Promieniowanie alfa (α) składa się z szybko poruszających się jąder helu-4 (4
He
) i jest zatrzymywane przez kartkę papieru. Promieniowanie beta (β), składające się z elektronów, jest zatrzymywane przez płytkę aluminiową. Promieniowanie gamma (γ), składające się z energetycznych fotonów, jest ostatecznie pochłaniane podczas przenikania przez gęsty materiał. Promieniowanie neutronowe (n) składa się z wolnych neutronów, które są blokowane przez lekkie pierwiastki, takie jak wodór, które je spowalniają i/lub wychwytują. Nie pokazano: galaktyczne promieniowanie kosmiczne, które składa się z energetycznych naładowanych jąder, takich jak protony, jądra helu i wysoko naładowane jądra zwane jonami HZE.
Komory chmurowe są jednym z niewielu sposobów wizualizacji promieniowania jonizującego. Były one stosowane głównie w badaniach we wczesnym okresie fizyki cząstek elementarnych, ale pozostają ważnym narzędziem edukacyjnym dzisiaj.
Promieniowanie jonizujące jest skategoryzowane ze względu na charakter cząstek lub fal elektromagnetycznych, które tworzą efekt jonizujący. Mają one różne mechanizmy jonizacji i mogą być pogrupowane jako jonizujące bezpośrednio lub pośrednio.
Bezpośrednio jonizująceEdit
Każda naładowana cząstka o masie może jonizować atomy bezpośrednio przez podstawowe oddziaływanie poprzez siłę Coulomba, jeśli niesie wystarczającą energię kinetyczną. Dotyczy to jąder atomowych, elektronów, mionów, naładowanych pionów, protonów i energetycznie naładowanych jąder pozbawionych elektronów. Kiedy poruszają się z prędkościami relatywistycznymi, cząstki te mają wystarczającą energię kinetyczną, aby działać jonizująco, ale prędkości relatywistyczne nie są wymagane. Na przykład, typowa cząstka alfa jest jonizująca, ale porusza się z prędkością około 5% c, a elektron o energii 33 eV (wystarczającej do jonizacji) porusza się z prędkością około 1% c.
Dwa pierwsze rozpoznane źródła jonizacji otrzymały specjalne nazwy używane do dziś: Jądra helu wyrzucane z jąder atomowych nazywane są cząstkami alfa, a elektrony wyrzucane zwykle (ale nie zawsze) z prędkościami relatywistycznymi, nazywane są cząstkami beta.
Naturalne promienie kosmiczne składają się głównie z relatywistycznych protonów, ale zawierają również cięższe jądra atomowe, takie jak jony helu i jony HZE. W atmosferze takie cząstki są często zatrzymywane przez cząsteczki powietrza, co powoduje powstawanie krótkożyciowych naładowanych pionów, które wkrótce rozpadają się na miony, podstawowy rodzaj promieniowania kosmicznego, które dociera do ziemi (a także w pewnym stopniu przez nią przenika). Piony mogą być również produkowane w dużych ilościach w akceleratorach cząstek.
Cząstki alfaEdit
Cząstki alfa składają się z dwóch protonów i dwóch neutronów związanych ze sobą w cząstkę identyczną z jądrem helu. Emisje cząstek alfa są generalnie wytwarzane w procesie rozpadu alfa, ale mogą być również wytwarzane w inny sposób. Nazwa cząstek alfa pochodzi od pierwszej litery alfabetu greckiego, α. Symbolem cząstki alfa jest α lub α2+. Ponieważ są one identyczne z jądrami helu, zapisuje się je również czasem jako He2+
lub 4
2He2+
oznaczające jon helu z ładunkiem +2 (brak dwóch elektronów). Jeśli jon zyska elektrony ze swojego otoczenia, cząstka alfa może być zapisana jako normalny (elektrycznie obojętny) atom helu 4
2He.
Cząstki alfa są silnie jonizującą formą promieniowania cząstek. Gdy powstają w wyniku rozpadu promieniotwórczego alfa, mają małą głębokość penetracji. W tym przypadku mogą być absorbowane przez kilka centymetrów powietrza lub przez skórę. Silniejsze, dalekiego zasięgu cząstki alfa pochodzące z rozszczepienia trójskładnikowego są trzykrotnie bardziej energetyczne i przenikają proporcjonalnie dalej w powietrzu. Jądra helu, które stanowią 10-12% promieni kosmicznych, mają również zwykle znacznie wyższą energię niż te, które powstają w procesach rozpadu jądrowego, a gdy występują w przestrzeni kosmicznej, są w stanie pokonać ludzkie ciało i gęste osłony. Promieniowanie tego typu jest jednak znacznie tłumione przez atmosferę ziemską, która stanowi tarczę radiacyjną równą około 10 metrom wody.
Cząstki betaEdit
Cząstki beta to wysokoenergetyczne, szybko poruszające się elektrony lub pozytony emitowane przez pewne typy jąder promieniotwórczych, takie jak potas-40. Wytwarzanie cząstek beta jest określane mianem rozpadu beta. Istnieją dwie formy rozpadu beta, β- i β+, które odpowiednio dają początek elektronowi i pozytonowi.
Gdy mówi się, że coś jest skażone radioaktywnie, często oznacza to, że z jego powierzchni emitowane są cząstki beta, wykrywalne za pomocą licznika Geigera lub innego detektora promieniowania. Po zbliżeniu się do emitera beta, detektor wskaże gwałtowny wzrost radioaktywności. Gdy sonda detektora zostanie przykryta osłoną blokującą promienie beta, wskazanie to zostanie drastycznie zredukowane.
Wysokoenergetyczne cząstki beta mogą wytwarzać promieniowanie rentgenowskie znane jako bremsstrahlung („promieniowanie hamowania”) lub elektrony wtórne (promienie delta) podczas przechodzenia przez materię. Oba te zjawiska mogą powodować pośredni efekt jonizacji.
Bremsstrahlung jest powodem do niepokoju w przypadku ekranowania emiterów beta, ponieważ oddziaływanie cząstek beta z materiałem ekranującym wytwarza Bremsstrahlung. Efekt ten jest większy w przypadku materiałów o wysokich liczbach atomowych, dlatego do ekranowania źródeł promieniowania beta stosuje się materiały o niskich liczbach atomowych.
Pozytrony i inne rodzaje antymateriiEdit
Pozyton lub antyelektron jest antycząstką lub odpowiednikiem elektronu w postaci antymaterii. Gdy niskoenergetyczny pozyton zderza się z niskoenergetycznym elektronem, dochodzi do anihilacji, w wyniku której zamieniają się one w energię dwóch lub więcej fotonów promieniowania gamma (zob. anihilacja elektron-pozyton).
Pozytrony mogą być generowane w wyniku rozpadu jądrowego emisji pozytonu (poprzez oddziaływania słabe) lub poprzez produkcję pary z wystarczająco energetycznego fotonu. Pozytony są powszechnym sztucznym źródłem promieniowania jonizującego stosowanym w skanach medycznej pozytonowej tomografii emisyjnej (PET).
Ponieważ pozytony są cząstkami naładowanymi dodatnio, mogą również bezpośrednio jonizować atom poprzez oddziaływania Coulomba.
Jądra naładowaneEdit
Jądra naładowane są charakterystyczne dla galaktycznych promieni kosmicznych i zdarzeń związanych z cząstkami słonecznymi i z wyjątkiem cząstek alfa (naładowane jądra helu) nie mają naturalnych źródeł na Ziemi. W przestrzeni kosmicznej jednak, bardzo wysokoenergetyczne protony, jądra helu i jony HZE mogą być początkowo zatrzymane przez stosunkowo cienkie warstwy osłon, ubrań lub skóry. Jednak powstałe w ten sposób oddziaływanie wygeneruje promieniowanie wtórne i spowoduje kaskadowe efekty biologiczne. Jeśli na przykład tylko jeden atom tkanki zostanie przemieszczony przez energetyczny proton, zderzenie to spowoduje dalsze oddziaływania w organizmie. Nazywa się to „liniowym transferem energii” (LET), który wykorzystuje rozpraszanie sprężyste.
