Wprowadzenie

ODDZIAŁYWANIE
PROMIENIOWANIA
Z MATERIĄ
TADEUSZ HILCZER
Wykład monograficzny dla doktorantów
w semestrze zimowym
roku akad. 2011-2012
Materiały pomocnicze (notatki wykładowcy) – na prawach
rękopisu – nie do publikacji
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
2
Plan wykładu
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Wprowadzenie
Podstawowe pojęcia
Zderzenie i rozproszenie
Przewodnictwo materii
Naturalne źródła promieniowania jonizującego
Oddziaływanie promieniowania jonizującego bezpośrednio
Oddziaływanie promieniowania jonizującego pośrednio
Źródła promieniowania jonizującego
Pole promieniowania jonizującego
Detekcja promieniowania
Skutki napromieniowania materii żywej
Dozymetria medyczna
Ochrona przed promieniowaniem
Osłony przed promieniowaniem
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
3
Wprowadzenie
Wprowadzenie
• oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią:
– jest tematem interdyscyplinarnym
– interesuje nie tylko fizykę, biologię czy medycynę ale
również technikę i wiele innych dziedzin nauki
– jest dla ogólnie rozumianej przyrody zarówno pożyteczne
jak i szkodliwe
• jest przedmiotem zainteresowania również tzw. opinii
publicznej
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
5
Wprowadzenie
• promieniowanie - specyficzny sposób rozchodzenia się
energii który można opisać formalizmem falowym
• ograniczymy się do opisu oddziaływania promieniowania
jonizującego
• promieniowanie jonizujące dzieli się na:
– promieniowanie jonizujące bezpośrednio
– promieniowanie jonizujące pośrednio
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
6
Wprowadzenie
• opracowano szereg algorytmów i programów
komputerowych przybliżających oddziaływanie
promieniowania jonizującego z różnymi rodzajami materii
(biologicznej, twardej, itp.)
• ze względu na stały postęp nauki, algorytmy i programy
muszą być stale ulepszane i modyfikowane
• jest to szczególnie ważne w medycynie, stosującej
promieniowanie jonizujące w celach diagnostycznych i
terapeutycznych
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
7
Wprowadzenie
PROMIENIOWANIE X
W.C.Roentgen
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
8
Wprowadzenie
ODKRYCIE
PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
H.Becquerel
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
9
Wprowadzenie
BADANIE
PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
Maria Skłodowska-Curie
Piotr Curie
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
Początek XX wieku
10
Wprowadzenie
BADANIE
PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
Komora Curie
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
Początek XX wieku
11
Wprowadzenie
BADANIE
PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
Ernest Rutherford
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
Początek XX wieku
12
Wprowadzenie
BADANIE
PROMIENIOTWÓRCZOŚCI
Spintaryskop
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
Początek XX wieku
13
Pierwsze pomiary cyfrowe
raz
W pracowni Rutherforda
Początek XX wieku
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
14
Pierwsze pomiary cyfrowe
raz
raz
W pracowni Rutherforda
Początek XX wieku
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
15
Pierwsze pomiary cyfrowe
dwa
dwa
raz
W pracowni Rutherforda
Początek XX wieku
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
16
Pierwsze pomiary cyfrowe
trzy
trzy
W pracowni Rutherforda
Początek XX wieku
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
17
Pierwsze pomiary cyfrowe
sto
sto
raz
W pracowni Rutherforda
Początek XX wieku
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
18
Pierwsze pomiary cyfrowe
co??
