Wechselwirkungen von Strahlung mit Materie

Inhalt Wechselwirkung von Alpha-Strahlung mit Materie Wechselwirkung von Beta-Strahlung mit Materien Wechselwirkung von Gamma-Strahlung mit Materie Wechselwirkung von Neutronen mit Materie

Wechselwirkung von Alpha-Strahlung mit Materie Anregung/Ionisierung von Elektronen Folgen: Ein Elektron kann aus der Atomhülle gelöst werden-> Ein positives Ion entsteht Das Alpha-Teilchen wird, in Abhängigkeit von der Abtrennarbeit, verlangsamt Das ausgelöste Elektron kann so energiereich sein, dass es andere Atome ionisiert (Sekundärionisation) Wenn das ionisierte Elektron nicht mehr wechselwirken kann, lagert es sich an ein anderes Atom an -> Ein negatives Ion entsteht Das positive und negative Ion bilden ein sog. Ionenpaar. Alpha-Teilchen geben ihre Energie vor allem dann ab, wenn sie schon eine gewisse Strecke zurückgelegt haben Ionisierung: Auslösen eines Elektrons aus der Atomhülle

Energieabgabe Alpha-Teilchen Die Abbildung zeigt auch, dass in Luft unter Normalbedingungen nach einer Strecke von etwa 7 cm die Alphateilchen soviel Energie abgegeben haben, dass keine Ionisierung mehr stattfindet. Es ist nach dieser Distanz auf thermische Energien abgebremst. Das Alphateilchen wird dann aus der Umgebung zwei Elektronen einfangen und als vollständiges Heliumatom weiter existieren.

Wechselwirkung von Beta-Strahlung mit Materie Ionisationseffekte, Bremsstrahlung, Anregung getroffener Atome, Streuung der Beta-Strahlung Wichtigster Effekt: Bildung von Ionenpaaren, wie bei der Alpha-Strahlung Beta-Strahlung erzeugt je zurück gelegtem Weg weniger Ionenpaare als Alpha-Strahlung  benötigt länger um ihre Energie abzugeben  Eindringtiefe ist höher im Vergleich zur Alpha-Strahlung Beta-Strahlung: locker ionisierende Strahlung, da weniger Ionenpaare pro Strecke gebildet werden Im Vergleich dazu: Alpha-Strahlung dicht ionisierende Strahlung Energie der Teilchen in MeV erzeugte Ionenpaare pro cm bei Alpha-Strahlung bei Beta-Strahlung 1 60 000 50 10 16 000 45

Röntgenbremsstrahlung bei Beta-Teilchen Beta-Teilchen können auch Energie verlieren indem sie von elektrischen Feldern beeinflusst werden zum Beispiel durch andere Atome Die verlorene Energie wird als Photon abgegeben Diese Strahlung heißt Röntgenbremsstrahlung

Wechselwirkung von Gamma-Strahlung mit Materie Vor allem drei verschiedene Wechselwirkungsprozesse in Abhängigkeit von der Energie der Strahlung Photoeffekt Compton-Effekt Paarbildung Energiebereich der Gamma-Strahlung: zw. 0,003 und 17 MeV Wechselwirkungsprozesse können sich überlagern, in der Regel dominiert aber einer der Prozesse in bestimmten Energiebereichen

Photoeffekt Dominiert bei kleinen Energien und hohen Ordnungszahlen des Absorber-Materials Ein oder mehrere Elektronen werden aus der Hülle ausgelöst Aufgrund der hohen Energie des Gamma-Quants werden hauptsächlich Elektronen aus den unteren Energieniveaus ausgelöst Das Atom wir ionisiert und das Gamma-Quant hat seine komplette Energie abgegeben Das freie Elektron wird als Photoelektron bezeichnet und gibt durch Ionisation und Anregung seine Energie an Atome in der Umgebung ab Der freie Platz in der Atom-Hülle wird von anderen Elektronen besetzt, die dabei frei werdende Energie wird als Röntgenstrahlung emittiert

Compton-Effekt Tritt vor allem bei Gamma-Quanten mittlerer Energien auf Gamma-Quant löst ein Elektron aus der äußeren Hülle, dieses Elektron heißt Comptonelektron Dabei verliert das Gamma-Quant an Energie  höhere Frequenz kleinere Wellenlänge Gleichzeitig wird das Gamma-Quant gestreut Das gestreute Gamma-Quant kann weitere Compton-Effekte auslösen, bis es durch den Photoeffekt vollständig verschwindet Die Atome an denen die Comptonstreuung stattgefunden hat sind ionisiert

Paarbildung Tritt bei hohen Energien der Strahlung auf. Mindestens erforderlich Energie: 1,022 MeV Im Feld des Atomkerns wird ein Gamm-Quant vernichtet, dabei entstehen ein Elektron und ein Positron als Paar Hat das Gamma-Quant eine höhere Energie als 1,022 MeV so wird die restliche Energie dem entstandenen Paar als kinetische Energie zur Verfügung gestellt Das Positron hat eine relativ kurze Lebensdauer und wird sich nach Abgabe der kinetischen Energie mit einem Elektron vereinen Dabei wird das Paar vernichtet und es entstehen zwei neue Gamma-Quanten mit jeweils einer Energie von 0,511 MeV(Paarvernichtung) Bei ausreichend hoher Energie können auch zwei Positronen-Elektronen-Paare entstehen

Paarbildung

Paarvernichtung

Wechselwirkung von Neutronen mit Materie Da Neutronen elektrisch neutral geladen sind, findet keine Wechselwirkung in der Atom-Hülle statt Es finden elastische(10 KeV- 1MeV) und unelastische(1 MeV- 10 MeV) Stöße im Kern statt Beim elastischen Stoß ist die Summe der Energien im Atomkern vor und nach dem Stoß gleich, es wird also keine Energie frei Beim unelastischen Stoß regt das Neutron das angestoßene Atom an und wird abgebremst Die zusätzlich vorhandene Energie im angestoßene Atom wird als Gamma-Quant frei

Neutroneneinfang Ein Atomkern nimmt das ankommende Neutron auf und wird dadurch instabil Nach kurzer Zeit bildet sich unter Aussendung geladener Teilchen und/oder Gamma-Quanten wieder ein stabiler Kern Der Neutroneneinfang ist vor allem von der Energie der Neutronen abhängig 1 n + 10 B --> 7 Li + 4 He + γ-Str 5 3 2

Quellen Hand-Out: Ionisierende Strahlung und Energieverteilungen http://www.zw-jena.de/energie/wechselwirkung.html