Doç.Dr.Sema BİLGE OCAK GAZİ ÜNİVERSİTESİ

... konulu sunumlar: "Doç.Dr.Sema BİLGE OCAK GAZİ ÜNİVERSİTESİ"— Sunum transkripti:

1 Doç.Dr.Sema BİLGE OCAK GAZİ ÜNİVERSİTESİ
RADYASYON MADDE ETKİLEŞMESİ (YÜKLÜ PARÇACIKLAR) Türk Fizik Derneği VIII. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu

2 RADYASYON NEDİR? Kararsız atomlar kararlı hale geçebilmek için farklı ışınımlar yayarak başka atomlara dönüşme eğilimi gösterirler. Bu atomlara radyoaktif atom denir. Radyasyonu ortamda yol alan enerji olarak tanımlanır.

3 RADYASYON TÜRLERİ Dalga tipi radyasyon; Belli bir enerjiye
Parçacık radyasyonu; Belli bir kütle ve enerjiye sahip çok hızlı hareket eden minik parçacıkları ifade eder. Bunlar hızla giden mermilere benzerler, ancak gözle görülemeyecek kadar küçüktürler. Dalga tipi radyasyon; Belli bir enerjiye sahip ancak kütlesiz radyasyon çeşididir. Bunlar, titreşim yaparak ilerleyen elektrik ve manyetik enerji dalgalar gibidir. Görünür ışık dalga tipi radyasyonun bir çeşididir.

4 RADYASYON TÜRLERİ

5 ALFA PARÇACIKLARI Alfa parçacığı iki proton ve iki nötrondan oluşmuş bir helyum çekirdeğidir ve pozitif yüklüdür. Αlfa parçacıklarını çok küçük kalınlıklardaki maddelerle (örneğin ince bir kağıt tabaka ile) durdurmak mümkündür. Bunun sebebi, diğer radyasyon çeşitlerine göre sahip oldukları nispeten büyük elektrik yükleridir. .

6 BETA PARÇACIKLARI Çekirdekteki enerji fazlalığı çekirdek civarında,
Pozitif yüklü elektronlar ile, negatif yüklü iyonlar ise işaretiyle sembolize edilirler.

7 Radyasyon madde içinde etkileşimi ile dedekte
edilir. Nükleer ve parçacık çarpışmalarının, bozunmaların araştırılması, böyle etkileşme ürünlerinin ölçülmesi dedektörlere bağlıdır. Radyasyonun madde içerisinde etkileşmesi önemlidir. Radyasyonun dedektör maddesi ile etkileşimiyle başlar, bu etkileşimin sonucu sinyale çevrilerek kaydedilir.

8 Hassasiyet: Bir dedektör her parçacığa karşı
hassas olamaz. Enerji çözünürlüğü: Dedektör gelen parçacığın enerjisini ölçecekse bunu ne kadar hassas ölçeceği ile ilgilidir. Zaman çözünürlüğü: Sayım hızının büyüklüğü ile ilgidir. Verim: Dedektörün üzerine çarpan 100 gamadan kaçı dedekte edilebileceği ile ilgilidir.

9 RADYASYON MADDE ETKİLEŞMESİ
Herhangi bir nedenden dolayı atomdan bir elektron kopartılması veya atoma bir elektron bağlanması sonucunda atomun yük dengesi bozulur . Bu olaylara iyonizasyon, iyonizasyon sonucu oluşan atoma iyon denir. Etkileşme mekanizması parçacığın çeşidine ve enerjisine bağlı olduğu gibi girdiği ortamın atomunun proton sayısına ve yoğunluğuna bağlı olarak değişir.

10 YÜKLÜ PARÇACIKLAR Yüklü parçacıkların enerjileri, bunların madde tarafından soğurulmasının ölçülmesiyle tayin edilebilir.Genel olarak, yüklü parçacıklar madde içerisinden geçerken enerji kayıbı ve geliş doğrultularından sapmaları gibi iki ana özellikle karakterize edilirler. hafif yüklü: elektron ve pozitron ağır yüklü parçacıklar :muon, pion, proton, alfa

11 AĞIR YÜKLÜ PARÇACIKLAR
Parçacığın kinetik enerjisi atomun iyonlaşma enerjisinden Yeterince büyük ise, enerjisini yolu üzerindeki atomları iyonlaştırmak için maddeye aktarır. Bir elektron ve bir ağır parçacık arasındaki çarpışmada, ağır Parçacık ihmal edilebilir bir açıyla saptırılır. Böylece parçacık hemen hemen bir doğru yol boyunca ilerler.

