Interakce ionizujícího záření

Obsah 1 Interakce elektromagnetického záření 1.1 Fotoelektrický jev 1.2 Comptonův rozptyl 1.3 Elektron-pozitronové páry 2 Interakce nabitých částic 3 Interakce nenabitých částic 3.1 Pružný rozptyl 3.2 Nepružný rozptyl 3.3 Emise nabité částice 3.4 Radiační záchyt 3.5 Jaderné štěpení 4 Odkazy 4.1 Související články 4.2 Reference 4.3 Použitá literatura 4.4 Doporučená literatura

Při průchodu ionizujícího záření hmotou dochází k interakci mezi částicemi nebo fotony záření a strukturami okolních atomů, tedy jádrem a elektronovým obalem. Samotný průběh interakce závisí na charakteru záření, jeho kinetické energii a složení látky ve které interakce probíhá.

Interakce je hodnocena ze dvou pohledů:

• z pohledu záření – změny energie, počtu částic a směru procházejícího záření;
• z pohledu prostředí – přesuny subatomárních částic a na ně navazující reakce.

Podle interakce rozdělujeme ionizující záření na:

• přímo ionizující – elektricky nabité částice – záření α, β^- a β⁺ , protony, jaderné fragmenty;
• nepřímo ionizující – elektroneutrální záření – RTG, záření γ, neutronové záření.

Polde místa interakce dělíme na:

• interagující s jádrem;
• interagující s atomovým obalem.

Celkově lze tedy ionizující záření rozdělit do tří skupin:

• eletromagnetické (fotonové) záření – RTG a γ záření;
• nabité částice – p, α, β;
• nenabité částice – neutrony.

Interakce elektromagnetického záření

K interakci dochází v jádru a jeho elektromagnetickém poli nebo v obalu atomu. Interakce obou druhů záření (RTG a γ) jsou si velmi podobné, liší se místem vzniku (RTG z obalu, γ z jádra) a frekvencí.

Celkově rozlišujeme šest typů interakcí fotonového záření s hmotou (viz tabulka). Podrobněji budou rozebrány jen tři nejvýznamnější: fotoelektrický jev, Comptonův rozptyl a tvorba elektron-pozitronových párů.

	absorbce	pružná srážka	nepružná srážka
elektronový obal	fotoelektrický jev	Rayleighův rozptyl	Comptonův rozptyl
atomové jádro	fotojaderná interakce		jaderný rezonanční rozptyl
EMG pole	tvorba elektron-pozitronových párů

Fotoelektrický jev

[editovat část] Fotoelektrický jev je jednou ze tří možných interakcí γ záření s elektronovým obalem atomu. Zpravidla má také foton nejslabší energii z těchto tří interakcí.

Při energiích do 100 keV může záření γ interagovat s elektrony atomů tzv. fotoelektrickým jevem. Ten nastává v případě, pokud záření γ předá celou svou energii volnému elektronu, nebo elektronu z elektronového obalu některého atomu. Tento elektron se tak stává fotoelektronem a opouští obal atomu, přičemž se svou zbývající energií ionizuje okolí. Atom, ze kterého byl elektron vyražen, je excitovaný a vrací se do stabilního stavu vyzářením elektromagnetického záření, jehož frekvence je rovna rozdílu energie excitovaného a stabilního stavu.

Pravděpodobnost fotoelektrického jevu roste s rostoucím atomovým číslem absorpčního materiálu.

Fotoelektrický jev, stejně jako Comptonův rozptyl hrají významnou úlohu na poli biofyziky. Příkladem je uplatnění těchto jevů při radiačních vyšetřeních pacienta.

Comptonův rozptyl

[editovat část] Comptonův rozptyl je jednou ze tří možných interakcí γ záření s elektronovým obalem atomu. Obvykle zastává úlohu střední energetické možnosti všech tří jevů.

Pokud má záření γ vyšší energii (mezi 0,5 – 5 MeV), dokáže interagovat s elektrony za tvorby tzv. Comptonova rozptylu. Ten nastává, když foton předává pouze část své energie volnému elektronu nebo elektronu z elektronového obalu atomu absorpční látky. Elektronu je dodána kinetická energie, která umožní opuštění jeho obalu, přičemž je elektron vychýlen o úhel φ oproti dráze původního (primárního) fotonu. Foton, který předal část své energie se označuje jako sekundární a je vychýlen oproti primárnímu o úhel ψ.

Sekundární foton se vychyluje v intervalu 0–180° a na odchylce je závislá jeho energie. Pokud dochází ke zpětnému rozptylu (tj. 180° úhel), má foton nejmenší energii.

Sekundární foton může být schopen znovu opakovat jev, pokud má dostatečnou energii, nebo zaniká fotoelektrickým jevem.

Stejně jako fotoelektrický jev je Comptonův rozptyl významným úkazem například při radiačních vyšetřeních pacienta.

Elektron-pozitronové páry

[editovat část] Ke tvorbě elektron-pozitronových párů dochází při interakci vysokoenergetického γ záření s elektronovým obalem atomu. Je to energeticky nejvyšší možnost ze tří interakcí γ záření s obalem.

