- Sóng điện từ: gamma, tia X...
- Hạt mang điện: electron, các hạt nhân sản phẩm phân hạch...
- Hạt không mang điện: neutron...
Mỗi loại bức xạ đều có các tương tác giữa chúng và vật chất trong lò phản ứng.
Tương tác của sóng điện từ:
- Tán xạ đàn hồi, tán xạ Compton
- Tán xạ không đàn hồi
- Hiệu ứng quang điện
Tương tác của hạt mang điện:
- Tán xạ đàn hồi
- Tán xạ không đàn hồi
- Bức xạ hãm
- Tạo cặp, hủy cặp
Tương tác của hạt neutron:
- Tán xạ đàn hồi
- Tán xạ không đàn hồi
- Chiếm bắt (phát gamma, phát n, phát p, deuterium, tritium, alpha)
- Phản ứng phân hạch
1. Tương tác của hạt mang điện:
- Hạt tích điện nặng: proton, alpha, ion deuteri, ion triti... tương tác với vật chất chủ yếu nhờ lực Coulomb
- Khi hạt tích điện nặng vào môi trường vật chất, ngay lập tức nó tương tác đồng thời với nhiều electron của môi trường. Các electron nhận xung lực từ trường lực Coulomb khi hạt tích điện đi qua. Tùy theo mức độ tương tác mà có thể xảy ra 2 hiện tượng:
+ Xung lực đưa e lên mức năng lượng cao. Nguyên tử môi trường bị kích thích.
+ Xung lực đủ để bứt e ra khỏi nguyên tử môi trường. Đó là hiện tượng ion hóa. Một hạt tích điện nặng tương tác với môi trường vật chất có thể sinh ra nhiều cặp e bị bứt&ion, thậm chí các ion được sinh ra còn có thể ion hóa nguyên tử khác nếu đủ năng lượng, gọi là ion hóa thứ cấp.
- Năng lượng lớn nhất mà hạt tích điện nặng có thể mất sau mỗi tương tác là:
Eloss max = 4*m0*E/m
m là khối lượng hạt tích điện nặng
m0 là khối lượng của electron
E là động năng trước tương tác của hạt tích điện nặng
Nếu lấy ví dụ là 1 hạt alpha (hạt nhân nguyên tử Helium), thì m = ~7300m0, như vậy năng lượng hạt alpha mất đi sau mỗi tương tác là rất nhỏ. Quỹ đạo chuyển động của hạt alpha trong môi trường vật chất sẽ gần như là đường thẳng, trừ đoạn cuối.
Để tính toán năng lượng mất đi trên quãng đường đi của hạt tích điện nặng thì có công thức Bethe, sẽ trình bày sau.
- Hạt electron cũng là hạt mang điện, nhưng có khối lượng rất nhỏ (nhỏ hơn vài nghìn lần so với p, α...) nên tương tác của nó cũng khác đi đôi chút:
+ e nhanh bao gồm β+ và β- (positron và electron), electron Auger... có khối lượng bằng chính khối lượng của electron môi trường (ở vỏ e của các nguyên tử môi trường), nên mỗi tương tác nó mất phần lớn năng lượng và lệch góc lớn.
+ Quãng chạy của e là lớp bề dày vật chất có khả năng hãm e lại mà chứ không phải quãng đường thực tế mà nó đi (các bạn cứ tưởng tượng e nó bay zig zag sau mỗi tương tác chẳng hạn, còn quãng chạy là đoạn thẳng nối 2 đầu; thật ra e nó không hoàn toàn bay thực sự zig zag)
+ Hao phí năng lượng / quãng đường: dE/dx có thể được tính bằng công thức Bethe, tuy nhiên phải có vài biến đổi để áp dụng vào trường hợp của e nhanh. Sẽ trình bày sau cùng với đường cong truyền qua.
+ Tán xạ ngược: e bị lệch 1 góc lớn dọc đường đi của chúng, đến mức bay ngược lại và ló ra khỏi bề mặt khối vật chất. Hiện tượng tán xạ ngược rõ rệt khi e có năng lượng thấp tương tác với môi trường của các nguyên tử có Z lớn.
