Wechselwirkung  der  Strahlung  mit  dem   Material

Wechselwirkung  der  Strahlung  mit  dem   Material  

Grundbegriffe  

Die  Eigenschaften  und  die  Arten  der  radioaktiven  Strahlungen:  Reichweite,  Absorption,  Streuung,  Energie,   Geschwindigkeit,  Ionisation,  LET.  Photoeffekt  (Szintillationszähler),  Compton-­‐Streuung,  Paarbildung,   Annihilation.  

Definition:  ELEKTRONENVOLT  

Das  Elektronenvolt,  amtlich  Elektronvolt,  ist  eine  Einheit  der  Energie,  die  in  der  Atomphysik,  Kernphysik  und   Teilchenphysik  häufig  benutzt  wird.  Ein  Elektronenvolt  (1  eV)  stellt  die  kinetische  Energie  dar,  die  ein  Elektron   besitzt,  nachdem  es  mit  einer  Beschleunigungsspannung  U  =  1  V  beschleunigt  wurde.  

 E  =  eU  

1  eV  =  1.602  10

 C  x  1  V  =  1.602  10

 J  

Dabei  entsprechen  die  Präfixe  der  bekannten  Nomenklatur:  zB.  keV  =  1000  eV,  1  MeV  =  1  000  000  eV    

Radioaktive  Strahlungsarten  und  ihre  Eigenschaften    

    α-­‐Strahlung   b-­‐Strahlung   γ-­‐Strahlung  

Identität   Heliumkerne   (2  Protonen  +  2  Neutronen)  

Elektronen  oder  Positronen   elektromagnetische  Strahlung  

Ladung   ^+2e   -­‐e  oder  +e   -­‐  

Vorgang  im  Kern      

Kern  geht  von  angeregtem  Zustand   in  einen  niederenergetischen  

Zustand   Reichweite    

(im  Luft)  

einige  (ca.  4-­‐6)  cm   bis  ca.  10m   Mehrere  Meter  

Absorption   wird  von  einem  Blatt  Papier   vollständig  absorbiert  

wird  von  einer  4mm  dicken   Aluminiumschicht  vollständig  

wird  durch  zB.  einige  cm  Eisen  oder  

Blei,  oder  wenige  m  Gestein  oder  

Absorption  der   Strahlungen  bei   menschlichem  

Körper  

  Funktionen  der  

Absorption  

  Energiespektrum   ^diskret  

  2-­‐10  MeV  

kontinuierlich  

  1-­‐3  MeV  

diskret  

  0,01-­‐10  MeV   Geschwindigkeit   ca.  10%  von  c   ca.  90%  von  c   c  (3  10

 m/s)  

Spezifisches   Ionisationvermöge

n  

sehr  hoch   mittel   gering  

LET:  Der  lineare  Energietransfer  

Es    ist  ein  Maß  für  die  Wirkung  von  Strahlung.  Er  beschreibt,  wie  viel  Energie  ein  ionisierendes  Teilchen  pro   Längeneinheit  an  das  durchdrungene  Material  abgibt.  Der  lineare  Energietransfer  wird  in  keV/µm  angegeben.  

I₀

I₀/2

X_1/2 I

Absorbentsdicke (X)

X_1/2=  Halbwertsdicke 8  X_1/2=  Maximale  Reichsweite μ=  Absorptionskoeffizient

I₀ I

I₀/2

Absorbentsdicke (X)

0

I

I e

µ

=

Beta,  Gamma Alpha

n E

LET E

l l

×

= D =

D

Ein  langsames  Teilchen  mit  großer  Ladung  hat  daher  einen  wesentlich  höheren  LET  als  ein  schnelles  Teilchen  mit   geringer  Ladung.  Ein  Alpha-­‐Teilchen  von  5  MeV  und  ein  Elektron  von  1  MeV  haben  entsprechend  LETs  von  95   bzw.  0,25  keV/μm.  Die  Ionisationsdichte  und  damit  das  Muster  der  Wechselwirkungen,  das  durch  die  schweren   stark  geladenen  Alpha-­‐Teilchen  hervorgerufen  wird,  ist  viel  dichter  als  das  von  den  Elektronen  erzeugte,  wie   man  in  der  obigen  Abbildung  sieht.  

Beispiel:  

Ionisationen  und  Anregungen  (bezeichnet  mit  X)   entlang  der  Bahnen  von  Teilchen  in  Wasser,  für  ein   5,4  MeV  α-­‐Teilchen  (links),  für  die  nach  der   Absorption  eines  1,5  keV  Röntgen  Photons  frei   gewordenen  Elektronen  (rechts)  und  für  die  beim   Zerfall  von  Iod-­‐125  entstandenen  Elektronen  (unten).  

Die  Energie,  die  ein  geladenes  Teilchen  auf  seine   Umgebung  überträgt,  wird  sich  mit  der  

zurückgelegten  Strecke  ändern,  da  sich  die   Geschwindigkeit  des  Teilchens  kontinuierlich   abnimmt.    

Photoeffekt    

Unter  dem  photoelektrischen  Effekt  versteht  man  die  Wechselwirkung  elektromagnetischer  Strahlung  (z.B.  

sichtbares  Licht,  Infrarot-­‐  und  UV-­‐Strahlung)  und  Materie.    

In  diesem  Fall  treten  Elektronen  unter  der  Beleuchtung  elektromagnetischer  Strahlung  aus  Metalle  oder   Halbleitern  aus.  Sie  besitzen  nach  ihrem  Austritt  eine  Geschwindigkeit  und  damit  eine  kinetische  Energie.  

Beispiel:

  ^•   Die  Elektronen  wurden  unverzüglich  emittiert  -­‐  ohne  Zeitverzögerung!  

  ^•   Bei  höherer  Intensität  des  Lichtes  vergrößerte  sich  die  Anzahl  der  Photoelektronen,  nicht  aber  ihre   maximale  kinetische  Energie!  

  ^•   Rotes  Licht  verursacht  keine  Auslösung  der  Elektronen,  egal  bei  welcher  Intensität!  

  ^•   Schwaches  violettes  Licht  löst  nur  wenige  Elektronen  aus,  ihre  maximale  kinetische  Energie  ist  jedoch   größer  als  bei  intensivem  Licht  mit  größerer  Wellenlänge  

Folgerung:  Die  Auslösung  von  Elektronen  ist  abhängig  von  der  Wellenlänge  (Frequenz)  und  erfolgt   instantan  (ohne  zeitliche  Verzögerung).  

E  =  hf  

h  =  Plancksches  Wirkungsquantum,  6.626  10

 Js,  f  =  Frequenz      

Die  Summe  aus  kinetischer  Energie  und  Ablösearbeit   entspricht  also  der  gesamten  von  den  Fotoelektronen   aufgenommenen  maximalen  Energie.  Diese  ist   proportional  zur  Frequenz  des  eingestrahlten  Lichts.  

Im  Schnittpunkt  der  Geraden  mit  der  Frequenzachse   lässt  sich  die  Frequenz  ablesen,  ab  der  es  überhaupt   erst  zum  Fotoeffekt  kommt.  Bei  dieser  Frequenz   können  Elektronen  herausgelöst  werden,  sie  erhalten   jedoch  keine  zusätzliche  kinetische  Energie.  

Compton-­‐Effekt  (Compton-­‐Streuung)  

Der  Compton-­‐Effekt  bezeichnet  die  Vergrößerung  der  Wellenlänge  𝜆  eines  Photons  bei  der  Streuung  an  einem   Teilchen  wie  bspw.  einem  Elektron.  

Trifft  ein  Photon  (Lichtteilchen)  auf  ein  Elektron,  das  nur   leicht  an  den  Atomkern  gebunden  ist,  so  kann  ein  Teil  der   Photonenenergie  auf  dieses  Elektron  übertragen  werden.  

Das  Elektron  fliegt  auf  Grund  dieser  Energie  aus  dem   Atomverbund.  Das  Photon  fliegt  mit  geringerer  Energie  in   eine  neue  Richtung  weiter.  Es  wurde  gestreut.  

Das  Elektron  kann  auf  Grund  seiner  geringen  Bindung   zum  Kern  als  freies  Elektron  betrachtet  werden.  Beim   Stoß  mit  dem  Photon  nimmt  es  einen  Teil  seiner  Energie   als  Bewegungsenergie  auf.  

Bei  diesem  Effekt  wird  das  Atom  also  auch  ionisiert.  Im   Gegensatz  zum  Photoeffekt,  verschwindet  das  Photon   hier  nicht.  

Paarbildung  

Photonenstrahlung  mit  einer  Energie  über  1,022  MeV  "verwandelt"  sich  in  Gegenwart  eines  Atomkerns  in  zwei   Teilchen  -­‐  ein  Elektron  und  ein  Positron.  

Die  gesamte  Energie  des  einfallenden  Photons  geht  auf  das   Elektron-­‐Positron-­‐Paar  über.  Die  Ruhemasse  des  Elektrons  ist   gleich  der  des  Positrons  und  beträgt,  in  Energieeinheiten   ausgedrückt,  511  keV.  Da  sowohl  das  Elektron  als  auch  das   Positron  völlig  neu  aus  der  Strahlung  entstehen,  muss  die   Strahlung  mindestens  eine  Energie  von  zweimal  511  keV  (=  1,022   MeV)  besitzen.  

Annihilation  (Paarvernichtung)      

Das  bei  der  Paarbildung  oder  bei  b

-­‐Strahlung   entstandene  freie  Positron  hat  eine  relativ  geringe   Lebensdauer.  Es  wird  sich,  nachdem  es  seine   Bewegungsenergie  auf  das  

Wechselwirkungsmaterial  übertragen  hat,  mit   einem  Elektron  vereinigen.  Dabei  wird  das   Teilchenpaar  vernichtet  und  wandelt  sich  in  ein   Paar  von  Gammaquanten  um,  wobei  jedes  Quant   eine  Energie  von  0,511  MeV  hat.