Partículas carregadas pesadas são todos os íons energéticos com massa de uma unidade de massa atômica ou superior, como prótons, partículas alfa (núcleos de hélio) ou fragmentos de fissão . Especialmente o conhecimento da interação de fragmentos de fissão e partículas alfa deve ser bem conhecido na engenharia de reatores nucleares.
Descrição das partículas alfa
Partículas alfa são núcleos energéticos de hélio . A produção de partículas alfa é denominada decaimento alfa. As partículas alfa consistem em dois prótons e dois nêutrons unidos em uma partícula idêntica a um núcleo de hélio. As partículas alfa são relativamente grandes e carregam uma carga positiva dupla. Eles não são muito penetrantes e um pedaço de papel pode detê-los. Eles viajam apenas alguns centímetros, mas depositam todas as suas energias ao longo de seus caminhos curtos. Nos reatores nucleares, eles são produzidos, por exemplo, no combustível (decaimento alfa de núcleos pesados). As partículas alfa são comumente emitidas por todos os núcleos radioativos pesados que ocorrem na natureza ( urânio, tório ou rádio), bem como os elementos transurânicos (neptúnio, plutônio ou amerício). Partículas alfa especialmente energéticas (exceto núcleos de hélio artificialmente acelerados) são produzidas em um processo nuclear, conhecido como fissão ternária . Nesse processo, o núcleo de urânio é dividido em três partículas carregadas (fragmentos de fissão) em vez das duas normais. O menor dos fragmentos de fissão provavelmente (90% de probabilidade) é uma partícula alfa energética extra.
Descrição dos fragmentos de fissão
Fragmentos de fissão nuclear são os fragmentos deixados após as fissões do núcleo . Normalmente, quando o núcleo de urânio 235 sofre fissão, o núcleo se divide em dois núcleos menores , juntamente com alguns nêutrons e libera energia na forma de calor ( energia cinética desses fragmentos de fissão ) e raios gama. A média da massa do fragmento é de cerca de 118, mas são encontrados muito poucos fragmentos próximos a essa média. É muito mais provável que se quebre em fragmentos desiguais, e as massas de fragmentos mais prováveis são em torno da massa 95 (Krypton) e 137 (Bário).
A maioria desses fragmentos de fissão é altamente instável (radioativa) e sofre decaimentos radioativos adicionais para se estabilizar . Os fragmentos de fissão interagem fortemente com os átomos ou moléculas circundantes que viajam em alta velocidade, causando a ionização.
A maior parte da energia liberada por uma fissão (~ 160MeV do total ~ 200MeV) aparece como energia cinética dos fragmentos de fissão.
Natureza da interação de partículas carregadas com a matéria
Como a interação eletromagnética se estende por alguma distância, não é necessário que a partícula carregada leve ou pesada faça uma colisão direta com um átomo. Eles podem transferir energia simplesmente passando por perto . Partículas carregadas pesadas , como fragmentos de fissão ou partículas alfa, interagem com a matéria principalmente através de forças de coulomb entre sua carga positiva e a carga negativa dos elétrons dos orbitais atômicos. Por outro lado, a energia interna de um átomo é quantizada , portanto, apenas uma certa quantidade de energia pode ser transferida. Em geral, as partículas carregadas transferem energia principalmente por:
- Excitação. A partícula carregada pode transferir energia para o átomo, elevando os elétrons para níveis mais altos de energia.
- Ionizacao. A ionização pode ocorrer quando a partícula carregada possui energia suficiente para remover um elétron. Isso resulta na criação de pares de íons na matéria circundante.
A criação de pares requer energia, que é perdida pela energia cinética da partícula carregada, causando a desaceleração . Os íons positivos e elétrons livres criados pela passagem da partícula carregada se reunirão, liberando energia na forma de calor (por exemplo, energia vibracional ou energia rotacional dos átomos). Este é o princípio de como os fragmentos de fissão aquecem o combustível no núcleo do reator. Existem diferenças consideráveis nas formas de perda de energia e dispersão entre a passagem de partículas carregadas de luz, como pósitrons e elétrons, e partículas carregadas pesadas, como fragmentos de fissão, partículas alfa e múons. A maioria dessas diferenças se baseia nas diferentes dinâmicas do processo de colisão. Em geral, quando uma partícula pesada colide com uma partícula muito mais leve (elétrons nos orbitais atômicos), as leis da conservação de energia e momento prevêem que apenas uma pequena fração da energia da partícula maciça pode ser transferida para a partícula menos massiva. A quantidade real de energia transferida depende de quão perto as partículas carregadas passam pelo átomo e também depende das restrições da quantização dos níveis de energia.
A distância necessária para que a partícula descanse é chamada de faixa. A faixa de fragmentos de fissão em sólidos é de apenas alguns mícrons e, portanto, a maior parte da energia da fissão é convertida em calor muito próximo ao ponto de fissão. No caso de gases, o alcance aumenta para alguns centímetros , dependendo dos parâmetros do gás (densidade, tipo de gás, etc.) A trajetória de partículas carregadas pesadas não é muito afetada, porque interage com elétrons atômicos leves. Outras partículas carregadas, como as partículas alfa, se comportam de maneira semelhante com uma exceção – para partículas carregadas mais leves, os intervalos são um pouco mais longos.
Poder de parada – Bethe Formula
Uma variável conveniente que descreve as propriedades de ionização do meio circundante é o poder de parada . O poder de parada linear do material é definido como a razão entre a perda de energia diferencial da partícula dentro do material e o comprimento do caminho diferencial correspondente :
, onde T é a energia cinética da partícula carregada, non é o número de pares de elétrons-íons formados por unidade de comprimento do caminho, e I denota a energia média necessária para ionizar um átomo no meio. Para partículas carregadas, S aumenta à medida que a velocidade das partículas diminui . A expressão clássica que descreve a perda de energia específica é conhecida como fórmula de Bethe. A fórmula não-relativística foi encontrada por Hans Bethe em 1930. A versão relativística (veja abaixo) também foi encontrada por Hans Bethe em 1932.
Nesta expressão, m é a massa restante do elétron, β é igual a v / c, o que expressa a velocidade da partícula em relação à velocidade da luz, γ é o fator de Lorentz da partícula, Q é igual à sua carga, Z é a número atômico do meio en é a densidade de átomos no volume. Para partículas não relativísticas (partículas carregadas pesadas são principalmente não relativísticas), dT / dx depende de 1 / v 2 . Isso pode ser explicado pelo maior tempo que a partícula carregada gasta no campo negativo do elétron, quando a velocidade é baixa.
O poder de parada da maioria dos materiais é muito alto para partículas carregadas pesadas e essas partículas têm faixas muito curtas. Por exemplo, o alcance de uma partícula alfa de 5 MeV é de aproximadamente apenas 0,002 cm em liga de alumínio. A maioria das partículas alfa pode ser parada por uma folha de papel comum ou tecido vivo. Portanto, a blindagem das partículas alfa não representa um problema difícil, mas, por outro lado, os nuclídeos radioativos alfa podem levar a sérios riscos à saúde quando ingeridos ou inalados (contaminação interna).
Específicos dos fragmentos de fissão
A fissão fragmenta três características principais (um pouco diferentes das partículas alfa ou prótons), que influenciam a perda de energia durante a viagem pela matéria.
- Energia inicial alta. Resulta em uma grande taxa efetiva.
- Grande carga efetiva. Os fragmentos de fissão começam com a falta de muitos elétrons; portanto, sua perda específica é maior que a perda específica de alfa, por exemplo.
- Coleta imediata de elétrons. Resultados em alterações de (-dE / dx) durante a viagem.
Esses recursos resultam na diminuição contínua da carga efetiva transportada pelo fragmento de fissão à medida que o fragmento pára e na diminuição contínua de -dE / dx. A diminuição resultante em -dE / dx (do coletor de elétrons) é maior que o aumento que acompanha uma redução na velocidade. O intervalo do fragmento de fissão típico pode ser aproximadamente metade do de uma partícula alfa de 5 MeV.
Curva de Bragg
Fonte: wikipedia.org
A curva de Bragg é típica para partículas carregadas pesadas e descreve a perda de energia da radiação ionizante durante a viagem pela matéria. Para essa curva, é típico o pico de Bragg , que é o resultado da dependência de 1 / v 2 da potência de parada. Esse pico ocorre porque a seção transversal da interação aumenta imediatamente antes da partícula parar. Na maior parte da pista, a carga permanece inalterada e a perda de energia específica aumenta de acordo com o 1 / v 2 . Perto do final da pista, a carga pode ser reduzida através da coleta de elétrons e a curva pode cair.
A curva de Bragg também difere um pouco devido ao efeito de dispersão . Para um determinado material, a faixa será quase a mesma para todas as partículas do mesmo tipo com a mesma energia inicial. Como os detalhes das interações microscópicas sofridas por qualquer partícula específica variam aleatoriamente, uma pequena variação no intervalo pode ser observada. Essa variação é chamada de dispersão e é causada pela natureza estatística do processo de perda de energia, que consiste em um grande número de colisões individuais.
Esse fenômeno, descrito pela curva de Bragg, é explorado na terapia de partículas do câncer, pois permite concentrar a energia de parada no tumor, minimizando o efeito no tecido saudável circundante.
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