Strahlendosimetrie

Der Neutronenzerfall ist eine Art radioaktiver Zerfall von Kernen, die überschüssige Neutronen (insbesondere Spaltprodukte) enthalten, bei dem ein Neutron einfach aus dem Kern ausgestoßen wird. Diese Art von Strahlung spielt eine Schlüsselrolle bei der Steuerung von Kernreaktoren , da diese Neutronen verzögerte Neutronen sind . An dieser Stelle müssen wir unterscheiden zwischen:

• Spontane Neutronenemission . Die spontane Neutronenemission ist eine Art des radioaktiven Zerfalls, bei dem ein oder mehrere Neutronen aus einem Kern ausgestoßen werden.
• Zerfall des freien Neutrons . Das freie Neutron unterliegt im Gegensatz zu einem gebundenen Neutron einem radioaktiven Beta-Zerfall (mit einer Halbwertszeit von etwa 611 Sekunden). 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).
• Induzierte Neutronenemission . Zu den Kernreaktionen zählen auch Reaktionen, bei denen ein Neutron aus dem Kern ausgestoßen wird und die als Neutronenemissionsreaktionen bezeichnet werden können . Diese Kernreaktionen sind zum Beispiel:
  • Streureaktionen
  • Kernspaltung
  • Photoneutronenemission
  • Andere Kernreaktionen (zB (alpha, n) Reaktionen)

Dieser Artikel beschreibt hauptsächlich die spontane Neutronenemission (prompter Neutronenzerfall). Dieser Zerfallsmodus tritt nur bei den am meisten neutronenreichen / protonenarmen Nukliden auf (prompter Neutronenzerfall) und auch bei angeregten Zuständen anderer Nuklide wie bei der Photoneutronenemission und der Beta-verzögerten Neutronenemission. Wie zu sehen ist, bleibt die Ordnungszahl gleich , wenn ein Kern durch Neutronenemission zerfällt , aber die Tochter wird zu einem anderen Isotop desselben Elements. Kerne, die durch diesen Modus zerfallen können, werden als jenseits der Neutronentropflinie liegend beschrieben. Zwei Beispiele für Isotope, die Neutronen emittieren, sind Beryllium-13 (Zerfall zu Beryllium-12 mit einer mittleren Lebensdauer von 2,7 × 10 ^–21 s) und Helium-5 (Helium-4, 7 × 10 ^–22 s).

Beta-verzögerte Neutronenemission – verzögerte Neutronen

Die Neutronenemission erfolgt normalerweise aus Kernen, die sich in einem angeregten Zustand befinden, wie beispielsweise dem angeregten ⁸⁷ Kr *, das aus dem Beta-Zerfall von ⁸⁷ Br erzeugt wird. Dieses Isotop hat eine Halbwertszeit von 55,6 Sekunden . Es unterliegt einem negativen Beta-Zerfall durch seine beiden Hauptzweige mit einer Emission von 2,6 MeV- und 8 MeV- Beta-Partikeln . Dieser Zerfall führt zur Bildung von ⁸⁷ Kr * und der ⁸⁷ Kr * -Kern zerfällt anschließend über zwei aufeinanderfolgende Beta-Zerfälle in das stabile Isotop ⁸⁷ Sr. Es gibt aber auch einen möglichen Weg für den ⁸⁷ Br-Kern zum Beta-Zerfall. Der ⁸⁷ Br-Kern kann Beta in einen angeregten Zustand des ⁸⁷ zerfallenKr * -Kern bei einer Energie von 5,5 MeV, was größer ist als die Bindungsenergie eines Neutrons im ^87- Kr-Kern. In diesem Fall kann der ⁸⁷ Kr * -Kern (mit einer Wahrscheinlichkeit von 2,5%) eine Neutronenemission eingehen, die zur Bildung von stabilem ^{86 führt}Kr-Isotop. Der Neutronenemissionsprozess selbst wird von der Kernkraft gesteuert und ist daher extrem schnell, manchmal als „fast augenblicklich“ bezeichnet. Der Ausstoß des Neutrons kann ein Produkt der Bewegung vieler Nukleonen sein, wird jedoch letztendlich durch die abstoßende Wirkung der Kernkraft vermittelt, die in extrem kurzen Entfernungen zwischen Nukleonen existiert. Die Lebensdauer eines ausgestoßenen Neutrons im Kern vor seiner Emission ist normalerweise vergleichbar mit der Flugzeit eines typischen Neutrons, bevor es die kleine nukleare „Potentialwanne“ verlässt, oder etwa 10 bis ²³ Sekunden. Wie zu sehen ist, wird die Emissionsrate dieser Neutronen hauptsächlich durch den Beta-Zerfall bestimmt, daher wird diese Emission als Beta-verzögerte Neutronenemission bezeichnet und ist verantwortlich für die Produktion von verzögerten Neutronen in Kernreaktoren.

