Fizyka promieniowania
Przedstawione poniżej pojęcia, definicje i zasady stanowią elementarną wiedzę związaną z budową materiałów na poziomie cząsetek, zjawiskami fizycznymi dotyczącymi promienowania jonizacyjnego, oraz budowy urządzeń rentgenowskich. Tematyka tutaj zebrana stanowi istotny i podstawowy element kursów związanych z użytkowaniem, eksploatacją urządzeń RTG w Polsce i na świecie. W przypadku głębszego zainteresowania tą problematyką zachęcamy do kontaktu z naszymi ekspertami. Prosimy o email : info@arida.pl
Definicje
Cząstki elementarne - do niedawna obowiązywała następująca definicja - cząstka elementarna to cząstka, będąca podstawowym budulcem, czyli najmniejszym i nieposiadającym wewnętrznej struktury. Niemniej pojęcie to ze względów historycznych ma trochę inne znaczenie. Wśród fizyków nie ma obecnie jednomyślności w uznaniu definicji cząstki elementarnej, choć przeważa pogląd: Cząstkami elementarnymi są te wszystkie cząstki, które są niezbędne do wyjaśnienia własności wszystkich form materii, i tylko te, których nie można wyjaśnić przez inne cząstki. Z definicji tej wynika, że są one jednocześnie podstawowym budulcem materii i nie posiadają wewnętrznej struktury. Z cząstek elementarnych zbudowane są wszystkie inne cząstki. Na przykład atomy zbudowane są z mniejszych cząstek takich jak elektrony, protony i neutrony. Protony i neutrony są również cząstkami złożonymi z innych, bardziej podstawowych cząstek – kwarków.
Rodzaje cząstek elementarnych
- Foton (masa spoczynkowa=0 ładunek elektryczny=0)
- Elektron (masa spoczynkowa = 9,1*10 -28 g ładunek elektryczny = 1,6*10-19C ujemny)
- Pozyton (masa spoczynkowa = 9,1*10 -28 g ładunek elektryczny = 1,6*10-19C dodatni)
- Proton (masa spoczynkowa = 1863*9,1*10 -28 g ładunek elektryczny = 1,6*10-19C dodatni)
- Neutron (masa spoczynkowa = 1838*9,1*10 -28 g ładunek elektryczny = 0 )
- Neutrino (masa spoczynkowa = 0 ładunek elektryczny=0)
Atom podstawowy składnik materii. Składa się z małego dodatnio naładowanego jądra o dużej gęstości i otaczającej go chmury elektronowej o ujemnym ładunku elektrycznym. Atom to najmniejsza część pierwiastka chemicznego, która posiada jeszcze jego właściwości chemiczne. Atomy mają rozmiary rzędu 10−10 m i masę rzędu 10−26 – 10−25 kg. Można je obserwować przez skaningowy mikroskop tunelowy. Ponad 99,9% masy atomu jest zawarte w jego jądrze. Jądro atomowe zbudowane jest z nukleonów: protonów o dodatnim ładunku elektrycznym i elektrycznie obojętnych neutronów. Chmurę elektronową tworzą elektrony związane z jądrem przez oddziaływanie elektromagnetyczne. Podobne oddziaływanie pozwala atomom łączyć się w cząsteczki. Atom jest elektrycznie obojętny, gdy liczba elektronów jest równa liczbie protonów. W przeciwnym przypadku ma ładunek i nazywany jest jonem.
Jonizacja zjawisko powstawania jonu, czyli kationu bądź anionu, z obojętnego atomu lub cząsteczki. Energia potrzebna do jednostkowej jonizacji atomu, tzn. oderwania jednego elektronu z atomu, maleje ze wzrostem numeru okresu (większa odległość od jądra i słabsze siły przyciągania elektronu z powłoki walencyjnej), a generalnie (z licznymi wyjątkami, biorąc pod uwagę kolejne wartości) rośnie wraz ze wzrostem numeru grupy. Z jonizacją związane jest zjawisko rekombinacji, czyli proces odwrotny, polegający na zobojętnianiu jonów. Przebiega przez połączenie swobodnych elektronów z jonami dodatnimi, na łączeniu się jonów o przeciwnych znakach w obojętne cząsteczki. W warunkach równowagi tempo jonizacji jest równe tempu rekombinacji, co powoduje utrzymywanie się stałego stopnia jonizacji danego ośrodka.
Jonizacja może się ona odbywać na kilka sposobów: Na poziomie atomowym:
- zderzenie atomu z cząstką o wysokiej energii np. protonem, elektronem lub cząstką α;
- na skutek wzajemnych zderzeń obojętnych atomów o dużej energii kinetycznej – jonizacja termiczna;
- poprzez wybicie elektronu z powłok atomowych w wyniku absorpcji kwantu promieniowania elektromagnetycznego;
- w wyniku wyrzucenia z atomu elektronu po wychwycie elektronu przez jądro;
- wielofotonowa jonizacja powyżej progu.
W ten sposób powstają wolne jony dodatnie i swobodne elektrony, które przyłączając się do obojętnych atomów tworzą jony ujemne; Na poziomie cząsteczki:
- poprzez rozpad wiązań chemicznych, w wyniku czego jedna część cząsteczki zachowuje oba elektrony wcześniej uczestniczące w wiązaniu; jeśli taki rozpad następuje pod wpływem rozpuszczalnika, to nosi on nazwę dysocjacji elektrolitycznej – w ten sposób powstają luźne pary jonowe;
- poprzez reakcję chemiczną, w której jedna cząsteczka (donor) dostarcza elektrony drugiej (akceptor), jednak nie ulegają przy tym rozbiciu żadne wiązania – nazywa się to jonizacją chemiczną – w ten sposób również powstają luźne pary jonowe;
Energia jonizacji, potencjał jonizacyjny atomu lub cząsteczki – minimalna energia, którą należy dostarczyć, aby oderwać elektron od atomu danego pierwiastka lub cząsteczki. Przy jonizacji atomu znajdującego się w stanie podstawowym używa się określenia "pierwszy potencjał jonizacyjny"; przy odrywaniu kolejnych elektronów mówi się o drugim, trzecim, n-tym potencjale jonizacyjnym, określając w ten sposób energię potrzebną do oderwania n-tego elektronu po wcześniejszym oderwaniu n - 1 elektronów. Kolejne potencjały jonizacyjne (szczególnie pierwszy) są wielkościami charakterystycznymi dla atomów i cząsteczek i decydują o ich własnościach fizycznych i chemicznych, dlatego podawane są w tabelach właściwości pierwiastków. Potencjał jonizacyjny podaje się w jednostkach energii na atom (elektronowolt na atom) lub na mol atomów (kilodżul/mol).