2. Tương tác của gamma với vật chất:
a) Hiệu ứng quang điện:
Nếu năng lượng E gamma > E liên kết e của e quỹ đạo nguyên tử môi trường vật chất, năng lượng E gamma truyền cho nguyên tử môi trường vật chất và làm e quỹ đạo bắn ra khỏi nguyên tử (bắn e giống với ion hóa nhưng vẫn khác về bản chất).
e bắn ra gọi là photoelectron, mang theo năng lượng: E photoelectron = E gamma - E liên kết e = h.f - E lke
(h là hằng số Planck, f là tần số bức xạ gamma, giống công thức ở thời phổ thông)
Nguyên tử mất e, vị trí trống chỉ tồn tại một tích tắc (khoảng thời gian ngẫu nhiên rất ngắn), và sẽ được lấp đầy bởi e lớp vỏ cao hơn. E ở lớp vỏ cao hơn sẽ phát tia X và đi vào lớp vỏ trong, lấp đầy vị trí trống.
Tia gamma phát ra bởi e này sẽ xảy ra 2 trường hợp:
+ hoặc nó đi khỏi nguyên tử này và tương tác với môi trường vật chất xung quanh
+ hoặc nó ngẫu nhiên tương tác với một e quỹ đạo ở lớp bên trong và bứt e này ra khỏi quỹ đạo (hiện tượng lấp chỗ trống xảy ra tương tự). Khi đó e bị bứt ra ở trường hợp này gọi là electron Auger.
b) Tán xạ Compton:
+ e nhanh bao gồm β+ và β- (positron và electron), electron Auger... có khối lượng bằng chính khối lượng của electron môi trường (ở vỏ e của các nguyên tử môi trường), nên mỗi tương tác nó mất phần lớn năng lượng và lệch góc lớn.
+ Quãng chạy của e là lớp bề dày vật chất có khả năng hãm e lại mà chứ không phải quãng đường thực tế mà nó đi (các bạn cứ tưởng tượng e nó bay zig zag sau mỗi tương tác chẳng hạn, còn quãng chạy là đoạn thẳng nối 2 đầu; thật ra e nó không hoàn toàn bay thực sự zig zag)
+ Hao phí năng lượng / quãng đường: dE/dx có thể được tính bằng công thức Bethe, tuy nhiên phải có vài biến đổi để áp dụng vào trường hợp của e nhanh. Sẽ trình bày sau cùng với đường cong truyền qua.
+ Tán xạ ngược: e bị lệch 1 góc lớn dọc đường đi của chúng, đến mức bay ngược lại và ló ra khỏi bề mặt khối vật chất. Hiện tượng tán xạ ngược rõ rệt khi e có năng lượng thấp tương tác với môi trường của các nguyên tử có Z lớn.
2. Tương tác của gamma với vật chất:
a) Hiệu ứng quang điện:
Nếu năng lượng E gamma > E liên kết e của e quỹ đạo nguyên tử môi trường vật chất, năng lượng E gamma truyền cho nguyên tử môi trường vật chất và làm e quỹ đạo bắn ra khỏi nguyên tử (bắn e giống với ion hóa nhưng vẫn khác về bản chất).
e bắn ra gọi là photoelectron, mang theo năng lượng: E photoelectron = E gamma - E liên kết e = h.f - E lke
(h là hằng số Planck, f là tần số bức xạ gamma, giống công thức ở thời phổ thông)
Nguyên tử mất e, vị trí trống chỉ tồn tại một tích tắc (khoảng thời gian ngẫu nhiên rất ngắn), và sẽ được lấp đầy bởi e lớp vỏ cao hơn. E ở lớp vỏ cao hơn sẽ phát tia X và đi vào lớp vỏ trong, lấp đầy vị trí trống.
Tia gamma phát ra bởi e này sẽ xảy ra 2 trường hợp:
+ hoặc nó đi khỏi nguyên tử này và tương tác với môi trường vật chất xung quanh
+ hoặc nó ngẫu nhiên tương tác với một e quỹ đạo ở lớp bên trong và bứt e này ra khỏi quỹ đạo (hiện tượng lấp chỗ trống xảy ra tương tự). Khi đó e bị bứt ra ở trường hợp này gọi là electron Auger.
b) Tán xạ Compton:
Mình từng lập trình mô phỏng hiện tượng gamma tán xạ nhiều lần trong đá, cũng khá phức tạp. Tuy nhiên ở đây mình trình bày ngắn gọn thôi, để sau này nói kĩ hơn.
Đơn giản thì hiện tượng xảy ra như sau:
+ khi
lượng tử gamma va chạm với electron quỹ đạo của một nguyên tử, lượng tử gamma sẽ truyền toàn bộ năng lượng cho electron,
+ electron này sẽ dao động và truyền một
phần năng lượng nhận được cho lượng tử gamma mới được tạo thành, phần năng lượng
còn lại thì trở thành động năng của electron quỹ đạo.