Während die meisten bei der Spaltung erzeugten Neutronen sofortige Neutronen sind, sind die verzögerten Neutronen für die Reaktorsteuerung von Bedeutung. Tatsächlich ist das Vorhandensein verzögerter Neutronen unter dem Gesichtspunkt der Reaktorsteuerung vielleicht der wichtigste Aspekt des Spaltprozesses .

Siehe auch: Vorläufer verzögerter Neutronen

Interne Umwandlung ist ein elektromagnetischer Prozess, bei dem ein angeregter Kernzustand durch die direkte Emission eines seiner Atomelektronen zerfällt . Interne Konversion konkurriert mit Gamma-Emission , aber in diesem Fall führen die elektromagnetischen Multipolfelder des Kerns nicht zur Emission eines Gammastrahls, sondern die Felder interagieren direkt mit Atomelektronen.

Interner Konvertierungskoeffizient

Der interne Umwandlungskoeffizient (ICC) α kennzeichnet den Wettbewerb zwischen interner Umwandlung und Gammastrahlenemission. In einigen Fällen wird die interne Konvertierung gegenüber dem Gammazerfall bevorzugt. In anderen Fällen kann es völlig vernachlässigbar sein. Der interne Umwandlungskoeffizient ist definiert als das Verhältnis der Anzahl der internen Umwandlungszerfälle zur Anzahl der Gamma-Zerfälle. Dieser ICC ist für jede Elektronenschale (dh die K-, L- und M-Schalen usw.) so definiert, dass das Gesamtverhältnis α _total die Summe der ICCs für jede Schale ist als:

α _total = α _K + α _L + α _M = Anzahl der ICs / Anzahl der Gamma-Zerfälle

Beispielsweise emittieren beim Zerfall des angeregten Zustands bei 35 keV von ¹²⁵ Te (der durch den Zerfall von ¹²⁵ I erzeugt wird) 7% der Zerfälle Gammastrahlen, während 93% Konversionselektronen emittieren. Daher ist ein interner Umwandlungskoeffizient dieses angeregten Zustands ( ¹²⁵ Te) ICC = 93/7 = 13,3.

Mit dem Band-Raman-Rechner für den internen Umwandlungskoeffizienten können die ICCs nach den Prinzipien der Atomphysik berechnet werden, da sie in erster Linie von der Dichte der Atomelektronen im Zentrum des Kerns abhängen. Bei zunehmender Ordnungszahl (Z) und abnehmender Gammastrahlenenergie wird beobachtet, dass die internen Umwandlungskoeffizienten zunehmen.

Interne Umwandlung ist ein elektromagnetischer Prozess, bei dem ein angeregter Kernzustand durch die direkte Emission eines seiner Atomelektronen zerfällt . Es ist zu beachten, dass die energiereichen Elektronen, die aus der internen Umwandlung resultieren, nicht als Betateilchen bezeichnet werden, da letztere aus dem Betazerfall stammen, wo sie im nuklearen Zerfallsprozess neu erzeugt werden. Diese Elektronen sind als interne Konversionselektronen bekannt .

Die Energie der internen Konversionselektronen (ICE) ist die Übergangsenergie E- _Übergang abzüglich der Bindungsenergie des _{Umlaufelektronen} E _b.e. , wie:

Beispielsweise ist ²⁰³ Hg ein beta-radioaktives Nuklid, das ein kontinuierliches Beta-Spektrum mit einer maximalen Energie von 214 keV erzeugt. Dieser Zerfall erzeugt einen angeregten Zustand des Tochterkerns ²⁰³ Tl, der dann sehr schnell (~ 10 ^–10 s) in seinen Grundzustand zerfällt und einen Gammastrahl mit einer Energie von 279,2 keV oder ein internes Konversionselektronen emittiert . Wenn wir ein Spektrum von Betateilchen analysieren, können wir das typische kontinuierliche Spektrum von Betateilchen sowie enge Peaks bei bestimmten Energien erkennen . Diese Peaks werden durch interne Konversionselektronen (ICE) erzeugt. Da die Bindungsenergie der K-Elektronen in ²⁰³Tl beträgt 85,5 keV, die K-Leitung hat eine Energie von:

T _e (K) = 279,2 bis 85,5 = 194 keV

Aufgrund geringerer Bindungsenergien haben die L- und M-Linien höhere Energien. Da der interne Umwandlungsprozess mit jedem der Orbitalelektronen interagieren kann, ist das Ergebnis ein Spektrum von internen Umwandlungselektronen, das dem Elektronenenergiespektrum der Beta-Emission überlagert ist. Diese relativen Intensitäten dieser ICE-Peaks können Aufschluss über den elektrischen Multipolcharakter des Kerns und über den Zerfallsprozess geben.