dosyć, więcej nie
mogę
raz
W pracowni Rutherforda
Początek XX wieku
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
19
Pierwsze pomiary cyfrowe
raz
W pracowni Rutherforda
Początek XX wieku
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
20
Pierwszy „licznik”
Geiger, 1919
właściwy detektor
impulsy
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
21
Pierwszy układ koincydencyjny
W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928
elektrometr strunowy - 1
Licznik GM - 1
Licznik GM - 2
kamera filmowa
elektrometr strunowy - 2
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
22
Pierwszy układ koincydencyjny
W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
23
Pierwszy układ koincydencyjny
W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
24
Pierwszy układ koincydencyjny
W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928
koincydencje
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
25
Pierwszy układ koincydencyjny
W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
26
Pierwszy układ koincydencyjny
W.W.Bothe, W.Kolchoester, 1928
brak koincydencji
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie promieniowania ... (wykład monograficzny)
27
Promieniowanie
• oddziaływanie - przekaz energii pomiędzy dwoma ciałami
• oddziaływanie, jakiego doznaje materia od czynników
zewnętrznych jest rozmaite
• jednym z czynników zewnętrznych jest promieniowanie
• promieniowanie - czynniki zewnętrzne, które można opisać
procedurami falowymi
• źródło emitujące dużą liczbę określonych elementów
nazywamy źródłem promieniowania
• promieniowanie jest zbiorem emitowanych elementów
tworzących wiązkę rozchodzącą się w pewnym obszarze
przestrzeni
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
28
Promieniowanie
• Oddziaływanie materii z promieniowaniem dzielimy na
pewne grupy, czasem bardziej merytorycznie a czasem
tradycyjnie
• Energia przekazywana w akcie oddziaływania jest
dostateczna do wzbudzenia lub jonizacji napotykanych
atomów, cząstek, makrocząstek itp.
• Dzięki istnieniu rejestrowalnego wpływu określonego
promieniowania na materię, można budować detektory dla
tego promieniowania
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
29
Promieniowanie jonizujące
• Opis oddziaływania promieniowania jonizującego z materią:
– jest skomplikowany ze względu na różne możliwości
oddziaływania które zależą od cech fizycznych samego
promieniowania i materii z którą oddziałuje
– wykorzystuje zarówno mechanikę kwantową i klasyczną
oraz kwantową teorię zderzeń
– w większości przypadków wystarczy uwzględniać tylko
oddziaływania kulombowskie
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
30
Promieniowanie jonizujące
• W medycynie dla promieniowania X przyjęła się nazwa
promieniowanie jonizujące
– fizycznie - jonizacja następuje pod wpływem
oddziaływania kulombowskiego
• Międzynarodowa Komisja Jednostek Radiologicznych (ICRU1956) ustaliła podział promieniowania jonizującego na:
– promieniowanie jonizujące bezpośrednio
• lekkie (elektrony, pozytony, ...)
• ciężkie (protony, deuterony, cząstki a, ciężkie jony ...)
– promieniowanie jonizujące pośrednio
• kwanty promieniowania elektromagnetycznego
• ciężkie (neutrony, ...).
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
31
Promieniowanie jonizujące
• oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią
– zachodzi w procesach, których prawdopodobieństwo zależy
od charakterystycznych cech zarówno cząstek jak i materii
– wywołuje zmiany w warstwie elektronowej w procesie
jonizacji czy wzbudzenia
– wywołuje zmiany podobne do wywołanych przez działanie
mechaniczne, cieplne, elektryczne i inne
- oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią
biologiczną wywołuje skutki:
– których złożony mechanizm można opisać w sposób bardzo
przybliżony
– zwykle widoczne po dłuższym czasie i to na tle skutków
innych przyczyn
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
32
Hipoteza de Broglie’a
• Mechanika kwantowa pozwala przypisać:
– cząstkom materialnym własności falowe
– cząstkom falowym własności materialne
• Cząstce o masie spoczynkowej m ≠ 0 i o energii kinetycznej
E można przypisać długość fali de Broglie'a l:
h
l 
p
h
2mE
