Resumen El funcionamiento de cualquier detector de radiación depende básicamente de la manera en que esta radiación interactúa con el material del propio detector, en nuestro caso es el detector Geiger Müller, e l cual nos
permitirá poder observar los mecanismos fundamentales por los cuales las radiaciones alfa, beta y gamma interactúan y pierden su energía en la materia o en el aire, para poder tener unos datos con mayor claridad se realiara una medida a la radiación de fondo o bac!ground" #on esta información podremos identificar cual es el alcance de las partículas tanto alfa, beta y gamma, de igual forma podremos $allar su energía y tambi%n el decaimiento que estas sufren en el tiempo, e identificar los diferentes tipos de interacciones que se presentan en los distintos materiales de absorción" &artículas, decaimiento, interacción, alcance, scattering 'bstract ($e operation of any radiation detector basically depends on $o) t$is radiation interacts )it$ t$e material of t$e detector itself, in our case is t$e Geiger Müller detector, )$ic$ )ill allo) us to observe t$e fundamental mec$anisms by )$ic$ t$e alp$a, beta 'nd gamma interact and lose t$eir energy in matter or in t$e air, to be able to $ave a data )it$ greater clarity a measurement )ill be made to t$e bac!ground or bac!ground radiation" *it$ t$is information, information, )e )ill be able to identify t$e range of t$e alp$a, beta and gamma particles, +ust as )e can find t$eir energy and also t$e decay t$ey suffer in time, and identify t$e different types of interactions t$at occur in different 'bsorption 'bsorption materials
&articles, decay, interaction, scope, scattering
b+etivos #alcular y evidenciar el alcance de las partículas alfa en el aire, pudiendo constatar la interacción de las partículas con la la materia y poder poder encontrar su energía en esta esta interacción" -dentificar la atenuación de la radiación a trav%s de la absorción de partículas beta, y determinar cuál es su energía por consecuencia del decaimiento" .educir la atenuación de la radiación a partir de la absorción de rayos gamma"
-ntroducción En la presentación de este informe se busca poder identificar como es el comportamiento o interacción de las partículas cargadas con la materia, a su ve poder observar el rango en el cual se presenta atenuación ya sea por algún material o en el aire, recordando que una partícula cargada que se mueve a trav%s de cierto material pierde su energía cin%tica a trav%s de interacciones con los electrones y núcleos del material, donde finalmente, la partícula se detendrá" Esto es debido a la dispersión /o scattering0 coulombiana de estas partículas cargadas, aunque es un proceso importante tiene poca influencia en la p%rdida de energía de las partículas a lo largo de su trayectoria dentro del detector" .ebido a que los núcleos del material del detector ocupan apro1imadamente de 23425 del volumen de sus átomos, es 2325 veces más probable para una partícula el colisionar con un electrón que con un núcleo" &or tanto, el mecanismo de p%rdida de energía dominante para las partículas cargadas es el scattering coulombiano por los electrones atómicos del detector" #on los datos que se tomaron podremos evidenciar estos cambios y se podrá identificar el alcance de las partículas antes que estas se atenúen y su energía por consecuencia de este alcance"
Marco teórico .esde el momento en que el descubrimiento de la radioactividad por 6ecquerel dio la primera pista de la e1istencia del núcleo, se $an realiado estudios sobre la estructura nuclear (REF TIPLER) los cuales $an resultado de estudios de nucleidos radiactivos, es decir, estudiando las transiciones de núcleos de un estado cuántico a otro de menor energía" .e los cuales apro1imadamente 7333 isótopos son conocidos, donde 899 son radiactivos y otros que se pueden crear en laboratorios que pueden decaer en partículas conocidas como: alfa, beta y gamma"
En este estudio se evidencia la interacción de las partículas pesadas con la materia, donde una partícula cargada que se mueve a través de cierto material pierde su energía cinética a través de interacciones con los electrones y núcleos del material. Finalmente, la partícula se detendrá, recogerá el número necesario de electrones de la materia circundante, y llegar a ser neutra. Por ejemplo
Radiaciones de &artículas #argadas &artículas cargadas pesadas /.istancia característica 2345 m0 Electrones rápidos /.istancia característica 2347 m0
Radiaciones sin carga ;eutrones /
La distancia total recorrida por la partícula se denomina longitud de trayectoria (REF NICHOLAS TSOULFANIDIS). La trayectoria , mostrada en la Fig. !, es igual a la suma de todas las longitudes de trayectorias parciales i
El espesor del material que sólo detiene una partícula de energía cinética ", masa #, y carga $ se llama rango % de la partícula en ese material. Es o&vio que % '( s Para los electrones, que tienen una trayectoria en $ig$ag, % '. Para las partículas cargadas pesadas, que son muy ligeramente desviadas, % (
Figure 1. Longitud de recorrido (S) y rango (R). Los puntos fnales de la trayectoria se distribuyen alrededor de un espesor medio que es el rango
El alcance es la distancia, y su dimensión &ásica es la longitud )m*. +demás de los medidores, otra unidad común utili$ada para el rango es g - m )o g - cm*. La relación entre los dos es
/onde p es la densidad del material en el que se despla$a la partícula. El rango medido en g - m es independiente del estado de la materia. Es decir, una partícula tendrá el mismo rango en g - m si se mueve en 0ielo, agua o corriente. Por supuesto, el rango medido en metros será di1erente. El rango es una cantidad promedio. Las partículas del mismo tipo con la misma energía cinética que se mueven en el mismo medio no se detendrán después de viajar e2actamente con el mismo grosor %, su trayectoria no será igual. Lo que realmente sucede es que los puntos 3nales de la longitud del camino se distri&uirán alrededor de un grosor promedio llamado rango. Para aclarar este punto, se discutirán dos e2perimentos relacionados con la transmisión de partículas cargadas. El intervalo de las partículas al1a en el material a&sor&ente se puede determinar a partir de esta curva de varias maneras. El intervalo medio se de3ne como el espesor de la placa que reduce el conteo de partículas al1a a e2actamente la mitad de su valor en ausencia de esta. Esta de3nición es más comúnmente utili$ada en ta&las de valores de rango numérico. 4tra versión que aparece en la literatura es el intervalo e2trapolado, que se o&tiene e2trapolando la parte lineal del 3nal de la curva de transmisión a cero. )%EF 5LE66 F. 764LL*
El intervalo de partículas cargadas de una energía dada es, por lo tanto, una cantidad &astante única en un material a&sor&ente especí3co. e 0an reali$ado di1erentes e2perimentos para la medición de la radiación los cuales 1ueron ampliamente utili$ados para medir la energía de las partículas al1a indirectamente, mediante la determinación del espesor de a&sorción equivalente a su rango promedio. 8on la disponi&ilidad de los detectores que proporcionan una se9al de salida directamente relacionada con la energía de la partícula al1a, para que las medidas sean lo mas precisas posi&le con cualquier detector que mida la energía incidente total de una partícula cargada de&e tener un espesor que sea mayor que el rango de esa partícula en el material detector. La 3gura !. es una curva de transmisión representativa para electrones inicialmente monoenergéticos. La parte 3nal de la curva de transmisión es una caida larga, de&ido a la dispersión. :ncluso la 1orma cualitativa de la curva de transmisión depende del arreglo e2perimental. :nicialmente, la curva es generalmente cóncava 0acia el origen si la detección es por recuento de electrones, se utili$an como elementos de a&sorción los elementos de &ajo ;.) %EF %4
65L:46*
Figure 1.2. grafca del alcance R, para l os electrones originalmente monoenergéticos, en la interseccin de la cur!a de ioni"acin o cuentas e#trapolada con la contribucin estimada de $ondo debido a los rayos gamma, bremsstra%lung en la placa de atenuacin
+&sorcion partículas al1a i se mide la ioni$ación especí3ca producida en el aire por partículas al1a de una 1uente dada, a una gran distancia de la 1uente, se o&tiene una curva de 1orma característica, denominada curva de
En la 3gura !.? se muestra una curva típica de
na colisión 1rontal da el má2imo de trans1erencia posi&le de una partícula incidente al electrón )%EF 7E66E"C . 7%+6E*. En la mayoría de las colisiones esta pérdida de energía será muc0o menor*, y después de viajar un cierta distancia, 0a&rá perdido toda su energíaD esta distancia se denomina el alcance de la partícula. el alcance viene dado por el tipo de la partícula, su energía y el tipo de material en el que penetra.
/ecaimiento
/ecaimiento 5amma En el decaimiento gamma, un núcleo pasa de un estado e2citado a un estado de menor energía y la di1erencia de energía entre los dos estados se li&era en 1orma de un 1otón (REF NICHOLAS TSOULFANIDIS). Los rayos gamma son capaces de penetrar varios milímetros en plomo. 6o son desviados por campos electromagnéticos e interaccionan con la materia de manera similar a los rayos G. e trata de radiación electromagnéticaD 8onsiste en la emisión espontánea de 1otones altamente energéticos cuando el núcleo pasa de un estado e2citado al 1undamental. Es un proceso esencialmente análogo al que tiene lugar cuando un átomo se dese2cita emitiendo radiación. La emisión gamma suele acompa9ar a los otros dos tipos de desintegración, porque sus productos quedan normalmente e2citados.
>na di1erencia signi3cativa entre los rayos G y los rayos gamma es su origen. %ayos G se producen en las capas de electrones, mientras que los rayos gamma se producen en el núcleo. Los %ayos G se crean cuando los electrones su1ren una desaceleración o saltan a niveles de energía más &ajos. Los rayos gamma son creados por transiciones de energía en el núcleo. En este e2perimento e centran principalmente en los rayos gamma,
#ateriales y métodos Para la reali$ación de este la&oratorio se empleo el siguiente equipo.
El cual esta compuesto de un detector 5eiger #Hller, su respectivo contador, una caja con divisiones iguales a ! cm I en esta caja la primer ranura tiene una distancia de cmJ y un juego de 1uentes radiactivas Ipolonio !K, talio K y &ario !??J todas estas tiene su características especi3casM T 1 /2= 10,5 años
•
6ario 277, emite 2 µ#i el 32 de +ulio de 8328,
•
&olonio 823, emite 3"2 µ#i el 32 de +ulio de 8328,
•
(alio 83>, emite 2 µ#i el 32 de +ulio de 8328,
T 1 / 2= 138.4 dias años
T 1 / 2= 3,78 años
conclusiones En una colisión entre una partícula cargada y un electrón, la partícula cargada es desviada un ángulo desprecia&le, por lo que la partícula sigue una trayectoria prácticamente rectilínea. /e&ido a que la 1uer$a coulom&iana tiene un alcance in3nito, la partícula interacciona simultáneamente con muc0os electrones y por tanto, pierde su energía de un modo gradual pero contínuo a lo largo de su trayectoria. /espués de viajar un cierta distancia, 0a&rá perdido toda su energíaD esta distancia se denomina el alcance de la partícula. el alcance viene dado por el tipo de la partícula, su energía y el tipo de material en el que penetra. e puede apreciar que e2iste una distancia &ien de3nida más allá de la cual no 0ay ya partículas. Para la 1uente de polonio, de&ido a que su tiempo de semivida es de !?N, dias el alcance será el mismo 1ondo pues ya no emite o emite una radiación muy &aja
:1 t0e speci3c ioni$ation caused in air &y +lp0a particles 1rom a given source is measured at various distances 1rom t0e source, a curve o1 c0aracteristic s0ape, called a
Para una partícula alfa de 5 MeV (valor típico en las desintegraciones alfa), esta cantidad es de 2.7keV. Por tanto, se pueden deducir inmediatamente 4 conclusiones 1 – !currir"n
muc#os miles de estos sucesos antes de $ue la partícula deposite toda su energía. (%na colisi&n frontal da el m"'imo de transferencia posile de una partículas incidente al electr&n. n la ma*oría de las colisiones esta p+rdida de energía ser" muc#o menor). 2 – n
una colisi&n entre una partícula cargada * un electr&n, la partícula cargada es desviada un "ngulo despreciale, por lo $ue la partícula sigue una tra*ectoria pr"cticamente rectilínea. 3 – eido
a $ue la fuer-a coulomiana tiene un alcance infinito, la partícula interacciona simult"neamente con muc#os electrones * por tanto, pierde su energía de un modo gradual pero contínuo a lo largo de su tra*ectoria. espu+s de viaar un cierta distancia, #ar" perdido toda su energía/ esta distancia se denomina el alcance de la partícula. el alcance viene dado por el tipo de la partícula, su energía * el tipo de material en el $ue penetra. n la figura siguiente se muestran las tra*ectorias de partículas a detectadas mediante una c"mara de niela. 0e puede apreciar $ue e'iste una distancia ien definida m"s all" de la cual no #a* *a partículas. 1ormalmente se traaa con un valor medio del alcance, definido de forma $ue la mitad de las partículas lo
alcancen * la otra mitad no. Para partículas pesadas, la variaci&n de los valores en torno al alcance medio es mu* pe$ueo, por lo $ue +ste se convierte en una cantidad 3til * ien definida.
