Interaction of Ionizing Radiation

During the passage of ionizing radiation through matter, there is an interaction between the particles or photons of the radiation and the structures of the surrounding atoms, i.e. the nucleus and the electron shell. The course of the interaction itself depends on the nature of the radiation, its kinetic energy and the composition of the substance in which the interaction takes place.

The interaction is evaluated from two perspectives:


 * from the point of view of radiation – changes in energy, number of particles and direction of passing radiation;
 * from the point of view of the environment – ​​movements of subatomic particles and subsequent reactions.

According to the interaction, we divide ionizing radiation into:


 * directly ionizing – electrically charged particles – radiation α, β - and β + , protons, nuclear fragments;
 * indirectly ionizing - electroneutral radiation - X- ray, γ radiation , neutron radiation.

According to the place of interaction, we divide into:


 * interacting with the core ;
 * interacting with the atomic shell.

Overall, ionizing radiation can therefore be divided into three groups:


 * electromagnetic (photon) radiation – X- rays and γ radiation;
 * charged particles – p, α, β;
 * uncharged particles - neutrons.

Interakce elektromagnetického záření
The interaction occurs in the nucleus and its electromagnetic field or in the shell of the atom. The interactions of both types of radiation (X-ray and γ) are very similar, they differ in the place of origin (X-ray from the envelope, γ from the core) and frequency.

In total, we distinguish six types of interactions of photon radiation with matter (see table). Only the three most important ones will be discussed in more detail: the photoelectric effect, Compton scattering and the formation of electron-positron pairs.



Introduction
The photoelectric phenomenon (photoeffect) is one of three possible interactions of γ radiation with the electron shell of an atom. Of these three interactions, the photon usually has the weakest energy. It is a physical phenomenon in which electrons are released (radiated, emitted) from a substance (most often a metal ) as a result of absorption of electromagnetic radiation by the substance. Electrons emitted from the nuclear shell are then referred to as photoelectrons. Their release is referred to as photoelectric emission (photoemission).

History
Heinrich Hertz is considered to be the discoverer of the photoelectric phenomenon, who, during his experiments (in 1887), whose goal was to experimentally prove the existence of electromagnetic waves predicted by Maxwell , noticed that the irradiation of a spark gap with ultraviolet radiation facilitates the jump of the spark - i.e. the transfer of electric charge between the electrodes.

In 1899, Joseph John Thomson took a decisive step towards clarifying the nature of the phenomenon. Thomson experimentally identified electrons in negative charge carriers escaping from an irradiated metal sample.

The actual nature of the photoelectric phenomenon was described in 1905 by Albert Einstein (he won the Nobel Prize for this discovery in 1921).

Description Of the Phenomenon
The photoelectric phenomenon occurs when the entire energy of a quantum of γ radiation is transferred to an electron from the electron shell of an absorbing material or possibly to a free electron (e.g. in metals). Part of the energy is used to release the electron (by performing the so-called output work W v ) and part is transformed into the kinetic energy E of the resulting photoelectron. The photon of γ radiation thus disappears and its energy is taken over by a photoelectron, which ionizes its surroundings.

Einstein's equation for the photoeffect expresses the law of conservation of energy.

$$hf=W_v+E_k$$ (h je Planckova konstanta)

An atom from which an electron has been knocked out is in an excited state and transitions to the ground state by emitting electromagnetic radiation with a frequency corresponding to the energy difference between the excited and ground states.

(The free space after the electron is filled by another electron that jumped here from another shell of the atomic shell. During this jump, energy is emitted in the form of characteristic radiation. Instead of characteristic radiation, an alternative phenomenon can occur - the energy is transferred to an electron on a higher shell, which then it releases and emits as a so-called Auger electron.)

A photon interacts with an electron on the K, L and M shells, that is, with electrons that lie close to the nucleus of an atom. It most often occurs on the K peel (80% probability).

Phopho effect is more likely in materials with a higher proton number of the absorption material (bone, contrast agents).

According to the ideas of classical physics, the kinetic energy of the incident electromagnetic wave should be transferred to the electrons. The energy of electromagnetic waves is related to the intensity of radiation, i.e. the energy of the emitted electrons should depend on the intensity of the incident radiation. However, experiments have shown that the kinetic energy of the emitted electrons is dependent on the frequency and not on the intensity of the incident radiation.

For each metal there is a certain cut-off frequency f 0 such that electrons are released only at the frequency f 0 and higher frequencies. The energy of the emitted electrons also depends on the frequency of the electromagnetic radiation used. If the frequency f of the incident radiation is higher than the limiting frequency f 0, the photoelectrons have an energy ranging from zero to a certain maximum value Emax.

$$E_{max}=h(f-f_0)=hf-hf_0$$

The dependence of the observed phenomenon on the radiation frequency could not be explained classically.

Types of Photoeffect
According to the way electrons are created due to incident electromagnetic radiation, we can distinguish:


 * 1. external photoelectric phenomenon - the phenomenon takes place on the surface of the substance, electrons are released into the surroundings
 * 2. internal photoelectric phenomenon - the released electrons remain in it as conduction electrons (e.g. semiconductors, in which electrons are released in this way mainly from the PN transition)

Inverse Photoelectric Effect
The inverse (reversed) photoelectric effect is a phenomenon where electrons strike a substance, causing photons to be emitted.

Explanation Of The Phenomenon
náhled|Závislost kinetické energie elektronu na frekvenci dopadajícího světla V roce 1905 Albert Einstein vyšel z Planckovy kvantové hypotézy a z představy, že elektromagnetická vlna o frekvenci f a vlnové délce λ se chová jako soubor částic (světelných kvant), z nichž každá má svou energii a hybnost. Tyto částice mají zvláštní vlastnosti, především se stále pohybují rychlostí světla a nelze je žádným způsobem zastavit, zpomalit ani urychlit. Podle teorie relativity musí mít nulovou klidovou hmotnost. Tyto částice byly v roce 1926 nazvány fotony. Velikost kvanta energie závisí na frekvenci (vlnové délce) elektromagnetického záření, přičemž platí: $$E=hf $$

Světlo při dopadu na povrch látky předává energii povrchovým elektronům zkoumané látky. K uvolnění elektronu z vazby v atomu je potřeba tzv. ionizační energie. Tato nutná energie k uvolnění elektronu může vzniknout, jestliže je vlnová délka světla dostatečně malá. V tom případě může frekvence a energie dosáhnout dostatečně vysoké hodnoty. Předáním takové energie elektronům je možné překonat tzv. fotoelektrickou bariéru k uskutečnění výstupní práce. Minimální frekvence, při níž dopadající fotony předávají elektronům výstupní energii se označuje jako prahová frekvence. Jestliže je energie předaná elektronu větší než energie potřebná k jeho uvolnění, pak fotoelektronu zůstane část energie jako kinetická energie.

Rovnice fotoelektrického jevu: $$hf=hf_0+E_{max}$$ (hf je energie dopadajícího fotonu, hf0 je výstupní práce − minimální energie potřebná k uvolnění elektronu, Emax je maximální možná energie uvolněného elektronu) Z této rovnice vyplývá, že energie uvolněného elektronu závisí pouze na frekvenci dopadajícího záření, a nikoliv na intenzitě tohoto záření.

Využití
Fotoelektrický jev hraje významnou úlohu na poli biofyziky. Příkladem je uplatnění těchto jevů při radiačních vyšetřeních pacienta. Rentgenové snímky vznikají na principu obráceného fotoelektrického jevu, kdy se povrch ostřeluje elektrony a uvolňují se paprsky X. Různé tkáně mají jinou absorbci, proto můžeme na snímcích rozeznat struktury. Elektron zcela pohltí foton a Rtg foton zaniká. Absorbce fotoelektrického jevu je na rozdíl od Comptonova rozptylu, který probíhá také, žádoucí. Při Comptonově jevu zůstávají volné elektrony a foton nezaniká, dochází tedy ke srážkám těles a mění se jejich směr a vlnová délka.

Comptonův rozptyl
Comptonův rozptyl popisuje srážku fotonu s např. elektronem za následné změny vlnové délky vzniklého fotonu.

Historie
V roce 1905 zavedl Albert Einstein myšlenku korpuskulárně vlnového charakteru částic pro vysvětlení fotoelektrického jevu. Since, according to her, it was possible to consider a photon to be both a wave and a particle, there should be interactions between it and, for example, an electron, which would correspond in nature to elastic collisions, during which total momentum and energy are conserved within an isolated system. Avšak dle představ klasické fyziky by po srážce fotonu s elektronem měl být elektron rozkmitán frekvencí dopadajícího fotonu a následně vyslat fotony opět se stejnou frekvencí.

Roku 1922 se rozhodl tuto teorii prověřit Arthur Holly Compton. Vytvořil experiment s rozptylem rentgenového záření na volných elektronech. Bylo třeba využít dopadu záření na materiály s velmi slabě vázanými elektrony. Rentgenové záření (λ = 0,07 nm ) dopadalo na uhlíkový terčík. Compton byl schopen zachytit zdvojené spektrální čáry: jedna odpovídala původní vlnové délce (rozptyl na pevně vázaných elektronech), druhá měla vlnovou délku vyšší (rozptyl na volných elektronech). Byla tak experimentálně potvrzena správnost Einsteinovy teorie a Compton roku 1927 získal Nobelovu cenu za fyziku.

Comptonův posun
Existence druhé vlnové délky byla vyjádřena rovnicí pro Comptonův posun:

$$\lambda'-\lambda=\frac{h}{m_0c}(1-\cos\varphi).$$

λ... vlnová délka fotonu před srážkou

λ´ … vlnová délka fotonu po srážce

φ … úhel rozptylu

h/m0c... Comptonova vlnová délka (pro elektron = 2,4262 · 10-12 m)

Dodatky k teorii
Teoreticky ke Comptonovu jevu dochází při každé srážce fotonu s elektronem, je-li však hmotnost fotonu velmi malá v porovnání s hmotností elektronu, je tento posun minimální. Vzhledem k tomu lze Comptonův jev pozorovat pouze za použití záření s vysokou hmotností fotonů, např. záření rentgenové nebo gama. náhled|vpravo|Demonstrace Comptonova jevu při použití gama záření 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.

Využití
Comptonova jevu se využívá v mnoha vědních oborech. Jako příklad můžeme uvést zejména radioterapii (cílené poškozování DNA např. rakovinných buněk), spektroskopii (detekce ionizujícího záření) a astronomii (Comptonova gama observatoř).

Elektron-pozitronové páry
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. thumb|Tvorba elektron-pozitronového páru 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). Samovolná přeměna fotonu na elektron a pozitron není možná při jeho pohybu ve vakuu z důvodu zákona zachování hybnosti (součet hybností vzniklého elektronu a pozitronu je menší než hybnost dodaná fotonem). Samotná proměna probíhá v důsledku elektrického pole atomového jádra (čím větší náboj jádro má, tím je větší pravděpodobnost proměny). Kinetická energie vytvořeného elektron-pozitronového páru je rozdělena mezi obě částice náhodně.

Pomocí následující rovnice lze vyjádřit energetickou bilanci daného děje:

$$hv = E_e +E_p + 2m_ec^2$$

Z uvedeného vztahu vyplývá, že energie fotonu musí být větší než energie, která představuje součet dvou klidových hmotností elektronu (součet klidové energie elektronu a pozitronu jsou stále stejné).

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.

Interakce 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 hmotou jen na základě silných a slabých jaderných sil.

Interakce může probíhat formou pružného a nepružného rozptylu, emisí nabité částice, radiačního (neutronového) záchytu, 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 štěpení 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 nárůstem interakcí. Této řetězové štěpné reakce se využívá u jaderných zbraní. V moderované podobě (= ne všechny vzniklé neutrony štěpí další jádra) je základem jaderného reaktoru.

Související články

 * Ionizující záření