Jonizacja Zderzeniowa Elektronowa: Definicja i Kontekst
- Szczegóły
Średnica atomu jest rzędu nanometra (miliardowa część metra). Prawie cała masa atomu umieszczona jest w małym jądrze. Wokół jądra krążą elektrony, położone na różnych stanach energetycznych ("na różnych orbitach"). Elektrony mają ładunek ujemny.
W celu opisania jądra określamy je liczbą atomową równą ilości zawartych w nim protonów (której odpowiada określony symbol pierwiastka w układzie okresowym) oraz liczbą masową (ilość nukleonów w jądrze). Liczba masowa odpowiada tylko w przybliżeniu masie atomowej (ze względu na energię wiązania). Liczby te umieszczamy w indeksach przed symbolem pierwiastka. Na przykład symbol 43Tc oznacza atom technetu (który posiada liczbę atomową równą 43), zaś symbol 53I oznacza atom jodu (liczba atomowa 53). Symbol 127I oznacza atom jodu, którego jądro posiada 127 nukleonów: 53 protony (bo taka jest liczba atomowa jodu) oraz 127-53=74 neutrony (jest to jedyny trwały izotop jodu). Symbol 99mTc oznacza izotop technetu (liczba atomowa 43) o liczbie masowej 99, znajdujący się w stanie metastabilnym (znaczenie - patrz dalej). Ostatnie dwa atomy możemy opisać jako I-127 oraz Tc-99m.
Atomy, których jądra zawierają tę samą ilość protonów, ale inną ilość neutronów, nazywamy izotopami; należą one do tego samego pierwiastka chemicznego (mają te same właściwości chemiczne). Jądra o tej samej liczbie neutronów to izotony, zaś o tej samej liczbie masowej - izobary.
Zarówno elektrony na powłokach elektronowych jak i nukleony w jądrze atomowym mogą pozostawać w stanie równowagi (atomy trwałe lub stabilne), albo posiadać nadmiar energii, który musi zostać usunięty w postaci promieniowania. Jądro atomowe, lub atom jako całość, nie będące w stanie równowagi musi wypromieniować nadmiar energii - w postaci promieniowania elektromagnetycznego lub korpuskularnego (cząsteczkowego).
Trwałość lub nietrwałość jądra jest zależna od ilości protonów i neutronów w jądrze oraz od ich wzajemnej konfiguracji.
Przeczytaj także: Profesjonalna stylizacja włosów w domu
Rodzaje Rozpadów Promieniotwórczych
Rozpad alfa (oznaczany α) to wypromieniowanie z jądra tak zwanej cząstki alfa (α), czyli jądra atomu helu-4 (składającego się z 2 protonów i 2 neutronów). Jądro potomne (powstające w wyniku takiego rozpadu) jest w porównaniu z jądrem macierzystym (sprzed rozpadu) lżejsze o 4 atomowe jednostki masy (u), ładunek zaś (czyli liczba atomowa, odpowiadająca liczbie porządkowej w układzie okresowym) o 2 niższy. Energia rozpadu alfa (energia kinetyczna wyrzuconej z jądra cząstki α) wynosi kilka MeV (megaelektronowoltów) i jest stała i charakterystyczna dla danego nuklidu.
Rozpad beta minus (oznaczany β-) to emisja elektronu (negatonu) oraz antyneutrina elektronowego. W wyniku tego rozpadu powstaje jądro o tej samej liczbie masowej oraz o liczbie atomowej o jeden wyższej. Zachodzi w przypadku jąder o nadmiarze neutronów w stosunku do protonów.
Rozpad beta plus (oznaczany β+) to emisja pozytonu (czyli elektronu o dodatnim ładunku elektrycznym, będącego antycząstką negatonu) i neutrina elektronowego. Energia emitowanych cząstek jest dzielona pomiędzy nie podobnie, jak w przypadku rozpadu β-. Ten rodzaj rozpadu jest typowy dla jąder lekkich, o nadmiernej w stosunku do neutronów ilości protonów.
Wychwyt elektronu (ang.: electron capture, skrót: EC, oznaczany też ε) polega na przechwyceniu jednego z elektronów (z powłok elektronowych) przez jądro. W efekcie jeden z protonów zamienia się w neutron, czemu towarzyszy emisja neutrina. Skutek tej przemiany jest podobny, jak w rozpadzie β+.
Rozszczepieniem (ang.: fission) nazywamy "pęknięcie" jądra na dwie, rzadziej trzy lub więcej, nierówne części. Najczęściej towarzyszy mu emisja kilku neutronów. Dotyczy w zasadzie tylko jąder najcięższych (transuranowce, czyli sztucznie wytworzone pierwiastki cięższe od uranu), u których bywa główną drogą rozpadu (np.: Fm-256 - 92 %, Cf-254 - 99,7 %).