12 Gelen ağır yüklü parçacık iyonizasyon enerjisinden daha büyük enerjiye sahip değilse, uyarılma durumu gerçekleşir.

13 Yüklü bir parçacık madde içerisinde bir uçtan
diğer uca geçerken, elektronlar ile çarpışmalar sonucunda enerjisini adım adım fakat sürekli kaybeder.Belli bir mesafeyi kat ettikten sonra enerjisinin tümünü kaybeder; Bu mesafeye parçacığın menzili denir Menzil parçacığın türüne , materyalin yapısına ve parçacığın enerjisine bağlıdır.

14 Bir malzeme içinden geçen yüklü parçacıkların
enerji kaybetme hızına malzemenin durdurma gücü adı verilir. Durdurma gücü iki bileşenden oluşur. a) Elektronik durdurma gücü: yüklü parçacığın malzemedeki atomik elektronlarla etkileşiminden kaynaklanır. b) Nükleer durdurma gücü, yüklü parçacığın atomun çekirdeği ile etkileşiminden kaynaklanır.

15 Herhangi bir yüklü parçacık için bir ortamın durdurma gücü,
İyonun kütlesi, yükü ve hızının, Malzemenin atom numarası ve yoğunluğunun Fonksiyonudur.

16 n: Elektron yoğunluğu durdurucu materyalin yoğunluğu
Bethe ve Bloch formülü n: Elektron yoğunluğu durdurucu materyalin yoğunluğu ze: parçacığın elektrik yükü v=βc: Parçacığın relativistik hızı m: Elektronun durgun kütle enerjisi I: İyonizasyon potansiyeli ( atom elektronların ortalama uyarılma enerjisini temsil eder.) Z:Atom sayısı A: Atom ağırlığı :durdurucu materyalin yoğunluğu

17 Örnek: Berilyum metalinin 1000 MeV enerjili alfa parçacıkları için
durdurma gücünü Bethe-Bloch formülünü kullanarak belirleyiniz. Berilyum: ρ: 1.85 g/cm3; Z=4; A=9 Bağıntısı kullanıldığında I=58 eV olarak bulunur.

18 Durdurma gücü bağıntıları saf kimyasal elementler için geçerlidir.
Bir bileşiğin veya karışımın durdurma gücü, malzemenin toplam yoğunluğuna ve karışımdaki her kimyasal elementin elektron sayısına bağlıdır.

19 İyonların madde içerisinde ilerlerken düz bir yol izlediklerini varsayarsak,herhangi bir kinetik enerji için menzil Hızları aynı iki ağır iyondan birinin bilinen menzili kullanılarak diğerinin menzili belirlenebilir.

20 Pratik menzil hesapları;
Örneğin havada ilerleyen alfalar için ( MeV cinsinden) Alfaların havadaki bilinen menzilini kullanarak saf bir element için aynı enerjideki alfaların menzili bulunabilir. Burada , alfa parçacığının atom numarası Z olan elementin içindeki menzilidir..

21 Örnek: 10 MeV enerjili bir alfa parçacığının havadaki menzili nedir?
Aynı alfa parçacığının Alüminyum içerisindeki menzili nedir?

22 İyon madde içerisinde ilerledikçe kinetik enerjisi düzgün biçimde azalır. İyonun hızı belli bir değere yaklaştıkça iki durum gözlenir. . 1) β->0, enerji kayıp hızı belirgin şekilde artar. 2)İyon yörüngesel elektronlar yakaladıkça, iyonun yük durumu azalmaya başlar ve böylece enerji kayıp hızı aniden düşer. Durmasına yakın daha çok enerji kaybederek daha çok iyonizasyon meydana getirecektir. Bu Brag eğrisi olarak bilinir. En sonunda , yüklü parçacık elektron yakalar ve durdurma gücü düşer.