LET można zobrazować jako kulę bilardową uderzającą w inną kulę zgodnie z zasadą zachowania pędu, która odsyła obie z energią pierwszej kuli podzieloną nierównomiernie między obie. Kiedy naładowane jądro uderza we względnie wolno poruszające się jądro obiektu w przestrzeni, zachodzi zjawisko LET, a neutrony, cząstki alfa, niskoenergetyczne protony i inne jądra zostaną uwolnione w wyniku zderzenia i przyczynią się do całkowitej dawki pochłoniętej przez tkankę.
Promieniowanie jonizujące pośrednieEdit
Promieniowanie jonizujące pośrednie jest elektrycznie obojętne i dlatego nie oddziałuje silnie z materią. Większość efektów jonizacji wynika z jonizacji wtórnych.
Przykładem promieniowania pośrednio jonizującego jest promieniowanie neutronowe.
Promieniowanie fotonoweEdit
Różne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego
Współczynnik absorpcji całkowitej ołowiu (liczba atomowa 82) dla promieni gamma, wykreślony w zależności od energii gamma, oraz wkład trzech efektów. Tutaj, efekt fotoelektryczny dominuje przy niskich energiach. Powyżej 5 MeV, produkcja par zaczyna dominować.
Mimo, że fotony są elektrycznie neutralne, mogą jonizować atomy bezpośrednio poprzez efekt fotoelektryczny i efekt Comptona. Każde z tych oddziaływań spowoduje wyrzucenie elektronu z atomu z prędkością relatywistyczną, przekształcając ten elektron w cząstkę beta (wtórną cząstkę beta), która zjonizuje wiele innych atomów. Ponieważ większość dotkniętych atomów jest zjonizowana bezpośrednio przez wtórne cząstki beta, fotony nazywane są promieniowaniem pośrednio jonizującym.
Promieniowanie fotonowe nazywane jest promieniowaniem gamma, jeśli powstaje w wyniku reakcji jądrowej, rozpadu cząstek subatomowych lub rozpadu promieniotwórczego w jądrze. W przeciwnym razie nazywane jest promieniowaniem rentgenowskim, jeśli jest wytwarzane poza jądrem. Ogólny termin foton jest zatem używany do opisu obu.
Promienie rentgenowskie mają zwykle niższą energię niż promienie gamma, a starsza konwencja polegała na określeniu granicy jako długości fali 10-11 m lub energii fotonu 100 keV. Ten próg był spowodowany ograniczeniami starszych lamp rentgenowskich i niską świadomością przejść izomerycznych. Nowoczesne technologie i odkrycia spowodowały, że energie promieniowania rentgenowskiego i gamma nakładają się na siebie. W wielu dziedzinach są one funkcjonalnie identyczne, różniąc się w przypadku badań naziemnych jedynie pochodzeniem promieniowania. W astronomii jednak, gdzie często nie można wiarygodnie określić pochodzenia promieniowania, zachowano stary podział energii, gdzie promieniowanie rentgenowskie definiuje się jako promieniowanie o energii od około 120 eV do 120 keV, a promieniowanie gamma jako promieniowanie o dowolnej energii powyżej 100 do 120 keV, niezależnie od źródła. Wiadomo, że większość astronomicznych „promieni gamma” nie powstaje w jądrowych procesach radioaktywnych, lecz raczej w wyniku procesów podobnych do tych, które wytwarzają astronomiczne promieniowanie rentgenowskie, tyle że napędzane przez znacznie bardziej energetyczne elektrony.
