یک فیزیسیست

مقدمه

انواع مختلف پرتو از جمله آلفا ، بتا ، گاما ، نوترون و ... برای حرکت در یک ماده نیاز به فضای خالی دارند. یعنی در تمامی انواع پرتو ها ، پرتو باید در داخل ماده برخورد های متعددی داشته باشد، حال ماده چه گاز و چه جامد و چه مایع باشد. برهمکنش بین پرتو و ماده برای شناسایی نوع ماده و پرتو و اثرات پرتو بر ماده مفید است. اکثرا وقتی یک پرتو وارد یک ماده می شود مقداری از انرژی جنبشی خود را به ماده هدف انتقال می دهد که می تواند باعث تغییراتی در ماده شود که همین تغییرات مبنای آشکار سازی را تشکیل می دهد. دانستن اینکه چه مقدار انرژی به ماده انتقال می یابد دارای اهمیت است. چون همین انتقال انرژی با موارد دیگری همچون دوزیمتری (که مفهومی است وابسته به سلامتی) ارتباط پیدا می کند.

برهمکنش ذرات آلفا با ماده

برای بررسی ذرات بتا ابتدا از ذرات آلفا آغاز می کنیم.

ذرات آلفا یوننده ترین نوع از انواع پرتو ها ی معمولی رادیواکتیو می باشند. یونش ویژه برای ذرات آلفا بسیار بزرگ است. این ناشی از این حقیقت است که ذرات آلفا دارای 2 بار مثبت و جرم بزرگ و سرعت کم هستند. در این پروسه انرژی از ذرات آلفا در اثر برخورد با اتم هدف به هدف منتقل می شود. یک ذره آلفا به طور متوسط حدود 35.5ev برای تشکیل هر جفت یون از دست می دهد. برای یونیزه کردن یک اتم هیدروژن 13.6 ev از دست می دهد.انرژی اضافی تبدیل به انرژی جنبشی الکترون کنده شده می شود. بنابراین وقتی یک جفت یون تولید می شود ، اگر انرژی زیاد باشد الکترون دارای انرژی جنبشی می شود. این امر برای ذره آلفایی که یونی تولید نکرده نیز ممکن است. معمولا الکترونها تنها انرژی کافی از ذره آلفای برخوردی را برای صعود به تراز بالا تر دریافت می کنند ، بدون آنکه آنرا از دست دهند. این معمولا وقتی که ذره آلفا با سرعت حرکت می کند، محتمل است. هرچه سرعت ذره آلفا بیشتر باشد ، زمان کمتری را در کنار اتم می گذراند. در نتیجه یونش ویژه ذره آلفا با افزایش انرژی کاهش می یابد. از حدود 1Mev تا 10Mev (شکل زیر)

در شکل زیر نیز نشان می دهد که یک ذره آلفای پر انرژی در یک ماده سیر می کند و یونش ویژه با افرایش مسافت و در نتیجه کاهش سرعت افزایش می یابد. ولی ناگهان با کاهش شدید سرعت و از بین رفتن بار ذره آلفا نمودار ناگهان سقوط می کند.

برهمکنش ذرات بتا با ماده

ذرات بتا شبیه به ذرات آلفا قادر به یونیزه کردن ماده هدف هستند. بهرحال، یونش ویژه در هوا برای ذرات بتا بسیار کمتر از ذرات آلفاست (حدود یک صدم). این ناشی از این حقیقت است که نسبت به ذره آلفا بار کمتر(نصف) و جرم کمتر(حدود یک چهار هزارم) است. به خاطر جرم کمتر این ذره سرعت زیاد تری را نسبت به ذره آلفا دارد(با انرژی یکسان). بنابراین، برای یونش یک اتم، یک ذره بتا می تواند بیشتر به اتم نزدیک شود چون میدان الکتریکی کمتر و سرعت زیاد تری دارد.

نمودار شکل زیر برای بتا های با انرژی مختلف را نشان می دهد. در کمتر از حدود انرژی1Mev یونش ویژه با افزایش انرژی، کاهش می یابد (مشابه به همان استدلال کاهش یونش برای ذره آلفا). وقتی انرژی ذره بتا بیشتر از 1Mev می شود ، یونش ویژه به آرامی افزایش می یابد. که این ناشی از اغتشاش در میدان الکتریکی ذره بتا در سرعت های بسیار بالاست (اثر نسبیتی) و افزایش احتمال بوجود آمدن تابش ترمزی است.

میدان الکتریکی حول یک ذرۀ بتای کم سرعت متقارن است. وقتی سرعت ذره بتا بالا می رود (در محدوده سرعت های نزدیک به سرعت نور) این میدان تقویت می شود و اندرکنش قوی تری با اتم خواهد داشت که در سرعت های پایین دیده نمی شود.

با استفاده از فرمول که β برابر v/c است، اگر E_k=1Mev باشد و m₀c² نیز برای الکترون .511Mev است. با جاگذاری این مقادیر ، V/C مساوی 0.94 بدست می آید یعنی سرعت الکترون 0.94 سرعت نور است.

در حالت سکون میدان الکتریکی در اطراف یک الکترون به شکل زیر است:

و در سرعت های کم به اینگونه است :

هر چه سرعت ذره بتا بالاتر می رود به شکل مقابل در می آید:

اگر سرعت ذره بتا بیشتر از سرعت نور در آن محیط (C/n)باشد ذره جلوتر از موج حرکت خواهد کرد که شبیه به کشتی ای است که با سرعتی بیش از سرعت امواج حرکت کند. این پدیده "اثر کورنکف" نام دارد.

همانگونه که گفته شد و از شکل های قبلی نیز مشخص است با بالا رفتن سرعت ذره, موج الکترومغناطیسی ذره نیز تقویت و منسجم شده است و یک مجموعه سخت را به وجود می آورد. به عبارت دیگر هم ذره و هم میدان الکترومغناطیسی آن باعث یونش می شوند.که تمامی این عوامل در کنار هم موجب افزایش یونیزاسیون در انرژی های بالا می شود.

(لازم به ذکر است که از فرمول بلوچ-بت هم می توان نمودار مورد نظر را توجیه کرد.)

منابع:

1- www.eas.asu.edu/~holbert/eee460/IonizationRange.pdf

2- www.westrain.org/documents/803/NP-4%20Nov%202005.doc 

3- www.physics.northwestern.edu/new335/PDF/alphabeta.pdf

4- http://www.shef.ac.uk/physics/teaching/phy320/topic7new.html