Opintojaksosta P Säteilyfysiikka, -biologia ja -turvallisuus osuus Säteilyfysiikka

Opintojaksosta 761116P Säteilyfysiikka, -biologia ja -turvallisuus osuus Säteilyfysiikka Seppo Alanko Oulun yliopisto Fysiikan laitos Kevät 11 Moniste on koottu ja kopioitu monesta eri lähteestä, joista tärkeimmät ovat University Physics by Young and Freedman ja Säteilyturvakeskuksen julkaisema kirjallisuus ja www-sivut. 1 JOHDANTO............................................... 1 1.1 Säteily................................................ 1 1. Ionisoivan säteilyn vaikutuksista........................... 4 1.3 Aaltohiukkasdualismi.................................... 5 5 SUUREET JA MITTAYKSIKÖT.............................. 59 5.1 Säteilykenttää kuvaavia suureita........................... 59 5. Vuorovaikutussuureita.................................. 61 5.3 Dosimetrian suureita.................................... 64 5.4 Radioaktiivisuuden suureita.............................. 71 6 SÄTEILEVÄ YMPÄRISTÖ.................................. 7 6.1 Radioaktiivisuus luonnossa............................... 73 6. Radon................................................ 74 6.3 Luonnon taustasäteily.................................... 77 6.4 Ihmisen oma toiminta.................................... 81 6.5 Radioaktiivisten aineiden käyttäytyminen kehossa............. 85 7 SÄTEILYN KÄYTTÖ...................................... 87 7.1 Teollisuus ja tutkimus................................... 87 7. Terveydenhuolto....................................... 91 7.3 Eläinröntgentutkimus.................................... 95-95 ATOMI- JA YDINFYSIIKKAA............................... 7.1 Atomi................................................ 7. Röntgensäteily......................................... 1.3 Ytimen rakenne ja ominaisuuksia........................... 1.4 Sidosenergia ja ytimen stabiilisuus.......................... 14.5 Radioaktiivisuus........................................ 18.6 Alfahajoaminen........................................ 19.7 Beetahajoaminen....................................... 1.8 Gammasäteily......................................... 5.9 Hajoamislaki ja aktiivisuus............................... 6.1 Neutronisäteily........................................ 8 3 SÄTEILYN JA AINEEN VUOROVAIKUTUS................... 31 3.1 Ionisoimaton sähkömagneettinen säteily.................... 3 3. Ionisoiva sähkömagneettinen säteily....................... 33 3.3 Beetasäteily........................................... 39 3.4 Alfasäteily............................................ 44 3.5 Neutronisäteily........................................ 46 4 SÄTEILYN ILMAISIMET.................................... 5 4.1 Signaali-ilmaisimet..................................... 51 4. Ratailmaisimet......................................... 56

1 1 JOHDANTO Kurssi Säteilyfysiikka, -biologia ja -turvallisuus antaa perusteet säteilysuojeluun ionisoivan säteilyn käytössä teollisuudessa ja tutkimuksessa. Kurssilla käsitellään ionisoivan säteilyn fysikaalisia ominaisuuksia, säteilyn biologisia vaikutuksia sekä säteilyturvallisuuteen liittyvää lainsäädäntöä. Tämä moniste käsittelee kurssista osuutta Säteilyfysiikka. Säteilyfysiikka on soveltava fysiikan alue, joka tutkii erityisesti - säteilyn syntyä, ilmaisemista, tunnistamista ja mittaamista, - säteilyn ja aineen vuorovaikutusta sekä - säteilyn käyttöä ja säteilyltä suojautumista. Ionisoimaton säteily on pitkäaaltoista sähkömagneettista aaltoliikettä, johon lasketaan ultravioletti-, näkyvän alueen -, infrapuna-, mikro- ja radioaallot sekä pienitaajuiset ja staattiset sähkö- ja magneettikentät. Ionisoimatonta säteilyä hyödynnetään esimerkiksi matkapuhelimissa ja mikroaaltouuneissa ja myös maan pinnalla havaittava auringon säteily on käytännössä ionisoimatonta. Staattiset kentät eivät säteilyn fysikaalisen määritelmän mukaan ole säteilyä lainkaan, mutta koska niilläkin saattaa olla haitallisia vaikutuksia eläviin organismeihin, säteilylaki koskee myös niitä. Lisäksi säteilyturvakeskus (STUK) seuraa ultraäänilaitteiden käyttöä. 1.1 SÄTEILY Säteilyllä tarkoitetaan atomeista (molekyyleistä) ja atomiytimistä peräisin olevien ionien, alfahiukkasten, protonien, elektronien, positronien, neutronien, myonien ym. alkeishiukkasten virtaa sekä sähkömagneettista (sm) säteilyä. Säteilylaki (59/1991, katso 8 ) jakaa säteilyn kahteen ryhmään: ionisoivaan sätelyyn ja ionisoimattomaan säteilyyn. Ionisoivalla säteilyllä on riittävästi energiaa irrottamaan säteilyn kohteeksi joutuvan aineen atomeista elektroneja tai rikkomaan aineen molekyylejä. Ionisoivaa säteilyä ovat esimerkiksi edellä mainitut hiukkassäteilylajit sekä tietyn kynnysarvon ylittävä sm-säteily (röntgenja gammasäteily). Radioaktiiviset aineet ja esimerkiksi röntgenlaitteet lähettävät ionisoivaa säteilyä. Milloin säteily on ionisoivaa ja milloin ei? Ionisaatiopotentiaalienergia on pienin energia, joka tarvitaan atomin tai molekyylin ionisoimiseen. Seuraavan sivun kuvassa atomien ionisaatio-potentiaalienergiat, siis löyhimmin sidotun elektronin irroittamiseen tarvittava energia, on esitetty järjestysluvun Z funktiona. Esimerkiksi vedyn (H) ionisaatiopotentiaalienergia on 13,6 ev ja natriumilla (Na) se on noin 5 ev. Tyypillisesti atomien arvot näyttävät olevan välillä 5 15 ev.

3 4 Molekyylin sidosenergia on se energia, joka tarvitaan molekyylin hajottamiseen atomeiksi. Tyypillinen sidosenergia/atomi on välillä 1-1 ev. Esimerkiksi happimolekyylin (O ) sidosenergia on 5 ev. Tästä seuraa, että ionisoiva säteily myös hajottaa molekyylejä. Laskukaava: Voidaan osoittaa (laskuharjoitus), että sähkömagneettisen säteilyn kvantin energia E elektronivolteissa saadaan laskemalla Nämä samat rajat pätevät karkeasti myös molekyyleille. Esim. H : 15.4 ev O : 1.1 ev N : 15.6 ev H O: 1.6 ev Vesimolekyylin ionisaatiopotentiaalienergia 1.6 ev vastaaa suurin piirtein sellaisen sähkömagneettisen kvantin energiaa, jonka aallonpituus on λ 1 nm. Tähän perustuen on määritelty (sovittu) täs- mällinen raja: Sähkömagneettinen säteily on ionisoivaa, kun λ 1 nm Ionisoivan ja ionisoimattoman sähkömagneettisen säteilyn raja on röntgensäteilynn ja ultraviolettisäteilyn välissä. On huomattava, että hiukkassäteilyllee ei ole järkevää asetettaa vas- taavaa kynnysenergiaa. Yleensä hiukkassäteily on ionisoivaa, jos se koostuu varatuista hiukkasista. Myös esimerkiksi ns. termiset t neutronit, joiden energia on vain.5 ev, voivat aiheuttaa ydinreaktioita, jotka tuottavat ionisoivaaa säteilyä. Neutronisäteily voi siis olla välillisesti ionisoivaa. 139.8 E = ev, λ /nm mihin aallonpituus λ sijoitetaan nanometreinä. 1. SÄTEILYN VAIKUTUKSISTA Ionisoiva säteily on ihmiselle haitallista. Säteily voi mm. vaurioittaa elävien solujen perimää ja suurina annoksina aiheuttaa jopa välittömän kuoleman. Ilmiöt, joihin säteilyn vaikutukset perustuvat, ovat sattumanvaraisia. Elimistöön kohdistuva säteily voi käynnistää sarjan prosesseja, ensin atomaarisella tasolla, sitten solussa, kudoksessa, elimessä ja lopulta koko kehossa. Pienten säteilyannosten haitalliset terveysvaikutukset ovat kuitenkin niin epätodennäköisiä, että ne saadaan esille vain tilastollisin menetelmin. Säteilyn vaikutusten satunnaisuudesta huolimatta säteilyä voidaan mitata fysikaalisilla suureilla. Säteilyn terveysvaikutusten arvioimiseen ja säteilyn käytön säätelemiseen käytetään suurejärjestelmää, jossa säteilyä luonnehtivat fysikaaliset suureet yhdistyvät biologisista terveysvaikutuksista saatuihin tilastollisiin havaintoihin ja kokemuksiin.

5 Säteilyn lääkintä- tutkimus-, opetus- ja teollisen käytön alkuaikoina sattui runsaasti tiedon puutteesta aiheutuneita vahinkoja. Röntgensäteilyn ja radiumin uskottiin parantavan moninaisia vaivoja, esimerkiksi radiumpitoisilla terveysvesillä parannettiin sokeutta ja impotenssia. Ionisoivaa säteilyä ei havaita suoraan aistein. Ympäristön säteilytilanteen kartoittamisessa tarvitaan erityisiä laitteita. Huomiota on kohdistettava myös säteilyltä suojautumiseen. Ensimmäiset viranomaissuositukset säteilyä käyttävän henkilökunnan suojaamiseksi ja säteilyn mittaamiseksi ovat peräisin 191 luvulta. Silloin kyse oli suurten säteilyannosten aiheuttamista varhaisvaikutuksista. Säteilysuojelun tavoitteena nykyisin on ihmisten, yhteiskunnan, ympäristön ja tulevien sukupolvien suojelu säteilyn haitallisilta vaikutuksilta kuitenkin siten, että tarpeettomasti ei rajoiteta hyväksyttävää säteilyn käyttöä tai säteilylle altistavaa toimintaa. 1.3 AALTOHIUKKASDUALISMI Edellä jaoimme säteilyn hiukkassäteilyyn ja sähkömagneettiseen säteilyyn. Aaltohiukkasdualismi on kvanttimekaniikan käsite, jonka mukaan näillä molemmilla säteilytyypeillä on sekä aaltoliikkeen että etenevien hiukkasten ominaisuuksia. Tämän ns. aineaaltohypoteesin esitti de Broglie vuonna 193 ja kiteytettynä se kuuluu: Sekä materiaalisen hiukkasen että sähkömagneettisen kvantin liikemäärä p, aallonpituus λ ja nopeus v saadaan samoista yhtälöistä: 4 E mc p =, c h λ =, p pc v =. E 6 Näissä c on valon tyhjiönopeus, h on Planckin vakio, m on hiukkasen lepomassa ja E = mc on hiukkasen kokonaisenergia. Tässä ns. relativistinen massa on m m =. 1 ( v / c) Esim. sähkömagneettinen kvantti on massaton ( m = ), joten E p =, c λ = h hc p = E, pc v = = c, E ja esimerkiksi keskimmäisestä tuloksesta saamme sähkömagneettisen kvantin energialle tutun lausekkeen hc E = = hf, λ missä f = c / λ on taajuus ( f = ν ). Sähkömagneettisella säteilyllä on siis kahtalainen luonne: hiukkasluonne (energiapaketti, fotoni, kvantti) ja aaltoluonne (taajuus, aallonpituus). Arvoja: c = 9979458 m/s 34 h = 6.66755 1 Js Ionisoivan säteilyn biologiset vaikutukset saavat alkunsa säteilyn ja materiaalin vuorovaikutuksesta atomaarisella tasolla. Myös säteilyn havaitseminen, sen vaimeneminen suojauksissa sekä säteilyn hyötykäyttö perustuvat vastaaviin vuorovaikutuksiin. Ionisoivan säteilyn syntymisen ja sen vaikutusten ymmärtämiseksi on tarpeen tuntea eräitä atomi- ja ydinfysiikan ilmiöitä ja peruskäsitteitä, joita lähdemme tarkastelemaan seuraavassa kappaleessa.

ATOMI- JA YDINFYSIIKKAA Kvanttiteorian kehittymisen myötä 19-luv vun vaihteessa atomin rakennee oli kiivaan tutkimuksen kohde. Thompson keksi elektronitt vuonna 1897 ja Rutherfordin sirontakokeet vuosina 191-1911 viit- tasivat siihen, että atomin keskipisteessä olisi hyvin pieni mutta massiivinen ydin, jota elektronit ympäröivät..1 7 1 ATOMI Yksinkertaisen mallin mukaan atomi muodostuuu positiivisestii varautuneesta ytimestä ja sitä kiertävistä negatiivisista elektro- neista. Elektronit pysyvät ytimen lähel- lä sähköisten voimien vaikutuksesta. Jokaisella elektronilla on tiettyy energia, joka vastaa sitä energiaa, joka vaadi- (sidosenergia). Energiatilat ryhmitel- lään ns. kuoriksi, K, L, M, N,..., joita vastaa pääkvanttiluvunn arvot n = 1,, taan elektroninn irrottamiseksii atomista 3, 4,... Saman elektronikuoren elekt- joka esimerkiksi vetyatomillaa lasketaan kaavasta 1 roneilla on likipitäen sama energia, E n = ( 13.6 ev). n Neljän kvanttiluvun yhdistelmä ei voi olla sama kahdellaa saman atomin elektronilla (Paulin kieltosääntö). Perustilassa olevan atomin energiatila ovat täyttyneet järjestyksessä alimmasta, eli suu- rinta sidosenergiaa vastaavastaa tilastaa alkaen. Atomin elektroni voi saada lisäenergiaa sähkömagneettisenn vuorovaikutuksen seurauksena tai esimerkiksi ulkoisen elektronienn törmätessä siihen. Tällöin elektroni siirtyy ylemmälle energiatilalle ja atomi ns. virittyy. Viritystilat ovat lyhytikä äisiä ja elektronin pala- tessa alkuperäiseen tilaansa vapautuva energia emittoituuu sähkö- magneettista säteilyä. Säteilyn taajuus f saadaan laskemalla f = missä E n' on elektronin siirtymässä ylemmän ja energiatilan energia ja h on Planckin vakio. 8 En' E n'', Kuvassa alla on esitetty esimerkkinä vetyatomin erilaisia siirtymä- sarjoja (Lyman, Palmer, Paschen,...). h E alemman n'' Kullakin kuorella on alikuoria, ns. orbitaaleja, joita karakterisoi si- vukvanttiluku l, joka saa arvoja l =, 1,,... n 1. Alikuoria merki- tään l:nn mukaan symboleilla s, p, d, f,... Elektroniseen ener- giatilaan liittyyy myös magneettinen kvanttilu uku ml =, ± 1,... ± l, ja vielä neljäntenä spinkvanttiluku ms =±1/.

9 Esimerkiksi, kun elektroni siirtyy viritystilalta n = 4 perustilalle n = 1, vapautuu kvantti, jonka energia on 1 1 Δ E = E E = = 4 1 Tässä on käytetty energiayksikön muunnoskerrointa 18 4 1 ( 13.6 ev) 1.8 ev.4 1 J 1 ev = 1.617733 1 19 J. Atomi lähettää sähkömagneettista säteilyä taajuudella 18 E4 E1.4 1 J 15 f = = = 3.8 1 Hz, 34 h 6.63 1 Js joka vastaa aallonpituutta 8 hc c 3. 1 m/s 7 λ = = = =.974 1 m 1nm. 15 E4 E1 f 3.8 1 1/s Säteily on siis ultraviolettisäteilyä. Atomin uloimpien elektronikuorten välisissä siirtymissä vapautuu yleensä näkyvää ja ultraviolettia valoa, kun taas sisäkuorten väliset siirtymät tuottavat röntgensäteilyä (X rays)... Erilaisiin sovellutustarkoituksiin röntgensäteilyä synnytetään ns. röntgenputkella, joka on anodista (+) ja katodista ( ) muodostuva tyhjiöputki, joshyvin sa elektrodien välille on kytketty korkea jännite V (yli 1 kv). RÖNTGENSÄTEILY Anodi on jotain raskasta metallia, esimerkiksi kuparia, ja katodi jotain hyvin kuu- volframia. Katodiaa hehkutetaan, jolloin siitä irtoaa muutta kestävää metallia, esimerkiksi elektroneja, jotka kiihtyvät elektrodien välisessä sähkökentässä ja saavuttavat suuren nopeuden ennenn törmäämistä anodiin. Elektronien osuessa anodiin anodi lähettäää röntgensäteilyä, jonka spektri (aallonpi- tuusjakauma) on jatkuva tietystä minimi- aallonpituudesta ( λ ) alka min aen ja jossa lisäksi havaitaan yksittäisiä piikkejä viereisen kuvan mukaisesti. Jatkuva spektri on ns. jarrutussäteilyä (bremsstrahlung), joka syntyy elektronienn hidastuessa voimakk kaasti kohdemateriaalin ydintenn läheisyydessä. Jarrutussäteilyn kvanttien suuruudet vaihtelevat sen mukaan miten paljon ydin kussakin tapauksessa jarruttaa a elektronia. Minimiaallonpituus syntyy silloin, kun elektroni luo- vuttaa kaiken liike-energiansaa ( ev ) säteilyen nergiaksi, joten hc λ missä e on elektronin varaus ja V kiihdytysjännite. min 1 = ev,

11 Monissa sovellutuksissa jatkuvan spektrin osuus röntgensäteilyssää halutaan mahdollisimman suureksi. Tämän vuoksi anodimateri- aaliksi valitaan mahdollisimman raskas metalli, sillä röntgenkvan- teiksi muuttuva osuus kiihdytettyjen elektronien energiasta on verrannollinen tuloon ( ev ) Z, missä Z on anodimateriaalin järjes- tysluku. Spektripiikit ovat puolestaan anodimateriaalille tyypillisiä ns. karakteristisia spektriviivoja, jotka syntyvät kiihdytettyjen elektronien törmätessää anodiatomien sisäelektroneihin irroittaen niitä. Aukot täyttyvätt ulompien elektronien siirtyessä tilalle ja siirtymissä emittoituuu röntgensäteilyä. 1.3 YTIMEN RAKENNE JA OMINAISUUKSIA Heti ytimen löytymisen jälkeen kysyttiin onko sillä rakennetta ja millainen se mahtaisi olla. 193-luvun alkupuolelle tultaessa ytimestä oli muodostunut malli, joka on käyttökelpoinen vielä nykyisinkin. Nukleonit Mallin mukaan ydin koostuu kahdentyyppisistä hiukkasista, positiivisesti varautuneista protoneista ja neutraaleista neutroneista. Nämä hiukkaset ovat yhteiseltä nimeltään nukleoneja. Nuklidit ja isotoopit 19 Protonin varaus ( 1.617733(49) 1 C) on itseisarvoltaan sama kuin elektronin varaus, joten neutraalissa atomissa kutakin ytimen protonia kohti on oltava yksi elektroni. Ytimessä olevien protonien lukumäärä on ns. järjestysluku Z (atomic number, varausluku, protoniluku). Neutronien lukumäärä on ns. neutroniluku N (neutron number) ja nukleonien kokonaismäärä A = Z + N on ns. massaluku (atomic mass number). Tätä nimitystä käytetään, koska ytimen massa on hyvin lähellä arvoa A nukleonin massa. Ydin, jolla on tietty A ja tietty Z on ns. nuklidi (nuclide). Nuklidia merkitään symbolilla A Z X, missä X on kyseisen alkuaineen kemiallinen symboli. Esimerkiksi N tarkoittaa typpiydintä, jossa on 7 protonia ja 8 neutronia. 15 7 Atomin kemialliset ominaisuudet määräytyvät sen elektronirakenteesta, ts. ytimessä olevien protonien lukumäärästä. Järjestysluku Z

13 määrää siis sen mistä alkuaineesta on kyse. Esimerkiksi seuraavat atomit ovat kaikki hiiliatomeita ( 6 Z = ): 11 6 C, 1 6 C, 13 6 C, 14 6 15 16 C, 6 C, C. 6 Ytimet, joissa on vakiomäärä protoneita, mutta neutroniluku ja siten myös massaluku vaihtelevat, ovat kyseisen alkuaineen ns. isotooppeja (isotopes). Ytimen säde Jo Rutherford sirontakokeillaan havaitsi, että ytimen säteen täytyy olla kymmeniä tuhansia kertoja pienempi kuin itse atomin säteen. Ytimen koko on luonnollisesti jo aaltohiukkasdualismin ja epätarkkuusperiaatteen valossa pakostakin epämääräinen käsite. Ydin voidaan kuitenkin ajatella palloksi, jolle sirontakokeiden perusteella voidaan määrittää (efektiivinen) säde R. Hyvällä tarkkuudella 13 R= R A, missä R on kokeellisesti määritettävä vakio R 1, 1 15 = m. Massoista: Ydinten (ja yleensä varattujen hiukkasten) massat voidaan määrittää esimerkiksi massaspektrometrillä, jossa magneettikentässä liikkuvan varauksen radan kaarevuussäde mitataan. Massa on kätevintä ilmoittaa ns. atomimassayksiköissä u (unified atomic mass unit). Atomimassayksiköissä yhden neutraalin 1 6 C-atomin massa on 1, u. Muunnoskerroin kilogrammoiksi on 7 1u = 1,6654(1) 1 kg. Massat annetaan usein myös energiana (elektronivoltteina). Näin voidaan tehdä, koska massa ja energia ovat ekvivalentteja Einsteinin yhtälön E = mc mukaan. Pätee 1u c = 931, 49 MeV. Tärkeitä lepomassoja: kg u MeV elektroni (e) 9.1939 1 31.54858.511 neutroni (n) 1.67493 1 7 1.8665 939.57 protoni (p) 1.676 1 7 1.777 938.7 vetyatomi ( 1 H) 1 1.67353 7 1 1.785 938.78 deuterium ( 1 H).141 14.4 SIDOSENERGIA JA YTIMEN STABIILISUUS Stabiilin ytimen hajoittaminen erillisiksi protoneiksi ja neutroneiksi vaatii energiaa. Tämän vuoksi ytimen kokonaismassa on aina pienempi kuin sen muodostamien protonien ja neutronien yhteenlaskettu massa. Energia, joka vaaditaan nukleonien erottamiseksi on ns. sidosenergia E B (binding energy). Sidosenergia saadaan laskemalla EB = ( ZM A H + Nmn ZM) c, missä sulkujen sisältämä osuus on ns. massakato (mass defect). Kaavassa Z A M on neutraalin atomin massa (sisältää elektronit), Z on protonien lukumäärä ja M H protonin ja yhden elektronin massa (neutraalin vedyn massa). ZM H on siis erillisten protonien ja elektronien massa. Nm on erillisten neutronien kokonaismassa. n Atomeista yksinkertaisin on vety, jonka ydin koostuu pelkästään yhdestä protonista, eikä sitä siis voida hajoittaa. Seuraavaksi tulee vedyn isotooppi deuterium 1 H, jonka ydin koostuu yhdestä protonista ja yhdestä neutronista. Deuteriumin ydintä sanotaan deutero-

15 16 Käyrän lasku suurilla A:n arvoilla (ja pienillä) tarkoittaa sitä, että raskailla ytimillä (ja hyvin kevyillä) nukleonit ovat heikommin sitoutuneita toisiinsa kuin keskiraskailla ( A 4 8) ytimillä. Tätä ominaisuutta hyödynnetään energian tuotossa fissiolla ja fuusiolla. Joukko protoneita ja neutroneita ei voi spontaanisti muodostaa pysyvää rakennelmaa jo protonien keskinäisen sähköisen poistovoiman takia. Herää kysymys millainen voima voi pitää ytimet koossa ja kumota näin sähköisen hajottavan poistovoiman. Tämän uuden voiman on oltava vahvempi kuin sähköisen voiman, joten sitä sanotaan vahvaksi ydinvoimaksi (strong nuclear force). Vahva ydinvoima on vetovoima, joka vaikuttaa nukleonien välillä. Voima vaikuttaa samalla tavalla onpa kysymyksessä protonit tai neutronit (tai protoni-neutroni pari). Protonit vetävät toisiaan puoleensa vahvan voiman vaikutuksesta ja samanaikaisesti hylkivät toisiaan sähköisen voiman ansiosta. Neutronit ovat neutraaleja, joten ne vain vetävät toisiaan vahvan voiman vaikutuksesta. Vahva ydinvoima on huomattavasti monimutkaisempi kuin sähköinen tai gravitaatiovoima. Yksi vahvan voiman tärkeä ominaisuus on sen lyhyt kantama (short-range force). Kahden nukleonin 15 välinen voima on hyvin vahva, kun ne ovat lähempänä kuin 1 m :n päässä toisistaan ja käytännössä nolla tätä kauempana. Sähköinen ja gravitaatiovoima vaikuttavat puolestaan hyvinkin kaukaa (long range forces). niksi. Deuteriumin massa on,141 u, joten deuteronin sidosenergiaksi tulee EB = (1,785u + 1,8665u,141u) c =,388uc =.388 931.49MeV =,4MeV. Tärkeä mitta sille miten tiukasti nukleonit ovat sitoutuneet toisiinsa on ns. sidososuus EB / A, joka on sidosenergia nukleonia kohti (binding energy per nucleon). Deuteronin tapauksessa EB,4 MeV 1,11MeV A = =, joka on pienin luonnossa havaituista sidososuuksista. Kuvassa on esitetty stabiilien ydinten sidososuudet massaluvun A funktiona. Havaitaan, että sidososuus aluksi kasvaa A:n kasvaessa. Käyrä saavuttaa tasanteen (noin 8,7 MeV) kun A 4 ja lähtee laskuun kun A ylittää arvon 8. Vahvalla ydinvoimalla on muitakin erikoisuuksia. Esimerkiksi, jos ytimen neutronien lukumäärä poikkeaa paljon protonien lukumäärästä, niin ytimen sidosenergia pienenee rajusti ja saattaa johtaa jopa epästabiiliuteen. Kuten viereisestä kuvasta nähdään, stabiileilla ytimillä protoniluku on lähellä neutronilukua ( N Z).

17 Nuklidien ominaisuuksia esitetään tavallisesti ns. nuklidikartan avulla. Nuklidikartta on ( Z, N )-koordinaatisto, jossa kutakin nuklidia vastaa yksi piste. Nuklidikartassa stabiilit ytimet muodostavat suhteellisen kapean uran (ns. Heisenbergin uoman), joka kääntyy hieman ylöspäin N = Z suorasta raskailla ytimillä. Se, että raskaissa ytimissä neutronien osuus on suurempi, on helppo ymmärtää seuraavasti. Raskaammissa ytimissä myös protoniluku Z on suuri, joten sähköisen poistovoiman merkitys on suurempi. Neutronien lukumäärän kasvattaminen yli-suureksi kumoaa tämän vaikutuksen, koska neutronit eivät koe kyseistä sähköistä poistovoimaa, mutta antavat kuitenkin oman kontribuutionsa ydinvoimaan. Hyvin raskailla ytimillä edes neutronit eivät pysty pitämään ydintä koossa. Kaikki ytimet, joilla Z > 8, ovat epästabiileja. 18.5 RADIOAKTIIVISUUS Vuonna 1896 Henri Becquerel (185-198) havaitsi, että eräs mineraali (sattui sisältämään uraania) tummensi valokuvauslevyn, vaikka levy oli suojattu valolta. Mineraali emittoi uutta tuntematonta säteilyä. Tämä oli ensimmäinen havainto radioaktiivisuudesta. Marie (1867-1934) ja Pierre (1859-196) Curie eristivät uusia alkuaineita (poloniumin ja radium), jotka olivat hyvin radioaktiivisia. Uusia radioaktiivisia aineita löydettiin vähitellen paljon. Ajanmittaan kävi ilmeiseksi, että uusi säteily tulee atomien ytimistä. Nykyisin tunnetaan noin 5 nuklidia, joista vain alle 3 on pysyviä (ks. Segrè-diagrammi edellisellä sivulla). Loput ovat epästabiileja ja hajoavat toisiksi ytimiksi emittoimalla hiukkasia ja sähkömagneettista säteilyä. Tätä prosessia sanotaan radioaktiivisuudeksi. Luonnossa esiintyvistä epästabiileista isotooppeista käytetään nimitystä luonnon radionuklidit. Niitä on havaittu yli 7. Tavallisesti näillä Z = 81 9 (esim. Rn, Ra, U) mutta myös esimerkiksi 4 K, 5 V, 87 Rb, 138 La ja 147 Sm ovat aktiivisia. Radioaktiivisuus keksittiin (Rutherford) nimenomaan luonnon radioaktiivisista aineista. Epästabiileja nuklideja voidaan valmistaa myös keinotekoisesti laboratoriossa ydinreaktioissa (I. Curie ja F. Joliot 1934). Puhutaan keinotekoisista radionuklideista ja keinotekoisesta radioaktiivisuudesta. Rutherford et al. havaitsivat vuonna 1896, että radioaktiivinen säteily voidaan jakaa kolmeen tyyppiin sen mukaan miten hyvin ne läpäisevät materiaaleja. Yksi säteilylaji ei pystynyt läpäisemään edes paperiarkkia, toinen läpäisi juuri ja juuri 3 mm:n paksuisen alumiinilevyn ja kolmas oli niin läpitunkevaa, että se pystyttiin havaitsemaan vielä usean senttimetrin paksuisen lyijylevyn takaa.

Tutkijatt nimesivät säteilytyypit aakkosten mukaan α -säteilyksi, β -säteilyksi ja γ -säteilyksi järjestyksessä niin, että γ -säteily on kaikkein läpitunkevin laji. Pian havaittiin, että kuhunkinn säteily- tyyppiin liittyyy oma varaus niin, että ne taipuvat eri tavallaa magneettiken- tässä viereisen kuvan kokeessa. Alfa- säteet todettiin positiivisesti varatuiksi, beetasäteet negatiivisesti varatuiksi ja gammasäteet osoittautuivat neut- raaleiksi. Alfahajoamistaa voidaan kuvata yhtälöllä A 4 4 N ' + He, Aikanaan säteilylajit pystyttiin tunnistamaan. Gammasäteet ovat hyvin suurenergisiä fotoneita siis sähkömagneettista säteilyä, jonka energia on jopa suurempi kuin röntgensäteilyllä. Beetasäteet ovat elektroneja (niitä ei oteta elektroniverhosta vaan ne syntyvät yti- messä) ja alfasäteet ovat yksinkertaisesti helium-atomiprotonista ja kahdesta a ytimiä 4 He, ts. α -hiukkaset koostuvat kahdesta neutronista. Ydin hajoaa emittoiden alfahiukkasen ( 4 He) pääasiassa silloin, kun se on liian suuri ollakseen stabiili. Alfaemis ssiossa ytimen N ja Z molemmat pienenevät kahdella, joten massaluku A väheneee neljäl- lä ja ydin siirtyy lähemmäksi stabiili- suusaluetta nuklidikartalla. A N Z.6 Z 6 ALFAHAJOAMINEN 19 missä N on alkuperäinen ydin (emoydin, parent) ja N ' syntynyt uusi ydin (tytärydin, daughter). Tätä alkuaineen muuttumista toiseksi sanotaan transmutaatioksi (transmutation). Klassinen esimerkki alfahajoamisesta on radiumin Ra hajoaminen radoniksi Rn. Hajoamista esitttää alla oleva kuva. Kuvassa (a) on esitetty varsinainen hajoaminen. Sitä kuvaa yhtälö 6 4 88 Ra 86 Rn + He. Hajoaminen tapahtuu spontaanisti α -hiukkasen tunneloituessa ydintä koossapitävän potentiaalivallin läpi, kuva (b). Hajoamisen reaktioenergia (disintergation energy) eli ns. Q-arvo lasketaan massan muuttumisen avulla yhtälöstä Q= MPc ( MD + mα ) c, missä M P on emoatomin massa ja M D + m α tytäratomin ja α - hiukkasen yhteinen massa. On huomattava, että Q-arvon laskemisessa käytetään nuklitaulukoiden mukaisia neutraalien atomien massoja. Alfahajoaminen on luonnollisesti mahdollinen vain, jos Q >. Vapautunut energia jakautuu kineettiseksi energiaksi tytäratomin ja α -hiukkasen kesken:

E kin ( M D α ) = Q ja Ekin( M D + m tytär m α ) = α M D + m Kaikillaa tietyn ytimen hajoamisessa syntyneillä α -hiukkasilla on sama kineettinen energia. Alfasäteilyn ener- (kuva vieressä) eli ns. viivaspektri. Alfasäteilyjen energiat ovat tyypillisesti välillä 4-8 MeV. Alfahajoamisessa tytärydin jää usein viritettyyn tilaan, kuten edellisen sivun kuvassa (c) käy radonille. Näissä tapauksissa α - giaspektri on ns. monoenergeettinen hiukkasten energiaspektrissää näkyy useita monoenergeettisiä viivoja osan reaktioenergiasta jäädessä viritysenergiaksi. Alfa- hajoamisen yhteydessä havaitaan siis usein myös gammasäteilyä, kun virittynyt tytärydin siirtyyy perustilaansa..7 1 7 BEETAHAJOAMINEN On olemassa kolme erilaistaa beetahajoamistyyppiä: beeta-miinus (β ), beeta-plus (β + ) ja elektronikaappaus (EC). β -hiukkaset ovat elektroneja ja β + -hiukkaset positroneja. Ytimessä syntyy elektroneja ja positroneja neutronien ( n ) muuttuessa protoneiksi ( p ) ja päinvastoin seuraavien reaktioiden mukaisesti: β : n p + β + ν e β + : p n + β + + ν e EC : p + e n + ν e α Q missä ν e on elektroninn neutriino ja ν e vastaava antineutriino. Nämää lisähiukkaset tarvitaan varmistamaan liikemäärän säilyminenn reaktioissa. Neutriino ja antineutriino ovat varauksettomia ja mas- sattomiaa (tai ainakin hyvin kevyitä) hiukkasi ia eikä niitä sen vuoksi havaita. Beeta-miinus-hajoaminen: emittoiden elektronin (ββ ) silloin, kun sen neutroni- protoni-suhde N/ Z on liian suuri. Hajoami isessa N pienenee yhdellä ja Z kasvaa yhdellä, joten suhde pienenee ja tytärydin on siten lähempänä stabiilisuuskäyrää. Ydin hajoaa β -hajoamista kuvaa yhtälö A A Z N Z + 1N ' + β + ν e. On huomattava, että reaktiossa β -hiukkanen eli elektroni tulee ytimestä neutronin muuttuessa protoniksi. Elektroniverhon elektronien lukumäärä ei muutu, joten tytäratomi N ' jää positiivisesti varautuneeksi ioniksi. Hajoamisen Q-arvoksi saadaan Q = [ M P ( M + + m )] D c missä M P on neutraalin emoatomin massa, M + D on positiivisestii varatun tytärionin massa ja m on β -hiukkasen eli elektroninn massa. Neutriinot ja antineutriinot oletetaa an massattomiksi. Kun tytäratomin massanaa käytetään nukliditaulukoista saatavaa a neutraalin atomin massaa M D = M + D + m saadaan Q arvolle kaava Q = [ M ( M m + m )] c = [ M M ] c P ( D ) Q-arvonn ilmoittama hajoamisenergia jakautuu β -hiukkasen, anti- neutriinon ja tytärionin kesken. Raskas ydin saa kuitenkin vain hyvin vähäisen osan liike-energiasta. Energia voi jakautuaa eri ta- voin kolmen tuloshiukkasen kesken, joten β -hiukkasilla voi olla P D

kaikkia mahdollisia energioita välillää Q. Tyypillinen β -sätei-- lyn energiaspektri on esitetty kuvassaa alla vasemmalla. Tyypillises- ti β -lähteiden energiaspektrin maksimi on muutamista kymme- nistä kev:sta muutamiin MeV: hin. On tavallista, että myös β -hajoamisessa tytärydin jää viritettyyn tilaan emittoiden sitten yhden tai useampia γ -kvantteja. Beeta-plus-hajoaminen Ydin hajoaa emittoiden positronin (ββ + ) silloin, kun sen neutroni- protoni-suhdmisessa N kasvaa yhdellä ja Z pienenee yhdellä, joten suhde kasvaa ja tytärydin on N/ Z on liian pieni. Hajoa- lähempänä stabiilisuuskäyrää. β + -hajoamista kuvaa yhtälö A Z N A Z 1 N ' + josta reaktion Q-arvoksi tulee nyt Q = [ M P ( M + m )] c D, missä nyt M D on negatiivisesti varatun tytärionin massa ja m on positronin massa, joka on sama kuin elektronilla. Nyt siiss tytäratomin elektroniverhossa on yksi elektroni enemmän kuin mitä on sen ytimessä protoneja. Kun tytäratomin massana käytetään neutraalin atomin massaa M = M, saadaan Q arvolle kaava D 3 D β + + ν e m, 4 [ ( )] [ ( )] Q= M M + m + m c = M M + m c P D P D Ydin voi siis hajota β + -reaktiolla, jos emoatomin massa on vähintään kaksi elektronin massaa suurempi kuin tytäratomin massa. Myös nyt β + -hiukkasten spektri on jatkuva. Tyypillinen spektri on esitetty edellisen sivun kuvassa (oikealla). Elektronikaappaus Kolmas β -hajoamisen muoto on elektronikaappaus. On ytimiä, joilla β + -emissio ei energeettisesti ole mahdollinen, mutta jotka saavat aikaan periaatteessa saman ydinmuutoksen kaappaamalla elektroniverhosta elektronin. Yksi protoni muuttuu yhdeksi neutroniksi ja samalla elektroniverhosta häviää yksi elektroni. Reaktioyhtälö on A A Z N Z 1 N' + ν e, ja prosessin Q-arvoksi saadaan Q= ( MP MD) c Elektronikaappaus voi siis tapahtua, jos emoydin on raskaampi kuin tytärydin. Varsinaisessa elektronikaappausreaktiossa emittoituu vain neutriino ja sen perusteella tapahtumaa on mahdotonta havaita. Elektronin siirtyminen ytimeen jättää kuitenkin aukon elektroniverhoon ja sen täyttyessä syntyvä röntgensäteilyä tai Auger-elektroni voidaan havaita. Kaikkein todennäköisimmin elektroni kaapataan K-kuorelta, mutta L-kaappauksiakin havaitaan. Todetaan vielä yleisesti beeta-säteilystä, että - β -hajoaminen on yleisin radioaktiivisuuden muoto - luonnossa kaikki β -aktiiviset nuklidit ovat β -hajoajia - kaikki β + -hajoajat ja elektronikaappaajat ovat keinotekoisia

.8 GAMMASÄTEILY Gammasäteily on hyvin suurenergistä sähkömagneettista säteilyä. Se syntyy ytimen viritystilojen purkautuessa samalla tavalla kuin näkyvänn alueen fotonit syntyvät atomin elektronisten viritystilojen purkautuessa. Ydinvoiman vahvuuden takia ydintenn viritysenergiat ovat luokkaa MeV, kun elektronisilla tiloilla ne ovat vain muutamia ev:ja. Näin siis ytimestä emittoituvien fotonien energiat ovat suuruusluokkaaa MeV. Miten ydin joutuu viritettyyn tilaan? Ydin voidaan virittää esimerkiksi kohdistamalla siihen hyvin suur- energisisten hiukkasten pommitus. Tavallisempaa kuitenkinn on, et- tä ydin jää suoraan viritettyyn tilaan jo syntyessään jonkin radioak- Viereisessä kuvassa on esitetty tyy- tiivisen hajoamisen seurauksena. pillinenn esimerkki. Boori-1 voi hajota β -hajonnalla suoraan hiilen (hiili-1) perustilal- tilalle (C*), jonka jälkeen syntyy 4.44 MeV:n γ -kvantti hiiliytimen purkautuessa perustilalleen. le, tai se voi hajota hiilen viritetylle γ -säteilyn syntyprosessi voidaan kirjoittaa muodossa A N Z 5 A * N Z + γ, missä tähti * tarkoittaa viritettyä ydintä. Tavallisesti ydinten viritystilojen elinajat (sähkämagneettisessa siirtymässä) ovat luokkaaa 13 1 15 1 s. Jos tilan elinaika on 1 1 s, se luokitellaan ns. isomeeriseksi tilaksi. Pisin tunnettu isomeerisen tilan elinaika on 9 vuotta ( 19 Ir). Joskus virittynyt ydin voi siirtyä perustilaansa ns. sisäisellä kon- versiolla (IC), jossa ei synny γ -kvanttia. Tässä prosessissa ytimen viritysenergia siirtyy elektroniver- ulos hon elektronille, joka sinkoutuu atomistaa samalla energialla (elekt- jolla γ -kvantti emittoituisi. Sisäinenn konversio kilpailee γ -sätei- ronin sidosenergia vähennettynä), lyn kanssa. Ns. konversiokerroin λic α = λγ kertoo mikä osuus gammasäteilystä tulee ulos sisäisen konversionn mekanismilla. Kaavassa lambdat (λλ ) ovat ns. hajoamisvakioita, joita käsittelemme seuraavassaa kappalessa..9 9 HAJOAMISLAKI JA AKTIIVISUUS Radioaktiivinenn hajoaminen on tilastollinenn prosessi, eikä jonkinn tietyn ytimen hajoamishetkeä ole mahdollista ennustaa. Jos toden- näköisyys sille, että ydin hajoaa ajassa dt on λ dt, niin N :stä yti- mestä tässä ajassa hajoaa λ Ndt kappaletta. Siis hajoamattomien ydintenn lukumäärän muutos on dn = λ Ndt. Vakio λ on ns. hajoamisvakio. Hajoamislaki: Jos hetkellä t = ydinten lukumäärää preparaatissa (näytteessä) on N = N, niin saadaan N N t dn N = λ dt 6 N = N e λt.

Aktiivisuus: Preparaatin aktiivisuus A eli hajoamisnopeus on 7 dn A = = λn. dt Aktiivisuuden yksikkö SI-yksiköissä on becquerel (Bq), joka tarkoittaa yhtä hajoamista sekunnissa. Paljon käytetään myös yksikköä curie (Ci), joka vastaa suurin piirtein yhden radium-gramman aktiivisuutta. 1 1 1Ci = 3,7 1 Bq = 3,7 1 hajoamista/s. Puoliintumisaika: Puoliintumisaika T 1/ on se aika, jonka jälkeen puolet alkuperäisen näytteen ytimistä on jäljellä, ts. N T1/ Ne λ ln = T 1/ = λ Keskimääräinen elinaika: Epästabiilin nuklinin keskimääräinen elinaika T mean on se aika, jonka kuluessa suuri ydinjoukko olisi pienentynyt 1/e osaan alkuperäisestä, ts. N λt 1 T mean 1/ = Ne Tmean = =. e λ ln Riippumattomat hajoamiset: Nuklidi voi hajota useammalla kuin yhdellä toisistaan riippumattomalla tavalla ( αβ, ). Yksi hajoamistapa noudattaa lakia dni = λindt, ja kaikki yhdessä johtaa tulokseen dn = dni = λi Ndt = ΛNdt i i. Saadaan siis N = Ne Λt, missä Λ= λi. i 8.1 NEUTRONISÄTEILY Neutronisäteily on vapaiden neutroneiden muodostamaa hiukkassäteilyä. Sitä syntyy ydinreaktioissa. YDINREAKTIOT Radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu spontaanisti eikä mitään voida tehdä sen kontrolloimiseksi. Ydinreaktioita voidaan puolestaan saada aikaan hallitusti pommittamalla ydintä sopivilla hiukkasilla. Rutherford ehdotti jo vuonna 1919, että riittävän energeettiset raskaat hiukkaset pystyisivät tunkeutumaan ytimeen ja aiheuttaisivat ydinreaktioita. Hän pommitti 14 N-ytimiä α -hiukkasilla ja sai tulokseksi 17 O-ytimiä ja protoneita: 4 14 17 1 He + 7 N 8 O + 1H. Ydinreaktioissa monen säilymislain on toteuduttava. Klassiset lait, kuten varauksen, liikemäärän, liikemäärämomentin ja energian säilymislait luonnollisesti toteutuvat. Näiden lisäksi myös nukleonien kokonaismäärän on säilyttävä. Varauksen säilymislaki vaatii, että järjestyslukujen (Z) summan on säilyttävä ja nukleonien säilymislaki sanoo, että massakukujen (A) summa on oltava sama yhtälön molemmilla puolilla. Reaktioenergia Q lasketaan massan muuttumisen avulla kaavasta Q= ( M A + MB MC MD) c, missä A ja B ovat alkuperäiset ytimet (taas käytytään atomien massoja elektronien mukanaolon huomioimiseksi) ja C ja D ovat reaktiotuotteita. Jos Q >, reaktiossa vapautuu energiaa ja jos Q < reaktio sitoo energiaa.

9 NEUTRONILÄHTEITÄ Eräät fissiokelpoiset aineet, kuten 35 U ja 39 Pu, halkeavat kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi absorboidessaan ns. termisen neutronin. Esimerkiksi 35 1 36 144 89 1 9 U + n 9 U* 56 Ba + 36 Kr+ 3 n. Sen lisäksi, että reaktiossa vapautuu suunnattomasti energiaa (noinn MeV), siinä syntyy kolme uutta neutronia. Vapautuvien neutronien energia ulottuuu termisistä neutroneista (5-1 mev) ainaa nopeisiin (n. MeV) saakka. 3 Fotoneutronilähteissä eli ( γ, n) -lähteissä sopivan γ -säteilijä (esimerkiksi 4 Na, jonka γ -energia on.757 MeV) fotoneita käytetään aikaansaamaan ydinreaktio sopivassa kohtiossa (Be). Reaktioyhtälö on 9 8 1 Be + hν Be + n, 4 4 jonka Q-arvo on 1.666 MeV. Gammakvantin energian on siis oltava vähintään 1.666 MeV, jotta reaktio olisi energeettisesti mahdollinen. 4 Na toteuttaa ehdon. Myös nyt neutronien energiajakauma on jatkuva, energiat ovat välillä -9 kev. Radioisotooppi-neutronilähteet eli ns. ( α,n)-lähteet valmistetaan sopivan α -säteilijän ( 41 Am, 39 Pu, 6 Ra) ja sopivan kohtioaineenn ( 9 Be) seoksesta. Neutroneita syntyy reaktiossa 4 α + 9 B 4 Be jonka Q-arvo on +5.71 MeV. Neutronien energiajakauma on jatkuva ja ulottuu aina 1 MeV:iin saakka (kuva alla). 1 6 1 C + n,

31 3 SÄTEILYN JA AINEEN VUOROVAIKUTUS Säteilyn hiukkaset ja kvantit vuorovaikuttavat aineen rakenneosasten kanssa. Vuorovaikutusten aiheuttamat prosessit voivat muuttaa aineen rakennetta ja ominaisuuksia, jolloin energiaa sitoutuu aineeseen. Primäärisäteilyn hiukkaset ja kvantit voivat aiheuttaa myös sekundäärisäteilyä aineessa. Sekundäärisäteilyä syntyy sironnan seurauksena ja rekyylihiukkasina, prosessissa syntyneiden viritysten purkautuessa tai primäärisäteilyn laukaisemissa reaktioissa. Joka tapauksessa kaikki prosessit kuluttavat aineeseen osuvan primäärisäteilyn energiaa niin, että säteily heikkenee edetessään aineessa. Tapahtuvat vuorovaikutusprosessit riippuvat säteilyn luonteesta ja energiasta. Säteilyn havaitsemisessa, tunnistamisessa ja mittaamisessa käytetään hyväksi näitä prosesseja, joten niiden tunteminen on säteilyfysiikan välttämätön perusta. Tarkastellaan seuraavia säteilytyyppejä: Neutronisäteily 3 3.1 IONISOIMATON SÄHKÖMAGNEETTINEN SÄTEILY Ionisoimattomaan sähkömagneettiseen säteilyyn lasketaan ultra- violettisäteily, näkyvää valo, infrapunasäteily, mikroaaltosäteily ja radioaallot. Säteilyn kvantin energia on niinn pieni, että se ei jaksaa ionisoida atomeja. Toisaalta tällaisen säteilyn muuu vuorovaikutus materian kanssa on hyvin monimuotoista. Muutamiaa esimerkkejä: Radioaallot vuorovaikuttavat materian kanssa vain hyvin heikosti. Esimerkiksi aaltojen havaitsemiseksi tarvitaan erityisesti sitä varten suunniteltuja laitteita (antenneja). Infrapuna- ja mikroaaltosäteilyn kvantit voivat absorboitua mole- kyyleihin ja aiheuttaa muutoksia molekyylien värähdys- ja pyöri- mistiloissa. Seurauksena on kohdemateriaalin lämpeneminen. Näkyvän valon vuorovaikutus materian kanssa on esimerkiksi elas- tista sirontaa, ns. Rayleigh'n sirontaa. Sironnassa valon aalmuutu, lonpituus ei mutta eri aallonpi- eri tuudet siroavat tehokkuudella ja täs- väri-ilmiöitä. Vieres- tä seuraa erilaisia sä esimerkkinä seli- tys taivaan sinisyy- delle ja iltaruskolle. Lähempänä ionisoitumisrajaaa (UV) kvantit voivat aiheuttaa myös elektronisia virityksiä, joiden purkautuessa vapautuu (ionisoimatonta) valoa.

3. I 33 IONISOIVA 34 VALOSÄHKÖINEN ILMIÖ SÄHKÖMAGNEETTINEN SÄTEILY Ionisoivan ja ionisoimattoman sähkömagneettisen säteilyn raja on ultraviolettisäteilyn ja röntgensäteilyn välimaastossa. Kun siir- rytään rajan yli ionisoivan säteilyn puolelle aallonpituus lyhenee ja kvantinn energia kasvaa. Säteilyn päävuorovaikutusmekanismit materian kanssa ovat: Valosähköinen ilmiö Comptoninn sironta Parinmuodostus Se millä todennäköisyydellä mikäkin prosessi tapahtuu riippuuu fotonin energiasta ja kohtiomateriaalin järjestysluvusta seuraavan kuvan mukaisesti: Ultravioletti/röntgenalueen fotonin energia riittää valosähköiseen ilmiöön. Fotoni absorboituu atomiin ja irroittaa siitä elektronin. Atomista ulos sinkoutuvan elektronin kineettinen energia on tulevan fotonin energia (hf ) miinus elektronin irroittamiseen kuluva energia. Elekt- laskea kaavastaa max 1 E ronin kineettisen energian maksimiarvo voidaan kin = m v = hf φ, max missä φ on minimienergia, jolla elektroni irtoaa atomista. Irronnut elektroni vuorovaikuttaa puolestaan edelleen materiassa aiheuttaen sekundäärisiä säteilyvaikutuksia. Valosähköisen ilmiön "keksi" Hertz vuonna 18777 ja sen pystyi selittämään Einstein vuonna 195. Tästä Einstein sai Nobelin palkintonsa. COMPTONIN SIRONTA Röntgenalueella alkaa valosähköisen ilmiön rinnalla tapahtua a Comptonin sirontaa. Fotoni siroaa aineen lähes vapaasta a elektronista luovuttaen tälle osan energiaansa. Tämäkin on ionisoiva prosessi. Mitä suurempi fotonin energia on, sitä lujemmin sitoutuneet elektronit ovat fotoninn kannalta lähes vapaita ja sitä suurempi on Comptoninn sironnan todennäköisyys. Keveissä aineissa Comptonin sironta on vallitsevaa prosessi jo pehmeällä röntgensäteilyllä. Järjestysluvun kasvaessa sen valtaalue kapenee, koska elektronienn sidosenergiat keskimäärin kasvavat.

35 Comptonin sironta voidaan käsitellää fotoninn ja vapaan elektroninn kimmoisana törmäyksenä (kuva). Energian (E) ja liikemäärän (p) säilyminen johtaa yhtälöihin hc λ + m hc c = + mc, λ ' h h = cosθ + mv cosφ, λ λ ' h = sinθ mv sinφ, λ ' ja ratkaisemalla näistä fotonin aallonpituuden muutos, saadaan (laskuharjoitus) h λ ' λ = (1 cos θ ), mc missä λ on tulevan fotonin aallonpituus, m elektro onin lepomassaa ja θ fotonin sirontakulma. Sironneen fotoninn energiaksi tulee hcc E ' = λ ' ja sironneen elektroninn kineettinen energia on hc hc E ki in = mc mc = λ λ '. Sekä sironnut fotoni että sironnut elektroni aiheuttavat materiassaa sekundäärisiä säteilyvaikutuksia. 36 PARINMUODOSTUS Hyvin lyhyillä aalloillaa fotoninn energia tulee suuremmaksi kuin mm c = 1,,MeV, missä m on elektronin massa. Tällöin tuleee parinsynty mahdolliseksi. Raskaan ytimen voimakentässä fotoni voi muuttua elekt- roniksi ja positroniksi: γ e + e +. Ydin arvitaan, koska ilman sitä energian ja liikemäärän säilymis- lait eivät voi yhtäaikaa toteutua. Parinsynnynkin seurauksena on siten "ionipari". Parinsyntyä seuraa aina parin häviämin nen eli annihilaatio. Syntynyt positroni kohtaa elektronin, ja molemmat häviävät prosessissa e + + e γ. Parin annihiloituminen yhdeksi fotoniksii ei ole mahdollinen säilymislakien takia. EKSPONENTIAALINENN ABSORPTIOLAKI Valosähköisen ilmiön, Comptonin sironnan ja parinmuodostuksen seurauksena säteily heikkeneee läpäistessään materiaalin (absorbaattorin). Vaimenemista kuvaa yhtälö (ns. absorptiolaki) I = Ie μ t, missä I = intensiteetti ennenn absorbaattoriaa t = absorbaattorin paksuus I = intensiteetti absorbaattorin jälkeen μ = vaimennuskerroin On kaksi käytäntöä:

37 Jos paksuus t annetaan senttimetreinä (oikeana paksuutena), niin vaimennuskerroin on ns. lineaarinen vaimennuskerroin ( μ l ), jonka yksikkö on cm -1. Tällöin t = tl on ns. lineaarinen paksuus ja laki kirjoitetaan muodossa l tl I = Ie μ Toisaalta on selvää, että materiaalin kyky absorboida säteilyä riippuu siitä, montako elektronia säteen tiellä on pinta-alayksikköä kohti (kpl/cm ). Tämä on puolestaan verrannollinen absorbaattorin tiheyteen ja lineaariseen (siis oikeaan) paksuuteen. Absorbaattorin paksuutta kuvaamaan on siis järkevää määritellä ns. pintatiheys (density thickness) t d yhtälöllä td = ρ tl, missä ρ on tiheys ja t l lineaarinen paksuus. Pintatiheyden SIyksiköksi tulee kg/m, mutta käytännössä työskennellään yksiköillä g/cm tai mg/cm. Pintatiheyden käyttö poistaa absorbaattorista materiaaliriippuvuuden. Käytettäessä pintatiheyttä t d (g/cm ) vaimennuskerroin on ns. massavaimennuskerroin ( μ m ), jonka yksikkö on cm /g. Voidaan kirjoittaa μl = μm ρ, missä ( ρ ) on absorbaattorin tiheys. Absorptiolaki saa muodon I md = I e μ t. Usein vaimennuskertoimena käytetään ns. mikroskooppista vaikutusalaa (σ ), joka on vaimennuskerroin yhtä atomia kohti ja määritellään esimerkiksi yhtälöllä μl σ =, N Annetussa materiaalissa parin- on verrannollinen fotonienergian logaritmiin lne. Comptoninn sironnann vaimennuskerroin omalla valtaalue eellaan pienenee lähes lineaarisesti ollen verrannollinen lausekkeeseen 1 vakio E. muodostuksen vaimennuskerroin Valosähköisen ilmiön vaimenemiskerroin on puolestaan verran- nollinenn tekijään E -3. missä N on atomien lukumäärä tilavuusyksikössä (cm -3 ). Vaikutus- alan yksikkö on pinta-alan yksikkö (cm ). Paljon käytetään barnia 1 barn = 1 b = 1-4 cm. Absorptiolaki on muotoa I = Ie σ N t. Mikroskooppisia vaikutusaloja on tauluko itu eri aineillee ja eri kvantinn energioille. MASSAVAIMENNUSKERROIN Vuorovaikutuksen päätyypitt ovat Comptonin sironta ja parinmuodostus. Vastaavasti kokonaismas- savaimennuskerroin kirjoitetaan summana μ = μ + +, tot pe μpp μ cs missä (pe) viittaa valosähköiseen ilmiöön, (cs) Comptonin sirontaan ja (pp) parinmuodostukseen. Kuvassa on esitetty esimerkkinä vuorovaikutusmekanismien vai- menemiskertoimet lyijyssä. 38 siis valosähköinen ilmiö,

3.3 BE KANTAMA-ENERGIA RELAATIO 39 EETASÄTEILY Beetasäteilyn absorptiota materiaaliin voidaan mitata esimerkiksii viereisen kuvan mukaisella laitteistolla. Beetalähteen (source) ja detektorin (esim. Geiger-laskuri) väliin sijoitetaan eripaksuisia ker- roksia kohtiomateriaalia (absorber). Laskuri laskee kohtiomateriaa- t d 4 Kannattaa huomata, että absorbaattorin paksuus on annettu yksi- köissä mg/cm, ts. on käytettyy jo edellä määrittelemäämme pinta- tiheyttä t d = ρ t, missä ρ on tiheys ja t l lineaarinen paksuus. Kantaman (R) ja beetasäteily maksimienergian (E) välinenn riippu- vuus määritetään semiempiirisillä menetelmillä (teoreettisia laskel- mia täydennetään kokeellisilla havainnoilla) ). Seuraavassa kuvassaa on esitetty kokeellinenn käyrä (vrt koe edellisellä sivulla), joka esit- tää beetasäteilyn kantaman riippuvuutta maksimienergiasta. l lin läpi tunkeutuneita beetahiukkasia. Kun kohtiomateriaalin paksuutta vähitellen kasvatetaan, havaitaan että beetahiukkasten pulssinopeus (laskentanopeus, cpm = counts per minute) pienenee aluksi nopeasti ja sitten hitaammin kerroksen paksuuntuessa. Lopulta saavutetaan kerrospaksuus, joka pysäyttää kaikki beetahiukkaset ja laskuri laskee vain austasäteilyn pulsseja. On saavutettuu beeta- säteilyn kantama (range) kyseisessä kohtiom materiaalissa. Kuvassa yllä oikeallaa on esitetty tyypillin nen mittauskäyrä (ab- sorptiokäyrä) alumiinille. Beetalähteenä on käytettyy 1 Bi-lähdettä, jonka beetahiukkasten maksimi kineettinen energia on 1,17 MeV. Tämä käyrä voidaan esittää seuraavilla yhtälöillä (energia-alueestaa riippuen): 1,65,954 ln R = 41 E E, kun,1 E,5 R = 53 E 16, kun E >,5 Näissä kaavoissa R = kantama pintatiheytenä mg/cm E = beetasäteilyn maksimi kineettinenn energia, MeV

41 ENERGIANSIIRTYMISMEKANISMIT Beetasäteily menettäää kohtiomateriaalissa energiaansa pääasiassaa kahdellaa mekanismilla: A) ionisaatioissa ja virityksissä B) jarrutussäteilyssä A) Ionisaatio ja viritys Beetasäteilyn vuorovaikutus atomien elektronien kanssa johtaa io- nisaatioon ja virityksiin. Kysymyksessä on epäelastiset törmäykset. Usein törmäyksessä syntyy vain yksi ionipari. Monesti ulos sinkoutuvan elektroninn energia on kuitenkin riittävää tuottamaan se- kundäärisiä ionisaatioita ja ionipareja, jolloin elektroni jättää jäl- keensä ionisaatiovanann (trail of ionizations). Beetahiukkasten massa on sama kuin rataelektronien massa, joten ne poikkeavat helposti alkuperäisestä etene- missuunnastaann törmäyksissä. Viereisessä kuvassaa on esitetty beetahiukkasten ratoja esimerkiksi valokuvausemulsiossa tai sumu- kammiossa. Rata tulee näkyväksi niissä pisteissä, joissa beetahiukkanen aiheuttaa ionisaatiotapahtuman. Tällaisista kuvista laskemalla on havaittu, että beetahiukkasen keskimääräinen energianmenetys per ionisaatio on noinn kaksi tai kolme kertaa suurempi kuin varsinainen ionisaatiopotentiaalienergia. Ero syntyy atomien virityksistä, jotka eivät näy ionisoitumise- na. Viereisessä taulukossa on vertailtu eri materiaalien ioni- saatiopotentiaalienergioita ja 4 beetahiukkasten energiamenetystä w yhden ioniparin muodostumisessa. Energiamenetyksen yksikkö on esimerkiksi [w] = ev/ip, missä ip = ionipari. Määritellään ionisointikyky S.I. (specific ionization). S.I. on beetahiukasen synnyttämien ioniparien lukumäärä matkayksikköä kohti 1 de S.I. =, wdx missä de / dx on beetahiukkasen energianmenetys matkayksikköä kohti. Voidaan osoittaa, että de NZ dx, missä N on atomitiheys (kpl/cm 3 ) ja Z on elektronien lukumäärä yhtä atomia kohti. Jos energianmenetysyhtälössä matka x kirjoitetaan pintatiheytenä ρ x, niin voidaan määritellä ns. massajarrutuskyky S yhtälöllä Suhteellinen massajarrutuskyky S S 1 de S = ρ dx. medium air on käyttökelpoinen silloin, kun halutaan verrata eri aineiden (medium) jarrutuskykyjä. Se määritellään jarrutuskykynä yleensä standardi-ilman (air) suhteen..

43 B) Jarrutussäteily Kun beetahiukkanen ohittaa ydintä, sen rata kaartuu jyrkästi. Suunnan muutos on kiihtyvyyttä ja hiukkanen lähettää röntgensäteilyä jarrutussäteilynä. Jarrutussäteilyn spektri on jatkuva ja sen muoto riippuu monimutkaisella tavalla lähteestä, absorbaattorista ja niiden keskinäisistä asemista. Spektrin mallintaminen teoreettisesti on hyvin vaikeaa, mutta toisaalta se on helppo mitata. Jarrutussäteilyn vaikutuksia voidaan tutkia seuraavan semiempiirisen ja approksimatiivisen yhtälön avulla: 4 f = 3,5 1 ZE. Tässä f = fotoneiksi muuttuva osuus beetahiukkasen energiasta, Z = järjestysluku, E = beetasäteilyn maksimienergia. Jarrutussäteilyn osuus siis kasvaa järjestysluvun kasvaessa. Tämän vuoksi säteilysuojat beetasäteilyn varalta valmistetaan mahdollisimman kevyistä aineista (esimerkiksi pleksilasi, alumiini). 3.4 AL KANTAMA-ENERGIA RELAATIO 44 LFASÄTEILY Alfasäteilyn kantama on hyvin lyhyt. Jopa ilmassa kaikkein ener- geettisimmätkin alfahiukkaset etenevät vain muutamia senttimetre- jä. Kudoksessa kantamat mitataan jo mikrom metreinä.. Viereisessä kuvassa on esitetty alfasäteilyn absorptiokäyrä ilmassa. Pystyakselina on ilmakerroksen takana olevan laskurin suhteellinenn pulssinopeus (kappaletta sekunnissa). Absorptiokäyrää on tasainen, koska alfasäteily on monoenergeettis- tä. Kerrospaksuuden kasvattaminen pienentä ää kyllää alfahiukkasten energiaa, mutta ei vähenne läpimenneiden hiukkasten lukumäärää, jota laskuri mittaa. Kun kerrospaksuus saavuttaa kantaman, alfahiukkasten tulo loppuu. Alfasäteilyn kantama-energia relaatiota määritettäessä käytetään tavallisesti hyväksi ilmaa. Semiempiirisesti on todettu, että standardi- ilmassaa ( C, 1 atm) kantama saadaan (1%:n tarkkuudella) yhtä- löistä: R =,56 E, kun E < 4 R =1,4 E,6, kun 4 < E < 8 missä [R] = cm ja [E] = MeV.