Interação da Radiação Com a Matéria

Introdução

Radiação é um processo físico de emissão (saída) e de propagação (deslocamento) de energia por meio de partículas ou de ondas eletromagnéticas em movimento. Esse processo pode ocorrer em um meio material ou no espaço (vácuo). As transições e reações nucleares são responsáveis por produzirem várias formas de radiações, se propagando a partir do núcleo de origem e interagindo com outras matérias ao longo de seu caminho. Essas interações com a matéria permitem observar seus efeitos e determinar a natureza das transições. O conceito de radiação inclui partículas carregadas, como radiações alfa e beta, feixes de partículas carregadas em aceleração, bem como radiação eletromagnética ou fótons e até mesmo feixes de partículas neutras, como nêutrons. Existem duas questões interessantes sobre a radiação: em primeiro lugar, o que acontece quando ela “viaja” (se propaga) e como sua força (intensidade) é afetada.

Quando um feixe de radiação de qualquer tipo penetra a matéria, parte da radiação pode ser absorvida completamente, parte pode ser espalhada e outra pode passar direto por ela sem nenhuma interação. Os processos de absorção e espalhamento podem ser descritos e explicados em termos de interações entre partículas. As partículas do feixe de radiação atingem as partículas do material e são refletidas ou espalhadas.

Quanto a sua energia, existem dois grandes tipos de processos pelos quais uma partícula que viaja pela matéria pode perder energia. No primeiro tipo, a perda de energia é gradual; a partícula perde energia quase continuamente por meio de muitas interações com o material circundante. No segundo tipo, a perda de energia é catastrófica; a partícula se move sem nenhuma interação através do material até que, em uma única colisão, perde toda a sua energia. O movimento das partículas carregadas através da matéria é caracterizado pela perda gradual de energia, enquanto as interações de fótons são do tipo "tudo ou nada".

Elétrons

A passagem de elétrons energéticos pela matéria é semelhante à de partículas pesadas carregadas em que a interação de Coulomb desempenha um papel dominante. No entanto, três diferenças claras podem ser facilmente vistas: os elétrons incidentes são geralmente partículas relativísticas (observe que 1MeV de energia cinética corresponde a quase duas vezes a massa de repouso de um elétron, 0,511 MeV); o espalhamento é predominantemente entre partículas idênticas e repulsivas; e as interações com os núcleos são atrativas e a direção do elétron pode ser dramaticamente alterada, até mesmo revertida, (em uma colisão com um núcleo pesado. Uma quarta diferença que não é tão óbvia é que uma fração da energia cinética é perdida através do radiativo! processo de Bremsstrahlung. Bremsstrahlung (a palavra alemã pode ser traduzida literalmente como "radiação de frenagem") é um processo geral no qual a radiação eletromagnética é emitida sempre que uma partícula carregada sofre uma aceleração substancial. A dispersão de elétrons, especialmente para grandes ângulos, corresponde a uma aceleração clássica que cria / requer a emissão de Bremsstrahlung. Em comparação, muito poucas partículas pesadas carregadas sofrem grandes acelerações à medida que diminuem a velocidade no material.

Se as interações forem do tipo "tudo ou nada", então a atenuação de um feixe de partículas com energias idênticas, todas viajando na mesma direção, é descrita por uma lei exponencial. Se a alguma distância no material uma quantidade n0 de partículas estão se movendo através de uma placa de material, então, depois de penetrar uma distância x, verifica-se que o número de partículas na placa é reduzido para

[pic 1]

Essa lei de atenuação exponencial decorre do fato de que, em qualquer distância curta, a probabilidade de perder uma partícula do feixe é proporcional ao número de partículas restantes. Onde há muitas partículas, muitas serão perdidas, mas conforme o número restante diminui, também diminui a taxa de perda.

A quantidade µl é conhecida como coeficiente de atenuação linear; é uma medida de quão rapidamente os elétrons são removidos do feixe. Um grande valor de µl significa que as partículas são removidas após viajar a uma pequena distância. A lei da atenuação exponencial não descreve o que acontece com a energia transportada pelos fótons removidos do feixe, por isso, é possível que parte dessa energia possa ser transportada através do meio por outras partículas, incluindo alguns novos fótons.

A probabilidade de um elétron interagir com um átomo ao colidir com a matéria depende do número total de átomos à frente dele ao longo de seu caminho. Portanto, a atenuação da radiação depende da quantidade de material no caminho do feixe e não de como ele está distribuído. É útil, portanto, descrever o processo de atenuação de uma forma que não dependa da densidade do material, apenas do tipo de material. Isso significa que o coeficiente de atenuação de massa é o mesmo para gelo, água líquida e vapor, enquanto os coeficientes de atenuação linear serão muito diferentes. O efeito atenuante total de uma placa de determinado tipo de material pode ser descrito citando o coeficiente de atenuação de massa, que é característico da composição química do material e da energia do fóton, juntamente com a densidade do material e sua espessura.

Radiação eletromagnética

Partículas carregadas, como elétrons, prótons e partículas alfa, interagem com a matéria eletromagneticamente ou por meio de um dos dois tipos de interação nuclear: a interação fraca ou a interação forte. A interação eletromagnética envolvendo colisões dos elétrons no material absorvente é de longe a mais comum. Partículas neutras, como o nêutron, podem interagir apenas por meio das interações nucleares. Assim, as partículas carregadas podem ser detectadas diretamente por suas interações eletromagnéticas, enquanto as partículas neutras têm que sofrer interações nucleares que produzem partículas carregadas antes que sua presença possa ser detectada.

A interação eletromagnética consiste principalmente em dois mecanismos: excitação e ionização de átomos, e Bremsstrahlung. Este nome vem do alemão; a tradução literal é “radiação de frenagem” e ocorre quando uma partícula carregada é acelerada - isto é, sempre que sua velocidade ou direção de movimento muda. O efeito é mais perceptível quando a partícula incidente é fortemente acelerada pelo campo elétrico de um núcleo no material absorvente. Uma partícula carregada acelerada irradia energia eletromagnética (fótons). Como o efeito é muito mais forte para partículas mais leves, é muito mais importante para partículas beta (elétrons e pósitrons) do que para prótons, partículas alfa e núcleos mais pesados. Com energias de partículas abaixo de cerca de 1 MeV, a perda de energia devido à radiação é muito pequena e pode ser desprezada. A perda de radiação começa a se tornar importante apenas em energias de partículas bem acima da energia mínima de ionização. Em energias relativísticas, a razão entre a taxa de perda por radiação e a taxa de perda por ionização é aproximadamente proporcional ao produto da energia cinética da partícula e o número atômico do material absorvedor.