Kan man bruge andre stoffer end bly til at stoppe gammastråling? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om fysik > ? om Fysik > Kan man bruge andre st...

29. april 2009

Kan man bruge andre stoffer end bly til at stoppe gammastråling?

Hej Spørg om Fysik 
Når gammastråling skal stoppes, ved jeg at der oftes bruges bly. Er der nogen speciel grund til at det er bly der anvendes, eller kan andre stoffer med højere massefylde, som fx. guld eller platin, bruges?

Med venlig hilsen
AR

Stopning af Gammastråling: Gammastråling er elektromagnetisk stråling - dvs. det er en meget kortbølget udgave af radiobølger, radar, infrarødt lys, synligt lys, ultraviolet lys, røntgen osv.

De fleste af disse strålingstyper kommer fra atomernes elektroner, idet alle strålingstyper fra kortbølgede radiobølger til og med røntgen kan opstå ved elektronspring i elektronerne omkring atomet. Fra kernen kommer så gammastrålingen, som dog også kan være på samme energier som f.eks. røntgen, og røntgen kommer fra elektronerne udenom atomet. Der er tale om stråling med frekvenser i området ca. f = 1020 til 1023 Hz svarende til bølgelængder, λ, på ca. 10-11 til 10-14 meter. Det er 50 000 til 50 000 000 gange kortere end synligt lys. I energi svarer det til fra ca.: 10-13 til 10-10 MeV (megaelektronvolt, en energienhed som er 1 eV = 1,602*10-19 J), des højere frekvens des højere energi. Gammastråling er sammen med røntgen, alfa og betastråling ioniserende stråling, dvs. stråletyper der kan ioniserer almindelig luft.

Gammastråling kommer fra atomkernen

Når der sker henfald f.eks. alfa- eller beta-henfald efterlades kernen ofte i en eksiteret tilstand, dvs. der er overskudsenergi i kernen. Før eller senere skaffer kernen sig af med denne energi og går til sin grundtilstand (den laveste energi), og det sker ved udsendelse af gammastråling. Denne stråling har for et givet grundstof helt veldefineret energier. Det er et statistisk fænomen, så der er ikke nogen måde at forudsige, hvornår en given kerne henfalder, det man kan sige er at halvdelen af en mængde kerner er henfaldet i løbet af en given tid, halveringstiden, som kan være imellem brøkdele af sekunder og op til noget, der er i størrelsesorden som universets alder.

Absorption

Gammastråling der rammer stof stoppes ikke, man kan mindske intensiteten. Forsøg viser, at for en given gammastråling og et givet stof findes en bestemt halveringstykkelse, dvs. man skal tage en så tyk plade af stoffet at man får halvt så meget stråling igennem. Dobbet tykkelse giver så ¼ af den oprindelige stråling. Kalder man den oprindelige intensitet af gammastrålingen I0, og den der er efter stof for I, og stoftykkelsen er x kan loven skrives:

  I = Io*e-µx

Hvor µ er en konstant, der afhænger af gammastrålens energi og af stoffets art, og e er grundtallet i den naturlige logaritme ( e = 2,7183....). Man kan altså mindske strålingen så meget man vil ved bare at tage et tykt lag stof, men ikke stoppe den helt. Tunge stoffer er bedst, men ved vurdering af hvad man skal anvende, kan også indgå energiniveauerne i elektronerne omkring atomerne i stoffet (til selektiv absorption) og bestemt også prisen, samt stoffets mekaniske egenskaber.

Derfor er en lang række tunge stoffer ikke anvendt, men ofte det rimeligt billige bly, i visse tilfælde også f.eks. uran, I praksis er halveringstykkelsen for gammastråling fra radioaktive stoffer 0,1 mm bly i den lavenergetiske ende og 15 mm bly i den højenergetiske. Det betyder i den højenergetiske ende, at 10 cm bly reducerer strålingen til ca. 1 %, 15 cm til 1 promille. For vand (os selv f.eks.) er de tilsvarende tal 1 og 300 mm. Det betyder, at får man højenergi gammestråling imod kroppen, stoppes ca. det halve, og det der stoppes kan altså gøre skade. Mange steder anvendes beton (billigt, formfast og let at skaffe), her er de tilsvarende tal 0,2 mm til 100 mm. Af andre stoffer bruges legeringer med jern f.eks. rustfrit stål (også formfast i modsætning til bly).

Vekselvirkning

Når elektromagnetisk stråling rammer stof (også gasser og væsker) kan det vekselvirke med stoffet på forskellige måder. For det første kan det blive spredt ved at ramme atomerne. Der er imidlertid tre processer, som er interessante, når man ser på, hvad der sker i stof med gammastråling.

Comptoneffekt

Det er når gammastrålingen rammer en elektron, der er bundet udenom et atom. Der sker det at elektronen bliver slået løs og dermed væk fra atomkernen og gammastrålen drejes en vinkel ud til siden, samtidigt med at den bliver mere langbølget (får mindre energi). Energiændring og vinkel afhænger af hvordan gammastrålingen rammer elektronen.

Fotoeffekt

Det sker når gammastrålingen har større energi end en elektron omkring et atom, som den rammer. Gammastrålen forsvinder helt og elektronen bevæger sig videre med en energi, der er forskellen på gammastrålingens energi ( E = h*f, hvor E er energien, h plancks konstant h = 6,626 069 3 * 10-34 J*s, og f frekvensen) og elektronens bindingsenergi til sit atom.

Pardannelse

Hvis gammastrålingen har energi over en vis energi, kan der ske pardannelse. Det betyder, at der inde i stoffet dannes en elektron og en positron (en positiv elektron), som et par og gammastrålingens energi bruges så til det. Det er et eksempel på Einsteins berømte ligning E = m*c2 , hvor energi omdannes til masse. Positronen vil senere annihilere med en elektron i stoffet (den omvendte proces, masse omdannes til energi), idet den kun kan eksisterer kort tid i et miljø med elektroner. Det kommer den en gammastråling ud af, men den går ikke i den oprindelige retning, men i vilkårlig retning, så strålingen bliver nedsat i den ønskede retning.

Gammastrålingen igennem et stof nedsættes altså ved spredning, comptoneffekt, fotoeffekt og eventuelt pardannelse, det sidste hvis energien er høj nok.. Den samlede virkning findes ved at addere virkningen af de enkelte processer.  Des tungere atomer des større chance for at processerne sker, så tunge stoffer er bedst generelt til at mindske gammastråling. Stoppeevnen af et stof afhænger af gammaenergien, den falder stort set med voksende energi, lavenergetisk gammastrålinghar en absorption der er omkring 1000 gange større end det noget højere energier. Figuren viser, hvordan blys absorption fremkommer som summen af spredning (scattering), comptoneffekt, Fotoelektrisk effekt (photoelectric-) og pardannelse (pair -) og det giver en totalkurve, som er summen af kurverne. Vandret findes energien målt i MeV (megaelektronvolt). (Figuren er taget fra Evans: The Atomic Nucleus mcgraw-Hill).

 

Biologisk

Når gammastråling rammer levende væv (se også i denne spalte: http://www.nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/fysik/alfa_beta_gamma/  og http://www.nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/fysik/radioaktivitet/ sker de ovenfor nævnte processer i vævets atomer, og indgår dette atom i en vigtig del af en celle f.eks. DNA (generne) eller visse dele af cellevæggen, vil cellen ofte få skader, som bevirker, at den dør (der er passende mekanismer der så rydder op). Det kan også bevirke ændringer i arveanlæg og fremkalde visse kræftformer.

Med venlig hilsen
Malte Olsen