Strahlendosimetrie

Formen ionisierender Strahlung

Ionisierende Strahlung wird nach der Art der Teilchen oder elektromagnetischen Wellen kategorisiert, die den ionisierenden Effekt erzeugen. Diese Partikel / Wellen haben unterschiedliche Ionisationsmechanismen und können wie folgt eingeteilt werden:

• Direkt ionisierend . Geladene Teilchen ( Atomkerne, Elektronen, Positronen, Protonen, Myonen usw. ) können Atome durch fundamentale Wechselwirkung durch die Coulomb-Kraft direkt ionisieren, wenn sie über ausreichende kinetische Energie verfügen. Diese Teilchen müssen sich mit relativistischen Geschwindigkeiten bewegen, um die erforderliche kinetische Energie zu erreichen. Sogar Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt ionisieren (obwohl sie elektrisch neutral sind), die sekundäre (indirekte) Ionisierung ist jedoch viel bedeutender.
  • Alpha-Strahlung . Alphastrahlung besteht aus Alphapartikeln mit hoher Energie / Geschwindigkeit. 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.
  • Beta-Strahlung . Beta-Strahlung besteht aus freien Elektronen oder Positronen mit relativistischer Geschwindigkeit. Beta-Teilchen (Elektronen) sind viel kleiner als Alpha-Teilchen. Sie tragen eine einzelne negative Ladung. Sie sind durchdringender als Alphateilchen, aber dünnes Aluminiummetall kann sie aufhalten. Sie können mehrere Meter zurücklegen, aber an jedem Punkt auf ihrem Weg weniger Energie abgeben als Alphateilchen.
• Indirekt ionisierend . Indirekte ionisierende Strahlung ist elektrisch neutral und interagiert daher nicht stark mit Materie. Der Hauptteil der Ionisationseffekte ist auf sekundäre Ionisationen zurückzuführen.
  • Photonenstrahlung ( Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen). Photonenstrahlung besteht aus energiereichen Photonen . Diese Photonen sind Teilchen / Wellen (Welle-Teilchen-Dualität) ohne Ruhemasse oder elektrische Ladung. Sie können 10 Meter oder mehr in der Luft zurücklegen. Dies ist eine große Entfernung im Vergleich zu Alpha- oder Betateilchen. Gammastrahlen lagern jedoch weniger Energie auf ihren Wegen ab. Blei, Wasser und Beton stoppen die Gammastrahlung. Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome direkt durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt ionisieren, wobei das relativ energetische Elektron erzeugt wird. Das Sekundärelektron wird weiterhin mehrere Ionisationsereignisse erzeugen , daher ist die sekundäre (indirekte) Ionisation viel bedeutender.
  • Neutronenstrahlung . Neutronenstrahlung besteht aus freien Neutronen bei beliebigen Energien / Geschwindigkeiten. Neutronen können durch Kernspaltung oder durch den Zerfall einiger radioaktiver Atome freigesetzt werden. Neutronen haben keine elektrische Ladung und können keine direkte Ionisation verursachen. Neutronen ionisieren Materie nur indirekt . Wenn beispielsweise Neutronen auf die Wasserstoffkerne treffen, entsteht Protonenstrahlung (schnelle Protonen). Neutronen können von Teilchen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Energie bis zu Teilchen mit niedriger Geschwindigkeit und niedriger Energie (sogenannte thermische Neutronen) reichen. Neutronen können Hunderte von Fuß in der Luft ohne Interaktion reisen.

Betastrahlung

Betastrahlung besteht aus freien Elektronen oder Positronen mit relativistischen Geschwindigkeiten. Diese Partikel sind als Beta-Partikel bekannt. Beta-Teilchen sind energiereiche Hochgeschwindigkeitselektronen oder Positronen, die von bestimmten Spaltfragmenten oder von bestimmten primordialen radioaktiven Kernen wie Kalium-40 emittiert werden . Die Beta-Partikel sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Beta-Strahlen bezeichnet wird. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet . Es gibt zwei Formen des Beta-Zerfalls, den Elektronenzerfall (β− -Zerfall) und den Positronenzerfall (β + -Zerfall) . In einem Kernreaktortritt insbesondere beim β− -Zerfall auf, da das gemeinsame Merkmal der Spaltprodukte ein Überschuss an Neutronen ist ( siehe Kernstabilität ). Ein instabiles Spaltfragment mit einem Überschuss an Neutronen unterliegt einem β− Zerfall, bei dem das Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Elektronenantineutrino umgewandelt wird .

Die Form dieser Energiekurve hängt davon ab, welcher Anteil der Reaktionsenergie (Q-Wert – die durch die Reaktion freigesetzte Energiemenge) vom Elektron oder Neutrino getragen wird.

Grundmaterialien für die Abschirmung von Beta-Partikeln.

Die wichtigsten Eigenschaften der Neutronenstrahlung sind in wenigen Punkten zusammengefasst:

• Neutronen sind neutrale Teilchen – keine elektrische Nettoladung.
• Neutronen können nicht direkt Ionisation verursachen . Neutronen ionisieren Materie nur indirekt.
• Neutronen streuen sehr elastisch mit schweren Kernen . Schwere Kerne verlangsamen sehr stark ein Neutron, geschweige denn absorbieren ein schnelles Neutron.
• Neutronen können Hunderte von Fuß in der Luft ohne Interaktion reisen. Neutronenstrahlung dringt stark ein .
• Um sie aufzunehmen, müssen die Neutronen zunächst abgebremst werden. Dieser Punkt kann nur von Material erfüllt werden, das leichte Kerne enthält (z. B. Wasserstoffkerne).
• Eine Absorption von Neutronen (man würde sagen, Abschirmung) löst eine bestimmte Kernreaktion aus  (z. B. Strahlungseinfang oder sogar Spaltung ), die von einer Reihe anderer Arten von Strahlung begleitet wird . Kurz gesagt, Neutronen machen Materie radioaktiv, daher müssen wir mit Neutronen auch die anderen Arten von Strahlung abschirmen.
• Freie Neutronen (außerhalb eines Kerns) sind instabil und zerfallen durch Betazerfall. Der Zerfall des Neutrons beinhaltet die schwache Wechselwirkung und ist mit einer Quarktransformation verbunden (ein Down-Quark wird in einen Up-Quark umgewandelt).
• Die mittlere Lebensdauer eines freien Neutrons beträgt 882 Sekunden (dh die Halbwertszeit beträgt 611 Sekunden).
• Überall auf der Erde gibt es einen natürlichen Neutronenhintergrund freier Neutronen, der durch Myonen verursacht wird, die in der Atmosphäre erzeugt werden, wo hochenergetische kosmische Strahlen mit Partikeln der Erdatmosphäre kollidieren.

Beschreibung der Betateilchen

Beta-Teilchen sind energiereiche Hochgeschwindigkeitselektronen oder Positronen, die von bestimmten Spaltfragmenten oder von bestimmten primordialen radioaktiven Kernen wie Kalium-40 emittiert werden . Die Beta-Partikel sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Beta-Strahlen bezeichnet wird. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet . Es gibt zwei Formen des Beta-Zerfalls, den Elektronenzerfall (β− -Zerfall) und den Positronenzerfall (β + -Zerfall) . In einem Kernreaktor tritt insbesondere der β− -Zerfall auf, da das gemeinsame Merkmal der Spaltprodukte ein Überschuss an Neutronen ist ( siehe Kernstabilität)). Ein instabiles Spaltfragment mit einem Überschuss an Neutronen unterliegt einem β− Zerfall, bei dem das Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Elektronenantineutrino umgewandelt wird .

Beta – Zerfall oder β Zerfall stellt die Desintegration eines Mutterkerns mit einer Tochter durch die Emission des Betateilchen. Dieser Übergang ( β ^– Zerfall ) kann charakterisiert werden als:

Wenn ein Kern ein Beta-Teilchen emittiert, verliert er ein Elektron (oder Positron). In diesem Fall bleibt die Massenzahl des Tochterkerns gleich, der Tochterkern bildet jedoch ein anderes Element.

Beispiel für Beta-Zerfall

Freies Neutron

Ein freies Neutron  ist ein Neutron, das nicht an einen Kern gebunden ist. Das freie Neutron unterliegt im Gegensatz zu einem gebundenen Neutron einem  radioaktiven Betazerfall .

Es zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino (das Antimaterie-Gegenstück des Neutrinos, ein Teilchen ohne Ladung und ohne oder mit geringer Masse). Ein freies Neutron zerfällt mit einer Halbwertszeit von  etwa 611 Sekunden  (10,3 Minuten). Dieser Zerfall beinhaltet  die schwache Wechselwirkung  und ist mit einer Quarktransformation verbunden (ein Down-Quark wird in einen Up-Quark umgewandelt). Der Zerfall des Neutrons ist ein gutes Beispiel für die Beobachtungen, die zur Entdeckung des  Neutrinos geführt haben . Weil es auf diese Weise zerfällt, existiert das Neutron in der Natur nicht in seinem freien Zustand, außer unter anderen hochenergetischen Teilchen in der kosmischen Strahlung. Da freie Neutronen  elektrisch neutral sindSie durchlaufen die elektrischen Felder innerhalb der Atome ohne Wechselwirkung und interagieren mit der Materie fast ausschließlich durch relativ seltene Kollisionen mit Atomkernen.

Es muss beachtet werden, dass ein Proton im freien Raum nicht zerfallen kann . Das heißt, ein Proton kann zerfallen, aber nur innerhalb eines Kerns. Es ist auf die Erhaltung der Baryonenzahl zurückzuführen, die sich als Grundprinzip der Physik etabliert hat. Dieses Prinzip liefert die Grundlage für die Stabilität des Protons . Da das Proton das leichteste Teilchen unter allen Baryonen ist, müssten die hypothetischen Produkte seines Zerfalls Nicht-Baryonen sein.

Siehe auch: Stabilität von Protonen

Entdeckung von Neutrino

Die Untersuchung des Beta-Zerfalls lieferte den ersten physikalischen Beweis für die  Existenz des Neutrinos . Die  Entdeckung des Neutrinos  basiert auf dem  Gesetz der Energieerhaltung  während des Beta-Zerfalls.

Beta – Zerfall oder β Zerfall stellt die Desintegration eines Mutterkerns mit einer Tochter durch die Emission des Betateilchen. Dieser Übergang ( β ^– Zerfall ) kann charakterisiert werden als:

Der Beta-Zerfall wird durch die schwache Wechselwirkung bestimmt . Während der Beta – Zerfall eines von zwei nach unten Quark Veränderungen in einen up Quark durch einen W Emittieren ^– Bosonen (wegträgt , eine negative Ladung). Die W ^– Boson zerfällt dann in ein Beta – Teilchen und ein Antineutrino . Dieser Vorgang entspricht dem Vorgang, bei dem ein Neutrino mit einem Neutron interagiert.

Wie aus der Abbildung ersichtlich, ändert die schwache Wechselwirkung eine Quark-Geschmacksrichtung in eine andere. Beachten Sie, dass das Standardmodell sechs Aromen von Quarks und sechs Aromen von Leptonen zählt. Die schwache Wechselwirkung ist der einzige Vorgang, bei dem sich ein Quark in einen anderen Quark oder ein Lepton in einen anderen Lepton ändern kann (Geschmacksänderung). Weder die starke Wechselwirkung noch elektromagnetischGeschmacksänderungen zulassen. Diese Tatsache ist bei vielen Zerfällen von Kernteilchen entscheidend. In dem Fusionsprozess, der beispielsweise die Sonne antreibt, interagieren zwei Protonen über die schwache Kraft, um einen Deuteriumkern zu bilden, der weiter unter Bildung von Helium reagiert. Ohne die schwache Wechselwirkung würde das Diproton durch Protonenemission wieder in zwei ungebundene Wasserstoff-1-Protonen zerfallen. Infolgedessen würde die Sonne ohne sie nicht brennen, da die schwache Wechselwirkung die Transmutation p -> n verursacht.

