أولاً : تفاعل الجسيمات الثقيلة المشحونة مع المادة .
أ ـ طبيعة التفاعل :
يتم التفاعل بين الجسيمات الثقيلة المشحونة ( مثل جسيمات ألفا ) مع المادة من خلال قوى كولوم بين الشحنة الموجبة على الجسيمات والشحنة السالبة الموجودة في الإلكترونات المدارية في ذرات المادة .
وقد يحدث أن تصطدم الجسيمات الثقيلة المشحونة بأنوية الذرات إلا أن مثل هذا التصادم نادر الحدوث وبالتالي فإن أجهزة رصد هذه الجسيمات مصممة على أنها تقيس تفاعل هذه الجسيمات مع الإلكترونات المدارية نظراً لأنه الأكثر حدوثاً.
عند دخول الجسيمات الثقيلة المشحونة إلى ذرات المادة يحدث أنها تؤثر بقوة كولوم الجاذبة على الإلكترونات في هذه الذرات ونتيجة هذا التفاعل تعتمد على قوة التصادم فقد تكون هذه القوة قليلة إلى الحد الذي يسبب تحرك الإلكترون من مداره إلى المدار الأعلى (لاكتسابه طاقة أعلى من طاقة مداره الموجود فيه لحظة التصادم ) فتحدث أثاره للذرة أو تكون القوة كبيرة بدرجة تكفي لإخراج الإلكترون من جميع المدارات إلى خارج الذرة ويحدث التأين في هذه الحالة .
وهذه الطاقة التي تذهب إلى الإلكترون في أي من الحالتين ( الإثارة أو التأين ) تكون على حساب طاقة الجسيم الثقيل المشحون المصادم وينتج عن ذلك فقد طاقته وتقليل سرعته والمسافة التي سيصل إليها داخل المادة .
هذا وتقدر كمية الطاقة التي يفقدها أي سيم ثقيل مشحون في كل مرة تصادم مع الإلكترونات بحوالي جزء من خمسمائة جزء من طاقته الأولية تنتقل إلى الإلكترونات وهذا يدل على أن هذه الجسيمات قادرة على إحداث عدد كبير من الإصطدامات أثناء مرورها في أي مادة . وفي أي لحظة منذ دخول الجسيم الثقيل المشحون إلى المادة يتفاعل بالتصادم مع العديد من الإلكترونات ويفقد طاقته تدريجياً حتى يقف في النهاية .
وعليه نجد أن لكل جسيم ثقيل مشحون مدى معين في كل مادة يدخل إليه وبعده يقف تماما. والمدى هو أكبر مسافة يمكن أن يدخل إليها الجسيم داخل المادة .
ومما هو جدير بالذكر أن نواتج التصادم أما أن تكون ذرات مثارة أو زوج من الأيونات التي هي عبارة عن الإلكترون ( الأيون السالب ) المنطلق من الذرة بعد تصادمها بالجسيم الثقيل المشحون والذرة الباقية بعد خروج الإلكترون منها ( الأيون الموجب) .
وأزواج الأيونات لها ميل طبيعي لإعادة الارتباط فيما بينهما وتكوين الذرات العادية مرة أخرى . وعليه صممت أجهزة الرصد الإشعاعي لقياس هذه الأزواج من الأيونات وفي بعض الأحيان نجد أن الإلكترون المنطلق بعد اصطدام الجسيم الثقيل المشحون بالذرة قد اكتسب كمية كبيرة من الطاقة تكون كافية لأن يحدث هو تأين في ذرات أخرى مجاورة له ويسبب إطلاق الإلكترونات . هذه الإلكترونات ذات الطاقة العالية قد تسمى أشعة دلتا وهي وسيلة ثانوية يفقد بها الجسيم المصادم جزء من طاقته بالإضافة إلى الوسيلة الأساسية التي بها تخرج أزواج الأيونات .ومن المهم أن نذكر أن مدى أشعة دلتا دائما أقل بكثير من مدى الجسيمات الثقيلة المشحونة . هذا ويمكن حساب عدد أزواج الأيونات المتكونة عند معرفة طاقة الجسيمات المصادمة ومتوسط الطاقة اللازمة لتكوين زوج واحد من الأيونات والتي تعتمد يبلغ حوالي ثلاثة وثلاثين إلكترون فولت .
ب ـ قوة الإيقاف :
أن قوة الإيقاف الخطية لأي جسيم ثقيل مشحون عن طريق مادة معينة يمكن أن يعرف على أنه الفقد في طاقة هذا الجسيم أثناء مروره داخل المادة المحددة مقسوما طول الممر الذي سيدخل إليه . وبزيادة قوة الإيقاف الخطية تقل سرعة الجسيم .
هذا وقد تعرف قوة الإيقاف الخطية على أنها الفقد النوعي للطاقة . والفقد النوعي للطاقة يزيد بزيادة الشحنة على الجسيم المصادم للمادة .وعليه نجد أن الفقد النوعي للطاقة لجسيمات ألفا أكبر من ذلك للبروتونات التي لها نفس طاقة جسيمات ألفا.
هذا ويعتمد الفقد النوعي للطاقة على الكثافة والعدد الذري للمادة التي يصطدم بها الجسيم وكلما زادت الكثافة والعدد الذري للمادة كلما زاد الفقد النوعي لطاقة الجسيمات المتصادمة بها .وفي حالة الجسيمات المشحونة ذا ت الطاقة فإن الشحنة هي العامل الهام في تحديد الفقد النوعي للطاقة لهذه الجسيمات . إذ أن ما تحمله من شحنة موجبة سيجعلها تجذب إلكترونات من ذرات المادة التي ستصطدم بها وبالتالي تقل هذه الشحنة الموجبة بالتدريج ويحدث الفقد النوعي
للطاقة. وفي النهاية ستتحول هذه الجسيمات إلى ذرات متعادلة الشحنة بعد اتحادها بعدد من الإلكترونات السالبة .
جـ ـ مدى الجسيمات الثقيلة المشحونة :
وببساطة شديدة نذكر أن المقصود بكلمة المدى هو مدى نفاذ الجسيمات الثقيلة المشحونة أو هو عبارة عن المسافة المستقيمة التي يقطعها الجسيم ي المادة إلى أن يتوقف تماماُ .
ولقد وجد أنه بزيادة سمك المادة التي تدخل إليها الجسيمات الثقيلة المشحونة يقل المدى . هذا وقد يستخدم قياس للمدى يسمى المدى المتوسط وهو السمك من المادة الذي يسمح بمرور نصف عدد الجسيمات المنطلقة من مصدر معين ومن المعروف أن مدى الجسيمات المشحونة ذات طاقة معينة في مادة معينة يكون محدد بدقة ويختلف باختلاف المادة أو طاقة الجسيم .
ومن جهة أخرى فإن الوقت المطلوب لإيقاف أي جسيم مشحون تعد اختراقه مادة ما يمكن استنتاجه بمعرفة مدى هذا الجسيم في هذه المادة وسرعة اختراقه لها .
وبصفة عامة فإن الجسيمات المشحونة تفقد طاقتها بمعدل كبير جداً قبيل نهاية مداها في المادة .. وبصفة عامة يجدر الذكر أن مدى الجسيمات الثقيلة المشحونة صغير حيث لا يزيد عن 3.5 سنتيمتر في الهواء لجسيمات ألفا ذات طاقة تساوي خمسة مليون إلكترون فولت وعليه يمكن القول أن قدرة هذه الجسيمات على الاختراق تعتبر صغيرة نسبياً ولا تحتاج إلى حواجز سميكة لإيقافها والوقاية منها .
ثانياً : تفاعل الجسيمات المشحونة الخفيفة مع المادة
'>تفاعل الإلكترونات السريعة)
مقدمة :
عندما تكون طاقة الإلكترونات ( أو البوزترونات) قليلة تفقد هذه الإلكترونات طاقتها بعد إثارة وتأين ذرات المادة . ومن ثم تنتقل الطاقة من هذه الجسيمات إلى المادة بنفس أسلوب انتقال الطاقة من الجسيمات الثقيلة . ولكن نظراً لصغر كتلة الإلكترون تكون سرعته عادة عالية للغاية بالمقارنة بسرعة الجسيم الثقيل ذي الطاقة نفسها . وهذا يعني أن زمن تواجد الإلكترون بالقرب من ذرة معينة من ذرات المادة قصير للغاية مما يؤدي إلى انخفاض احتمال حدوث التأين . لذا فإن مدى الإلكترون في المادة يكون كبيراً بالمقارنة بمدى الجسيمات المشحونة الثقيلة ، حيث يصل مدى الإلكترونات بطاقة 1 إلكترون فولت في الهواء عدة أمتار .
أ ـ طبيعة التفاعل :
بالمقارنة بالجسيمات الثقيلة المشحونة نجد أن الإلكترونات السريعة ( الإلكترونات و البوزيترونات ) تفقد طاقتها بمعدل أقل وتسلك طريق متعرج داخل المادة التي تصطدم بها .
وإذا كان من المعروف أن للجسيم الثقيل المشحون بطاقة محددة طريق مستقيم محدد يسلكه في مادة معينة حتى يتوقف فإن الإلكترونات السريعة ذات نفس الطاقة لها عدة طرق متموجة ومختلفة تسلكها داخل نفس المادة .
وهذه الانحرافات المختلفة والتي تلاحظ في مسارات الإلكترونات السريعة داخل نفس المادة ترجع أساسا إلى أن هذه الإلكترونات المصادمة لها نفس كتلة الإلكترونات المدارية الموجودة في ذرات المادة التي ستصطدم بها . وبالتالي نتوقع أن تفقد الإلكترونات المصادمة جزء كبير من طاقتها في تصادم واحد . هذا بالإضافة إلى أن تفاعل الإلكترونات مع أنوية ذرات المادة
( ذات الشحنة الموجبة ) والذي قد يحدث أحياناً يسبب تغيير حاد في مسار الإلكترونات .
هناك اختلاف هام جداً بين تفاعل الجسيمات الثقيلة المشحونة مع المادة وتفاعل الإلكترونات السريعة مع المادة وهو أن فقد الطاقة في حالة الجسيمات الثقيلة المشحونة يكون بالتفاعلات التي تتم بقوى كولوم ( المصادمات اللامرنة بين الجسيم والإلكترونات المدارية ) وهذا يحدث في حالة تفاعل الإلكترونات السريعة ولكن يحدث معه أيضاً فقد في طاقة الإلكترونات السريعة بتفاعلات إشعاعية ينتج عنها انطلاق أشعة كهر ومغناطيسية " أشعة الانكسار " من أي موقع على طول مسار الإلكترونات السريعة في المادة .
ولكن هذا الفقد الإشعاعي للطاقة يكون بنسبة قليلة إذا ما قورن بالفقد في إثارة الذرات أو الـتأين ولا يحدث الفقد الإشعاعي لطاقة الإلكترونات السريعة إلا عند اصطدامها بمواد ذات عدد ذري كبير وعندما تكون طاقة هذه الإلكترونات كبيرة بدرجة لا تسمح لها بالتواجد بالقرب من ذرات المادة لفترة تسمح بأحداث التأين أو الإثارة فيؤدي تعرض هذا الإلكترون للمجال الكهربي للنواة والإلكترونات المدارية إلى إطلاق أشعة الانكسار .
ب ـ مدى الإلكترونات السريعة :
أن اصطلاح المدى للإلكترونات السريعة يكون أقل تعبيراً ومعنى منه في حالة الجسيمات الثقيلة المشحونة ( الذي سبق أن تعرضنا له ) وذلك لأن طول الممر الذي تسلكه الإلكترونات
السريعة يكون أكبر بكثير من المسافة التي قد تنفذ إليها الجسيمات الثقيلة في أي مادة .
ولكن يمكن حساب مدى الإلكترونات السريعة بعمل رسوم بيانية تمثل العلاقة بين سمك المادة وكمية الإلكترونات التي تمر من هذا السمك ومنها يمكن حساب السمك الذي لن يمر منه أي إلكترون فيكون هذا هو المدى .
وفي حالة مقارنة مدى الجسيمات الثقيلة المشحونة والإلكترونات السريعة التي لها نفس كمية الطاقة فإننا نجد أن الفقد النوعي للطاقة يكون منخفض جدا في الإلكترونات السريعة .
لذا نتوقع أن مدى الإلكترونات السريعة في مادة معينة يزيد مئات المرات عن مدى الجسيمات الثقيلة المشحونة في نفس المادة . وفي هذا الصدد نجد أن مدى الإلكترونات يبلغ مللي مترين لكل واحد مليون إلكترون فولت طاقة في المواد ذات الكثافة المنخفضة ويبلغ واحد مللي متر لكل واحد مليون إلكترون فولت طاقة في المواد ذات الكثافة المتوسطة وفي الهواء نجد أن مدى الإلكترونات ذات الطاقة واحد إلكترون فولت أكثر من عدة أمتار.
جـ ـ فقدان الطاقة بالإشعاع :
عند تصادم الإلكترون السريع مع نويات وإلكترونات المادة يتعرض الإلكترون الساقط للمجال الكهربائي لشحنة النواة أو الإلكترونات المدارية فيؤدي ذلك إلى انبعاث إشعاعات كهرومغناطيسية تعرف باسم إشعاع بريمسترهلونك ( الكبح ) bremsstrahlung radiatiation وتنبعث هذه الإشعاعات من العديد من الأجهزة مثل شاشات التلفزيون وأنابيب الأشعة السينية .
دـ امتصاص الإلكترونات في المادة :
تتميز الإلكترونات بقدرة عالية على اختراق المادة مقارنة بالجسيمات الثقيلة.وعند سقوط حزمة من الإلكترونات بقدرة عالية على اختراق المادة مقارنة بالجسيمات الثقيلة . وعند سقوط حزمة من الإلكترونات على اختراق المادة مقارنة بالجسيمات الثقيلة . وعند سقوط حزمة من الإلكترونات على المادة يتناقص عددها تدريجيا بطريقة أسية . ويمكن التعبير عن ذلك رياضياً كالآتي :
I=Io.exp(-μ x)
حيث الحرف (I) يرمز لعدد الإلكترونات التي تعبر خلال سمك من المادة مقداره (x) ، (Io). هو عدد الإلكترونات الساقطة في حين أن يعرف باسم معامل الامتصاص للمادة ، وهو يعتمد على كل من نوع المادة وطاقة الإلكترونات وتزداد قيمته بزيادة كثافة المادة ( أو العدد الذري ) وتقل قيمته كلما زادت طاقة الإلكترونات وله وحدة تساوي 1/ وحدة الطول .
وللوقاية من الجسيمات الخفيفة يجب استخدام حواجز واقية سميكة من مادة عددها الذري صغير .
عرض المشاركات
'>
