To ciekawe

Patrząc na wizualizacje widma promieniowania elektromagnetycznego, np. taką, jak w e‑materiale „Jak definiujemy foton i jego energię?” można zauważyć, że z każdym typem promieniowania łączy się jakieś powszechnie stosowane urządzenie, wykorzystujące dany rodzaj promieniowania. Takie wizualizacje działają na wyobraźnię, niejako ,,oswajają” nas z danym rodzajem promieniowania elektromagnetycznego. Wyjątkiem jest promieniowanie γgamma, które najczęściej wizualizowane jest koniczynką, będącą symbolem radioaktywności. Promieniowanie γgamma ma owszem szerokie zastosowanie, np. w diagnostyce medycznej, jednakże wykorzystywane urządzenia są dużo mniej powszechne i znane niż, powiedzmy,  aparat do wykonywania zajęć rentgenowskich. Poniższy materiał pozwoli Ci lepiej zrozumieć, czym jest, jak powstaje i jak oddziałuje z materią promieniowanie γgamma.

Warto przeczytać

Promieniowanie γgamma jest krótkofalowym promieniowaniem elektromagnetycznym, o długości fali mniejszej niż 1 nm, co odpowiada energii fotonufotonfotonu wynoszącej ok. 1 keV.

Promieniowanie γgamma jest emitowane przez wzbudzone jądra atomowe, np. po rozpadzie promieniotwórczymrozpad promieniotwórczyrozpadzie promieniotwórczym lub reakcji jądrowej. W przyrodzie jego głównym źródłem są rozpady naturalnych izotopów promieniotwórczych oraz promieniowanie kosmicznepromieniowanie kosmicznepromieniowanie kosmiczne.

Promieniowanie γgamma jest określane jest jako jonizujące. Oznacza to, że oddziałując z materią posiada zdolność jonizacji atomów i cząsteczek. Rozróżniamy trzy główne procesy oddziaływania promieniowania γgamma z materią:

1. Efekt fotoelektryczny wewnętrzny, polegający na tym, że foton padający na materię przekazuje całą swoją energię elektronowi znajdującemu się na powłokach atomowych, odrywając go z atomów lub przenosząc na wyższy poziom energetyczny.

2. Rozpraszanie Comptonowskie (efekt Comptona), polegające na tym, że foton promieniowania γgamma przekazuje część swojej energii elektronowi (Rys. 1.). Ruch elektronu i fotonu po rozproszeniu spełnia zasadę zachowania energii i pędu. W pojedynczym akcie oddziaływania następuje zazwyczaj niewielka zmiana energii kwantu promieniowania γgamma. Zmiana energii fotonu zależy od kąta rozproszenia (θtheta), czyli kąta znajdującego się pomiędzy wektorem prędkości fotonu po rozproszeniu i przed rozproszeniem. Maksymalny przekaz energii występuje w wyniku rozproszenia wstecznego, czyli takiego, w którym foton po rozproszeniu porusza się w kierunku przeciwnym do początkowego (θtheta = 180°).

   R1YgFQCc9FPqi

   Rys. 1. Na rysunku widoczny jest schemat rozproszenia Comptona. Rozproszenie Comptona jest to przykład oddziaływania promieniowania gamma z elektronami swobodnymi lub słabo związanymi z jądrem atomowym, czyli tymi które znajdują się na powłokach elektronowych najbardziej oddalonych od jądra. Na rysunku widoczna jest z lewej strony pozioma fala biegnąca w prawo, narysowana ciągłą, falistą linią. Symbolizuje ona promieniowanie gamma propagujące się w przestrzeni. Fala w centralnej części ilustracji trafia w elektron. Po zderzeniu tym, jak kwant promieniowania alfa trafi na elektron jego tor ulega zmianie. Na rysunku przedstawiono to w postaci falki narysowanej czarną i ciągłą linią, która propaguje się w prawo i w dół. Kierunek propagacji promieniowania gamma po akcie oddziaływania z elektronem, jest odchylony od początkowego kierunku poziomego o kąt teta. Elektron, z którym oddziałuje kwant promieniowania alfa zostaje wybity z atomu i porusza się z pewną prędkością, co na rysunku zaznaczono czarną strzałką skierowaną w prawo i w górę. Po akcie oddziaływania kwantu promieniowania gamma z elektronem, energia promieniowania jest mniejsza niż energia kwantu początkowego. Dzieje się tak, ponieważ część energii promieniowania została przekazana do elektronu i zamieniona w jego energię kinetyczną. Rozproszenie Comptona jest jednym z przykładów oddziaływania promieniowania gamma, które prowadzi do osłabienia jego energii.