Aparat fotoelektryczny jest dominującym mechanizmem w materiałach organicznych dla energii fotonów poniżej 100 keV, typowych dla klasycznego promieniowania rentgenowskiego pochodzącego z lamp rentgenowskich. Przy energiach powyżej 100 keV, fotony jonizują materię w coraz większym stopniu poprzez efekt Comptona, a następnie pośrednio poprzez produkcję par przy energiach powyżej 5 MeV. Na załączonym diagramie oddziaływań pokazane są dwa rozpraszania Comptona zachodzące kolejno po sobie. W każdym zdarzeniu rozpraszającym promień gamma przekazuje energię elektronowi, a ten kontynuuje swoją drogę w innym kierunku i ze zmniejszoną energią.
Granica definicji dla fotonów o niższej energiiEdit
Najniższa energia jonizacji dowolnego pierwiastka wynosi 3,89 eV, dla cezu. Jednak materiały Federalnej Komisji Łączności USA definiują promieniowanie jonizujące jako promieniowanie o energii fotonu większej niż 10 eV (co odpowiada długości fali dalekiego ultrafioletu 124 nanometrów). W przybliżeniu odpowiada to zarówno pierwszej energii jonizacji tlenu, jak i energii jonizacji wodoru, które wynoszą około 14 eV. W niektórych źródłach Agencji Ochrony Środowiska, jonizacja typowej cząsteczki wody przy energii 33 eV jest określana jako odpowiedni próg biologiczny dla promieniowania jonizującego: wartość ta reprezentuje tak zwaną wartość W, potoczną nazwę średniej energii ICRU wydatkowanej w gazie na jedną utworzoną parę jonów, która łączy energię jonizacji plus energię utraconą na inne procesy, takie jak wzbudzanie. Przy długości fali 38 nanometrów dla promieniowania elektromagnetycznego, 33 eV jest bliskie energii przy umownym przejściu o długości fali 10 nm pomiędzy skrajnym ultrafioletem a promieniowaniem rentgenowskim, które występuje przy około 125 eV. Tak więc promieniowanie rentgenowskie jest zawsze jonizujące, ale tylko promieniowanie skrajnie ultrafioletowe można uznać za jonizujące zgodnie ze wszystkimi definicjami.
Biologiczne działanie promieniowania jonizującego na komórki przypomina nieco działanie szerszego spektrum promieniowania molekularnie szkodliwego, które pokrywa się z promieniowaniem jonizującym i rozciąga się poza, do nieco niższych energii do wszystkich regionów UV, a czasami światła widzialnego w niektórych systemach (takich jak systemy fotosyntetyczne w liściach). Chociaż DNA jest zawsze podatne na uszkodzenia przez promieniowanie jonizujące, cząsteczka DNA może być również uszkodzona przez promieniowanie o energii wystarczającej do wzbudzenia pewnych wiązań molekularnych w celu utworzenia dimerów pirymidynowych. Energia ta może być mniejsza niż jonizująca, ale zbliżona do niej. Dobrym przykładem jest energia widma ultrafioletowego, która zaczyna się od około 3,1 eV (400 nm) na poziomie zbliżonym do tej samej energii, która może powodować oparzenia słoneczne niechronionej skóry, w wyniku fotoreakcji w kolagenie i (w zakresie UV-B) również uszkodzenia w DNA (na przykład dimery pirymidynowe). Tak więc, spektrum elektromagnetyczne średniego i niższego nadfioletu jest szkodliwe dla tkanek biologicznych w wyniku wzbudzenia elektronowego w cząsteczkach, które nie jest jonizacją, ale wywołuje podobne efekty nietermiczne. Udowodniono, że do pewnego stopnia światło widzialne, a także ultrafiolet A (UVA), który jest najbliższy energii widzialnej, powoduje powstawanie reaktywnych form tlenu w skórze, które powodują pośrednie uszkodzenia, ponieważ są to elektronicznie wzbudzone cząsteczki, które mogą powodować reaktywne uszkodzenia, chociaż nie powodują oparzeń słonecznych (rumienia). Podobnie jak w przypadku uszkodzeń jonizacyjnych, wszystkie te efekty w skórze wykraczają poza te wywołane przez proste efekty termiczne.