Im Gegensatz zum Alpha-Zerfall existieren weder das Beta-Teilchen noch das dazugehörige Neutrino vor dem Beta-Zerfall im Zellkern, sondern entstehen beim Zerfall. Durch diesen Prozess erhalten instabile Atome ein stabileres Verhältnis von Protonen zu Neutronen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Nuklid aufgrund von Beta und anderen Zerfallsformen zerfällt, wird durch seine nukleare Bindungsenergie bestimmt. Damit entweder Elektronen- oder Positronenemissionen energetisch möglich sind, muss die Energiefreisetzung (siehe unten) oder der Q-Wert positiv sein.

Positiver Beta-Zerfall – Positronenzerfall

Beim Zerfall von Positronen emittiert ein protonenreicher Kern ein Positron ( Positronen sind Antiteilchen von Elektronen und haben die gleiche Masse wie Elektronen, jedoch eine positive elektrische Ladung) und reduziert dadurch die Kernladung um eine Einheit. In diesem Fall kann der Prozess folgendermaßen dargestellt werden: Eine Vernichtung tritt auf, wenn ein Positron mit niedriger Energie mit einem Elektron mit niedriger Energie kollidiert.

Elektroneneinfang , der auch für protonenreiche Kerne typisch ist, konkurriert mit positivem Beta-Zerfall, der für leichtere Kerne üblicher ist. Das Einfangen von Elektronen  ist der primäre Zerfallsmodus für Isotope mit unzureichender Energiedifferenz (Q <2 x 511 keV) zwischen dem Isotop und seiner voraussichtlichen Tochter, damit das Nuklid durch Emission eines Positrons zerfällt. Andererseits ist das  Einfangen von Elektronen  immer ein alternativer Zerfallsmodus für radioaktive Isotope, die genügend Energie haben, um durch Positronenemission zerfallen zu können.

Positronenwechselwirkungen

Die Coulombkräfte  , die den Hauptmechanismus des Energieverlusts für Elektronen darstellen, sind entweder für die positive oder die negative Ladung auf dem Teilchen vorhanden und bilden den Hauptmechanismus des Energieverlusts auch für Positronen. Unabhängig von der Wechselwirkung, die eine abstoßende oder anziehende Kraft zwischen dem einfallenden Teilchen und dem Orbitalelektronen (oder Atomkern) beinhaltet, sind der Impuls und der Energietransfer für Teilchen gleicher Masse  ungefähr gleich . Daher  interagieren Positronen ähnlich  mit Materie,  wenn sie energetisch sind . Die Spur von Positronen im Material ähnelt der Spur von Elektronen. Sogar ihr spezifischer Energieverlust  und ihre Reichweite  sind bei gleichen Anfangsenergien ungefähr gleich.

Am Ende ihres Weges unterscheiden sich  Positronen signifikant  von Elektronen. Wenn ein Positron (Antimaterieteilchen) zur Ruhe kommt, interagiert es mit einem Elektron (Materieteilchen), was  zur Vernichtung  der beiden Teilchen und zur vollständigen Umwandlung ihrer Ruhemasse  in reine Energie führt  (gemäß der E = mc ²  -Formel). in Form von zwei entgegengesetzt gerichteten 0,511 MeV  Gammastrahlen  ( Photonen ).

Siehe auch:  Positroneninteraktion

Siehe auch:  Abschirmung von Positronen