23

24 HAFİF YÜKLÜ PARÇACIKLAR
Elektronlar, diğer elektronlarla çarpışmalarında büyük sapmalara uğrarlar ve düzensiz yörüngeler çizerler.Böylece, menzil (madde içinde gidebilen doğrusal uzaklık) elektronların takip ettikleri yol uzunluğundan çok farklı olacaktır.

25 Elektronun bir diğer elektronla çarpışmasında ilk enerjisinin büyük bir kısmı diğer elektrona aktarılabilir Hızları yani enerjileri yüksek olan beta parçacıkları bir çekirdek alanından geçtiği zaman, radyasyon yolu ile bir enerji kaybına uğrar. Bu enerji Bremsstrahlung yada frenleme radyasyonu denilen sürekli X ışını spektrumu şeklinde görülür.

26 Elektronlar için, birim uzunluk başına kaybedilen enerji ifadesi de bethe tarafından elde edilmiştir. Çarpışmadan gelen enerji kaybı; Radyasyondan ileri gelen enerji kaybı;

27 Elektronun madde içerisindeki enerji kaybı;
Radyasyon terimi sadece yüksek enerjilerde ve ağır materyallerde önem kazanmaktadır. Elektronların veya pozitronların betaların enerjisi artırılırsa, radyasyona enerji kaybı aniden yükselecektir. Bu şekilde parçacığın enerji kaybı çarpışma-iyonizasyon enerji kaybından büyük veya yakın olacaktır.

28 Enerji kaybı dağılımı, Landau dağılımı ile temsil edilir ve yaklaşık ifadesi
, en muhtemel enerji kaybından olan sapmadır. burada :Bethe-Bloch formülündeki ortalama enerji kaybı :en muhtemel enerji kaybı :gerçek enerji kaybı

29

30 YÜKSÜZ PARÇACIKLARIN MADDE İLE ETKİLEŞİMİ

31 Gama ışınlarının madde ile etkileşmesi
Gama ışınları, elektromanyetik spektrumdaki en kısa dalga boylu ve en fazla enerjili elektromanyetik radyasyonlardır. Yüksek enerjili bir parçacığın bir başka parçacık ile çarpışması, Bir parçacık ve onun karşıt parçacığının birbirlerini yok etmesi, Radyoaktik bozunma, İvmelendirilmiş yüklü parçacıklar

32 Radyoaktif Çekirdek Parçacık-parçacık çarpışması Madde- Anti Madde Çarpışması

33 Maddenin küçük bir dx kalınlığında absorblanan dI ışın şiddeti, bu kalınlığa giren I şiddeti ile
orantılıdır. μ: gama ısınlarının enerjisine ve maddenin cinsine bağlı olan lineer soğurma katsayısıdır. I: x kalınlığını geçen gama ışınlarının şiddeti, başlangıçta gelen gama ışınının şiddeti

34 Soğurma Katsayıları Dört çeşit soğurma katsayısı bulunur. Lineer soğurma katsayısı olan μ birim kalınlık başına soğurulmayı verir ve Birim kütle başına soğurulmayı veren ifade kütle soğurma katsayısıdır. Lineer soğurma katsayısının soğurucu maddenin yoğunluğuna oranı kütle soğurma katsayısını verir. Mol başına düşen soğurma molar soğurma katsayısını vermektedir . A atomik ağırlık gr/mol

35 Atom başına soğurmayı veren ifadeye ise atomik soğurma
katsayısı denir. Kütle soğurma katsayısı ile bir tek atomun kütlesinin çarpımı bu ifadeyi vermektedir. n: birim hacimdeki atom sayısı

36 Fotonlar madde içerisinde ilerlerken uzun menzilli etkileşmezler
ve sadece lokal veya kesikli etkileşimler geçirirler.. Coulomb veya nükleer kuvvete maruz kalmazlar. Dolayısıyla, bir foton demeti herhangi bir malzeme içerisinde ilerlerken, etkileşim geçiren fotonlar malzemeden ayrıldıkça demetin şiddeti de azalır. Düşük enerjili fotonlar sadece bir kez etkileşir ve tek bir birincil elektron oluşturur. Yüksek enerjili fotonlar ise birkaç kez etkileşebileceğinden enerjileri tükenene kadar birkaç birincil elektron oluşturabilecektir. Yüksek enerjili fotonlar ise madde-antimadde çifti oluşturabilecek ve böylece ikincil elektronlar oluşturacaktır.

