Stoffers stoppeevne i forhold til Y-stråling

Hej Spørg om Fysik
Når gammastråling skal stoppes, ved jeg at der altid? 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, med fordel bruges?

Med venlig hilsen
A R

Gammastråling er elektromagnetisk stråling. Det er tidligere omtalt i blandt andet  i et spørgsmål om radar her

Der er flere effekter der svækker strålingen: spredning ved passage tæt ved atomer, comptoneffekt, pardannelse og fotoeffekt. Comptoneffekt er forklaret i  et spørgsmål om compton pointen er her, at tunge stoffer har flest elektroner og størst elektronsky, så mulighederne for sammenstød øges.

Når atomnummeret vokser, vokser altså også muligheden for comptoneffekt, så stoffer med stort atomnummer virker mest effektivt. Effekten afhænger også af bølgelængden af strålingen (energien). Efter en gammakvants sammenstød med en elektron kommer der en elektron og en mere langbølget gammakvant ud (lavere energi), som så igen kan have comptoneffekt eller stoppes på anden måde.

Fotoelektrisk effekt 

Fotoelektrisk effekt er total optagelse af en gammakvant. Elektronerne rundt om atomet har forskellig energi, afhængig af hvilken bane de er i (hvor nært atomet de er). Des nærmere atomet des større negativ energi, dvs. des større energi skal der til at fjerne dem. Elektronerne kan hoppe imellem de forskellige mulige baner. Det sker hvis de rammes af en kvant med den præcist rigtige energi svarende til forskellen på to baner. Elektronen løftes så op i en høj bane og efter nogen tid falder den normalt ned igen under udsendelse af en kvant med præcis samme energi men i en vilkårlig retning. De tungeste stoffer har i de inderste elektroner mulighed for at optage de største energier på den måde.

Comptoneffekt

Se de tidligere artilkler med links ovenfor. Er energien af gammakvanten større end den negative energi i inderste bane, slås elektronen fri, og vi  har comptoneffekten.

Pardannelse

Ved energier større end 1,02 MeV dvs.1,6*10^-13 J kan der ske pardannelse i stoffet. Der opstår så en elektron og en positron dvs. en positiv elektron (i nærheden af et atom), og hvis der er mere energi kan elektron og position få en vis hastighed efter dannelsen. Her vil positionen før eller senere møde en elektron, og de forsvinder så og udsender en stråling med energien 1,02 MeV i vilkårlig retning. Effekten er kompliceret men afhænger stort set af antal atomer pr kubikcentimeter dvs. densiteten.

Kurver for stoffernes stoppeevne og gammaenergien

Samlet bliver resultatet de kurver, jeg har vedføjet for bly og aluminium. Bemærk enhederne på den lodrette akse, som er den naturlige logaritme til den koeffecient, som bestemmer, hvor effektivt stoffet stopper strålingen. Kurven total attenuation betyder, hvor meget af en stråle gammakvanter fra en given afsender til en modtager, der ikke når frem til en given modtager. For bly ved f.eks. 1 MeV er størrelsen ca. 0,07 cm³/g, for aluminium er den ca. 0,06 cm³/g, laver man det om til tykkelser skal man bruge densiteten af de to stoffer. Al 2700 kg/m³, Pb 11350 kg/m³. Den størrelse man plejer at bruge, er halveringstykkelsen, dvs. hvis man har en gamma-stråle med en given intensitet, hvor mange cm stof skal man så sætte ind i strålen for at intensiteten bliver det halve. For bly er det ca. 0,9 cm for aluminium ca. 4,1 cm.

Hvis man skal lede efter de bedste stoffer, skal man altså (afhængigt af gammaenergien, men hvis den ikke er nede i det område med fotoelektrisk effekt) søge højt atomnummer, det forbedre stoppe-evnen, samt søge stor densitet.

En oplagt kandidat er f.eks. naturligt uran, som man jo har en del af, og som har en densitet på 18 950 kg/m². Løst regnet giver det ved samme energi som før 0,56 cm. Gulds densitet er blot lidt højere men Uran har atomnummer 92 og guld 79 så i en stor del af energiområdet er uran bedst (og billigst). Metallet Osmium har nr. 76 og densitet 225700 kg/m³ er en god kandidat. Osmium koster ca. 100 $/g !, guld koster kun ca. 35,5 $/g begge teknisk renhed og store partier. Uran ligger omkring 0,10 $/g, bly nr. 82, ligger omkring 0,002 $/g. Det er klart, hvad der er billigst at skaffe sig en given beskyttelse enten bly eller uran. Uran er i øvrigt svagt radioaktivt, men næppe noget som i denne sammenhæng normalt har væsentlig betydning. Platinprisen er omkring 51,5 $/g og densitet 21 450 kg/m³ og stof nr. 78, og altså hverken den bedste kandidat for densitet eller atomnummer.

Der er altså kraftige prisargumenter for at vælge bly (eller uran), de øvrige er for dyre og i øvrigt sjældne, og der er ikke nogen stor gevinst ved anvendelsen. Desuden kan bly let bearbejdes og formes i modsætning til f.eks. platin og osmium. Det er alle tungmetaller og, bortset fra guld, som normalt ikke danner salte, er det forholdsvis giftige stoffer, hvis man får dem ind i kroppen i opløsning. Har man plads nok, kan man meget billigt bruge afstanden til mindskning af strålingen, intensiteten aftager med kvadratet på afstanden, så kan man jo yderligere fylde nogen meter billig beton imellem og kun bruge små mængder metalafskærmning. For den samme energi som ovenfor er halveringstykkelsen i beton omkring 5 cm.

De to kurver er fra Evands: The atomic nucleus

Med venlig hilsen
Malte Olsen