+ Kết quả là sinh ra hai bức
xạ thứ cấp là lượng tử gamma tán xạ có bước sóng dài hơn lượng tử gamma ban đầu
và electron giật lùi.
chú ý: thường thì là gamma tán xạ Compton với electron, nhưng trong số rất ít trường hợp có thể là các hạt mang điện khác vd như hạt nhân
Tán xạ Compton là tán xạ không đàn hồi. Tuy nhiên chúng ta vẫn có thể áp dụng định luật bảo toàn năng lượng.
Ta thu được:
lambda là bước sóng, từ công thức bước sóng có thể suy ra công thức năng lượng
m0 là khối lượng của electron, theta là góc cực của gamma tán xạ
Lấy hệ quy chiếu 3 chiều Oxyz có tâm O tại vị trí tương tác với e, trục Z trùng với phương bay của gamma tới. Góc cực theta không phân bố đều và quyết định năng lượng của gamma tán xạ, Góc phương vị (trên mặt phẳng xOy) phân bố đều, không ảnh hưởng đến năng lượng của gamma tán xạ.
Phân bố xác suất của góc cực theta:
Từ hình này các bạn có thể tưởng tượng một hình nón như sau:
đỉnh tại tâm O, trục trùng với góc 0, đường sinh có góc theta
như vậy hình nón đó là tập hợp của các hướng bay có cùng một xác suất
c) Hiệu ứng tạo cặp - hủy cặp:
- Khi lượng tử gamma có năng lượng lớn hơn hoặc bằng 1.022 MeV đi vào vùng không gian gần hạt nhân, sâu trong nguyên tử thì hiệu ứng tạo cặp xảy ra (ở bên ngoài xác suất cực bé), hình thành 1 cặp hạt và phản hạt gồm electron và positron. (electron và positron được vật chất hóa) bay theo hướng khác nhau.
- Năng lượng nghỉ của electron (công thức của Einstein), bằng 0.511 MeV. Động năng của electron và positron khi được tạo thành bằng:
Lưu ý là electron và positron có thể "ăn chia" không đều, nhưng tính trung bình thì động năng của mỗi hột bằng:
Xác suất tương tác (tiết diện tương tác) của hiệu ứng tạo cặp:
Với gamma năng lượng lớn thì hiệu ứng tạo cặp chiếm phần lớn các tương tác.
*- Khi positron được tạo thành tương tác với electron môi trường thì xảy ra hiện tượng hủy cặp. (chú ý 2 mũi tên đỏ ngược chiều nhau)
Kết quả là positron tới và electron môi trường phân hủy, tạo thành 2 lượng tử gamma bay cùng phương ngược chiều nhau trong không gian với năng lượng bằng nhau và bằng 511KeV.
3. Tương tác của neutron với vật chất:
- Hạt neutron không mang điện nên có thể đâm xuyên mạnh hơn rất nhiều so với các hạt mang điện ở cùng động năng. Vì vậy neutron được sử dụng nhiều trong chụp ảnh, thăm dò, đánh giá tính chất vật liệu, hàng hóa...
- Neutron hầu như chỉ tương tác với hạt nhân của nguyên tử. Khi neutron va chạm với hạt nhân, sẽ có xác suất để nó bị tán xạ hoặc bị hấp thụ. Đó là quá trình ngẫu nhiên.
+ Tán xạ: đàn hồi, không đàn hồi
+ Hấp thụ: tùy vào hạt môi trường, tùy vào sự ngẫu nhiên mà xảy ra những hiện tượng sau
tạo hạt mang điện, vd:
tạo neutron, vd:
phản ứng phân hạch, vd:
Phản ứng phân hạch của 235 U là phản ứng rất phổ biến và rất quan trọng đối với nhân loại hiện nay.
Kết quả của phản ứng là tạo ra 2 mảnh vỡ với phân bố A như đồ thị Mass number A of fission fragment, và các bức xạ gamma, các hạt n.
Phản ứng này tạo ra nhiều n và có thể hình thành phản ứng dây chuyền:
+ Phản ứng dây chuyền không điều khiển: n được sinh ra như thác lũ, dẫn tới một vụ nổ, kết quả chính là bom hạt nhân
+ Phản ứng dây chuyền có điều khiển: n được làm chậm, được hấp thụ bớt, tốc độ phản ứng được duy trì khá ổn định, dao động ít, đó chính là các lò phản ứng hạt nhân thí nghiệm hoặc nhà máy điện hạt nhân.