37 Demette kalan yani madde içinde etkileşmeye uğramayan fotonların enerjileri sabit kalır ve böylece belli bir malzeme kalınlığı içerisinde bir fotonun etkileşme olasılığı da fotonun enerjisi ne olursa olsun sabit kalır. Sonuç olarak; Gamma ve x-ışınlarının madde ile etkileşmelerini etkileşme tarzlarına göre; soğurma saçılma Gama ve x-ışınlarının soğurulması ve saçılması olaylarında en ağırlıklı olanlar, fotoelektrik olay, (0.01 MeV < E< 0,5 MeV ) Çift oluşumu, ( > 1.02 MeV )’ inkoherent saçılma(Compton saçılması) (0.1 MeV < E< 10 MeV ) koherent saçılmadır.

38 Fotoelektrik olay Madde üzerine düşen foton, madde atomunun bağlı elektronların bir tanesine tüm enerjisini vererek, bu elektronu yörüngesinden ayırıp serbest hale getirir. Bu olayın gerçekleşmesi için

39 Bu olayın gerçekleşmesi için;
Serbest hale geçen elektronun kinetik enerjisi Gelen fonun enerjisi Sökülen elektronun bağlanma enerjisi Bu olayda tek bir foton bir serbest elektrona dönüşür. Momentumun korunumu gereği elektronun atoma bağlı olması şarttır. Atomdan kopan elektron malzeme içinde saçılmalara uğradıkça kinetik enerjisini kaybeder.

40 Düşük atom numaralı (Z) elementlerin bağlanma enerjileri de düşük
Z arttıkça bağlanma enerjisi de artar ve böylece fotoelektrik etki de artar. Fotoelektrik olayı atomun çevresinde tüm yörüngelerde meydana gelebilir. Fotoelektrik olayı, düşük enerjilerde dış, yüksek enerjilerde ise iç yörüngelerde meydana gelmektedir.

41 Gelen bir radyasyonun, bir hedef parçacıkla belli bir biçimde etkileşme olasılığını ifade etmenin en kullanışlı yolu tesir kesiti kavramıdır. Tesir kesiti, bu etkileşmelerin gerçekleşme olasılığının bir ölçüsü olarak tanımlanır. Tesir kesiti; Tesir kesiti , foton enerjisi arttıkça hızla azalır. Tesir kesiti soğurucu malzemenin atom numarasına bağlıdır.

42 iç yörüngelerden uyarılan bir atomda meydana gelen bir boşluk üst tabakalardan elektron geçişi görülür. Ortaya çıkan enerji, bir dış yörüngedeki elektronu sökmek için kullanılırsa, ışımasız bir geçiş yapar ve fazla enerjisini dışarı atar olaya Auger olayı, sökülen elektrona da Auger elektronu denilir Auger olayı, elektronları daha gevsek bağlı ve karakteristik fotonların daha kolay soğurulduğu atom numarası düşük olan elementlerde

43 İnkoherent Saçılma Compton saçılması, Nükleer saçılma,
inkohorent saçılmada gelen ve saçılan fotonlar arasında enerji farkı vardır. Yani gelen ve saçılan fotonların dalga boyları birbirinden farklıdır. Bu saçılmada fazlar arasında bir bağlantı yoktur. Bu sebeple de saçılan dalgalar arasında bir girişim gözlenemez Compton saçılması, Nükleer saçılma, Raman saçılması.

44 COMPTON SAÇILMASI MeV mertebesindeki enerjilere doğru gidildikçe
Compton saçılması baskın duruma gelir Fotoelektrik olay K ve L tabakalarındaki elektronlarıyla ilgili Compton olayı dış tabaka elektronlarıyla ilgili Elektronun bağlanma enerjisi gelen fotonun enerjisi yanında ihmal edilecek kadar küçük olduğu durumlarda baskın olarak gelir. Compton olayının teorisinde momentum ve enerji korunumu kanunları kullanılarak oluşturulur. kanunları kullanılarak oluşturulur.