Besondere Referenz: Kenneth S. Krane. Introductory Nuclear Physics, 3. Auflage, Wiley, 1987, ISBN 978-0471805533

Theorie der internen Umwandlung

Interne Umwandlung ist ein elektromagnetischer Prozess, bei dem ein angeregter Kernzustand durch die direkte Emission eines seiner Atomelektronen zerfällt . Interne Konversion konkurriert mit Gamma-Emission , aber in diesem Fall führen die elektromagnetischen Multipolfelder des Kerns nicht zur Emission eines Gammastrahls, sondern die Felder interagieren direkt mit Atomelektronen. Im Gegensatz zum Beta-Zerfall , der von einer schwachen Kraft gesteuert wird , wird das Elektron vom radioaktiven Atom emittiert, nicht aber vom Kern. Aus diesem Grund interne Konvertierung ist immer dann möglich, wenn Gamma-Zerfall möglich ist, außer wenn das Atom vollständig ionisiert ist.

Im quantenmechanischen Modell des Elektrons gibt es eine endliche Wahrscheinlichkeit , das Elektron im Kern zu finden. Während des internen Umwandlungsprozesses soll die Wellenfunktion des K-Schalen-Elektrons (des inneren Schalen-Elektrons) das Volumen des Atomkerns durchdringen. Es ist zu beachten, dass typische Kernradien in der Größenordnung von 10 bis ¹⁴ m liegen. In diesem Fall kann das Elektron an einen angeregten Kern koppeln und die Energie des Kernübergangs direkt ohne einen dazwischenliegenden Gammastrahl aufnehmen . Daher sind die meisten internen Konversionselektronen(ICE) stammen aus der K-Schale, da diese Elektronen die höchste Wahrscheinlichkeit haben, sich im Kern zu befinden. Die s-Zustände in den L-, M- und N-Schalen sind jedoch auch in der Lage, sich mit den Kernfeldern zu koppeln und ICE-Auswürfe aus diesen Schalen zu verursachen.

Die Energie der internen Konversionselektronen (ICE) ist die Übergangsenergie E- _Übergang abzüglich der Bindungsenergie des _{Umlaufelektronen} E _b.e. , wie:

Beispielsweise ist ²⁰³ Hg ein beta-radioaktives Nuklid, das ein kontinuierliches Beta-Spektrum mit einer maximalen Energie von 214 keV erzeugt. Dieser Zerfall erzeugt einen angeregten Zustand des Tochterkerns ²⁰³ Tl, der dann sehr schnell (~ 10 ^–10 s) in seinen Grundzustand zerfällt und einen Gammastrahl mit einer Energie von 279,2 keV oder ein internes Konversionselektronen emittiert . Wenn wir ein Spektrum von Betateilchen analysieren, können wir das typische kontinuierliche Spektrum von Betateilchen sowie enge Peaks bei bestimmten Energien erkennen . Diese Peaks werden durch interne Konversionselektronen (ICE) erzeugt. Da die Bindungsenergie der K-Elektronen in ²⁰³Tl beträgt 85,5 keV, die K-Leitung hat eine Energie von:

T _e (K) = 279,2 bis 85,5 = 194 keV

Aufgrund geringerer Bindungsenergien haben die L- und M-Linien höhere Energien. Da der interne Umwandlungsprozess mit jedem der Orbitalelektronen interagieren kann, ist das Ergebnis ein Spektrum von internen Umwandlungselektronen, das dem Elektronenenergiespektrum der Beta-Emission überlagert ist. Diese relativen Intensitäten dieser ICE-Peaks können Aufschluss über den elektrischen Multipolcharakter des Kerns und über den Zerfallsprozess geben.

