Was ist die Interaktion von Betastrahlung mit Materiedefinition?

Wechselwirkungen von Betastrahlung (Betateilchen) beruhen hauptsächlich auf zwei Mechanismen. Anregung und Ionisierung von Atomen und Erzeugung von Bremsstrahlung. Strahlendosimetrie

Beschreibung Beta-Partikel

Beta-Teilchen sind energiereiche, schnelle Elektronen oder Positronen, die von bestimmten Spaltfragmenten oder von bestimmten radioaktiven Urkernen wie Kalium-40 emittiert werden . Die Betateilchen sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Betastrahlen 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, weil die Spaltungsprodukte einen Überschuss an Neutronen aufweisen ( 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 Elektron-Antineutrino umgewandelt wird .

Beta-Zerfall
Beta-Zerfall des C-14-Kerns.

 

Spektrum der Beta-Partikel

Energiespektrum des Beta-Zerfalls
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.

Beim Beta-Zerfall wird entweder ein Elektron oder ein Positron emittiert. Diese Emission geht mit der Emission von Antineutrino (β-Zerfall) oder Neutrino (β + Zerfall) einher , die Energie und Impuls des Zerfalls teilen. Die Beta-Emission hat ein charakteristisches Spektrum. Dieses charakteristische Spektrum wird durch die Tatsache verursacht, dass entweder ein Neutrino oder ein Antineutrino unter Emission von Beta-Partikeln emittiert wird. Die Form dieser Energiekurve hängt davon ab, welcher Anteil der Reaktionsenergie ( Q-Wert – die durch die Reaktion freigesetzte Energiemenge) vom massiven Teilchen getragen wird. Beta-Partikel können daher mit jeder kinetischen Energie im Bereich von 0 bis Q emittiert werden . Bis 1934 hatte Enrico Fermi eine entwickeltFermi-Theorie des Beta-Zerfalls , die die Form dieser Energiekurve vorhersagte.

Art der Wechselwirkung von Beta-Strahlung mit Materie

Zusammenfassung der Arten von Interaktionen:

Vergleich von Partikeln in einer Wolkenkammer.
Vergleich von Partikeln in einer Wolkenkammer. Quelle: wikipedia.org

Die Art der Wechselwirkung einer Betastrahlung mit Materie unterscheidet sich von der Alphastrahlung , obwohl Betateilchen auch geladene Teilchen sind. Beta-Partikel haben im Vergleich zu Alpha-Partikeln eine viel geringere Masse und erreichen meist relativistische Energien . Ihre Masse entspricht der Masse der Orbitalelektronen, mit denen sie interagieren, und im Gegensatz zum Alpha-Teilchen kann ein viel größerer Teil seiner kinetischen Energie in einer einzigen Wechselwirkung verloren gehen. Da die Beta-Teilchen meist relativistische Energien erreichen, kann die nichtrelativistische Bethe-Formel nicht verwendet werden. Für hochenergetische Elektronen wurde von Bethe auch ein ähnlicher Ausdruck abgeleitetBeschreibung des spezifischen Energieverlusts durch Anregung und Ionisation (die „Kollisionsverluste“).

Modifizierte Bethe-Formel für Beta-Partikel.
Modifizierte Bethe-Formel für Beta-Partikel.

Darüber hinaus können Beta-Partikel über eine Elektron-Kern-Wechselwirkung (elastische Streuung von Kernen) interagieren , wodurch sich die Richtung der Beta-Partikel erheblich ändern kann . Daher ist ihr Weg nicht so einfach. Die Beta-Partikel folgen einem sehr Zick-Zack-Pfad durch das absorbierende Material. Dieser resultierende Partikelpfad ist länger als das lineare Eindringen (Bereich) in das Material.

Beta-Partikel unterscheiden sich von anderen stark geladenen Partikeln auch in dem Anteil an Energie, der durch den als Bremsstrahlung bekannten Strahlungsprozess verloren geht . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen beim Beschleunigen oder Abbremsen Energie ausstrahlen, und die Verzögerungsstrahlung wird als Bremsstrahlung („Bremsstrahlung“) bezeichnet .

