Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Promieniowanie gamma

Grafika przedstawia widma promieniowania gamma o energii 500 keV i 5 MeV, zarejestrowane w półprzewodnikowym detektorze germanowym.

Widmo zawiera charakterystyczne elementy świadczące o zajściu kolejnych procesów oddziaływania promieniowania gamma z materią - pik pełnej absorpcji, ciągły rozkład zliczeń odpowiadający oddziaływaniu Comptona, pik o energii równej energii fotonu - 511 keV oraz -1022 keV, świadczący o kreacji pary elektron‑pozyton.

Zapoznaj się z grafiką prezentującą kształt widma energii zmierzonej w detektorze promieniowania jonizującego.

RoWoUiltBGJzu
Ilustracja interaktywna 1. 1(500 keV) Ciągły obszar energii przekazanej materii detektora, rozpoczynający się od energii równej zero i sięgający niemalże energii początkowej fotonu jest efektem rozproszenia Comptona. W wyniku rozproszenia foton przekazuje cześć swojej energii elektronowi. Wielkość przekazu energii zależy od kąta rozproszenia promieniowania γ., 2. 2(500 keV) Obszar odpowiadający rozproszeniu Comptonowskiemu kończy się na maksymalnej energii jaką może oddać foton promieniowania γ w rozproszeniu Comptona, czyli w sytuacji, w której dochodzi do rozproszenia wstecznego. Punkt, w którym kończy się obszar odpowiadający rozproszeniu Comptona nosi nazwę krawędzi Comptona., 3. 3(500 keV) Wyraźnie zaznaczona "górka", żargonowo zwana pikiem, znajdująca się w obszarze energii równej energii początkowej fotonu jest wynikiem zajścia zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego. W wyniku tego procesu cała energia fotonu zostaje przekazana elektronowi znajdującemu się w materii detektora., 4. 1(5 MeV) Pik o energii równej początkowej energii fotonu jest efektem zajścia zjawiska fotoelektrycznego, czyli przekazania całej energii fotonu elektronowi., 5. 2(5 MeV) Pik o energii równej energii fotonu minus 511 keV (Eγ -511 keV) jest świadectwem zajścia kreacji pary elektron-pozyton. Powstałe cząstki mają energię kinetyczną równą energii fotonu pomniejszonej o energię potrzebną do wygenerowania pary, czyli o ich masę spoczynkową wymnożoną przez prędkość światła do kwadratu, wynoszącą 1022 keV. Spodziewalibyśmy się więc, że w wyniku tego procesu powinniśmy otrzymać wyłącznie pik o energii Eγ -1022 keV. Jednakże powstały pozyton, po zatrzymaniu, ulega anihilacji, czyli łączy się z elektronem materii detektora, w wyniku czego powstają dwa kwanty γ o energii równej 511 keV. Anihilacja jest niejako procesem odwrotnym do kreacji pary elektron-pozyton. Jeśli jeden z dwóch powstałych kwantów γ ulegnie efektowi fotoelektrycznemu otrzymamy pik o energii Eγ -1022 keV + 511 keV, czyli łącznie Eγ -511 keV., 6. 3(5 MeV) Pik o energii równej energii kwantu γ pomniejszonej o 1022 keV wynika z zajścia zjawiska kreacji pary elektron-pozyton. Powstała para ma energię kinetyczną równą energii fotonu pomniejszonej o masę spoczynkową cząstek wymnożoną przez prędkość światła do kwadratu, czyli o 1022 keV. Powstały pozyton po zatrzymaniu anihiluje z elektronem, w wyniku czego powstają dwa kwanty promieniowania γ o energii 511 keV każdy. Utracona na kreację pary elektron-pozyton energia niejako wraca do detektora. Powstałe kwanty γ mogą jednak wylecieć z detektora, czego manifestacją jest omawiany pik.
Źródło: Politechnika Warszawska Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0. Licencja: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.pl.

