Was ist die Wechselwirkung schwerer geladener Teilchen mit Materie?

Stark geladene Teilchen sind alle energetischen Ionen mit einer Masse von einer Atommasseneinheit oder mehr. Das Wissen über ihre Wechselwirkung mit Materie muss bekannt sein. Strahlendosimetrie

Schwer geladene Teilchen sind alle energetischen Ionen mit einer Masse von einer Atommasseneinheit oder mehr, wie Protonen, Alpha-Teilchen (Heliumkerne) oder Spaltfragmente . Insbesondere das Wissen über die Wechselwirkung von Spaltfragmenten und Alpha-Partikeln muss bei der Konstruktion von Kernreaktoren bekannt sein.


Beschreibung der Alpha-Teilchen

Alpha-Partikel - Interaktion mit MaterieAlpha-Teilchen sind energetische Heliumkerne . Die Produktion von Alpha-Partikeln wird als Alpha-Zerfall bezeichnet. Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen , die zu einem Teilchen verbunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Alpha-Teilchen sind relativ groß und doppelt positiv geladen. Sie sind nicht sehr durchdringend und ein Stück Papier kann sie aufhalten. Sie bewegen sich nur wenige Zentimeter, geben aber auf ihren kurzen Wegen alle Energie ab. In Kernreaktoren entstehen sie beispielsweise im Brennstoff (Alpha-Zerfall schwerer Kerne). Alphateilchen werden üblicherweise von allen in der Natur vorkommenden schweren radioaktiven Kernen ( Uran) emittiert , Thorium oder Radium) sowie die transuranischen Elemente (Neptunium, Plutonium oder Americium). Insbesondere energetische Alpha-Teilchen (außer künstlich beschleunigten Heliumkernen) werden in einem Kernprozess erzeugt, der als ternäre Spaltung bekannt ist . Bei diesem Prozess wird der Urankern in drei geladene Teilchen (Spaltfragmente) anstatt in zwei normale Teilchen aufgeteilt . Das kleinste der Spaltfragmente ist höchstwahrscheinlich (mit einer Wahrscheinlichkeit von 90%) ein extraenergetisches Alphateilchen.

Ausbeuten an Spaltfragmenten
Spaltfragmentausbeute für verschiedene Kerne. Die wahrscheinlichsten Fragmentmassen liegen bei 95 (Krypton) und 137 (Barium).

Beschreibung von Spaltfragmenten

Kernspaltfragmente sind die nach links Fragmente Kern fissions . Wenn der Urankern 235 eine Spaltung erfährt, spaltet sich der Kern typischerweise zusammen mit einigen Neutronen in zwei kleinere Kerne und setzt Energie in Form von Wärme ( kinetische Energie dieser Spaltungsfragmente ) und Gammastrahlen frei. Der Durchschnitt der Fragmentmasse liegt bei etwa 118, es werden jedoch nur sehr wenige Fragmente in der Nähe dieses Durchschnitts gefunden. Es ist viel wahrscheinlicher, in ungleiche Fragmente aufzubrechen, und die wahrscheinlichsten Fragmentmassen liegen bei Masse 95 (Krypton) und 137 (Barium).

Die meisten dieser Spaltfragmente sind hochgradig instabil (radioaktiv) und unterliegen weiteren radioaktiven Zerfällen , um sich zu stabilisieren . Spaltfragmente interagieren stark mit den umgebenden Atomen oder Molekülen, die sich mit hoher Geschwindigkeit fortbewegen, wodurch sie ionisieren.

Energie aus Uranspaltung
Energie aus Uranspaltung

Die meiste Energie, die durch eine Spaltung freigesetzt wird (~ 160 MeV von insgesamt ~ 200 MeV), erscheint als kinetische Energie der Spaltungsfragmente.