Przeczytaj także: Wszystko o prostownicy z laserową jonizacją
Rozpad klastrowy, nazywany też "rozpadem egzotycznym" lub "promieniotwórczością ciężkojonową" (ang.: cluster emission, cluster decay) to bardzo rzadko spotykany rodzaj emisji "klastra", czyli jądra cięższego od cząstki α. Mogą to być jądra 12C, 14C, 20O, a nawet jądra neonu, magnezu i krzemu. Emisja clustera zachodzi w przypadkach jąder niektórych izotopów pierwiastków ciężkich typu rad, frans, aktyn, protaktyn, tor, uran i transuranowce. Przykład: 22288Ra → 20882Pb + 146C (energia: 30,97 MeV, częstość: ok.).
Opóźniona emisja neutronu, protonu lub innych cząstek - dotyczy jąder o bardzo dużej dysproporcji ilości neutronów i protonów. Zachodzi prawie natychmiast po innym rodzaju rozpadu (np.
Jest to wyemitowanie przez jądro nadmiaru energii w postaci kwantu promieniowania elektromagnetycznego gamma (oznaczanego γ). Może towarzyszyć innemu rodzajowi rozpadu (np. β-, jak w przypadku kobaltu-60) i zachodzić prawie natychmiast po tym rozpadzie, może też istnieć jako samodzielny rozpad w przypadku tak zwanych jąder metastabilnych, na przykład Tc-99m. Wówczas emisja ta nosi nazwę "przejście izomeryczne" (ang.: isomeric transition, skrót: IT). Emisja ta polega również na wyemitowaniu nadmiaru energii z jądra.
Różnicą jest, że energia ta zostaje przekazana jednemu z elektronów krążących wokół jądra. Elektron ten zostaje wyrzucony z atomu. Jego energia kinetyczna jest, w odróżnieniu od energii elektronu powstającego w procesie rozpadu beta, zawsze taka sama w przypadku tego samego nuklidu. W wyniku emisji elektronu konwersji powstaje atom z nietrwałą konfiguracją elektronów (brakujący elektron na jednej z powłok wewnętrznych), co musi zostać wyrównane w kaskadzie dalszych procesów. Emisja elektronu konwersji jest alternatywą dla emisji kwantu gamma i w różnych atomach te dwa procesy występują w różnych charakterystycznych proporcjach. Przykładem atomu, w którym preferowana jest emisja elektronu konwersji, jest Sn-117m.
Oczywistym warunkiem umożliwiającym zajście tego procesu jest to, że energia wiązania elektronu (czyli energia potrzebna do jego oderwania od macierzystego atomu) musi być niższa od energii emitowanego przez jądro kwantu γ. Emisja elektronu konwersji, ze względu na podobieństwo do zjawiska fotoelektrycznego, bywa nazywana "efektem fotoelektrycznym wewnętrznym". Zasadnicza różnica pomiędzy tymi dwoma procesami polega na tym, że w przypadku elektronu konwersji energia zostaje przekazana elektronowi z tego samego atomu.
Przeczytaj także: Pyły zawieszone, filtry i jonizacja w oczyszczaczach powietrza
Jest to emisja kwantu promieniowania elektromagnetycznego spowodowana przechodzeniem elektronu z wyższego na niższy stan energetyczny (z wyższej na niższą "orbitę"). Fizycznie, oprócz pochodzenia, kwant X (rentgenowski) nie różni się od kwantu gamma, chociaż jego energia jest zazwyczaj niższa (od kilku eV do ponad stu keV). Proces ten jest nieco różny od wytwarzania promieniowania X w aparatach rentgenowskich.
W lampie rentgenowskiej rozpędzone do wysokich energii (prędkości) elektrony zostają wyhamowane podczas przelatywania w pobliżu jąder metalu ciężkiego (zazwyczaj wolfram); towarzyszy temu emisja promieniowania hamowania ("bremsstrahlung"), którego fotony mają bardzo różną energię (widmo ciągłe). Jest to proces spowodowany przez te same przyczyny, jak emisja promieniowania X. Różnicą jest, że energia, zamiast zostać wypromieniowana w postaci promieniowania elektromagnetycznego, zostaje przez elektron zmieniający swój stan energetyczny przekazana innemu elektronowi. Wskutek tego powstaje atom, któremu na jednej z powłok brakuje dwóch elektronów.