• kwantowi o masie spoczynkowej m = 0 i o energii hn można
przypisać długości fali l oraz pęd p:
c
l
hn
p
2 
l
c - prędkość światła, h – stała Plancka
Tadeusz Hilczer, wykład monograficzny
33
Zderzenie
• zderzenie - na drodze poruszającej się cząstki znajduje się
inna cząstka w ruchu lub w spoczynku i dochodzi do
oddziaływania
• zderzenie może być:
– sprężyste
– niesprężyste
• zderzenia dwu lub więcej jednakowych lub różnych cząstek
stanowią dużą i różnorodną grupę procesów zachodzących
zarówno w makro jak i mikroświecie
Rozpraszanie
• rozpraszanie - jednakowe ciała A tworzące strumień
cząstek oddziałują z dużą liczbą ciał B tworzących pewną
objętość – tarczę
• ogólny opis rozpraszania cząstek jest skomplikowany
– w wielu zagadnieniach wystarczy przybliżenie zderzenia
sprężystego
• przy opisie rozpraszania istotna jest geometria pola sił
rozpraszających
• opis rozpraszania jest stosunkowo prosty dla sił centralnych
(grawitacyjnych, kulombowskich)
Budowa materii
• budowa materii jest bardzo złożona:
– ciała materialne zbudowane są z molekuł
– molekuły zbudowane są z atomów
– atomy zbudowane są elektronów i jąder atomowych
– jądra atomowe zbudowane są nukleonów
– nukleony zbudowane kwarków
• kwarki i elektrony są (może na razie) podstawowymi
cząstkami elementarnymi
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
36
Budowa materii
• można mówić o poziomach opisu materii:
– molekularnym
– atomowym
– jądrowym
– cząstek elementarnych
• każdemu poziomowi odpowiada pewien zakres energii
oddziaływania
• opisując procesy zachodzące w przyrodzie można
ograniczyć się do odpowiedniego poziomu
– do opisu klasycznych procesów fizykochemicznych
wystarczy poziom atomowy
– do opisu zagadnień chemii jądrowej trzeba uwzględnić
poziom jądrowy
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
37
Budowa materii
• stan skupienia materii - faza fizyczna - ogólny sposób w jaki
molekuły danej substancji samorzutnie porządkują się (lub
nie)
• różne fazy fizyczne kontaktując się z sobą tworzą granice
międzyfazowe
• występowanie granic międzyfazowych jest dowodem, że
substancje występują w różnych fazach fizycznych
– tzw. kryterium mieszalności
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
38
Budowa materii
• Większość substancji może w zależności od warunków
(ciśnienia i temperatury) występować kolejno w wielu
fazach
• Woda pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym
– w temperaturze poniżej 00 C jest kryształem
– w temperaturach od 00 do 1000 C jest cieczą
– w temperaturze powyżej 1000 C jest gazem
• Przemiany substancji z jednego stanu skupienia w inny
nazywa się przemianą fazową
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
39
Budowa materii
• Otaczającą nas materię tworzą elementy:
– bardzo proste - atomy gazów szlachetnych
– bardziej złożone - np. molekuły H2
– bardzo złożone - np. molekuła DNA
• Do opisu procesów zachodzących w otaczającej nas materii
można ograniczyć się do poziomu atomowego
• Na poziomie atomowym wyróżniamy klasycznie trzy
podstawowe stany skupienia elementów materii istniejące w
określonej temperaturze i ciśnieniu
– stan stały
– stan ciekły
– stan gazowy
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
40
Budowa materii
• faza gazowa
– stan skupienia w którym cząsteczki mogą się swobodnie
przemieszczać w całej objętości zajmowanej przez gaz a
między cząsteczkami oddziaływania są bardzo słabe
oprócz tych wynikających z przypadkowych zderzeń
między nimi
– objętość zajmowana przez gaz w określonej
temperaturze i przy danym ciśnieniu jest stała
niezależnie od rodzaju cząsteczek jakie są w gazie i
zależy wyłącznie od liczby tych cząsteczek
– cząsteczki nie mają żadnego uporządkowania
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
41
Budowa materii
• fazy płynne
– płyn jest każda substancja która może płynąć
• dowolnie zmieniać swój kształt w zależności od
naczynia w którym się znajduje oraz być
przepompowywana przez rury
• płynami są
– wszystkie ciecze
– gazy
– mieszaniny różnych faz fizycznych
• piana, emulsja, zawiesina, pasta
– podstawową cechą płynów jest ich lepkość
• miara oporu wewnętrznego jaki stawia płyn
poddawany naprężeniom ścinającym zmuszającym go
do przepływu
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
42
Budowa materii
• faza ciekła
– cząsteczki mają pełną swobodę przemieszczania się w
objętości zajmowanej przez ciecz
– między cząsteczkami cieczy występują oddziaływania
niewystarczające do utworzenia stałych połączeń
– słabe oddziaływania między cząsteczkami nie znoszą się
nawzajem przy powierzchni cieczy w miejscu kontaktu
cieczy z inną fazą lub próżnią
– brak znoszenia się tych oddziaływań powoduje zjawisko
napięcia powierzchniowego
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
43
Budowa materii
• faza stała – faza krystaliczna
– molekuły lub atomy nie mają pełnej swobody
przemieszczania się w objętości zajmowanej przez
kryształ
• zajmują ściśle określone miejsca w sieci krystalicznej
• mogą jedynie drgać w obrębie zajmowanych przez
siebie miejsc
– elementy mają przestrzenne uporządkowanie dalekiego
zasięgu
– charakteryzuje się najwyższą energią oddziaływania
– elementy materii tworzą określone struktury krystaliczne
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
44
Budowa materii
• kryształ ma symetrię translacyjną która odróżnia go od ciał
amorficznych
• oddziaływania między cząsteczkami w krysztale:
– wiązania wodorowe
– słabe oddziaływania elektrostatyczne
– wiązania Van der Waalsa
– silne oddziaływania elektrostatyczne
• występujące w kryształach jonowych
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
45
Budowa materii
• w fazie stałej i ciekłej odległości między elementami są
rzędu nanometrów
– odpowiada to liczbie 1022 - 1023 elementów na 1 cm3
• w fazie gazowej w warunkach normalnych średnie
odległości pomiędzy sąsiadami są kilka razy większe
– odpowiada to liczbie około 1021 elementów na 1 cm3
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
46
Budowa materii
• radialny rozkład gęstości atomów potasu (w zależności od
odległości od wybranego atomu)
f(N) [jedn.umowne]
24
300 K
16
stan stały
8
0
0,03
340 K
0,02
0,01
stan ciekły
670 K
0
0
0,2 0,4
0,6
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
0,8
1,0 1,2 [nm]
47
Budowa materii
• w fazie stałej atomy znajdują się w określonych położeniach
– funkcja rozkładu gęstości jest dyskretna
• wynik uporządkowania dalekiego zasięgu
• w fazie ciekłej atomy rozłożone są w sposób przypadkowy
– funkcja rozkładu jest ciągła
• lokalne maksima są przejawem uporządkowania
bliskiego zasięgu
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
48
Budowa materii
• w fazie stałej
– elementy materii nie mogą się przemieszczać ze swoich
położeń równowagi (uporządkowania dalekiego zasięgu)
– podczas ogrzewania w określonej temperaturze i
ciśnieniu zachodzi przemiana fazowa ciało stałe-ciecz
• w fazie ciekłej
– elementy materii w nie posiadają uporządkowania
dalekiego zasięgu
• mogą swobodnie poruszać się i obracać
– podczas ogrzewania w określonej temperaturze i
ciśnieniu zachodzi przemiana fazowa ciecz-gaz
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
49
Budowa materii
• schemat jednorodnych trzech faz słuszny jedynie dla
molekuł prostych
faza stała
faza ciekła
faza gazowa
T
• dla materii złożonej z skomplikowanych molekuł mogą
istnieć w fazie stałej i ciekłej podstany, które rozgraniczają
określone przemiany fazowe
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
50
Budowa materii
• istnieją substancje, w których pomiędzy
– stanem stałym – kryształami molekularnymi
– a stanem ciekłym - cieczą izotropową
kryształ molekularny
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
ciecz jednorodna
51
Budowa materii
• istnieją substancje, w których pomiędzy
– stanem stałym – kryształami molekularnymi
– a stanem ciekłym - cieczą izotropową
– występuje faza pośrednia - mezofaza (ezo – pośredni)
kryształ molekularny
mezofaza
ciecz jednorodna
• mezofaza ma zarówno pewne cechy fazy stałej i fazy ciekłej
Tadeusz Hilczer - Oddziaływanie (wykład monograficzny)
52
Budowa materii
• istnieją substancje, w których pomiędzy
– stanem stałym – kryształami molekularnymi
– a stanem ciekłym - cieczą izotropową
– występuje faza pośrednia – kryształ plastyczny
kryształ molekularny
kryształ
mezofaza
plastyczny
ciecz jednorodna
• kryształ plastyczny ma zarówno pewne cechy fazy stałej i
fazy
Tadeusz
Hilczer - ciekłej
Oddziaływanie (wykład monograficzny)
53