   

3. Kreacja par elektron - pozyton, polegająca na zmianie wysokoenergetycznego fotonu na parę cząstka‑antycząstka. Aby proces mógł zajść, energia kwantu promieniowania γgamma musi być większa od sumy mas spoczynkowych cząstek wymnożonej przez cIndeks górny 2². Masa elektronu, wyznaczona w jednostkach $\text{MeV}/c^2$ wynosi 0,51. Graniczna energia fotonu wynosi więc ok 1,02 MeV.

Prawdopodobieństwo zajścia konkretnego procesu zależy od energii fotonu promieniowania γgamma oraz od materiału, w którym następuje oddziaływanie. Rysunek 2 prezentuje wykres warunków, w których dominują poszczególne, wymienione procesy. Na osi x znajduje się energia fotonów, na osi y - liczba atomowa materiału. W przypadku materiałów o średniej i dużej liczbie atomowej, zjawisko fotoelektryczne dominuje dla niewielkich energii fotonów (poniżej ok. 1 MeV), efekt Comptona przeważa dla średnich energii fotonów (ok. 1‑5 MeV). Wysokoenergetyczne kwanty promieniowania γgamma (powyżej 5 MeV) ulegają głównie kreacji par elektron‑pozyton.

RtrhdJNjKCyEJ

Rys. 2. Ilustracja przedstawia prostokątny układ współrzędnych narysowany czarnymi liniami. Oś pionowa układu skierowana jest w górę i przedstawia liczbę atomową wielka litera Z absorbenta. Na osi pionowej układu zaznaczono wartości od zera do stu, co dwadzieścia w podziałce głównej i co dziesięć w podziałce pomocniczej. Oś pozioma układu skierowana jest w prawo i przedstawia energię fotonów wyrażoną w megaelektronowoltach, w nawiasie wielka litera M i mała litera e i wielka litera V. Na osi energii zaznaczono w skali logarytmicznej wartości: jedna dziesiąta, jeden, dziesięć i sto megaelektronowoltów. W układzie widoczny jest fragment funkcji narysowanej czarną i ciągłą linią. Funkcja dzieli dodatnią część układu na trzy części, w których opisano rodzaj dominujących procesów oddziaływania promieniowania mała grecka litera gamma z materią. Funkcja ma swój początek w początku układu współrzędnych. Początkowo wartość funkcji rośnie wykładniczo dla energii mniejszych niż jeden megaelektronowolt. Dla energii większych od około ośmiu megaelektronowoltów funkcja gwałtownie maleje, również wykładniczo do zera. Na wykresie, pole nad krzywą dla małych wartości energii fotonów opisano, jako obszar w którym dominuje proces fotoabsorpcji. Pole pod krzywą opisano, jako obszar gdzie dominuje efekt Comptona. Pole nad krzywą, dla dużych wartości energii fotonów opisano, jako obszar gdzie dominuje proces produkcji par.

Promieniowanie γgamma cechuje bardzo duża przenikliwość. Skuteczne pochłonięcie wiązki fotonów wymaga zastosowania grubych osłon, najczęściej wykonanych z ołowiu lub innego materiału o dużej gęstości i liczbie atomowej.

Słowniczek