Besondere Referenz: Kenneth S. Krane. Introductory Nuclear Physics, 3. Auflage, Wiley, 1987, ISBN 978-0471805533

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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.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.

innere Konversion

Die innere Konversion ist ein elektromagnetischer Prozess, bei dem ein angeregter Kernzustand durch die direkte Emission eines seiner Atomelektronen zerfällt . Interne Konversion konkurriert mit Gamma-Emission , aber in diesem Fall führen die elektromagnetischen Multipolfelder des Kerns nicht zur Emission eines Gammastrahls, sondern die Felder interagieren direkt mit Atomelektronen. Im Gegensatz zum Beta-Zerfall , der von einer schwachen Kraft gesteuert wird , wird das Elektron vom radioaktiven Atom emittiert, nicht aber vom Kern. Aus diesem Grund die innere Konversion ist immer dann möglich, wenn Gamma-Zerfall möglich ist, außer wenn das Atom vollständig ionisiert ist.

Es ist zu beachten, dass die energiereichen Elektronen, die aus der innere Konversion resultieren, nicht als Betateilchen bezeichnet werden, da letztere aus dem Betazerfall stammen, wo sie im nuklearen Zerfallsprozess neu erzeugt werden.

Wie man sehen kann, wenn ein Kern Zerfälle über innere Konversion , Atom- und Massenzahlen von Tochterkern gleich bleiben, aber Tochterkern unterschiedlichen Energiezustand des gleichen Elements bilden. Dies ist dem Gammazerfall sehr ähnlich, in diesem Fall wird jedoch kein Gammastrahl von einem angeregten Kern emittiert.

Da der Prozess eine Lücke in dem Elektronenenergieniveau hinterlässt, aus dem das Elektron stammt, kaskadieren die äußeren Elektronen des Atoms nach unten , um die unteren Atomniveaus zu füllen, und es werden gewöhnlich eine oder mehrere charakteristische Röntgenstrahlen emittiert. Manchmal kann Röntgenstrahlung mit einem anderen Orbitalelektronen interagieren, das aus dem Atom ausgestoßen wird. Dieses zweite ausgestoßene Elektron wird Auger-Elektron genannt . Dies ist der Elektroneneinfangung sehr ähnlich , aber im Falle der Elektroneneinfangung ändert ein Kern seine Ordnungszahl. Infolgedessen emittiert das Atom primäres hochenergetisches Elektron, charakteristische Röntgenstrahlen oder sekundäres Auger-Elektron, von denen keines aus diesem Kern stammt.

Theorie der innere Konversion

Im quantenmechanischen Modell des Elektrons gibt es eine endliche Wahrscheinlichkeit , das Elektron im Kern zu finden. Während des innere Konversionprozesses soll die Wellenfunktion des K-Schalen-Elektrons (des inneren Schalen-Elektrons) das Volumen des Atomkerns durchdringen. Es ist zu beachten, dass typische Kernradien in der Größenordnung von 10 bis ¹⁴ m liegen. In diesem Fall kann das Elektron an einen angeregten Kern koppeln und die Energie des Kernübergangs direkt ohne einen dazwischenliegenden Gammastrahl aufnehmen . Daher sind die meisten internen Konversionselektronen(ICE) stammen aus der K-Schale, da diese Elektronen die höchste Wahrscheinlichkeit haben, sich im Kern zu befinden. Die s-Zustände in den L-, M- und N-Schalen sind jedoch auch in der Lage, sich mit den Kernfeldern zu koppeln und ICE-Auswürfe aus diesen Schalen zu verursachen.

Die Energie der internen Konversionselektronen (ICE) ist die Übergangsenergie E- _Übergang abzüglich der Bindungsenergie des _{Umlaufelektronen} E _b.e. , wie:

Beispielsweise ist ²⁰³ Hg ein beta-radioaktives Nuklid, das ein kontinuierliches Beta-Spektrum mit einer maximalen Energie von 214 keV erzeugt. Dieser Zerfall erzeugt einen angeregten Zustand des Tochterkerns ²⁰³ Tl, der dann sehr schnell (~ 10 ^–10 s) in seinen Grundzustand zerfällt und einen Gammastrahl mit einer Energie von 279,2 keV oder ein internes Konversionselektronen emittiert . Wenn wir ein Spektrum von Betateilchen analysieren, können wir das typische kontinuierliche Spektrum von Betateilchen sowie enge Peaks bei bestimmten Energien erkennen . Diese Peaks werden durch interne Konversionselektronen (ICE) erzeugt. Da die Bindungsenergie der K-Elektronen in ²⁰³Tl beträgt 85,5 keV, die K-Leitung hat eine Energie von:

T _e (K) = 279,2 bis 85,5 = 194 keV

Aufgrund geringerer Bindungsenergien haben die L- und M-Linien höhere Energien. Da der innere Konversionsprozess mit jedem der Orbitalelektronen interagieren kann, ist das Ergebnis ein Spektrum von innere Konversionselektronen, das dem Elektronenenergiespektrum der Beta-Emission überlagert ist. Diese relativen Intensitäten dieser ICE-Peaks können Aufschluss über den elektrischen Multipolcharakter des Kerns und über den Zerfallsprozess geben.