Art der Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie

Da sich die elektromagnetische Wechselwirkung über eine gewisse Entfernung erstreckt, ist es nicht erforderlich, dass das leichte oder schwer geladene Teilchen direkt mit einem Atom kollidiert. Sie können Energie übertragen, indem sie einfach in der Nähe vorbeikommen . Schwer geladene Teilchen wie Spaltfragmente oder Alpha-Teilchen interagieren mit Materie hauptsächlich durch Coulomb-Kräfte zwischen ihrer positiven Ladung und der negativen Ladung der Elektronen aus Atomorbitalen. Andererseits wird die innere Energie eines Atoms quantisiert , so dass nur eine bestimmte Energiemenge übertragen werden kann. Im Allgemeinen übertragen geladene Teilchen Energie hauptsächlich durch:

  • Erregung.  Das geladene Teilchen kann Energie auf das Atom übertragen und Elektronen auf ein höheres Energieniveau bringen.
  • Ionisation. Ionisation kann auftreten, wenn das geladene Teilchen genug Energie hat, um ein Elektron zu entfernen. Dies führt zur Bildung von Ionenpaaren in der umgebenden Materie.
Spaltfragmente
Spaltfragmente nach einer Kernspaltung. Spaltfragmente interagieren stark mit den umgebenden Atomen oder Molekülen, die sich mit hoher Geschwindigkeit fortbewegen, wodurch sie ionisieren.

Die Erzeugung von Paaren erfordert Energie, die aus der kinetischen Energie des geladenen Teilchens verloren geht und dessen Verzögerung verursacht . Die positiven Ionen und freien Elektronen, die durch den Durchgang des geladenen Teilchens entstehen, vereinigen sich dann wieder und setzen Energie in Form von Wärme frei (z. B. Schwingungsenergie oder Rotationsenergie von Atomen). Dies ist das Prinzip, wie Spaltfragmente den Brennstoff im Reaktorkern erwärmen. Es gibt erhebliche Unterschiede in der Art und Weise des Energieverlusts und der Streuung zwischen dem Durchgang von leicht geladenen Teilchen wie Positronen und Elektronen und schwer geladenen Teilchen wie Spaltfragmenten, Alpha-Teilchen und Myonen. Die meisten dieser Unterschiede beruhen auf der unterschiedlichen Dynamik des Kollisionsprozesses. Wenn ein schweres Teilchen mit einem viel leichteren Teilchen (Elektronen in den Atomorbitalen) kollidiert, sagen die Gesetze der Energie- und Impulserhaltung im Allgemeinen voraus, dass nur ein kleiner Teil der Energie des massiven Teilchens auf das weniger massive Teilchen übertragen werden kann. Die tatsächliche Menge der übertragenen Energie hängt davon ab, wie eng die geladenen Teilchen das Atom passieren, und sie hängt auch von Einschränkungen bei der Quantisierung der Energieniveaus ab.

Die Entfernung, die erforderlich ist, um das Partikel zur Ruhe zu bringen, wird als seine Reichweite bezeichnet. Der Bereich der Spaltfragmente in Festkörpern beträgt nur wenige Mikrometer , und daher wird der größte Teil der Spaltungsenergie sehr nahe am Spaltpunkt in Wärme umgewandelt Bei Gasen erhöht sich die Reichweite in Abhängigkeit von den Gasparametern (Dichte, Art des Gases usw.) auf einige Zentimeter. Die Flugbahn schwer geladener Teilchen wird nicht stark beeinflusst, da sie mit leichten Atomelektronen interagieren. Andere geladene Teilchen, wie die Alpha-Teilchen, verhalten sich mit einer Ausnahme ähnlich – bei leichteren geladenen Teilchen sind die Bereiche etwas länger.

Bremskraft – Zwischen der Formel

Eine bequeme Variable, die die Ionisationseigenschaften des umgebenden Mediums beschreibt, ist die Stoppkraft . Die lineare Stoppkraft des Materials ist definiert als das Verhältnis des differentiellen Energieverlusts für das Partikel innerhalb des Materials zur entsprechenden differentiellen Weglänge :stop_power_formula

wobei T die kinetische Energie des geladenen Teilchens ist, n Ion die Anzahl der pro Pfadlängeneinheit gebildeten Elektronen-Ionen-Paare ist und I die durchschnittliche Energie bezeichnet, die zur Ionisierung eines Atoms im Medium benötigt wird. Bei geladenen Teilchen nimmt S mit abnehmender Teilchengeschwindigkeit zu . Der klassische Ausdruck, der den spezifischen Energieverlust beschreibt, ist als Bethe-Formel bekannt. Die nicht-relativistische Formel wurde 1930 von Hans Bethe gefunden. Die relativistische Version (siehe unten) wurde 1932 auch von Hans Bethe gefunden.

stop_power_formula_2

In diesem Ausdruck ist m die Restmasse des Elektrons, β ist gleich v / c, was die Geschwindigkeit des Teilchens relativ zur Lichtgeschwindigkeit ausdrückt, γ ist der Lorentz-Faktor des Teilchens, Q ist gleich seiner Ladung, Z ist der Ordnungszahl des Mediums und n ist die Atomdichte im Volumen. Für nichtrelativistische Teilchen (stark geladene Teilchen sind meist nichtrelativistisch) ist dT / dx abhängig von 1 / v 2 . Dies kann durch die größere Zeit erklärt werden, die das geladene Teilchen im negativen Feld des Elektrons verbringt, wenn die Geschwindigkeit niedrig ist.