Multimedium bazowe przedstawia grafikę interaktywną na której widoczne są dwa wykresy, jeden nad drugim. Wykres górny przedstawia widmo promieniowania gamma w funkcji energii wyrażonej w megaelektronowoltach dla energii pięciuset kiloelektronowoltów. Oś pionowa wykresu skierowana jest w górę. Na osi pionowej zaznaczono wartości od zera do dziesięciu tysięcy oddziaływań promieniowania gamma z materią, co dwa tysiące. Oś pozioma układu skierowana jest w prawo. Na osi poziomej zaznaczono wartości od zera do sześciu dziesiątych megaelektronowolta, co jedną dziesiątą megaelektronowolta.  W układzie widoczna jest funkcja narysowana niebieską linią. Funkcja zaczyna się w początku układu współrzędnych. Dla energii mniejszych niż cztery dziesiąte megaelektronowolta ilość aktów oddziaływania promieniowania gamma z materią nie przekracza piętnastu tysięcy . Do obszaru tego przyporządkowano cyfrę jeden. Po kliknięciu lewym przyciskiem myszy cyfry jeden pojawia się informacja, że w tym obszarze energii dominującym zjawiskiem jest rozproszenia Comptona. E wyniku rozproszenia Comptona foton oddaje część swojej energii do elektronów swobodnych lub słabo związanych z jądrem atomowym. Ilość przekazanej energii zależy od kąta rozproszenia Comptona. Dla energii z zakresu od około czterech dziesiątych do czterdziestu pięciu setnych megaelektronowolta funkcja przyjmuje wartość zera aktów oddziaływania promieniowania gamma z materią. Do obszaru tego przyporządkowano cyfrę dwa. Po kliknięciu lewym przyciskiem myszy cyfry dwa pojawia się informacja, że obszar odpowiadający rozproszeniu Comptona kończy się, gdy energia przekazana przez foton do elektronu jest równa energii fotonu. Dochodzi wtedy do rozproszenia wstecznego, czyli przekazu energii przez elektron do fotonu. Wartość energii, dla której kończy się obszar oddziaływania Comptona nosi nazwę krawędzi Comptona. Dla energii pięciu dziesiątych mega elektronowolta obserwowany jest pik funkcji, w którym osiąga ona wartość około dziesięciu tysięcy aktów oddziaływania promieniowania gamma z materią. Do tej części wykresu funkcji przyporządkowana została cyfra trzy. Po kliknięciu lewym przyciskiem myszy na cyfrę trzy, pojawia się informacja, że wzrost wartości funkcji jest wynikiem występowania zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego. W wyniku tego zjawiska cała energia fotonu przekazywana jest do elektronu.  Wykres górny przedstawia widmo promieniowania gamma w funkcji energii wyrażonej w megaelektronowoltach dla energii pięciu megaelektronowoltów. Oś pionowa wykresu skierowana jest w górę. Na osi pionowej zaznaczono wartości od zera do siedmiu tysięcy oddziaływań promieniowania gamma z materią, co tysiąc. Oś pozioma układu skierowana jest w prawo. Na osi poziomej zaznaczono wartości od zera do pięciu megaelektronowoltów, jeden megaelektronowolt. W układzie widoczna jest funkcja narysowana niebieską linią. Funkcja zaczyna się w początku układu współrzędnych. Dla energii mniejszych niż cztery megaelektronowolty wartość funkcji jest prawie stała i nie przekracza sześciuset aktów oddziaływania . Dla energii czterech megaelektronowoltów na wykresie obserwowany jest pierwszy z trzech charakterystycznych pików. W pierwszym z pików wartość funkcji osiąga około pięciu tysięcy zliczonych aktów oddziaływania promieniowania gamma z materią. Pikowi temu przyporządkowano cyfrę sześć. Pik ten ma widoczny jest dla energii równej energii promieniowania gamma pomniejszonej o jeden i dwadzieścia dwie tysięczne megaelektronowolta. Pik ten związany jest z występowaniem zjawiska tworzenia para elektron myślnik pozyton. Powstała para posiada sumarycznie energię równą energii fotonu pomniejszoną o energię spoczynkową powstałych cząstek, czyli iloczyn ich mas i prędkości światła. Powstały pozyton po zatrzymaniu anihiluje z elektronem, co prowadzi do powstania dwóch kwantów promieniowania o energii pięciuset jedenastu kiloelektronowoltów. Drugi pik na wykresie funkcji obserwowany jest dla energii około czterech i pół megaelektronowolta. Dla tej wartości energii wartość funkcji osiąga prawie sześć tysięcy zliczonych oddziaływań promieniowania gamma z materią. Do piku tego przyporządkowano cyfrę pięć. Po kliknięciu lewym przyciskiem myszy cyfry pięć pojawia się informacja, że pik dla energii fotonu pięciuset jedenastu kiloelektronowoltów jest świadectwem zajścia procesu kreacji pary elektron myślnik pozyton. Powstała para posiada sumarycznie energię równą energii fotonu pomniejszoną o energię spoczynkową powstałych cząstek, czyli iloczyn ich mas i prędkości światła. Powstały pozyton po zatrzymaniu anihiluje z elektronem. Zjawisko anihilacji jest procesem odwrotnym do procesu kreacji par. Ostatni pik na wykresie funkcji obserwowany jest dla energii pięciu megaelektronowoltów. Dla tej energii wartość funkcji jest równa prawie sześć i pół tysiąca zliczeń aktów oddziaływania promieniowania gamma z materią. Do piku tego przyporządkowano cyfrę cztery. Po kliknięciu lewym przyciskiem myszy cyfry cztery pojawia się informacja, że pik o energii równej początkowej energii fotonu jest wynikiem wystąpienia zjawiska fotoelektrycznego, polegającego na przekazaniu przez foton całej energii do elektronu.

1
Polecenie 1

Pierwszy element grafiki przedstawia odpowiedź detektora na promieniowanie gamma o energii 0,5 MeV. Druga część jest odpowiedzią detektora na kwanty gamma o energii 5 MeV. Klikając w liczby od 1 do 6 dowiesz się, jaki proces odpowiada za powstanie kolejnych elementów widma. Zastanów się i odpowiedz na pytanie, jakie procesy odpowiadają za powstanie części widma zaznaczonych czerwoną ramką?

uzupełnij treść
RHLfhzsunNKxF
Ćwiczenie 1
Ćwiczenie alternatywne. Zaznacz odpowiedź poprawna: W którym z wymienionych zjawiska cała energia fotonu jest przekazywana do elektronu? Możliwe odpowiedzi: 1. Efekt Comptona, 2. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, 3. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne