برهم كنش هاي تابش با ماده

برهم كنش هاي تابش با ماده

 

در محيطي زندگي مي كنيم كه با ريزش تابش همراه است. تابش گسيل شده بوسيله هسته های پرتوزا، در داخل يا خارج از بدن، با بافتهاي ما برهم كنش مي دهد. تابش الكترومغناطيسي با كليه طول موجها، شامل امواج راديوئي، امواج ميكروني (ميكروويوها)، رادار و نور ساخته شده توسط انسان و همچنين با منشاء طبيعي، بطور ثابت ما را بمباران مي كنند. در جهان ما تعداد فوتونها بسيار بيشتر از ماده بوده، براي هر نوكلئون تقريباً 10⁹ فوتون وجود دارد.

 پرتوهاي كيهاني و بقايای اجزای اتمي كه آنها در طي برهم كنش ها در اتمسفر توليد مي كنند نيز، با ما برخورد مي نمايند. نوترينوها از واكنش هاي گداخت در ستارگان با آن تعداد در جهان منتشرمي شوند كه ميلياردها بر ثانيه از آنها از ميان هر سانتيمتر مربع از پوست ما عبور مي كنند. خوشبختانه عبور بخش اعظم اين تابش همچون نوترونيوها و امواج راديوئي از ما بی خطر است. تابش هاي ديگر همچون نور و تابش الكترومغناطيس با طول موج بلند معمولاً با بافتهاي ما برهم كنش بی خطر مي دهند. با وجود اين، تابش الكترو مغناطيسي با طول موج كوتاه (نور ماوراء بنفش، پرتو هاي X و پرتوهاي گاما) و ذرات باردار توليد شده بوسيله برهم كنش ها مي توانند با درجات گوناگون سلولهاي ما را تخريب نمايند.

جهت تخريب بيولوژيكي، ابتدا لازم است اين تابش براي يونيزه نمودن اتمهاي سلولي بر هم كنش دهد كه بنوبه خود، پيوندهاي مولكولي را تغيير داده و شيمي سلولها را عوض مي كند. بهمين صورت، جهت تخريب در مواد ساختاری و الكتريكي، لازم است موجب بر هم كنش هائي گردد كه پيوندهاي كريستالي و مولكولي را بشكند. چنين تابشي بايد قادر به توليد زوج هاي يون- الكترون بوده و تابش يونيزان خوانده می شود. تابش يونيزان خود به دو دسته تقسيم مي گردد : تابش يونيزان مستقيم كه بر هم كنش آنها موجب يونيزاسيون و برانگيختگي ماده مي گردد و تابش يونيزان غير مستقيم كه نمي تواند اتمها را يونيزه كند ولي موجب برهم كنشهائي می گردد كه محصولات باردار آنها بنام تابش ثانوي، مستقيماً باعث يونيزاسيون مي شود. ذرات باردار با حركت سريع همچون، ذرات آلفا، ذرات بتا و پاره هاي شكافت مي توانند ماده را يونيزه كنند. ذرات خنثي، همچون فوتونها و نوترونها، نمي توانند بصورت كولوني، با الكترونهاي ماده ای که از آن عبور مي كنند بر هم كنش دهند آنها موجب بر هم كنش هائي مي شوند كه در طی آن مقداري انرژي جنبشي فرودي خود را به ذرات باردار ثانوي منتقل مي كنند. در اين فصل، چگونگي بر هم کنش اين دو نوع تابش يونساز با ماده را ارائه خواهيم داد، همچنين بر چگونگي تضعيف اين تابش ها هنگام عبور از ميان ماده و كمي سازي آهنگ بر هم کنش آنها و انتقال انرژی به ماده تأکيد ويژه شده است.

