων και των οπών πιο δύσκολη

36. Η επαφή p-n λειτουργεί ως ανιχνευτής • Η λειτουργία ενός ανιχνευτή βασίζεται ουσιαστικά στις ιδιότητες της p-n επαφής με αναστροφή πόλωση

37. Η ενεργεία του ζεύγους ηλεκτρονίου-οπή για δυο διαφορετικές θερμοκρασίες • Παράδειγμα ενός σωματιδίου 5ΜeV που περνάει μέσα από τον ανιχνευτή και δίνει όλη του την ενέργεια • Τα ηλεκτρόνια και οι οπές τράβιουνται μακριά κάτω από την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου με το φορτίο που μαζεύεται να δίνει έναν παλμό που μπορεί να καταγραφεί

38. Τι ιδιότητες πρέπει να έχει ένα υλικό όπως το πυρίτιο για να χρησιμοποιηθεί ως ανιχνευτής • μεγάλη αντίσταση αλλιώς θα υπάρχει ρεύμα που θα καλύπτει τον παλμό από τα φορτισμένα σωματίδια • τα ηλεκτρόνια και οι οπές πρέπει να κινούνται γρήγορα πριν απανενωθούν ή παγιδευτούν ξανά • δυνατότητα να αντέχει ισχυρά ηλεκτρικά ρεύματα όσο πιο δυνατό το πεδίο τόσο πιο καλά και γρήγορα το φορτίο συλλέγεται. Επίσης όσο αυξάνεται η τάση τόσο το W αυξάνει για συγκεκριμένους ανιχνευτές . • τέλειο κρυσταλλικό πλέγμα , όποια ατέλεια λειτουργεί ως παγίδα.

39. Ανιχνευτής επιφανειακού φραγμού

40. Πυρίτιο υψηλής καθαρότητας συνήθως n-τύπου κόβεται στην διεύθυνση (111) . Στην συνεχεία αφήνεται εκτεθειμένο στον αέρα ή σε άλλο οξειδωτικό μέσο για αρκετές μέρες Έτσι δημιουργούνται οπές με μεγάλη πυκνότητα στην επιφάνεια του ανιχνευτή πυριτίου. Αυτό το στρώμα είναι p-τύπου και είναι της τάξης των 0.1 μm .Στην συνέχεια επιμεταλλώνουμε την περιοχή αυτή με χρυσό ώστε να υπάρξει και δεύτερο ηλεκτρόδιο παροχής τάσηςΈτσι μπορούμε να δώσουμε τάση στην επαφή p-n

41. Ο ακριβής μηχανισμός ανίχνευσης των σωματιδίων και ακτινοβολιών • ιονισμός των ηλεκτρονίων των ατόμων του κρυστάλλου πυριτίου ώστε να υπερπηδήσουν το ενεργειακό χάσμα και να μεταβούν στην ζώνη αγωγιμότητας • Εξειδίκευση του μηχανισμού ανάλογα με τα σωματίδια που μας ενδιαφέρουν • Αυτά τα σωματίδια ή οι πυρήνες είναι φορτισμένα και μέσα στο υλικό δρουν ως εξής: • εισέρχονται με μια ενέργεια που μπορεί να ιονίσει τα ατομικά ηλεκτρόνια • ο ιονισμός συμβαίνει μέσω διαδοχικών σκεδάσεων Compton των φορτισμένων σωματιδίων με τα ηλεκτρόνια των ατόμων του πυριτίου και έτσι έχουμε την δημιουργία ζευγών οπών –ηλεκτρονίου • Μόλις τα ηλεκτρόνια περάσουν στη ζώνη αγωγιμότητας συλλέγονται μέσω ενός πεδίου στην άνοδο του ανιχνευτή και οι οπές στην κάθοδο και έτσι παίρνουμε σήμα

42. Προβλήματα • Η πιο συνηθισμένη βλάβη που προκαλείται από τα βαριά σωματίδια είναι η ατέλεια Frenkel που προκαλείται από τη σύγκρουση του σωματιδίου με το άτομο.H σύγκρουση μπορεί να έχει αποτέλεσμα την αντικατάσταση ενός ατόμου .Αυτό το άτομο μπορεί να έχει τόση ενέργεια ώστε να διώξει αλλά άτομα . • Τα ελαττώματα στο κρυσταλλικό πλέγμα επηρεάζουν την λειτουργία και την απόδοση του ανιχνευτή γιατί μπορεί να δράσουν ως κέντρα – παγίδες για τα ηλεκτρόνια και τις οπές ή μπορεί να δώσουν νέους δοτές ή αποδέκτες. Νέες παγίδες και νέες ενεργειακές στάθμες αλλάζουν την ικανότητα να μαζεύονται φορτία , το ρεύμα διαρροής καθώς και το χρόνο παλμού , την διακριτική ικανότητα και την ενεργεία. • Τα βαριά φορτισμένα σωματίδια προκαλούν μεγαλύτερη ζημιά από ότι τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια

43. Ρεύμα διαρροής: ρεύμα που διαρρέει τον ανιχνευτή όταν βρίσκεται σε τάση λειτουργίας απουσία ακτινοβολίας .Το ρεύμα διαρροής δημιουργεί θόρυβο και μια μικρή πτώση τάσης. • οφειλόμενη επιφανειακή διαρροή φορτιών εξαρτάται από την κατασκευή • κίνηση των φορέων μειονότητας εξαρτάται από το Τ και τις φυσικές ιδιότητες • Πχ. ένα κομμάτι 1mm πυριτίου με 1cm2 επιφάνεια θα έχει αντίσταση 5000Ω . Μια τάση των 500 volt θα προκαλέσει ένα ρεύμα της τάξης των 0.1 Α

44. Απώλεια ενέργειας του σωματιδίου από το παράθυρο του ανιχνευτή • Όπου t είναι το πάχος της νεκρής ζώνης • Η απώλεια ενέργειας στη γωνία θ δίνεται από τη σχέση : • Η νέα ενέργεια που προκύπτει στη γωνία θ είναι :

45. Καναλισμός • Φαινόμενο που παρουσιάζεται στους ανιχνευτές ημιαγωγών • Όταν ένα σωματίδιο πέφτει πάνω στην επιφάνεια του ανιχνευτή τότε για να ανιχνευτεί πρέπει να χτυπήσει τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου. • Αν βρει τα άτομα του κρυστάλλου έτσι διατεταγμένα ώστε να δει μονό κενό τότε είναι δυνατόν να διασχίσει το υλικό χωρίς να αλληλεπιδράσει μαζί του. • Πρέπει να αποφεύγεται γιατί ο ανιχνευτής καθίσταται αναξιόπιστος • Για αυτό το λόγο κόβουμε τον ανιχνευτή συνήθως στην διεύθυνση <111> ώστε να μειώνονται οι πιθανότητες να συμβεί ο καναλισμός

46. Παράμετροι που επηρεάζουν την λειτουργία του ανιχνευτή • εύρος της ευαίσθητης περιοχής • μείωση της χωρητικότητας • ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο • δυναμικό • ρεύμα διαρροής • θόρυβος • διακριτική ικανότητα • χρόνος παλμού • ομοιομορφία στην λεπτότητα του ημιαγωγού • καναλισμός

47. Πειραματική διαδικασία • Αναγνώριση των συσκευών • Πραγματοποίηση της συνδεσμολογίας τους • Δοκιμαστικές μετρήσεις με πηγές Am και Po για επιβεβαίωση λειτουργίας

48. Φάσμα Am

49. Φάσμα Po

50. Po (πλευρά με κάλυμμα)