Wiele nuklidów może podlegać rozpadowi na kilka sposobów. Miarą udziału określonej drogi rozpadu w danym nuklidzie (czyli "częstości rozpadu") jest t.zw. "współczynnik podziału" lub "współczynnik rozgałęzienia" (ang.: branching ratio). Na przykład miedź-64 może rozpadać się na trzy sposoby: poprzez wychwyt elektronu, rozpad β- oraz rozpad β+.
Oddziaływanie Promieniowania z Materią
Oddziaływanie promieniowania z materią jest odpowiedzialne za ewentualne skutki szkodliwe i/lub lecznicze promieniowania, a także umożliwia jego wykrycie. Oddziaływanie cząstek ciężkich naładowanych (np. protony, cząstki alfa, fragmenty po rozszczepieniu) jest zależne od energii kinetycznej: w przybliżeniu - czym niższa energia, tym większe jej przekazywanie materii otaczającej (liniowe przekazywanie energii - linear energy transfer lub LET). Wynika z tego, że cząstki o wysokiej energii wytracają początkowo małe jej ilości (słabe działanie szkodliwe i/lub lecznicze), a po osiągnięciu odpowiednio niskiej energii (po wyhamowaniu do odpowiedniej prędkości) przekazywanie jest większe (a więc znaczne działanie szkodliwe i/lub lecznicze - tak zwany "pik Bragga").
Mechanizm przekazywania energii polega na jonizacji ośrodka, w którym ten proces zachodzi ("odrywanie" elektronów z otaczających atomów); jeżeli energia powstających w ten sposób elektronów jest wystarczająca, mogą również one powodować jonizację. Ze względu na masę, tor takich cząstek jest w przybliżeniu linią prostą. Zasięg ciężkich dodatnio naładowanych cząstek w powietrzu dla typowych energii (a więc np. cząstki alfa o energii rzędu kilku MeV) wynosi kilka centymetrów, w wodzie (a więc także w żywych komórkach) kilka mikrometrów - jest więc porównywalny z rozmiarem pojedynczej komórki.
Oddziaływanie elektronów (cząstek beta) jest także zależne od ich energii, ale efekt Bragga jest słabiej wyrażony, niż w przypadku cząstek o dużej masie. Pierwszy mechanizm wytracania energii jest również związany z jonizacją, czyli "odrywaniem" elektronów od atomów ośrodka, w którym zachodzi wyhamowywanie. Jeżeli elektrony powstające w wyniku takiej jonizacji mają także energię wystarczającą do jonizowania, noszą one nazwę "elektronów δ - delta" (jeżeli te z kolei są zdolne do wytwarzania w wyniku jonizacji elektronów o odpowiednio wysokiej energii, to nazywają się one "elektronami ε - epsilon"). Droga elektronu jest, ze względu na małą masę, podobna do szybkiej piłeczki ping-pongowej odbijającej się od licznych przeszkód.
Zasięg cząstek beta o typowej energii w powietrzu wynosi kilkadziesiąt cm do około metra, w wodzie - kilka milimetrów do ponad centymetra. Oznacza to, że taka cząstka powoduje uszkodzenie wielu komórek, ale gęstość jonizacji jest znacznie mniejsza, niż w przypadku np.
Oddziaływanie antycząstek (np. pozytonów) polega na anihilacji po spotkaniu z odpowiednią cząstką: para cząstka-antycząstka po prostu "znika" pozostawiając po sobie energię.
Oddziaływanie fotonów z materią odbywać się może w pięciu mechanizmach: rozpraszanie Rayleigh'a, efekt Comptona, efekt fotoelektryczny, tworzenie par negaton-pozyton oraz wywoływanie reakcji nuklearnych. Pierwsza z wymienionych reakcji ma znaczenie w przypadku fotonów o małej energii (poniżej 50 keV, a więc mniejszej, niż spotykane w medycynie nuklearnej) i polega na (chwilowym) przekazaniu całej energii atomowi, a następnie wypromieniowaniu jej w całości w innym kierunku. Dwa ostatnie mechanizmy zachodzą dla energii wyższych, niż spotykane w medycynie nuklearnej.
Ważne z punktu widzenie medycyny nuklearnej są efekt Comptona i efekt fotoelektryczny. Pierwszy z nich polega na przekazaniu jednemu z elektronów jednego z atomów ośrodka, w którym zachodzi pochłanianie promieniowania, części energii. W rezultacie elektron zostaje z atomu wybity (z pewną energią kinetyczną) oraz powstaje foton, ale o mniejszej energii i o innym kierunku. Istnieje ścisła zależność między energią fotonu padającego na atom, fotonu potomnego (a więc również ilości energii przekazanej elektronowi) oraz kątem zawartym między kierunkami tych dwóch fotonów. W zjawisku fotoelektrycznym całość energii fotonu zostaje przekazana elektronowi.