Interakcje promieniowania: promienie gamma są przedstawione liniami falistymi, cząstki naładowane i neutrony liniami prostymi. Małe kółka pokazują, gdzie zachodzi jonizacja.
NeutronyEdit
Neutrony mają neutralny ładunek elektryczny często błędnie rozumiany jako zerowy ładunek elektryczny i dlatego często nie powodują bezpośrednio jonizacji w pojedynczym kroku lub interakcji z materią. Jednakże, szybkie neutrony będą oddziaływać z protonami w wodorze poprzez LET, a mechanizm ten rozprasza jądra materiałów w obszarze docelowym, powodując bezpośrednią jonizację atomów wodoru. Kiedy neutrony uderzają w jądra wodoru, powstaje promieniowanie protonowe (szybkie protony). Te protony same w sobie są jonizujące, ponieważ mają wysoką energię, są naładowane i oddziałują z elektronami w materii.
Neutrony, które uderzają w jądra innych jąder poza wodorem, przekażą mniej energii innym cząstkom, jeśli dojdzie do LET. Ale dla wielu jąder uderzonych przez neutrony występuje rozpraszanie nieelastyczne. To czy zachodzi rozpraszanie elastyczne czy nieelastyczne zależy od prędkości neutronu, szybkiej, termicznej czy gdzieś pomiędzy. Zależy również od jądra, w które uderza i jego przekroju neutronowego.
W rozpraszaniu nieelastycznym neutrony są łatwo absorbowane w typie reakcji jądrowej zwanej wychwytem neutronów i przypisuje się je do neutronowej aktywacji jądra. Neutrony oddziałujące w ten sposób z większością rodzajów materii zwykle wytwarzają jądra radioaktywne. Na przykład obfite jądro tlenu-16 ulega aktywacji neutronowej, szybko rozpada się przez emisję protonu tworząc azot-16, który rozpada się na tlen-16. Krótkożyciowy rozpad azotu-16 emituje silny promień beta. Proces ten można zapisać jako:
16O (n,p) 16N (możliwy szybki wychwyt neutronu z >11 MeV neutronu)
16N → 16O + β- (rozpad t1/2 = 7.13 s)
Ten wysokoenergetyczny β- dalej szybko oddziałuje z innymi jądrami, emitując wysokoenergetyczny γ poprzez Bremsstrahlung
Reakcja 16O (n,p) 16N, choć nie jest korzystną reakcją, jest głównym źródłem promieniowania rentgenowskiego emitowanego z wody chłodzącej reaktora wodnego ciśnieniowego i ma ogromny udział w promieniowaniu generowanym przez reaktor jądrowy chłodzony wodą podczas pracy.
Dla najlepszego ekranowania neutronów stosuje się węglowodory z dużą zawartością wodoru.
W materiałach rozszczepialnych neutrony wtórne mogą wywoływać łańcuchowe reakcje jądrowe, powodując większą jonizację produktów rozszczepienia.
Poza jądrem neutrony swobodne są niestabilne, a ich średni czas życia wynosi 14 minut i 42 sekundy. Swobodne neutrony rozpadają się poprzez emisję elektronu i antyneutrina elektronowego, stając się protonem, proces znany jako rozpad beta:
Na rysunku obok neutron zderza się z protonem materiału docelowego, a następnie staje się protonem z szybkim odrzutem, który z kolei jonizuje się. Na końcu swojej drogi neutron jest wychwytywany przez jądro w reakcji (n,γ), która prowadzi do emisji fotonu wychwytu neutronu. Takie fotony zawsze mają wystarczającą energię, aby zakwalifikować je jako promieniowanie jonizujące.