Trayectorias de partículas a de la desintengración del 210Po en una cámara de niebla. 4 – a
energía necesitada para ioni-ar un "tomo (i.e., para e'traerle un electr&n) es del orden de 6 eV, por lo $ue la ma*oría de las colisiones transferir"n suficiente energía al electr&n como para ioni-ar al "tomo. (0i el electr&n no recie la suficiente energía, pasa a un estado e'citado del $ue r"pidamente regresa tras una dese'citaci&n). os electrones e'traídos, ad$uieren la suficiente energía (keV) como para producir ellos mismos nuevas ioni-aciones (estos electrones ioni-antes se conocen con el nomre de ra*os delta). Por tanto, son capaces de lierar por medio de colisiones con los "tomos del medio, otros electrones (secundarios). Para determinar la energía perdida por una partícula deemos incluir tanto a los electrones primarios como secundarios, así como las e'citaciones at&micas. a figura siguiente muestra la relaci&n entre el alcance * la energía para el caso del aire * otros materiales comunes. Para materiales $ue no se muestran, una estimaci&n del alcance puede #acerse de un modo semiempírico por medio de una relaci&n conocida como la regla de ragg89leeman
donde : es el alcance, r la densidad * ; el peso at&mico. os suíndices 6 * corresponden a dos materiales, uno de los cuales tiene un alcance conocido.
a relaci&n te&rica entre el alcance * la energía puede ser otenida mediante el c"lculo mec"nico cu"ntico del proceso colisional. ste c"lculo fue reali-ado por primera ve- en <=6 por >ans et#e. l resultado da la energía perdida por unidad de longitud (a veces llamado poder de frenado)
donde [email protected] es la velocidad de la partícula, -.e es su carga el+ctrica, A, ;, r son el n3mero at&mico, el peso at&mico * la densidad del material sore el $ue impactan, 16 es el n3mero de ;vogadro * m la masa del electr&n. l par"metro B representa la energía media de e'citaci&n de los electrones at&micos, $ue se toma como una constante empírica (aun$ue en principio podría calcularse promediando sore todos los posiles procesos de e'citaci&n e ioni-aci&n at&micos). n general su valor es del orden de 6A eV. Por eemplo, B?CDeV para el aire * D= eV para el ;luminio.
Poder de frenado para diferentes partículas pesadas en función de la energía •
a p+rdida de energía es independiente de la masa M de la partícula incidente * proporcional al cuadrado de la carga.
•
Varía con E vF a velocidades no relativistas.
•
espu+s de pasar por un mínimo, la p+rdida de energía aumenta logarítmicamente con G?E(8F)H(E2)
l alcance puede ser calculado integrando la ecuaci&n de et#e8 loc# sore todas las energías de la partícula
0in emargo, la ecuaci&n de et#e8loc# no es v"lida para energías aas, cerca del final del alcance. sto se dee a $ue no tiene en cuenta la posiilidad de $ue las partículas capturen electrones, como sucede en el caso de partículas incidentes de aa velocidad. s posile reescriir la ecuaci&n anterior de la siguiente forma
donde f(v) es una funci&n de la velocidad de la partícula $ue es independiente de su masa * de su carga. Podemos, por tanto, comparar los alcances del mismo material para diferentes partículas con una misma velocidad inicial
Alcance (Range frente a la energía para !arios materiales.