Při energiích fotonů teoreticky nad 1,02 MeV, prakticky však mnohem vyšších, dochází k přeměně fotonu blízko atomového jádra na pozitron a elektron. Přitom je nutné, aby se tak stalo v blízkosti atomového jádra nebo jiné částice, která může převzít část hybnosti fotonu (jelikož hybnost pozitronu a elektronu je nižší). Kinetická energie vytvořeného elektron-pozitronového páru je rozdělena mezi obě částice náhodně.

Vzniklé částice ztrácejí svou energii při interakcích s okolním prostředím, tj. ionizací nebo excitací. Pozitron se však většinou spojuje s elektronem za procesu anihilace a vyzáří tak dvě kvanta elektromagnetického záření o energii 511 keV. Tato kvanta se pohybují opačným směrem.

Interakce nabitých částic

Těžší částice, nesoucí náboj, interagují s hmotou nepružnými nárazy. Tím předávají okolí svou kinetickou energii. Tento děj nazýváme srážkové ztráty energie. Náboj se nemění.

Iterakce může proběhnout také formou tzv. radiační ztráty, kdy spolu interagují pouze elektromagnetická pole částic. K tomu dochází často u lehkých částic, elektronů.

Částice záření nemusí předat celou svou energii najednou. Energie se v cílové struktuře projeví jako excitace buď jádra nebo elektronů v obalu. Vždy dochází ke ztrátám energie v podobě tepla. Pokud je předaná energie dostatečně velká, může dojít k odtržení elektronu, který se pak chová jako β^- částice, jeho kinetická energie je rovna energii předané nárazem. Toto takzvané sekundární elektronové záření je někdy označováno jako záření δ.

Těžší částice nesoucí větší náboj interagují častěji, svou energii předají okolí na krátké vzdálenosti a pak zanikají.

Interakce nenabitých částic

Neutrony, jako nejvýznamnější zástupci skupiny nenabitých částic, interagují s okolní homotou jen na základě silných a slabých jaderných sil.

Interakce může probíhat formou pružného a nepružného rozptylu, emisí nabité částice, radiačním (neutronovým) záchytem, nebo dojde k rozštěpení jádra.

Pružný rozptyl

Nejpravděpodobnějším typem interakce je pružný rozptyl. Dochází k němu na velmi malých jádrech, která se svou velikostí blíží neutronu, jako například vodík. Energie, předaná neutronem, se celá přemění na kinetickou energii zasažené částice. Atom se neexcituje. Odražený neutron pokračuje dále se zbytkem energie. Tomuto ději se říká moderace neutronové rychlosti. Děj pokračuje dokud se neutron nezpomalí natolik, že může být absorbován jádrem. Moderace se využívá v ²³⁵uranových jaderných reaktorech, kdy atomy vodíku v molekule vody zpomalují rychlé neutrony, vzniklé štěpením.

Nepružný rozptyl

K nepružnému rozptylu dochází na jádrech těžkých prvků. Neutron, obdobně jako při pružném rozptylu, předá část své kinetické energie a, jako zpomalený pokračuje dál. Zasažené jádro se ale excituje, část předané energie je vyzářena v podobě γ fotonu, zbytek se změní v kinetickou energii jádra.

Emise nabité částice

Neutron má tolik energie, že při zásahu jádra vyrazí jeden nebo i několik jaderných elementů. Kinetická energie neutronu je tedy spotřebována na vyražení protonu, α částice nebo deuteronu (jádro deuteria, jeden proton a jeden neutron), zbytek předané energie se změní v kinetickou energii vyražené částice. Tím může dojít ke vzniku nestabilního nuklidu a jeho dalšímu rozpadu.

Radiační záchyt

Neutron je zachycen jádrem, jeho kinetická energie je vyzářena v podobě γ fotonu.

Jaderné štěpení

Při vhodné rychlosti neutronu, v poměru k cílovému atomovému jádru, může dojít k rozštěpení jádra za vzniku štěpných produktů, kterými jsou většinou radioaktivní izotopy. Při štěpění se z jádra uvolní tolik energie, že vzniklé neutrony mají i vyšší energii, než ten, který způsobil štěpení. Obvykle je emitováni foton γ záření. Pokud se uvolní víc než jeden neutron, schopný štěpení, dochází k tzv. lavinovému efektu s exponenciálním nárustem interakcí. Této řetězové štěpné reakce se využívá u jaderných zraní. V moderované podobě (= ne všechny vzniklé neutrony štěpí dlaší jádra) je základem jaderného reaktoru.

Odkazy

Související články

• Ionizující záření

Reference

Použitá literatura

• PODZIMEK, František. Biofyzika ionizujícího záření. 1. vydání. Hradec Králové : Vojenská lékařská akademie Jana Evangelisty Purkyně, 1990. 119 s. ISBN 80-85109-24-7.

• BENEŠ, Jiří, Pravoslav STRÁNSKÝ a František VÍTEK. Základy lékařské biofyziky. 2. vydání. Praha : Karolinum, 2007. 201 s. ISBN 978-80-246-1386-4.

• NAVRÁTIL, Leoš a Jozef ROSINA, et al. Medicínská biofyzika. 1. vydání. Praha : Grada, 2005. 524 s. ISBN 80-247-1152-4.

Doporučená literatura