Radiaes eletromagnticas g, Raios X

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GRUPO DAS RADIAES ELETROMAGNTICASFTONS: g, X, radiao de aniquilao

Diferena qualitativa das partculas carregadas:

- as partculas carregadas so atrasadas por uma quantidade determinada pelo poder de freamento do material absorvedor a energia diminui medida que a partcula passa pelo absorvedor

- a atenuao dos ftons ao passar pelo absorvedor:

Ftons classificados segundo as origens:

NCLEO raios g - rad. elmg. que acompanham transies nucleares - energias discretas keV MeVCAMADASATMICAS raios x caractersticos emitidos em transies atmicas de eltrons ligados entre as camadas K, L, M... dos tomos raios x de espectro - bremsstrahlung (acelerao de eltrons livres) contnuo rad. de aniquilao - e+ e- 2 quantas emitidos em 180 NO NMERO

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+Ze

BresmstrahlungEltron incidentee-NcleoEltrons orbitais

Espectro contnuo 0 ..............................

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RADIAO CERENKOV Partculas carregadas rpidas , v > c passando por absorvedor com ndice de refrao n

Emisso de radiao eletromagntica luz CerenkovRadiao CERENKOV Observvel no ngulo Velocidade limiar ; direo da emisso direo do movimento da

partcula ngulo mximo de emisso p/ = 1 massa da partcula NO influi no ngulo de emisso depende do comprimento de onda l da rad. Cerenkov (n = f(l))

HuygensSe v > c h uma direo onde acontece Interferncia construtiva Frente de onda coerente BCqdo. o tempo necessrio p/a partcula percorrer AB igual ao tempo que a luz leva p/ percorrer AC*

n = frequncia l = comprimento de ondah = constante de Planck = 6,626 x 10 -34 Jc = Velocidade da luz no vcuo = 2,99793 x 1010 cm/s

AS INTERAES DOS FTONS COM A MATRIA DEPENDEM SOMENTE DA ENERGIA, NO DAS ORIGENS

Feixe colimado de ftons :

Absoro verdadeiramente exponencial porque os ftons so absorvidos ou espalhados num evento nico (interao catastrfica)I = intensidade do feixe : n. quantas / cm2. s*

Tipo da INTERAO

1. com eltrons atmicas2. com nucleons3. com o campo eltrico ao redor dos ncleos ou eltrons4. com o campo dos msons ao redor dos nucleons Processos de interao da radiao eletromagntica com a matria*

ProcessoTipo de interaoFaixa de energia preferencial para interao Dependncia aproximada com ZEspalhamento com eltrons espalhamento coerente 1b- Espalhamento RayleighCom eltrons atmicos ligados< 1MeV (principalmente em ngulos para frente)Z2 (ngulos pequenos)Z3 (ngulos grandes)

2bEspalhamento ThomsonCom eltrons livresindependente de EZ2 (ngulos pequenos)Z3 (ngulos grandes)

espalhamento incoerente Com eltrons atmicos ligados< 1MeV (principalmente em ngulos grandes)Z 1cEspalhamento ComptonCom eltrons livres1 MeV ( com E )Z1aEfeito FotoeltricoCom eltrons atmicos ligados emisso de eltrons 0 a 0,5 MeV ( com E )Z52aEfeito fotonuclearFotodesintegrao do ncleoCom o ncleo com um todo, emisso de ftons, partculas, e (acima do limiar) msons 10 MeV , 9Be (g,n) 2H(g,n)Eg > Energia de separao do nutronInterao com um campo Coulombiano 3a- Produo de paresCom campo coulombiano nuclear> 1 MeV, principalmente para 5 10 MeVZ2Com campo coulombiano dos eltrons> 2 MeV( para E )Z3b- Espalhamento Delbrcknum campo coulombiano nuclearZ4Espalhamento nuclear- Espalhamento coerenteMssbauer, ressonncia, Thomson2c-espalhamento incoerenteCompton, com nucleons individuais 100 MeV2cEspalhamento nuclear ressonanteExcitao de um nvel nuclear pelo fton incidente, com re-emisso da energia de excitao

EFEITO FOTOELTRICOInterao com eltrons atmicos / absoro total do ftonEg < 100 keV - processo predominanteLeis da conservao do momento:um fton incidente no pode serabsorvido totalmente por um eltron Livre.MAS: se o eltron inicialmente ligado ao tomo ABSORO TOTALENTO: Maior probabilidade para eltrons fortemente ligados80 % eK, desde que Eg > (BE)eTOMO participa como um todo: interao do fton primrio com a nuvem de eltronsAtmicos(BE) aumenta c/Z diminui p/ as camadas externas*

Se hn = T conservao da energiaConservao do momento: *

Aumento da energia total de ligao dos eltrons (BE)tot com o nmero atmico Z*

Ry = constante Rydberg, equivalente em 1 Ordem en. de ionizao do tomo normal de HidrognioRy = hcR 13,61 EvR= constante espectroscpica de Rydberg R = 1,097373 x 105 cm-1- Rel. Semiemprica:- valores tabelados

A probabilidade do efeito fotoeltrico ocorrer pode ser calculada teoricamente EF. FOTOELTRICO PREDOMINANTE - Eg baixas - Absorvedores c/ Z alto*

Curva de absoro para raios X no Pb, como funo de E e l, mostrando os degraus caractersticos de absoro.

K lK = 0,1405 ( 88 keV)L lLI = 0,7800 ( 15,91 keV) lLII = 0,8130 ( 15,26 keV) lLIII = 0,9500 ( 13,06 keV)M lMI lMV = 3,2 5,0 (3,88 2,48 keV)N - lN 14 ( 0,89 keV)A curva da absoro total descontinuidades quando a energia do ftonIncidente aproxima-se das energias de ionizao das camadas K, L, M...*

EFEITO COMPTON espalhamento incoerente hn< hn0interao com eltrons atmicos livres (el. orbitais)deslocamento do comprimento de onda da radiao eletromagntica com eltrons atmicos quase livresFton incidentehn0el. atmicop, T eltron Compton de recuoFton espalhadoh e

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Energia mxima transferida ao eltronFTON RETROESPALHADO

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DESLOCAMENTO COMPTON DO COMPRIMENTO DE ONDAp/ qq. energia incidentec comprimento de onda Compton do eltron comprimento de onda de um fton c/ h m0c2 para = 180 deslocamento mximo

independe de h 0 em qq. direo:

MAS: deslocamento em energia depende fortemente de h PROBABILIDADE DE OCORRNCIA DE EFEITO COMPTONAl - 0,05 15 MeVPb- 0,6 5 MeV*

ESPALHAMENTO COMPTON E THOMSON COMPTON incoerente, c/ el. livres natureza corpuscular THOMSON coerente, c/ el. livres natureza ondulatria

No limite de en. incidente baixas expresses p/ espalhamento Compton recaem nas equaes p/ espalhamento ThomsonESPALHAMENTO THOMSON: limite de baixa energias (grandes ) do espalham. ComptonT C p/ ngulos pequenos de espalhamento medida que aumenta: intensidade da radiao espalhada coerente diminui; intensidade da rad. esp. incoerente aumenta ( > 0) *

p/ h0 > BE, < m0c2 C T em ngulos pequenos ()p/ ngulos grandes > 0 , C > T *

Soluo da equao de Dirac da onda relativsticah 0 = (T- + m0c2) + (T+ + m0c2)

ngatron

*PRODUO DE PARESinterao c/ campo eltrico ao redor dos ncleosabsoro completa do fton incidente par (psitron-eltron) h 0 = (T- + m0c2) + (T+ + m0c2) CRIAO DE MATRIA A PARTIR DE ENERGIA h0 > 1022 keV (2 m0c2) Teoria do eltron de Dirac

T- + T+ = h 0 - 2m0c2A interao possvel somente na vizinhana de um parceiro de coliso que vai ficarcom uma grande parte do momento do fton incidente pela conservao do momento Tpar = (T+ + T-) + 2m0c2 = 2 g m0c2

Momento linear total do par

Conservao de energia Tpar = Eg

fton possui um excesso de momento que deve ser absorvido pelo parceiro*

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Colises fotoeltricas Z5 E , Z chumbo opaco p/ E < 300 keV Colises Compton Z E intermedirias, qq. Z Produo de pares Z2 E , Z E > 1022 keV

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ATENUAO E ABSORO DE RAIOS GAMA

Probabilidade de o fton atravessar uma espessura x do absorvedor sem sofrer nenhum tipo de interao = produto das probabilidades de sobreviver a cada tipoparticular de interao. |e-0x| 0 = frao da intensidade original retirada do feixe por unidade de espessura linear do absorvedor 0 = a + coeh = coef. linear de atenuao (cm-1) (Thomson) a < 0 a = coeficiente linear total de absoro (cm-1) = f + c + p (Z5) (Z) (Z2)

I= I0 e-0x I0 - intensidade do feixe incidente (primrio) I - intensidade residual de ftons primrios no afetados

Eliminao de feixe: processo rigorosamente exponencial interao estudada pelas curvas de transmisso

Feixe bem colimado para evitar raios gama secundrios (p/ex. espalhamentos Compton)

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0 coeficiente de atenuao medida do nmero de ftons primrios que sofreram interao coeficiente de absoro quantidade pequena; medida da energia absorvida pelo meio

COEFICIENTE DE ATENUAO DE MASSA

em g/cm2

independente da densidade atual e do estado fsico do absorvedor

interaes fundamentais: seo de cheque/tomo a , a , a

P/ MISTURA DE MATERIAIS - depende da das seces de choque dos tomos da mistura (ligaes qumicas eV)

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m = funo (E,Z)

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FATOR DE BUILD-UP

p/ absorvedores espessos probabilidade maior p/ espalhamentos em experincias de transmissocurva experimentalB = 1 p/ espessura zeroB = 3,1 p/ 5R = 7,7 cm PbB = 3,3 p/ 8R aps um aumento linear inicial , B cte.* B = fator de build-up

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