Oddziaływanie neutronów podlega nieco bardziej skomplikowanym regułom. Jako cząstki pozbawione ładunku elektrycznego nie powodują bezpośredniej jonizacji materii. Wytracanie energii następuje początkowo wskutek zderzania z jądrami atomów ośrodka. Zderzenia te mogą być elastyczne lub nieelastyczne. Podczas zderzeń elastycznych energia kinetyczna neutronu zostaje rozdzielona między neutron a jądro, z którym on się zderzył (przekazanie części energii jądru); w wyniku tego neutron traci część energii, a "trafione" jądro zostaje odrzucone (cząsteczka, w skład której wchodzi, zostaje zniszczona, a samo jądro staje się dodatnim jonem o wysokiej energii, zdolnym do jonizacji). Podczas zderzenia nieelastycznego część energii kinetycznej zostaje zamieniona na kwant gamma.
Swobodny neutron, po wytraceniu części energii kinetycznej, najczęściej łączy się z jakimś jądrem wyzwalając jakąś reakcję jądrową. W warunkach biologicznych wytracanie energii odbywa się najczęściej podczas zderzeń z protonami (jądrami wodoru), a na końcu neutron łączy się z jądrem azotu-14 (powstaje wysokoenergetyczny proton oraz promieniotwórczy węgiel-14), rzadziej z kolejnym protonem (powstaje deuter oraz wysokoenergetyczny kwant gamma). Nieco mniejsze znaczenie ilościowe, ale duże znaczenie w dozymetrii, ma wychwyt neutronu przez jądro naturalnego sodu (Na-23). Powstający Na-24 jest promieniotwórczy (β-, γ, T(1/2): 14,96 h), jego zawartość może zostać zmierzona na przykład we krwi. Neutron swobodny może też zamienić się w proton i elektron, ponieważ jest promieniotwórczy.
Do najczęściej wykorzystywanych w praktyce reakcji z udziałem neutronów należy tak zwana "aktywacja" atomów. Jądra wielu atomów mają zdolność pochłaniania neutronu, czemu zazwyczaj towarzyszy emisja kwantu γ - są to tak zwane "reakcje (n,γ)". W ten sposób produkowane są liczne radionuklidy (jak np. Co-60) dla zastosowań przemysłowych czy medycznych.
Dość szczególne miejsce zajmuje reakcja rozszczepienia jądra atomowego pod wpływem neutronu. Polega ona na "pęknięciu" jądra na dwie, rzadziej trzy lub więcej, nierówne części i wyzwoleniu ogromnej energii (około 200 MeV). Reakcji tej ulegają niektóre jądra ciężkie (najważniejsze przykłady: U-235 i Pu-239). Ponieważ procesowi temu towarzyszy emisja kilku neutronów, może on się "sam napędzać", jeśli przekroczona została t.zw. "masa krytyczna". Proces wykorzystywany jest w reaktorze jądrowym oraz w bombie atomowej.
pod wpływem neutronów, czemu nie towarzyszy emisja neutronów. Przykładem jest jądro boru-10. Powstałe w tym procesie fragmenty (jądro helu-4, czyli cząstka α, oraz jądro litu-7) posiadają ogromną energię, dzięki czemu potencjalnie mogą być wykorzystywane do terapii (BNCT - boron neutron capture therapy).
Miarą prawdopodobieństwa zajścia reakcji jądrowej pod wpływem cząstek (m.in. neutronów) jest t.zw. "przekrój czynny". Wielkość ta jest różna dla różnych wartości energii neutronu.
Tabela: Przykłady Rozpadów Promieniotwórczych
| Rodzaj Rozpadu | Oznaczenie | Emisja | Zmiana w Jądrze |
|---|---|---|---|
| Alfa | α | Jądro helu-4 | Zmniejszenie liczby masowej o 4, liczby atomowej o 2 |
| Beta minus | β- | Elektron i antyneutrino | Zwiększenie liczby atomowej o 1, liczba masowa bez zmian |
| Beta plus | β+ | Pozyton i neutrino | Zmniejszenie liczby atomowej o 1, liczba masowa bez zmian |
| Wychwyt elektronu | EC (ε) | Neutrino | Zmniejszenie liczby atomowej o 1, liczba masowa bez zmian |
| Emisja gamma | γ | Foton | Brak zmian w liczbie atomowej i masowej |
tags: #jonizacja #zderzeniowa #elektronowa #definicja