Es gibt einen anderen Mechanismus, durch den Beta-Partikel durch die Erzeugung elektromagnetischer Strahlung Energie verlieren. Wenn sich das Beta-Teilchen schneller als die Lichtgeschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) im Material bewegt, erzeugt es eine Stoßwelle elektromagnetischer Strahlung, die als Cherenkov-Strahlung bekannt ist .

Positronen interagieren ähnlich mit Materie, wenn sie energetisch sind . Wenn das Positron zur Ruhe kommt , interagiert es mit einem negativ geladenen Elektron, was zur Vernichtung des Elektron-Positron-Paares führt.

Bremsstrahlung

Bremsstrahlung
Wenn ein Elektron beschleunigt oder abgebremst wird, sendet es Strahlung aus, verliert Energie und verlangsamt sich. Diese Verzögerungsstrahlung wird als Bremsstrahlung bezeichnet.

Die Bremsstrahlung  ist elektromagnetische Strahlung, die durch die Beschleunigung oder Verzögerung eines geladenen Teilchens erzeugt wird, wenn es durch Magnetfelder (ein Elektron durch Magnetfeld des Teilchenbeschleunigers) oder ein anderes geladenes Teilchen (ein Elektron durch einen Atomkern) abgelenkt wird . Der Name Bremsstrahlung stammt aus dem Deutschen. Die wörtliche Übersetzung lautet „Bremsstrahlung“ . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen, wenn es beschleunigt oder abgebremst wird, Energie ausstrahlen.

Die Bremsstrahlung ist eine der möglichen Wechselwirkungen von lichtgeladenen Teilchen mit Materie (insbesondere mit hohen Atomzahlen ).

Die zwei häufigsten Vorkommen von Bremsstrahlung sind:

  • Verzögerung geladener Teilchen. Wenn geladene Teilchen in ein Material eintreten, werden sie durch das elektrische Feld der Atomkerne und Atomelektronen abgebremst.
  • Beschleunigung geladener Teilchen. Wenn sich ultrarelativistisch geladene Teilchen durch Magnetfelder bewegen, müssen sie sich auf einem gekrümmten Pfad bewegen. Da sich ihre Bewegungsrichtung ständig ändert, beschleunigen sie auch und emittieren so Bremsstrahlung, in diesem Fall wird sie als Synchrotronstrahlung bezeichnet .
Bremsstrahlung vs. Ionisation
Bruchteil des Energieverlusts pro Strahlungslänge in Blei als
Funktion der Elektronen- oder Positronenenergie. Quelle: http://pdg.lbl.gov/

Da die Bremsstrahlung bei leichteren Partikeln viel stärker ist, ist dieser Effekt bei Beta-Partikeln viel wichtiger als bei Protonen, Alpha-Partikeln und schwer geladenen Kernen ( Spaltfragmenten ). Dieser Effekt kann bei Teilchenenergien unter etwa 1 MeV vernachlässigt werden , da der Energieverlust durch Bremsstrahlung sehr gering ist. Der Strahlungsverlust wird erst bei Teilchenenergien deutlich, die weit über der minimalen Ionisierungsenergie liegen. Bei relativistischen Energien ist das Verhältnis der Verlustrate durch Bremsstrahlung zur Verlustrate durch Ionisation ungefähr proportional zum Produkt der kinetischen Energie des Partikels und der Ordnungszahl des Absorbers.

Der Querschnitt der Bremsstrahlung hängt hauptsächlich von folgenden Begriffen ab:

Bremsstrahlungsquerschnittsformel

Das Verhältnis der Bremskraft der Bremsstrahlung und der Ionisationsverluste ist also:

Bremsstrahlung zu Ionisation verliert an Verhältnis

wobei E die kinetische Energie des Teilchens (Elektrons) ist, Z die mittlere Ordnungszahl des Materials ist und E ‚eine Proportionalitätskonstante ist; E ‚≈ 800 MeV . Die kinetische Energie, bei der der Energieverlust durch Bremsstrahlung gleich dem Energieverlust durch Ionisation und Anregung (Kollisionsverluste) ist, wird als kritische Energie bezeichnet . Ein weiterer Parameter ist die Strahlungslänge , definiert als die Entfernung, über die die Energie des einfallenden Elektrons allein aufgrund von Strahlungsverlusten um den Faktor 1 / e (0,37) reduziert wird. Die folgende Tabelle enthält einige typische Werte:

Tabelle der kritischen Energien und Strahlungslängen

Cherenkov-Strahlung

Die Cherenkov-Strahlung ist elektromagnetische Strahlung, die emittiert wird, wenn sich ein geladenes Teilchen (wie ein Elektron) schneller als die Phasengeschwindigkeit des Lichts in diesem Medium durch ein dielektrisches Medium bewegt . Es ähnelt der Bugwelle, die von einem Boot erzeugt wird, das schneller als die Geschwindigkeit von Wasserwellen fährt. Cherenkov-Strahlung tritt nur auf, wenn die Geschwindigkeit des Partikels höher ist als die Phasengeschwindigkeit des Lichts im Material. Selbst bei hohen Energien ist der Energieverlust durch Cherenkov-Strahlung viel geringer als der durch die anderen Mechanismen (Kollisionen, Bremsstrahlung). Es ist nach dem sowjetischen Physiker Pavel Alekseyevich Cherenkov benannt , mit dem er 1958 den Nobelpreis für Physik teilteIlya Frank und Igor Tamm für die Entdeckung der Cherenkov-Strahlung aus dem Jahr 1934.

Cherenkov-Strahlung
Quelle: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Cherenkov Strahlung im Reaktorkern.
Cherenkov Strahlung im Reaktorkern.

Cherenkov-Strahlung kann verwendet werden, um hochenergetische geladene Teilchen (insbesondere Beta-Teilchen) nachzuweisen. In Kernreaktoren oder in einem Pool abgebrannter Brennelemente werden Beta-Partikel (hochenergetische Elektronen) freigesetzt, wenn die Spaltfragmente zerfallen. Das Leuchten ist auch nach Beendigung der Kettenreaktion (im Reaktor) sichtbar. Die Cherenkov-Strahlung kann die verbleibende Radioaktivität abgebrannter Brennelemente charakterisieren und kann daher zur Messung des Brennstoffverbrauchs verwendet werden.

Positronenwechselwirkungen

Paarproduktion in der KammerDie Coulomb-Kräfte , die den Hauptmechanismus des Energieverlusts für Elektronen darstellen, sind entweder für die positive oder die negative Ladung des Partikels vorhanden und bilden den Hauptmechanismus des Energieverlusts auch für Positronen. Unabhängig davon, ob die Wechselwirkung 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 beider Teilchen und zur vollständigen Umwandlung ihrer Ruhemasse in reine Energie führt (gemäß der Formel E = mc 2 ). in Form von zwei entgegengesetzt gerichteten 0,511 MeV Gammastrahlen ( Photonen ).

Positronenvernichtung

Positronenvernichtung
Wenn ein Positron (Antimaterieteilchen) zur Ruhe kommt, interagiert es mit einem Elektron, was zur Vernichtung der beiden Teilchen und zur vollständigen Umwandlung ihrer Ruhemasse in reine Energie in Form von zwei entgegengesetzt gerichteten 0,511 MeV-Photonen führt.

Elektronen-Positronen-Vernichtung tritt auf, wenn ein negativ geladenes Elektron und ein positiv geladenes Positron kollidieren. Wenn ein niederenergetisches Elektron ein niederenergetisches Positron (Antiteilchen des Elektrons) vernichtet, können sie nur zwei oder mehr Photonen (Gammastrahlen) erzeugen. Die Erzeugung von nur einem Photon ist wegen der Erhaltung des linearen Impulses und der Gesamtenergie verboten . Die Produktion eines anderen Partikels ist ebenfalls verboten, da beide Partikel (Elektron-Positron) zusammen nicht genügend Massenenergie tragen, um schwerere Partikel zu produzieren. Wenn ein Elektron und ein Positron kollidieren, vernichten sie sich, was zur vollständigen Umwandlung ihrer Ruhemasse in reine Energie (gemäß der  Formel E = mc 2 ) in Form von zwei entgegengesetzt gerichteten 0,511 MeV-Gammastrahlen (Photonen) führt.

 + e + → γ + γ (2x 0,511 MeV)

Dieser Prozess muss eine Reihe von Erhaltungsgesetzen erfüllen, darunter:

  • Erhaltung der elektrischen Ladung. Die Nettoladung vorher und nachher ist Null.
  • Erhaltung des linearen Impulses und der Gesamtenergie. T.
  • Erhaltung des Drehimpulses.

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