Besondere Referenz: Kenneth S. Krane. Introductory Nuclear Physics, 3. Auflage, Wiley, 1987, ISBN 978-0471805533

innere Konversionskoeffizient

Der innere Konversionskoeffizient (ICC) α charakterisiert die Konkurrenz zwischen innere Konversion und Gammastrahlenemission. In einigen Fällen wird die interne Umwandlung dem Gamma-Zerfall vorgezogen. In anderen Fällen kann es völlig vernachlässigbar sein. Der innere Konversionskoeffizient ist definiert als das Verhältnis der Anzahl der innere Konversionsabfälle zur Anzahl der Gammaabfälle. Dieser ICC ist für jede Elektronenhülle (dh die K-, L- und M-Schalen usw.) so definiert, dass das Gesamtverhältnis α _total die Summe der ICCs für jede Schale ist als:

α _gesamt = α _K + α _L + α _M = Anzahl der IC / Anzahl der Gamma-Zerfälle

Beispielsweise emittieren beim Zerfall des angeregten Zustands bei 35 keV von ¹²⁵ Te (der durch den Zerfall von ¹²⁵ I erzeugt wird) 7% der Zerfälle Gammastrahlen, während 93% Konversionselektronen emittieren. Daher beträgt ein interner Konversionskoeffizient dieses angeregten Zustands ( ¹²⁵ Te) ICC = 93/7 = 13,3.

Mit dem Band-Raman-Rechner für den internen Konversionskoeffizienten können die ICCs nach Prinzipien der Atomphysik berechnet werden, da sie hauptsächlich von der Dichte der Atomelektronen im Zentrum des Kerns abhängen. Bei zunehmender Ordnungszahl (Z) und abnehmender Gammastrahlenenergie wird beobachtet, dass die internen Konversionskoeffizienten zunehmen.

Gammazerfall oder γ-Zerfall ist die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission von Gammastrahlen (hochenergetischen Photonen). Dieser Übergang ( γ-Zerfall ) kann charakterisiert werden als:

Wie zu sehen ist, bleiben Atom- und Massenzahlen des Tochterkerns gleich , wenn ein Kern Gammastrahlen aussendet , aber der Tochterkern bildet einen unterschiedlichen Energiezustand desselben Elements. Es ist zu beachten, dass Nuklide mit gleicher Protonenzahl und gleicher Massenzahl (was sie per Definition zum gleichen Isotop macht), aber in einem anderen Energiezustand als Kernisomere bezeichnet werden. Wir geben normalerweise Isomere mit einem hochgestellten m an, also: ^241m Am oder ^110m Ag.

Isomerieübergang

In bestimmten Fällen kann der angeregte Kernzustand, der auf die Emission eines Betateilchens oder einer anderen Art von Anregung folgt, eine lange Zeit (Stunden, Tage und manchmal viel länger) im metastabilen Zustand bleiben , bevor er einem Gammazerfall unterworfen wird, in dem er sich befindet gammastrahlen aussenden Diese langlebigen angeregten Kerne sind als isomere Zustände (oder Isomere ) bekannt und ihre Zerfälle werden als isomere Übergänge bezeichnet . Der Prozess des Isomerenübergangs ähnelt daher jeder Gamma-Emission, unterscheidet sich jedoch darin, dass er die intermediären metastabilen angeregten Zustände der Kerne umfasst.

Metastabile Kerne zeichnen sich häufig durch einen hohen Kernspin aus, der eine Änderung des Spins um mehrere Einheiten oder mehr mit Gamma-Zerfall anstelle eines einzigen Einheitsübergangs erfordert, der in nur ^10-12 Sekunden auftritt . Die Geschwindigkeit des Gammazerfalls wird auch verlangsamt, wenn die Anregungsenergie des Kerns gering ist. Ein Beispiel ist der Zerfall des Isomers oder des metastabilen Zustands von Protactinium:

Extrem instabile Kerne, die zerfallen, sobald sie in Kernreaktionen gebildet werden (Halbwertszeit unter 10 ^-11 s), werden im Allgemeinen nicht als Kernisomere klassifiziert. Isomerenübergänge müssen durch mehrpolige Übergänge höherer Ordnung (im Gegensatz zur Gamma-Emission durch Dipolstrahlung) auf einer längeren Zeitskala erfolgen.