Die Bremskraft der meisten Materialien ist für stark geladene Partikel sehr hoch und diese Partikel haben sehr kurze Reichweiten. Beispielsweise beträgt die Reichweite eines 5-MeV-Alpha-Partikels in einer Aluminiumlegierung nur ungefähr 0,002 cm. Die meisten Alpha-Partikel können durch ein gewöhnliches Blatt Papier oder lebendes Gewebe gestoppt werden. Daher stellt die Abschirmung von Alpha-Partikeln kein schwieriges Problem dar. Andererseits können alpha-radioaktive Nuklide beim Verschlucken oder Einatmen zu ernsthaften Gesundheitsrisiken führen (interne Kontamination).

Besonderheiten von Spaltfragmenten

Die Spaltung fragmentiert drei zwei Hauptmerkmale (etwas anders als Alpha-Teilchen oder Protonen), die ihren Energieverlust während ihrer Reise durch Materie beeinflussen.

  • Hohe Anfangsenergie. Führt zu einer großen effektiven Ladung.
  • Große effektive Ladung. Die Spaltfragmente beginnen mit dem Mangel an vielen Elektronen, daher ist ihr spezifischer Verlust beispielsweise größer als der spezifische Verlust von Alpha.
  •  Sofortige Elektronenaufnahme. Führt zu Änderungen von (-dE / dx) während der Reise.

Diese Merkmale führen zu einer kontinuierlichen Abnahme der effektiven Ladung, die vom Spaltfragment getragen wird, wenn das Fragment zur Ruhe kommt, und zu einer kontinuierlichen Abnahme von -dE / dx. Die resultierende Abnahme von -dE / dx (vom Elektronenaufnahme) ist größer als die Zunahme, die mit einer Verringerung der Geschwindigkeit einhergeht. Der Bereich eines typischen Spaltfragments kann ungefähr halb so groß sein wie der eines 5-MeV-Alpha-Partikels.

Bragg-Kurve

Bragg-Kurve
Die Bragg-Kurve ist typisch für stark geladene Teilchen und zeigt den Energieverlust während ihrer Reise durch Materie.
Quelle: wikipedia.org

Die Bragg-Kurve ist typisch für stark geladene Teilchen und beschreibt den Energieverlust ionisierender Strahlung während der Bewegung durch Materie. Für diese Kurve ist typisch der Bragg-Peak , der das Ergebnis einer  1 / v 2-  Abhängigkeit  der Bremskraft ist. Dieser Peak tritt auf, weil der Querschnitt der Wechselwirkung unmittelbar vor dem Stillstand des Partikels zunimmt. Für den größten Teil der Strecke bleibt die Ladung unverändert und der spezifische Energieverlust steigt gemäß 1 / v 2 . Gegen Ende der Spur kann die Ladung durch Elektronenaufnahme reduziert werden und die Kurve kann abfallen.

Die Bragg-Kurve unterscheidet sich auch etwas aufgrund des Effekts des Streunens . Für ein bestimmtes Material ist der Bereich für alle Partikel derselben Art mit derselben Anfangsenergie nahezu gleich . Da die Details der mikroskopischen Wechselwirkungen, denen ein bestimmtes Partikel ausgesetzt ist, zufällig variieren, kann eine kleine Variation im Bereich beobachtet werden. Diese Variation wird als Straggling bezeichnet und wird durch die statistische Natur des Energieverlustprozesses verursacht, der aus einer großen Anzahl von Einzelkollisionen besteht.

Dieses Phänomen, das durch die Bragg-Kurve beschrieben wird, wird in der Partikeltherapie von Krebs ausgenutzt, da dies es ermöglicht, die Stopp-Energie auf den Tumor zu konzentrieren und gleichzeitig die Wirkung auf das umgebende gesunde Gewebe zu minimieren.


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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.net oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.