45

46 Bu olayda saçılan elektronun toplam enerjisi;
Enerji korunumu Rölativite teorisine göre toplam enerji şeklindedir.

47 Bu iki bağıntıdan elde edilir. Compton formülü

48 Elektron başına tesir kesiti 1929 yıllında Von Oskar Klein ve Y
Elektron başına tesir kesiti 1929 yıllında Von Oskar Klein ve Y.Nishina tarafından hesaplanmıştır. =E /(mec2) re=e2/40mc2 =2,18 fm ;elektronun yarıçapı Denklemi atomun elektron sayısı (Z) ile çarparsak Compton saçılmasında enerjinin bir kısmı absorbe olur, bir kısmı da sapar (saçılır), Sapma tesir kesiti

49 Absorbe tesir kesiti Raman Saçılması:Fotonun moleküller tarafından soğurulması olayıdır. Bu saçılmada, fotonu soğuran molekül, soğurmadan önce uyarılmış bir durumda değilse, gelen fotondan daha az enerjiye sahip bir foton yayınlar. Nükleer Saçılma:Bu saçılma inkoherent saçılma olarak da adlandırılabilir. Fotonun atomun çekirdeği ile etkileşmesi sonucu meydana gelmektedir. Bu saçılmanın toplam inkoherent saçılmadaki hissesi oldukça azdır

50 Koherent saçılma Koherent saçılma, fotonların atomdan, enerjilerinde bir değişiklik olmadan saçılması olarak tarif edilir. Bu saçılmada gelen fotonla saçılan fotonun dalga boyları aynıdır Rayleigh saçılması: Bu olay, gelen bir foton bağlı bir elektron üzerine düştüğünde, elektronun atomdan sökülecek kadar enerji alamadığı hallerde meydana gelir. Bu yüzden düşük foton enerjilerinde ve yüksek atom numaralı ağır elementlerde daha çok meydana gelmektedir. Büyük enerjili fotonların hafif elementlerden saçılmasında Rayleigh saçılması,Compton saçılması yanında ihmal edilebilir

51 Elastik Nükleer Saçılma: Fotonun, çekirdeğin oluşturduğu
Coulomb alanından saçılmasıdır. Bu olayda çekirdek çevresindeki durgun Coulomb alanında bir elektron-pozitron çifti oluşur. Atomun tamamen geri tepmesiyle bu çiftin yok olması enerji ve faz bakımından, gelen fotonun aynısı olan yeni bir foton meydana getirir. Thomson Saçılması: Gelen dalga tarafından çekirdek salındırılır. Çekirdeğin kütlesi çok büyük olduğundan bu etki çok küçüktür. Nükleer Rezonans Saçılma: Bu saçılma olayı, fotonun atom çekirdeği ile etkileşmesi sonucu meydana gelir.Bu olayda çekirdek iki nükleer enerji seviyesi arasındaki farka eşit enerjiye sahip olan bir fotonun soğurulması ile uyarılır.

52

53 Çift Üretimi Çift oluşumu, bir fotonun bir elektron ile bir pozitrona dönüşmesi olayıdır. Elektron ile pozitronun kütleleri ve yükleri eşit fakat yükleri zıt işaretlidir. Bir elektronun veya pozitronun durgun kütle enerjisi MeV. çift oluşumu olayının olabilmesi için foton enerjisinin en az 1.02 MeV olması gerekir

54 Gelen foton, çekirdeğin Coulomb alanı ile etkileşir ve enerjisi
bir elektron ve bir pozitron (madde-anti madde çifti) üretmeye harcanır. Coulomb alanı içerisinde enerji ve momentumun korunumu gereği, üretilen elektron ve pozitron gelen fotonun ilk doğrultusu ile küçük bir açı yaparak ileri doğru hareket ederler. Üretilen parçacık çifti, malzeme içindeki yörünge elektronları ve çekirdekler ile etkileşebilir. Tesir kesiti, artan foton enerjisi ile hızla artar ve 10 MeV üzerinde doyuma ulaşır. Bu süreç için eşik enerjisi MeV’dir. Yüksek enerjili fotonlar için baskındır.

55 Çift üretimi olayında elektrik yükü korunur.
Üretilen pozitron bir elektron ile karşılaştığında yokolma reaksiyonu gerçekleşir. Üretilen pozitron bir elektron ile karşılaştığında yokolma reaksiyonu gerçekleşir