 

7-1: تضعيف باريكه هاي ذره خنثي

در برهم كنش يك فوتون يا نوترون با محتواي تشكيل دهنده يك ماده نيروهاي با برد محدود حكم فرما است. در نتيجه، ذرات خنثی بر عكس ذرات باردار، در خطوط مستقيم در ميان يک ماده حركت كرده، و بوسيله بر هم كنش هاي "نقطه اي" گاه به گاه كه در آن ذره خنثي ممكن است جذب يا پراكنده شده يا موجب واكنش نوع ديگر گردد، متوقف می شود. برهم كنش ها طبيعتاً ضمني هستند، يعني فاصله مسافرت بين برهم كنش ها با ماده را تنها می توان تا حد ميانگيني يا حس قابل منتظره ای ، پيش بيني کرد.

بر هم كنش يك نوع معلوم تابش خنثي با ماده ممكن است بر طبق نوع برهم كنش و ماده ای كه با آن برهم كنش انجام مي­پذيرد طبقه بندي گردد. برهم كنش ممكن است با يك الكترون انجام پذيرد، و در بسياري از حالات رفتار الكترون همانند حالتي است كه الكترونها آزاد باشند. مشابه آن برهم كنش ممكن است با هسته­اي انجام پذيرد كه در بسياري از موارد همانند حالتي است كه در يك مولكول يا شبكه كريستالي پيوند نباشد. با وجود اين، در برخی از موارد  بويژه براي ذرات تابشی با انرژي نسبتاً پائين، پيوند مولكولي يا شبكه اي بايد در نظر گرفته شوند.

برهم كنش ممكن است يك پراكندگي تابش فرودي به همراه تغييري در انرژي آن باشد. يك برهم كنش پراكندگي ممكن است کشسان يا ناکشسان باشد. بعنوان مثال، برهم كنش يك فوتون گاما، با الكترون كه پراكندگي كامپتون خوانده می شود در نظر بگيريد، بر هم کنش با کل اتم در حالتي كه الكترون در داخل آن پيوند است، بايد کشسان باشد، چرا كه مقداري از انرژي فوتون فرودي بايد انرژي بستگی الكترون در اتم را جبران نمايد. با وجود اين،  در بسياري از حالات عملي، انرژي هاي بستگی الكترون بطور قابل ملاحظه اي پائين تر از انرژي هاي فوتون-گاما بوده و برهم كنش ممكن است بصورت يك پراكندگي کشسان خالص فوتون بوسيله يك الكترون آزاد در نظر گرفته شود. پراكندگی نوترون بوسيله يك هسته اتمي ممكن است کشسان باشد كه در اين حالت انرژي جنبشي نوترون فرودي با انرژی جنبشی نوترون پراكنده و هسته پس زن شريك است، يا ممكن است ناکشسان باشد، كه در اين حالت، انرژي جنبشي نوترون فرودي به انرژي داخلي هسته و از آنجا به يك پرتو گامای، گسيل يافته از هسته برانگيخته، انتقال يابد. لازم است توجه نمود كه براي هر دو حالت پراكندگي کشسان و ناکشسان، روابط منحصر بفردي بين تبادلات انرژي و زواياي پراكندگي از بقاء انرژي و تکانه خطي ظهور مي كند.

انواع ديگر برهم كنش ها طبيعتاً جاذب هستند. هويت ذره فرودي از بين رفته و تکانه نسبيتي كل و انرژي باقي مانده ، مقداري بصورت انرژي برانگيختگي هسته اي، مقداري بصورت انتقالي، ارتعاشي و انرژي چرخشي ظاهر مي شوند. نتيجه نهائي ممكن است گسيل تابش خاص به همان صورتي كه در پديده فوتوالكتريك و گیراندازی تابشی نوترون رخ  مي دهد باشد.

بحث در اين بخش به چگونگي تضعيف باريكه­اي از تابش با عبور از ميان ماده بطور مساوي براي نوترونها و فوتونها مي پردازد. در بخشهاي بعدي، توضيحات مخصوص هر نوع بر هم كنش هاي مستلزم  تابش خنثي و تابش ويژه- ماده داده مي شود. مفهوم ضريب بر هم كنش براي توضيح چگونگي برهم كنش ذرات- تابش با ماده معرفي گرديده، و سپس آنرا براي كمي سازي تضعيف باريكه اي  از ذرات خنثي با عبور از ميان بعضي از مواد بكار مي بريم.