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Wechselwirkungen von Strahlung mit Materie Inhalt • Wechselwirkung von Alpha-Strahlung mit Materie • Wechselwirkung von Beta-Strahlung mit Materien • Wechselwirkung von Gamma-Strahlung mit Materie • Wechselwirkung von Neutronen mit Materie Wechselwirkung von Alpha-Strahlung mit Materie • Anregung/Ionisierung von Elektronen • Folgen: • Ein Elektron kann aus der Atomhülle gelöst werden-> Ein positives Ion entsteht • Das Alpha-Teilchen wird, in Abhängigkeit von der Abtrennarbeit, verlangsamt • Das ausgelöste Elektron kann so energiereich sein, dass es andere Atome ionisiert (Sekundärionisation) • Wenn das ionisierte Elektron nicht mehr wechselwirken kann, lagert es sich an ein anderes Atom an -> Ein negatives Ion entsteht • Das positive und negative Ion bilden ein sog. Ionenpaar. • Alpha-Teilchen geben ihre Energie vor allem dann ab, wenn sie schon eine gewisse Strecke zurückgelegt haben Energieabgabe Alpha-Teilchen Wechselwirkung von Beta-Strahlung mit Materie • Ionisationseffekte, Bremsstrahlung, Anregung getroffener Atome, Streuung der Beta-Strahlung • Wichtigster Effekt: Bildung von Ionenpaaren, wie bei der AlphaStrahlung • Beta-Strahlung erzeugt je zurück gelegtem Weg weniger Ionenpaare als Alpha-Strahlung benötigt länger um ihre Energie abzugeben Eindringtiefe ist höher im Vergleich zur Alpha-Strahlung • Beta-Strahlung: locker ionisierende Strahlung, da weniger Ionenpaare pro Strecke gebildet werden Energie der Teilchen in MeV erzeugte Ionenpaare pro cm bei Alpha-Strahlung bei Beta-Strahlung 1 60 000 50 10 16 000 45 Röntgenbremsstrahlung bei Beta-Teilchen • Beta-Teilchen können auch Energie verlieren indem sie von elektrischen Feldern beeinflusst werden zum Beispiel durch andere Atome • Die verlorene Energie wird als Photon abgegeben • Diese Strahlung heißt Röntgenbremsstrahlung Wechselwirkung von GammaStrahlung mit Materie • Vor allem drei verschiedene Wechselwirkungsprozesse in Abhängigkeit von der Energie der Strahlung • Photoeffekt • Compton-Effekt • Paarbildung • Energiebereich der Gamma-Strahlung: zw. 0,003 und 17 MeV • Wechselwirkungsprozesse können sich überlagern, in der Regel dominiert aber einer der Prozesse in bestimmten Energiebereichen Photoeffekt • Dominiert bei kleinen Energien und hohen Ordnungszahlen des Absorber-Materials • Ein oder mehrere Elektronen werden aus der Hülle ausgelöst • Aufgrund der hohen Energie des Gamma-Quants werden hauptsächlich Elektronen aus den unteren Energieniveaus ausgelöst • Das Atom wir ionisiert und das Gamma-Quant hat seine komplette Energie abgegeben • Das freie Elektron wird als Photoelektron bezeichnet und gibt durch Ionisation und Anregung seine Energie an Atome in der Umgebung ab • Der freie Platz in der Atom-Hülle wird von anderen Elektronen besetzt, die dabei frei werdende Energie wird als Röntgenstrahlung emittiert Compton-Effekt • Tritt vor allem bei Gamma-Quanten mittlerer Energien auf • Gamma-Quant löst ein Elektron aus der äußeren Hülle, dieses Elektron heißt Comptonelektron • Dabei verliert das Gamma-Quant an Energie höhere Frequenz kleinere Wellenlänge • Gleichzeitig wird das Gamma-Quant gestreut • Das gestreute Gamma-Quant kann weitere Compton-Effekte auslösen, bis es durch den Photoeffekt vollständig verschwindet • Die Atome an denen die Comptonstreuung stattgefunden hat sind ionisiert Paarbildung • Tritt bei hohen Energien der Strahlung auf. Mindestens erforderlich Energie: 1,022 MeV • Im Feld des Atomkerns wird ein Gamm-Quant vernichtet, dabei entstehen ein Elektron und ein Positron als Paar • Hat das Gamma-Quant eine höhere Energie als 1,022 MeV so wird die restliche Energie dem entstandenen Paar als kinetische Energie zur Verfügung gestellt • Das Positron hat eine relativ kurze Lebensdauer und wird sich nach Abgabe der kinetischen Energie mit einem Elektron vereinen • Dabei wird das Paar vernichtet und es entstehen zwei neue Gamma-Quanten mit jeweils einer Energie von 0,511 MeV(Paarvernichtung) • Bei ausreichend hoher Energie können auch zwei PositronenElektronen-Paare entstehen Paarbildung Paarvernichtung Wechselwirkung von Neutronen mit Materie • Da Neutronen elektrisch neutral geladen sind, findet keine Wechselwirkung in der Atom-Hülle statt • Es finden elastische(10 KeV- 1MeV) und unelastische(1 MeV- 10 MeV) Stöße im Kern statt • Beim elastischen Stoß ist die Summe der Energien im Atomkern vor und nach dem Stoß gleich, es wird also keine Energie frei • Beim unelastischen Stoß regt das Neutron das angestoßene Atom an und wird abgebremst • Die zusätzlich vorhandene Energie im angestoßene Atom wird als Gamma-Quant frei Neutroneneinfang • Ein Atomkern nimmt das ankommende Neutron auf und wird dadurch instabil • Nach kurzer Zeit bildet sich unter Aussendung geladener Teilchen und/oder Gamma-Quanten wieder ein stabiler Kern • Der Neutroneneinfang ist vor allem von der Energie der Neutronen abhängig 1 0 n+ 10 5 B --> 7 3 Li + 4 2 He + γ-Str Quellen • Hand-Out: Ionisierende Strahlung und Energieverteilungen • http://www.zwjena.de/energie/wechselwirkung.html