Transcript Ders 4-yüklü parçacıkların madde ile etkileşimi

YÜKLÜ
PARÇACIKLARIN
MADDE İLE ETKİLEŞİMİ
Dr. Dilek KÖSEHAN
Fotonların Madde ile Etkileşimi


Madde içinden geçerken atom ile etkileşirler.
Etkileşim tipi fotonun enerjisi ve maddeyi
oluşturan elementlerin kütle numaralarına
bağlıdır.



50-550 keV ve düşük atom numaralı
elementler arasında= Compton saçılması
Yüksek atom numaralı elementler
ile=fotoelektrik olay
Çok yüksek enerjili fotonlar (>1020keV) ile=
çift oluşumu

Radyasyonun madde ile etkileşmesi bilgileri;
radyasyonun dedeksiyonu, nükleer
dedektörlerin geliştirilmesi ve dizaynı,
radyasyondan korunma ilkelerinin
belirlenmesi, yaşayan organizmalarda
radyasyonun biyolojik etkilerinin incelenmesi
gibi alanlarda kullanılmasına temel oluşturur.

Etkileşme mekanizması parçacığın çeşidine
ve enerjisine bağlı olduğu gibi girdiği ortamın
atomunun proton sayısına ve yoğunluğuna
bağlı olarak değişir. Bu nedenle, yüklü ve
yüksüz parçacıkların etkileşmesini ayrı ayrı
düşünmemiz gerekir.



Yüklü parçacık ile soğurucu atomlar arasında
güçlü bir elektrik kuvvet olduğundan yüklü
parçacıklar madde tarafından yüksüz
parçacıklara göre daha kolay durdurulurlar.
Fotonlar ile karşılaştırıldığında daha kısa bir
mesafede daha çok enerji transfer ederler.
Bu nedenle de penetre olmayan radyasyon
olarak da adlandırılırlar.


Yüklü parçacıkların madde ile etkileşimini
incelerken yüklü parçacıkları hafif yüklü
parçacıklar (elektron) ve ağır yüklü
parçacıklar (proton, alfa) diye iki gruba
ayırmak gerekir.
Madde içinden geçerken atomlar ile
etkileşime girerler. Etkileşim primer olarak
atomun yörüngedeki elektronları iledir,
nadiren çekirdek ile etkileşim olur.
Ağır yüklü parçacıklar


Ağır yüklü bir parçacık soğurucu bir ortama
girer girmez, ortamdaki atomların yörünge
elektronların negatif yükü ile kendi pozitif
yükleri arasında Coulomb kuvveti ile etkileşir.
Bu etkileşmelerde gelen parçacığın kinetik
enerjisi atomun iyonlaşma enerjisinden
yeterince büyük ise, enerjisini yolu üzerindeki
atomları iyonlaştırmak için maddeye aktarır.
Hafif yüklü parçacıklar



Elektron ve pozitronların madde içerisindeki
etkileşmeleri hemen hemen aynıdır.
Beta parçacıklarının madde ile etkileşmesi
ağır yüklü parçacıklarda olduğu gibi
iyonlaşma ve uyarılmanın yanı sıra ortamdaki
çekirdeğin elektrik alanından kaynaklanır.
Hafif yüklü parçacıkların hızı, kütleleri daha
küçük olduğu için aynı enerjiye sahip ağır
yüklü parçacıklara göre daha yüksek
olacaktır.
Elektronların uyarılması



Gelen ağır yüklü parçacık iyonizasyon enerjisinden
daha büyük enerjiye sahip değilse, bu durum
gerçekleşir.
Soğurucu maddenin atom veya molekülü gelen
parçacığın enerjisinin bir kısmını soğurarak daha
yüksek bir enerji seviyesine çıkar.
Soğurucu maddeye bağlı olarak uyarılmış atom ya
da molekül sonradan görünür bölgede foton ışını
yayınlayarak taban durumuna veya daha düşük
enerji seviyesine döner (de-eksitasyon).

Elektron yörüngeleri arasındaki bağlanma
kuvvetlerini yenecek kadar enerji gerektiği ve
elektron yörüngeleri arası bağlanma enerjisi
de elementin atomik yapısına bağlı olduğu
için yayınlanan bu X-ışınına karakteristik Xışını adı verilir.
Karakteristik X-ışınları
Hedef atom üzerine gönderilen elektronların,
hedef atomun yörüngesindeki elektronlarla
etkileşimi sonrasında, aldıkları enerjiyle üst enerji
seviyelerine çıkarlar. Kararsız durumdaki bu enerji
seviyeleri geri bozunduğunda dışarıya foton
yayınlanır. Enerjileri, seviyeler arasındaki farka
eşit olan bu fotonlara karakteristik x-ışınları adı
verilir.

