Paweł Szołdruk

20.X.2008

1B

Pochłanianie promieniowania gamma przez materiały

Wstęp

Promieniowanie gamma (g) jest wysokoenergetyczną formą  promieniowania elektromagnetycznego, o energii kwantu większej od 10 keV. Promieniowanie to składa się z fotonów. Fotony to cząstki, które nie mają ładunku ani masy, nie posiadają także drogi hamowania, gdyż poruszają się z prędkością światła. Kwant promieniowania gamma traci całą swoją energię w jednym akcie oddziaływania i dalej przekształca się w foton o mniejszej energii albo zanika całkowicie.

Promieniowanie g jest promieniowaniem jonizującym czyli powoduje oderwanie przynajmniej jednego elektronu od atomu lub cząsteczki albo wybicie go ze struktury krystalicznej oraz promieniowaniem przenikliwym czyli jest zdolne do przenikania przez różne materiały o znacznej grubości.

Oddziaływanie promieniowania g z materią odbywa się głównie na zasadzie trzech mechanizmów:

Ø      Efektu fotoelektrycznego.

Kwant promieniowania g oddziałuje z atomami absorbenta i znika. Cała energia promieniowania g przekazywana jest jednemu z elektronów zwykle silnie związanemu z powłoki K. Efekt fotoelektryczny nie zachodzi dla elektronów swobodnych, czyli niezwiązanych z jądrem atomu.

Po działaniu promieniowania g na elektron ma on energię:

                            Eelektronu = Ekwg - Ewiazania, przy czym Ewiazania << Ekwg.

Prawdopodobieństwo zajścia efektu fotoelektrycznego jest największe dla: kwantu g o małej energii i bardzo szybko maleje ze wzrostem energii (Eg3,5) oraz dla absorbentów o dużej liczbie atomowej Z (s®Z4) i bardzo szybko maleje gdy zmniejsza się z Z absorbenta.

                            s = c × Zn / Eg3,5, gdzie n = 4 do 5.

Ø      Efekt Comptona.

Kwant promieniowania g przy zderzeniu z elektronem zachowuje się jak cząsteczka. Oddaje elektronowi część swojej energii i już ze zmniejszoną energią oraz w zmienionym kierunku podąża dalej z prędkością światła (rozproszenie promieniowania g na elektronach).

Efekt działa na elektrony swobodne. Prawdopodobieństwo rozproszenia zależy od energii kwantu g. Maleje ze wzrostem energii, ale nie tak szybko jak w przypadku efektu fotoelektrycznego.

Ø      Tworzenie par elektron-pozyton.

Proces ma miejsce, gdy energia kwantu g przekracza dwukrotnie energię masy spoczynkowej elektronu (2 me c2 = 1,02 MeV). Możliwy jest wtedy proces , w którym kwant g zmienia się na parę cząstek elektron-pozyton. Proces zachodzi dla dużych energii promieniowania g. Prawdopodobieństwo tworzenia par rośnie z energią promieniowania g i Z absorbenta jak Z2.

Promieniowanie g ma znacznie większy zasięg niż a i b, a jego tory są w głębi materiału rzadziej rozłożone.

Osłabienie prom. g przy przejściu przez materię:              N = No e-ux,

gdzie: N - natężenie promieniowania po przejściu warstwy materiału o grubości x;

           No - natężenie początkowe, gdy x = 0;

           u - współczynnik absorpcji.

Przebieg ćwiczenia

Ø      Ustalono położenia źródła promieniowania g, krążków materiału absorbującego promieniowanie i licznika rejestrującego promieniowanie po przejściu przez absorbent;

Ø      Uruchomiono aparaturę elektroniczną;

Ø      Zapoznano się z obsługą programu komputerowego;

Ø      Przeprowadzono pomiar i zapisano wyniki dla promieniowania g 137Cs, o energii 661 keV i 60Co emitującego promieniowanie o energiach: 1171 i 1333 keV przechodzącego przez krążki wykonane z glinu (Al) i ołowiu (Pb). Umożliwiło to porównanie absorpcji promieniowania o różnych energiach przez ten sam materiał.

Wyników pomiarów

Pomiaru natężenia promieniowania gamma po przejściu przez warstwy materiału składającej się z „i” płytek dla cezu dokonywano przez czas 40 s, a dla kobaltu przez 60s.

Grubość jednej płytki aluminiowej wynosiła 0,53cm, a ołowianej 0,32cm. Wszystkie pomiary grubości płyt wykonywano suwmiarką z dokładnością 0,01cm.