ODDZIAŁYWANIE PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ

TADEUSZ HILCZER

Wykład monograficzny dla doktorantów w semestrze zimowym roku akad. 2011-2012 Materiały pomocnicze (notatki wykładowcy) – na prawach rękopisu – nie do publikacji Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 2

Plan wykładu

1. Wprowadzenie

2. Podstawowe pojęcia 3. Zderzenie i rozproszenie 4. Przewodnictwo materii 5. Naturalne źródła promieniowania jonizującego 6. Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio 7. Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio 8. Źródła promieniowania jonizującego 9. Pole promieniowania jonizującego 10. Detekcja promieniowania 11. Skutki napromieniowania materii żywej 12. Dozymetria medyczna 13. Ochrona przed promieniowaniem 14. Osłony przed promieniowaniem Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 3

Wprowadzenie

Wprowadzenie • oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią: – jest tematem interdyscyplinarnym – interesuje nie tylko fizykę, biologię czy medycynę ale również technikę i wiele innych dziedzin nauki – jest dla ogólnie rozumianej przyrody zarówno pożyteczne jak i szkodliwe • jest przedmiotem zainteresowania również tzw. opinii publicznej 5 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Wprowadzenie • promieniowanie - specyficzny sposób rozchodzenia się energii który można opisać formalizmem falowym • ograniczymy się do opisu oddziaływania promieniowania jonizującego • promieniowanie jonizujące dzieli się na: – promieniowanie jonizujące bezpośrednio – promieniowanie jonizujące pośrednio Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 6

Wprowadzenie • opracowano szereg algorytmów i programów komputerowych przybliżających oddziaływanie promieniowania jonizującego z różnymi rodzajami materii (biologicznej, twardej, itp.) • ze względu na stały postęp nauki, algorytmy i programy muszą być stale ulepszane i modyfikowane • jest to szczególnie ważne w medycynie, stosującej promieniowanie jonizujące w celach diagnostycznych i terapeutycznych Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny 7

Wprowadzenie PROMIENIOWANIE X W.C.Roentgen

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 8

Wprowadzenie ODKRYCIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI H.Becquerel

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 9

Wprowadzenie BADANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI Maria Skłodowska-Curie Piotr Curie Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) Początek XX wieku 10

Wprowadzenie BADANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI Komora Curie Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) Początek XX wieku 11

Wprowadzenie BADANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI Ernest Rutherford Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) Początek XX wieku 12

Wprowadzenie BADANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI Spintaryskop Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) Początek XX wieku 13

Pierwsze pomiary cyfrowe raz

W pracowni Rutherforda

Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 14

Pierwsze pomiary cyfrowe raz raz

W pracowni Rutherforda

Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 15

Pierwsze pomiary cyfrowe dwa dwa raz

W pracowni Rutherforda

Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 16

Pierwsze pomiary cyfrowe trzy trzy

W pracowni Rutherforda

Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 17

Pierwsze pomiary cyfrowe sto sto raz

W pracowni Rutherforda

Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 18

Pierwsze pomiary cyfrowe co??

dosyć, więcej nie mogę raz

W pracowni Rutherforda

Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 19

Pierwsze pomiary cyfrowe raz

W pracowni Rutherforda

Początek XX wieku Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 20

Pierwszy „licznik” Geiger, 1919 właściwy detektor Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) impulsy 21

Licznik GM - 1 Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 elektrometr strunowy - 1 Licznik GM - 2 kamera filmowa elektrometr strunowy - 2 22 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)

Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 23

Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 24

Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) koincydencje 25

Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) 26

Pierwszy układ koincydencyjny W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny) brak koincydencji 27

Promieniowanie • oddziaływanie - przekaz energii pomiędzy dwoma ciałami • oddziaływanie, jakiego doznaje materia od czynników zewnętrznych jest rozmaite • jednym z czynników zewnętrznych jest promieniowanie • promieniowanie - czynniki zewnętrzne, które można opisać procedurami falowymi • źródło emitujące dużą liczbę określonych elementów nazywamy źródłem promieniowania • promieniowanie jest zbiorem emitowanych elementów tworzących wiązkę rozchodzącą się w pewnym obszarze przestrzeni 28 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Promieniowanie • Oddziaływanie materii z promieniowaniem dzielimy na pewne grupy, czasem bardziej merytorycznie a czasem tradycyjnie • Energia przekazywana w akcie oddziaływania jest dostateczna do wzbudzenia lub jonizacji napotykanych atomów, cząstek, makrocząstek itp.

• Dzięki istnieniu rejestrowalnego wpływu określonego promieniowania na materię, można budować detektory dla tego promieniowania 29 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Promieniowanie jonizujące • Opis oddziaływania promieniowania jonizującego z materią: – jest skomplikowany ze względu na różne możliwości oddziaływania które zależą od cech fizycznych samego promieniowania i materii z którą oddziałuje – wykorzystuje zarówno mechanikę kwantową i klasyczną oraz kwantową teorię zderzeń – w większości przypadków wystarczy uwzględniać tylko oddziaływania kulombowskie 30 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Promieniowanie jonizujące • W medycynie dla promieniowania X przyjęła się nazwa promieniowanie jonizujące – fizycznie - jonizacja następuje pod wpływem oddziaływania kulombowskiego • Międzynarodowa Komisja Jednostek Radiologicznych (ICRU 1956) ustaliła podział promieniowania jonizującego na: – promieniowanie jonizujące bezpośrednio • lekkie (elektrony, pozytony, ...) • ciężkie (protony, deuterony, cząstki a , ciężkie jony ...) – promieniowanie jonizujące pośrednio • kwanty promieniowania elektromagnetycznego • ciężkie (neutrony, ...).

31 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Promieniowanie jonizujące • oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią – zachodzi w procesach, których prawdopodobieństwo zależy od charakterystycznych cech zarówno cząstek jak i materii – wywołuje zmiany w warstwie elektronowej w procesie jonizacji czy wzbudzenia – wywołuje zmiany podobne do wywołanych przez działanie mechaniczne, cieplne, elektryczne i inne - oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią biologiczną wywołuje skutki: – których złożony mechanizm można opisać w sposób bardzo przybliżony – zwykle widoczne po dłuższym czasie i to na tle skutków innych przyczyn 32 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Hipoteza de Broglie’a • Mechanika kwantowa pozwala przypisać: – cząstkom materialnym własności falowe – cząstkom falowym własności materialne • Cząstce o masie spoczynkowej

E m

≠ 0 i o energii kinetycznej można przypisać długość fali de Broglie'a l : l 

h p

 2

h mE

• kwantowi o masie spoczynkowej przypisać długości fali l oraz pęd

m p

: = 0 i o energii

h

n l 

h c

n

p

 2   l

c

- prędkość światła,

h

– stała Plancka można 33 Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny

Zderzenie • zderzenie - na drodze poruszającej się cząstki znajduje się inna cząstka w ruchu lub w spoczynku i dochodzi do oddziaływania • zderzenie może być: – sprężyste – niesprężyste • zderzenia dwu lub więcej jednakowych lub różnych cząstek stanowią dużą i różnorodną grupę procesów zachodzących zarówno w makro jak i mikroświecie

Rozpraszanie • rozpraszanie - jednakowe ciała A tworzące strumień cząstek oddziałują z dużą liczbą ciał B tworzących pewną objętość – tarczę • ogólny opis rozpraszania cząstek jest skomplikowany – w wielu zagadnieniach wystarczy przybliżenie zderzenia sprężystego • przy opisie rozpraszania istotna jest geometria pola sił rozpraszających • opis rozpraszania jest stosunkowo prosty dla sił centralnych (grawitacyjnych, kulombowskich)

Budowa materii • budowa materii jest bardzo złożona: – ciała materialne zbudowane są z molekuł – molekuły zbudowane są z atomów – atomy zbudowane są elektronów i jąder atomowych – jądra atomowe zbudowane są nukleonów – nukleony zbudowane kwarków • kwarki i elektrony są ( może na razie) cząstkami elementarnymi podstawowymi Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 36

Budowa materii • można mówić o poziomach opisu materii: – molekularnym – atomowym – jądrowym – cząstek elementarnych • każdemu poziomowi odpowiada pewien zakres energii oddziaływania • opisując procesy zachodzące w przyrodzie można ograniczyć się do odpowiedniego poziomu – do opisu klasycznych procesów fizykochemicznych wystarczy poziom atomowy – do opisu zagadnień chemii jądrowej trzeba uwzględnić poziom jądrowy Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 37

Budowa materii • stan skupienia materii - faza fizyczna - ogólny sposób w jaki molekuły danej substancji samorzutnie porządkują się (lub nie) • różne fazy fizyczne kontaktując się z sobą tworzą granice międzyfazowe • występowanie granic międzyfazowych jest dowodem, że substancje występują w różnych fazach fizycznych – tzw. kryterium mieszalności 38 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

Budowa materii • Większość substancji może w zależności od warunków (ciśnienia i temperatury) występować kolejno w wielu fazach • Woda pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym – w temperaturze poniżej 0 0 C jest kryształem – w temperaturach od 0 0 do 100 0 C jest cieczą – w temperaturze powyżej 100 0 C jest gazem • Przemiany substancji z jednego stanu skupienia w inny nazywa się przemianą fazową Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 39

Budowa materii • Otaczającą nas materię tworzą elementy: – bardzo proste - atomy gazów szlachetnych – bardziej złożone - np. molekuły H 2 – bardzo złożone - np. molekuła DNA • Do opisu procesów zachodzących w otaczającej nas materii można ograniczyć się do poziomu atomowego • Na poziomie atomowym wyróżniamy klasycznie trzy podstawowe stany skupienia elementów materii istniejące w określonej temperaturze i ciśnieniu – stan stały – stan ciekły – stan gazowy 40 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

Budowa materii • faza gazowa – stan skupienia w którym cząsteczki mogą się swobodnie przemieszczać w całej objętości zajmowanej przez gaz a między cząsteczkami oddziaływania są bardzo słabe oprócz tych wynikających z przypadkowych zderzeń między nimi – objętość zajmowana przez gaz w określonej temperaturze i przy danym ciśnieniu jest stała niezależnie od rodzaju cząsteczek jakie są w gazie i zależy wyłącznie od liczby tych cząsteczek – cząsteczki nie mają żadnego uporządkowania 41 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

Budowa materii • fazy płynne – płyn jest każda substancja która może płynąć • dowolnie zmieniać swój kształt w zależności od naczynia w którym się znajduje oraz być przepompowywana przez rury • płynami są – wszystkie ciecze – gazy – mieszaniny różnych faz fizycznych • piana, emulsja, zawiesina, pasta – podstawową cechą płynów jest ich lepkość • miara oporu wewnętrznego jaki stawia płyn poddawany naprężeniom ścinającym zmuszającym go do przepływu 42 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

Budowa materii • faza ciekła – cząsteczki mają pełną swobodę przemieszczania się w objętości zajmowanej przez ciecz – między cząsteczkami cieczy występują oddziaływania niewystarczające do utworzenia stałych połączeń – słabe oddziaływania między cząsteczkami nie znoszą się nawzajem przy powierzchni cieczy w miejscu kontaktu cieczy z inną fazą lub próżnią – brak znoszenia się tych oddziaływań powoduje zjawisko napięcia powierzchniowego 43 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

Budowa materii • faza stała – faza krystaliczna – molekuły lub atomy nie mają pełnej swobody przemieszczania się w objętości zajmowanej przez kryształ • zajmują ściśle określone miejsca w sieci krystalicznej • mogą jedynie drgać w obrębie zajmowanych przez siebie miejsc – elementy mają zasięgu przestrzenne uporządkowanie dalekiego – charakteryzuje się najwyższą energią oddziaływania – elementy materii tworzą określone struktury krystaliczne 44 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

Budowa materii • kryształ ma symetrię translacyjną która odróżnia go od ciał amorficznych • oddziaływania między cząsteczkami w krysztale: – wiązania wodorowe – słabe oddziaływania elektrostatyczne – wiązania Van der Waalsa – silne oddziaływania elektrostatyczne • występujące w kryształach jonowych 45 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

Budowa materii • w fazie stałej i ciekłej odległości między elementami są rzędu nanometrów – odpowiada to liczbie 10 22 - 10 23 elementów na 1 cm 3 • w fazie gazowej w warunkach normalnych średnie odległości pomiędzy sąsiadami są kilka razy większe – odpowiada to liczbie około 10 21 elementów na 1 cm 3 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 46

Budowa materii • radialny rozkład gęstości atomów potasu (w zależności od odległości od wybranego atomu)

f

(

N

) [jedn.umowne] 24 300 K 16 stan stały 8 0 0,03 0,02 340 K 0,01 670 K 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 [nm] Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) stan ciekły 47

Budowa materii • w fazie stałej atomy znajdują się w określonych położeniach – funkcja rozkładu gęstości jest dyskretna • wynik uporządkowania dalekiego zasięgu • w fazie ciekłej atomy rozłożone są w sposób przypadkowy – funkcja rozkładu jest ciągła • lokalne maksima są przejawem uporządkowania bliskiego zasięgu 48 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

Budowa materii • w fazie stałej – elementy materii nie mogą się przemieszczać ze swoich położeń równowagi (uporządkowania dalekiego zasięgu) – podczas ogrzewania w określonej temperaturze i ciśnieniu zachodzi przemiana fazowa ciało stałe-ciecz • w fazie ciekłej – elementy materii w nie posiadają uporządkowania dalekiego zasięgu • mogą swobodnie poruszać się i obracać – podczas ogrzewania w określonej temperaturze i ciśnieniu zachodzi przemiana fazowa ciecz-gaz 49 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

Budowa materii • schemat jednorodnych trzech faz słuszny jedynie dla molekuł prostych

faza stała faza ciekła faza gazowa

T • dla materii złożonej z skomplikowanych molekuł mogą istnieć w fazie stałej i ciekłej podstany, które rozgraniczają określone przemiany fazowe 50 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

Budowa materii • istnieją substancje, w których pomiędzy – stanem stałym –

kryształami molekularnymi

– a stanem ciekłym -

cieczą izotropową kryształ molekularny ciecz jednorodna

Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny) 51

Budowa materii • istnieją substancje, w których pomiędzy – stanem stałym –

kryształami molekularnymi

– a stanem ciekłym -

cieczą izotropową

– występuje faza pośrednia -

mezofaza

( ezo

–

pośredni)

kryształ molekularny mezofaza ciecz jednorodna

• mezofaza ma zarówno pewne cechy fazy stałej i fazy ciekłej 52 Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)

Budowa materii • istnieją substancje, w których pomiędzy – stanem stałym –

kryształami molekularnymi

– a stanem ciekłym -

cieczą izotropową

– występuje faza pośrednia –

kryształ plastyczny kryształ molekularny ciecz jednorodna

• kryształ plastyczny ma zarówno pewne cechy fazy stałej i fazy ciekłej 53