Gammazerfall oder γ-Zerfall ist die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission von Gammastrahlen (hochenergetischen Photonen). Dieser Übergang ( γ-Zerfall ) kann charakterisiert werden als:

Wie zu sehen ist, bleiben Atom- und Massenzahlen des Tochterkerns gleich , wenn ein Kern Gammastrahlen aussendet , aber der Tochterkern bildet einen unterschiedlichen Energiezustand desselben Elements. Es ist zu beachten, dass Nuklide mit gleicher Protonenzahl und gleicher Massenzahl (was sie per Definition zum gleichen Isotop macht), aber in einem anderen Energiezustand als Kernisomere bezeichnet werden. Wir geben normalerweise Isomere mit einem hochgestellten m an, also: ^241m Am oder ^110m Ag.

In den meisten praktischen Laborquellen werden die angeregten Kernzustände beim Zerfall eines Elternradionuklids erzeugt, daher begleitet ein Gamma-Zerfall typischerweise andere Formen des Zerfalls , wie z. B. den Alpha- oder Betazerfall. Typischerweise enthalten Kerne nach einem Beta-Zerfall (isobarer Übergang) zu viel Energie, um sich in ihrem endgültigen stabilen oder Tochterzustand zu befinden.

Gammastrahlen sind energiereiche Photonen mit sehr kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Gammastrahlen des radioaktiven Zerfalls liegen im Energiebereich von einigen keV bis ~ 8 MeV, was den typischen Energieniveaus in Kernen mit angemessen langer Lebensdauer entspricht. Wie geschrieben wurde, werden sie durch den Zerfall von Kernen beim Übergang von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie erzeugt. Da es sich bei den Gammastrahlen im Wesentlichen nur um sehr energiereiche Photonen handelt, sind sie sehr durchdringende Materie und daher biologisch gefährlich. Gammastrahlen können Tausende von Fuß in der Luft wandern und leicht durch den menschlichen Körper gelangen.

Im Gegensatz zu alpha und beta Radioaktivität , Gamma Radioaktivität wird durch eine geregelten elektrostatische Wechselwirkung eher als eine schwache oder starke Wechselwirkung . Wie bei atomaren Übergängen trägt das Photon mindestens eine Einheit des Drehimpulses ab (das Photon, das durch das elektromagnetische Vektorfeld beschrieben wird, hat einen Drehimpuls von ħ), und der Prozess bewahrt die Parität .

Schneller Gamma-Zerfall

Wie bereits geschrieben, kann der Gammazerfall auf Kernreaktionen wie Neutroneneinfang , Kernfusion oder Kernspaltung folgen . Die meisten Kernreaktionen produzieren extrem instabile Kerne , die zerfallen, sobald sie bei Kernreaktionen gebildet werden (Halbwertszeit weniger als 10 ^-11 s) und im Allgemeinen nicht als Kernisomere klassifiziert werden. Darüber hinaus erzeugen diese Kerne gewöhnlich eine Kaskade von Gammastrahlen und die Gammastrahlenkaskade endet, wenn die gesamte überschüssige Energie des angeregten Kerns freigesetzt wird.

Beispielsweise werden nach einer Kernspaltung sofort Gammastrahlen von Spaltfragmenten emittiert. Die meisten sofortigen Gammastrahlen werden nach sofortigen Neutronen emittiert. Die Spaltreaktion setzt bei prompten Gammastrahlen etwa ~ 7 MeV und bei verzögerten Gammastrahlen zusätzlich ~ 7 MeV (für 235U ) frei. Dies ist ein erheblicher Energieanteil (~ 7% der freigesetzten Spaltungsenergie) und muss in vielen Bereichen der Reaktorkonstruktion berücksichtigt werden

Isomerer Übergang

In bestimmten Fällen kann der angeregte Kernzustand, der auf die Emission eines Beta-Partikels oder einer anderen Art von Anregung folgt, lange Zeit (Stunden, Tage und manchmal viel länger) im metastabilen Zustand bleiben , bevor er einem Gamma-Zerfall unterzogen wird, in dem sie auftreten einen Gammastrahl aussenden. Diese langlebigen angeregten Kerne sind als isomere Zustände (oder Isomere ) bekannt, und ihre Zerfälle werden als isomere Übergänge bezeichnet . Der Prozess des isomeren Übergangs ähnelt daher jeder Gamma-Emission, unterscheidet sich jedoch darin, dass er die metastabilen angeregten Zwischenzustände der Kerne umfasst.

