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MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Wechselwirkung und Reichweite von Strahlung Typische Energiewerte und Energieverteilungen der verschiedenen.

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1 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Wechselwirkung und Reichweite von Strahlung Typische Energiewerte und Energieverteilungen der verschiedenen Strahlungsarten α- and γ-Strahler haben scharf definierte Energien β-Strahler zeigen eine breite Energieverteilung Kenntnis von Wechselwirkung und Reichweite von Strahlung hilft sich gegen radioaktive Strahlung zu schützen

2 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Absorption von γ -Strahlung Intensität von Röntgen- und γ-Strahlung wird beim Durchgang durch Materie abgeschwächt: Abschwächungskoeffizient μ [cm -1 ] und Massenabsorptionskoeffizient μ/ρ [cm 2 /g]. Der Schwächungskoeffizient hängt sowohl vom Material, also von der Ordnungszahl der Elemente, als auch von der Photonenenergie ab.

3 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Photoeffekt: - Gammaquant wird absorbiert - Elektron wird aus Atom herausgeschlagen Compton Effekt: - Gammaquant streut an einem (freien) Elektron - Gammaquant mit niedriger Energie - Elektron Paarbildung: - Photon hoher Energie (> MeV) kann sich in der Nähe von Atom- kernen in ein Elektron-Positron Paar umwandeln - Positron = Antiteilchen des Elektrons: zerstrahlt in Materie

4 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Photoeffekt: Absorption eines Photons durch ein gebundenes Elektron und Konvertierung der γ-Energie in potentielle und kinetische Energie des Elektrons. (Atomkern sorgt für Impulserhaltung.)

5 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Compton Effekt: Streuung eines γs an einem ungebundenen Elektron, wobei das γ-Quant nicht vernichtet, sondern lediglich seine Energie geringer bzw. seine Wellenlänge größer wird: λ > λ. Maximale Energie des gestreuten Elektrons: Energie des gestreuten Gamma-Photons: Lücke zwischen Energei des einfallenden Photons und der maximalen Elektronenenergie.

6 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Compton Effekt: Streuung eines γs an einem ungebundenen Elektron, wobei das γ-Quant nicht vernichtet, sondern lediglich seine Energie geringer bzw. seine Wellenlänge größer wird: λ > λ. σ Compton

7 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Compton Effekt: Streuung eines γs an einem ungebundenen Elektron. Klein-Nishina-Formel: Vorwärtsstreuung für hochenergetische Photonen, symmetrisch um 90 0 für niederenergetische Photonen. Winkelverteilung: Intensität als Funktion von θ: MeV r 0 =2.818 fm

8 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Paarbildung: Falls E γ doppelt so groß ist wie die Ruhemasse eines Elektrons, dann kann im Feld eines Atoms ein Elektron zusammen mit seinem Antiteilchen (Positron) gebildet werden. Paarbildung für E γ >2m e c 2 =1.022MeV γ-Quant > 1 MeV Magnetfeld γsγs e-e- Blasenkammerbild

9 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Energieabh ängigkeit der Abschwächung Alle drei Effekte (Photo-, Compton- und Paarbildung) führen zur Abschwächung eines γ- bzw. Röntgenstrahls beim Durchgang durch Materie. Der jeweilige Beitrag hängt von der Photonenenergie ab: Durch Absorption wird die Intensität geschwächt, die Energie und Frequenz der γ- bzw. Röntgenstrahlung bleibt erhalten!

10 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Gamma Spektrum nach radioaktiven Zerfall γ1γ1 γ2γ2 CE γ 2 SE γ 2 DE γ keV BSc Pb X-ray γ1+γ2γ1+γ2 Pb-Box

11 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie totaler Absorptionskoeffizient: μ/ρ [cm 2 /g]

12 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Massenabsorptionsgesetz für Röntgenstrahlung Für den Röntgenbereich ist der Photoeffekt am wichtigsten. Blei absorbiert mehr als Beryllium! 82 Pb dient zur Abschirmung von Röntgen und γ-Strahlung; Bleiwesten wird vom Personal, das Umgang mit Röntgenstrahlen hat, getragen. Co-Quellen werden in dicken Blei-Kanistern transportiert. Im Gegensatz dazu: 4 Be wird häufig als Fenster in Röntgenröhren für den Durchgang von Röntgenstrahlen benutzt

13 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Massenabsorptionsgesetz μ/ρ für Röntgenstrahlung

14 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Röntgenaufnahme durch Schattenbildung bzw Absorption Knochen absorbieren mehr Strahlung als Gewebe wegen ihres hohen 20 Ca Gehaltes

15 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011

16 Wechselwirkung von α -Strahlung mit Materie α-Strahlen sind hochionisierend und verlieren sehr schnell ihre Energei beim Durchgang durch Materie durch Ionisation und Anregungen Mittlere Reichweite von α-Teilchen mit 5 MeV; 3.5cm in Luft, 23mm in Al, 43mm in Gewebe

17 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie Bethe-Bloch Formel – relativistische quantenmechanische Rechnung N a : Avogadro Konstante 6.02·10 23 mol -1 r e : klass. Elektronenradius 2.81· cm m e : Elektronenmasse ρ : Dichte abs. Materie Z : Ladungszahl abs. Materials A : Atomgewicht abs. Materials z : Ladung einlaufendes Teilchen W max : max. Energietransfer in Einzelkollision I : mittleres Ionisationspotenzial

18 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Energieverlust und Reichweite geladener Teilchen -dE/dε ist fast unabhängig vom Material für gleiche Teilchen - mittlere Reichweite für Teilchen mit kin. Energie T erhält man aus Integration: - Reichweite ist nicht exakt sondern verschmiert range straggling, da die Anzahl der Wechselwirkungen eine statistische Verteilung ist.

19 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011

20 Wechselwirkung von β -Strahlung mit Materie β-Teilchen wirken ebenfalls ionisierend, ähnlich wie α-Strahlen. Da die Masse der Elektronen und Positronen aber sehr klein ist, ist der Energieübertrag pro Stoß gering und die Reichweite entsprechend groß. Ähnlich wie bei Röntgenstrahlen gibt es zunächst nur eine Abschwächung, die bei größeren Schichtdicken in eine maximale Reichweite mündet.

21 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Wechselwirkung von β -Strahlung mit Materie Ähnlich wie β - -Strahlen werden auch β + -Strahlen auf ihrem Weg durch Materie abgeschwächt und wirken dabei ionisierend. Am Ende der Abschwächung steht allerdings die Paarvernichtung zusammen mit einem Elektron, die sehr energetische γ-Emission zur Folge hat. Positronen sind daher gefährlicher als Elektronen.

22 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Vergleich von Elektron ( β - ) und Positron ( β + ) auf ihrem Weg durch Materie

23 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Energieverlust für Elektronen und Positronen e ± haben eine Sonderstellung durch ihre geringe Masse. Sie werden bei einer Kollision signifikant abgelenkt. Zusätzlich zum Energieverlust durch Ionisation hat noch der Energieverlust durch Bremsstrahlung maßgebliche Bedeutung. Für hohe Energien ist der Energie- verlust durch Bremsstahlung

24 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2011 Typische Reichweiten von radioaktiver Strahlung in Luft Reichweite von 4 MeV α-Teilchen ca. 5cm in Luft. Reichweite von Röntgen-, γ-Strahlen und Neutronen ist sehr groß. Hier hilft nur Abschirmung oder das 1/R 2 -Gesetz. Reichweite von 1 MeV β-Teilchen ca. 4m in Luft.


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