Yüklü parçacıklar çekirdeklerle de reaksiyon
verebilir, bu durum çekirdekten elastik
saçılma olarak da bilinir. Fakat, atomun
yarıçapı çekirdeğinkinden çok büyük
olduğundan, atomun bir elektronu ile
reaksiyonu daha olasıdır. Bu durumda büyük
kütleli çekirdek, atomda değişiklik meydana
getirmeksizin Coulomb itmesi ile ağır yüklü
parçacıkların yön değiştirmesine neden olur.


Enerjinin çoğu parçacığın yolunun sonunda
ortama depolanır. En sonunda, yüklü
parçacık elektron yakalar ve durdurma gücü
düşer. Bu davranış radyasyonun tıptaki
uygulamalarında sıkça kullanılır.
Vücutta, verilen bir uzunlukta, kanser
hücresini diğer hücrelere zarar vermeden
parçalamak için ağır yüklü parçacıklar
kullanılır.



Hızları yani enerjileri yüksek olan beta parçacıkları
bir çekirdek alanından geçtiği zaman, radyasyon
yolu ile bir enerji kaybına uğrar.
Bu enerji Bremsstrahlung ya da frenleme
radyasyonu denilen sürekli X ışını spektrumu
şeklinde görülür.
Bu radyasyon elektronun ivmelenmesinden ortaya
çıkar, çekirdeğin elektriksel çekimi yüzünden izlediği
düz yolda sapma meydana getirir.




Enerjisi birkaç MeV veya daha düşük ise
bu radyasyona enerji kaybı düşük olacaktır.
Bu nedenle, beta parçacıkları enerjilerinin
büyük bir kısmını ortamın yörünge
elektronları ile çarpışarak ya da saçılma ile
kaybedecektir.
Saçılma olursa parçacığın izlediği yörünge
zikzaklı olacaktır.
Yani beta parçacıklarının yolları ağır yüklü
parçacıkların yolları gibi düz olmayacaktır. Bu
nedenle betaların yolları daha uzun olacaktır.
İyonlaşma


Yüklü bir parçacık madde içerisinde bir uçtan
diğerine geçerken, elektronlar ile çarpışmalar
sonucunda kinetik enerjisinin çoğunu kaybeder. Her
bir etkileşme ile kaybedilen enerji çok küçük
olacaktır. Bu enerji, toplam enerjinin, sadece küçük
bir kısmına karşılık geleceğinden, gelen parçacık
madde içerisinde bunun gibi pek çok etkileşme
yapacaktır.
Bunun anlamı binlerce iyon çifti meydana gelecektir



Yeterince fazla enerjisi olan yüklü parçacıklar
genellikle dış yörüngelerdeki elektronlardan
birine enerjilerinin aktarır ve atomdan bir
elektron salınmış olur.
Dış yörüngede oluşan boşluk hızlıca
bağlanmamış bir elektron tarafından
doldurulur.
Daha nadir olarak iç yörüngedeki
elektronlardan biri salınır ise dış yörüngeden
bir elektron iç yörüngeye düşer ve
karakteristik X-ışını salınır.


İyonlaşma sadece yüklü parçacıklar ve
madde arasında görülen bir etkileşim değildir.
Fotoelektrik olay Compton saçılması da
foton-madde etkileşimlerinden iyonizasyon
oluşturan olaylardır.
Spesifik İyonizasyon



Radyasyon etkisi ile soğurucu maddeden bir
elektron atıldığında geride kalan pozitif yüklü
atom ve serbest negatif yüklü elektron iyon
çifti olarak adlandırılır.
Bir iyon çifti oluşturmak için gereken enerji
her bir soğurucu madde için karakteristiktir.
Örneğin havada ya da suda bir iyon çifti
oluşturmak için gereken enerji yaklaşık 33 eV
(25-40eV) düzeyindedir.



Spesifik iyonizasyon; iyonizan radyasyonların
iyonlama kapasitesini tanımlamak için
kullanılır.
Birim yol boyunca üretilen iyon çiftlerinin
ortalama sayısıdır.
Ağır yüklü parçacıklar hafif yüklü
parçacıklardan daha yüksek spesifik
iyonizasyona sahiptir.
Lineer enerji transferi (LET)



İyonizan radyasyonun içinden geçtiği
maddede takip ettiği yolun herbir birim
uzunluğunda aktardığı enerji miktarına Linear
enerji transferi(LET) adı verilir.
Bu kantite için kullanılan birim, radyasyonun
içinden geçtiği maddenin yoğunluk
birimindeki her bir mikrona düşen KeV
(KeV/mikron) ile ifade edilir ve spesifik
iyonizasyon ile ilişkilidir.
LET=SIxW


LET, farklı radyasyon tiplerinde farklı biyolojik
etkinin oluştuğunu sayısal olarak gösteren
fiziksel bir parametredir.
Alfa paritkülleri yüksek LET radyasyon, beta
partikülleri ve fotonlar düşük LET radyasyon
olarak kategorize edilir.
İyonlaşma

Soğurucu ortamın atomundan kopan elektron
negatif iyonu, geriye kalan atomda pozitif
iyonu meydana getirecektir. İyon çiftleri tekrar
bir araya gelme eğilimine sahiptir. Bu durum
yüklü parçacığın enerjisinin tamamını
kaybedip duruncaya kadar devam eder.
Meydana gelen negatif iyon tekrar ikincil bir
iyonlaşmaya sebep olabilir, bu elektronlar
delta-ışınları olarak bilinir.
İyonlaşma


Ağır yüklü parçacıkların atomik elektronlarla
çarpışmaları yollarında herhangi bir değişiklik
meydana getirmez, yol aşağı yukarı bir
doğrudur. Bu sebeple, yüklü parçacıklar,
verilen bir soğurucu madde içinde belirli bir
menzil ile karakterize edilirler.
Menzil, parçacıkların madde içerisinde
duruncaya kadar aldıkları yol olarak
tanımlanır.



Parçacığın durdurma gücünü biliyor isek
ortam içerisindeki beklenen menzilini
hesaplayabiliriz.
Ağır yüklü parçacıklar madde içerisinde
ilerlerken yavaşlar, enerji kaybındaki miktar
onun kinetik enerjisindeki değişikliğe bağlı
olarak değişecektir.
Durmasına yakın daha çok enerji kaybederek
daha çok iyonizasyon meydana getirecektir.

Daha hafif, daha az yüklü (ör. beta
parçacıkları) ve/veya daha yüksek enerjiye
sahip parçacıkların menzili daha ağır, daha
fazla yüklü (ör. alfa partikülleri) ve/veya daha
az enerjisi olan parçacıklarınkinden uzundur.




Bir elektron soğurucu madde içerisinde
ilerlerken her bir atom ile etkileşiminde enerji
kaybeder.
Her etkileşim sırasında kaybedilen enerji
miktarı %3-4 düzeyinde farklılık gösterebilir.
Bu da toplam menzilde ufak farklılıklara
neden olur ve bu duruma menzilde dağılmasaçılma adı verilir.
Daha ağır olan alfa partikülleri daha az olarak
etkilenir ve menzilde çok az bir saçılma
görülür.
Annihilasyon-parçacık
yokolması



Bu etkileşim genellikle bir pozitron ve bir
elektron arasında gerçekleşir.
Pozitron kinetik enerjisini iyonizasyon ve
uyarılma ile kaybettikten sonra serbest ya da
gevşek bağlı bir elektron ile birleşir.
Elektron ve pozitronlar eşit kütleye sahip
ancak zıt elektrik yüklü parçacıklardır.
Annihilasyon-parçacık
yokolması


Bu etkileşim patlayıcıdır ve iki parçacığın
toplam kütlesi, her biri 511 keV enerjili, zıt
yönde hareket eden iki foton şeklinde
enerjiye dönüşür.
Bu olay kütle-enerji eşitliğine bir örnektir.
Bremsstrahlung-frenleme
radyasyonu

Elektron ya da pozitron gibi küçük yüklü
parçacıklar madde içinden geçerken çekirdek
tarafından muhtemelen çekirdeğin pozitif
yüküne bağlı olana saptırılırlar ve bu tip bir
etkileşim sonucu sürekli bir X-ışını
(Bremsstrahlung-frenleme radyasyonu)
yayılımı olur.