Metastabile Kerne sind häufig durch einen hohen Kernspin gekennzeichnet, der eine Änderung des Spins von mehreren Einheiten oder mehr mit Gamma-Zerfall anstelle eines Übergangs einzelner Einheiten erfordert, der in nur 10 bis ¹² Sekunden auftritt . Die Geschwindigkeit des Gamma-Zerfalls wird auch verlangsamt, wenn die Anregungsenergie des Kerns gering ist. Ein Beispiel ist der Zerfall des Isomers oder des metastabilen Zustands von Protactinium:

Extrem instabile Kerne, die zerfallen, sobald sie bei Kernreaktionen gebildet werden (Halbwertszeit weniger als 10 ^-11 s), werden im Allgemeinen nicht als Kernisomere klassifiziert. Isomere Übergänge müssen durch Multipolübergänge höherer Ordnung (im Gegensatz zur Gamma-Emission, die durch Dipolstrahlung auftritt) auftreten, die auf einer längeren Zeitskala auftreten.

Rayleigh-Streuung – Thomson-Streuung

Rayleigh-Streuung , auch als Thomson-Streuung bekannt, ist die Niedrigenergie-Grenze der Compton-Effekt. Die kinetische Energie der Teilchen und die Photonenfrequenz ändern sich durch die Streuung nicht. Rayleigh-Streuung entsteht durch Wechselwirkung zwischen einem einfallenden Photon und einem Elektron, dessen Bindungsenergie deutlich größer ist als die des einfallenden Photons. Es wird angenommen, dass die einfallende Strahlung das Elektron in eine erzwungene Resonanzschwingung versetzt, so dass das Elektron Strahlung mit der gleichen Frequenz aber in alle Richtungen emittiert. In diesem Fall beschleunigt das elektrische Feld der einfallenden Welle (Photon) das geladene Teilchen, wodurch es wiederum Strahlung mit der gleichen Frequenz wie die einfallende Welle emittiert und somit die Welle gestreut wird. Die Rayleigh-Streuung ist bis zu 20 keV signifikant und wie die Thomson-Streuung elastisch. Der gesamte Streuquerschnitt wird zu einer Kombination der Rayleigh- und Compton-gebundenen Streuquerschnitte. Die Thomson-Streuung ist ein wichtiges Phänomen in der Plasmaphysik und wurde zuerst vom Physiker JJ Thomson erklärt. Diese Wechselwirkung ist im Bereich der Röntgenkristallographie von großer Bedeutung.

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie. Die Stärke dieser Wechselwirkungen hängt von der Energie der Röntgenstrahlen und der Elementzusammensetzung des Materials ab, nicht jedoch von den chemischen Eigenschaften, da die Röntgenphotonenenergie viel höher ist als die chemischen Bindungsenergien. Die photoelektrische Absorption dominiert bei niedrigen Röntgenenergien , während die Compton-Effekt bei höheren Energien dominiert.

• Photoelektrische Absorption
• Compton-Effekt
• Rayleigh-Streuung

Compton-Effekt von Röntgenstrahlen

Die Compton-Formel wurde 1923 in der Physical Review veröffentlicht. Compton erklärte, dass die Verschiebung der Röntgenstrahlung durch einen teilchenartigen Impuls von Photonen verursacht wird . Die Compton-Effektsformel ist die mathematische Beziehung zwischen der Wellenlängenverschiebung und dem Streuungswinkel der Röntgenstrahlen. Bei der Compton-Effekt  kollidiert das Photon der Frequenz  f mit einem ruhenden Elektron. Bei der Kollision prallt das Photon vom Elektron ab und gibt einen Teil seiner Anfangsenergie ab (gegeben durch die Plancksche Formel E = hf). Während das Elektron an Dynamik gewinnt (Masse x Geschwindigkeit), kann das  Photon seine Geschwindigkeit nicht senken. Infolge des Impulserhaltungsgesetzes muss das Photon seinen Impuls verringern, der gegeben ist durch:

Die Abnahme des Photonenimpulses muss also in eine  Abnahme der Frequenz  (Zunahme der Wellenlänge Δλ = λ ‚- λ ) übersetzt werden. Die Verschiebung der Wellenlänge nahm mit dem Streuwinkel gemäß  der Compton-Formel zu :

wobei λ  die Ausgangswellenlänge des Photons λ‘  die Wellenlänge nach der Streuung, h  die Planck – Konstante = 6,626 x 10 ^-34  Js, m _e  ist die Elektronenruhemasse (0,511 MeV) c  ist die Lichtgeschwindigkeit Θ  ist die Streuung Winkel. Die minimale Änderung der Wellenlänge ( λ ′  –  λ ) für das Photon tritt auf, wenn Θ = 0 ° (cos (Θ) = 1) und ist mindestens Null. Die maximale Änderung der Wellenlänge ( λ ′  –  λ) für das Photon tritt auf, wenn Θ = 180 ° (cos (Θ) = – 1). In diesem Fall überträgt das Photon so viel Impuls wie möglich auf das Elektron. Die maximale Änderung der Wellenlänge kann aus der Compton-Formel abgeleitet werden:

Die Größe h / m _e c ist als  Compton-Wellenlänge  des Elektrons bekannt und beträgt  2,43 × 10 ^–12 m .

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie. Die Stärke dieser Wechselwirkungen hängt von der Energie der Röntgenstrahlen und der Elementzusammensetzung des Materials ab, jedoch nicht wesentlich von den chemischen Eigenschaften, da die Röntgenphotonenenergie viel höher ist als die chemischen Bindungsenergien. Die photoelektrische Absorption dominiert bei niedrigen Energien von Röntgenstrahlen, während die Compton-Effekt bei höheren Energien dominiert.

• Photoelektrische Absorption
• Compton-Effekt
• Rayleigh-Streuung

Photoelektrische Absorption von Röntgenstrahlen

Beim photoelektrischen Effekt unterliegt ein Photon einer Wechselwirkung mit einem in einem Atom gebundenen Elektron. Bei dieser Wechselwirkung verschwindet das einfallende Photon vollständig und ein energetisches Photoelektron wird vom Atom aus einer seiner gebundenen Schalen ausgestoßen . Die kinetische Energie des ausgestoßenen Photoelektron (E _e ) ist gleich der einfallenden Photonenenergie (hν) minus der Bindungsenergie des Photoelektron in seiner ursprünglichen Hülle (E _b ).

E _e = hν-E _b

Daher Photoelektronen werden nur durch den photoelektrischen Effekt , wenn emittierten Photonen erreicht oder überschreitet einen Energieschwelle – die Bindungsenergie des Elektrons – die Austrittsarbeit des Materials. Für sehr hohe Röntgenstrahlen mit Energien von mehr als Hunderten keV führt das Photoelektron den größten Teil der einfallenden Photonenenergie ab – hν.

Bei kleinen Werten der Gammastrahlenenergie dominiert der photoelektrische Effekt . Der Mechanismus wird auch für Materialien mit hoher Ordnungszahl Z verbessert. Es ist nicht einfach, einen analytischen Ausdruck für die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption von Gammastrahlen pro Atom über alle Bereiche der Gammastrahlenenergien abzuleiten. Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption pro Masseneinheit ist ungefähr proportional zu:

τ _{(photoelektrisch)} = Konstante x Z ^N / E ^3.5

wobei Z die Ordnungszahl ist, variiert der Exponent n zwischen 4 und 5. E ist die Energie des einfallenden Photons. Die Proportionalität der Ordnungszahl Z zu höheren Leistungen ist der Hauptgrund für die Verwendung von Materialien mit hohem Z-Gehalt, wie Blei oder abgereichertes Uran in Gammastrahlenschirmen.

Obwohl die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption von Photonen im Allgemeinen mit zunehmender Photonenenergie abnimmt, gibt es scharfe Diskontinuitäten in der Querschnittskurve. Diese werden als Absoptionskanten bezeichnet.und sie entsprechen den Bindungsenergien der Elektronen aus den gebundenen Atomschalen. Für Photonen mit der Energie knapp über dem Rand reicht die Photonenenergie gerade aus, um die photoelektrische Wechselwirkung mit Elektronen aus gebundenen Schalen, beispielsweise K-Schalen, einzugehen. Die Wahrscheinlichkeit einer solchen Wechselwirkung ist knapp über dieser Kante viel größer als die von Photonen mit Energie knapp unter dieser Kante. Für Photonen unterhalb dieser Kante ist die Wechselwirkung mit Elektronen aus der K-Schale energetisch unmöglich und daher fällt die Wahrscheinlichkeit abrupt ab. Diese Kanten treten auch bei Bindungsenergien von Elektronen aus anderen Schalen (L, M, N… ..) auf.

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie