Bremsstrahlung

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi

Bremsstrahlung kommer av tysk bremsen og strahlung dvs. «bremsestråling», og er elektromagnetisk stråling som oppstår ved rask akselerasjon av en ladet partikkel. Dette skjer f.eks når et elektron passerer gjennom feltet fra en atomkjerne.^[1] Fenomenet ble oppdaget av Nikola Tesla under høyfrekvensforskning mellom 1888 og 1897.

Bremsstahlung tverrsnitt for utstråling av et foton med energi 30 keV når et elektron kolliderer med et proton
S(0) - Tverrsnitt
E_e - Elektronets energi
Blå - Ikke-relativistisk
Rød - Ultra-Relativistisk

Bremsstrahlung kategoriseres også som fri-fri stråling fordi strålingen kommer fra ladede partikler som er frie både før og etter interaksjonen som forårsaker strålingen og altså ikke er låst f.eks i orbitaler. Strålingen har et kontinuerlig elektromagnetisk spektrum, dvs. at den ikke er kvantifisert. Dette skyldes at det ikke er noen diskrete nivåer for bremsingen, en partikkel kan bremses helt ned eller ikke bremses i det hele tatt, og gir et spektrum med en klar avskjæring for maksimalt energinivå. Fordi tverrsnittet er et uttrykk for sannsynligheten for interaksjon viser figuren sannsynligheten for å få et foton med energi 30 keV ved forskjellig energi for et varmt elektrone med en skarp avskjæring ved 30 keV.

Bremsstrahlung kan sees som en fellesbetegnelse på all stråling som skyldes akselerasjon av ladete partikler, men brukes oftest spesifikt om elektroner som raskt endrer hastighet i et materiale. Stråling som skyldes ladede partikler som beveger seg i et magnetisk felt kalles synkrotron stråling.

[rediger] Årsaker og Virkning

Bremsstrahlung må forklares ved kvanteelektrodynamikk. Når en ladet partikkel kommer nær en annen ladet partikkel vil de påvirkes av gjensidig elektromagnetisk kraft. Dette resulterer i en akselereasjon (avbøyning, nedbremsing eller øking av hastighet). Dette kan sees som en dipol mellom de to partiklene som endrer lengde og orientering over tid, og resulterer i utsendelse av energi i form av et eller flere fotoner.^[2] Frekvensen til de utsendte fotonene er avhengig av relativ hastighet, ladninger, masser og konsentrasjonen av flere ladninger. Effekten kommer uavhengig av hvilke partikler som beveger seg; Varme ioner (atomkjerner med høy midlere kinetisk energi) som beveger seg gjennom et område med kalde elektroner vil akselerere elektronene og ha samme effekt som varme elektroner med samme relative hastighet som beveger seg gjennom et område med kalde atomkjerner.

Energien som avgis er proposjonal med 1/m² og der m er hvilemassen til partikkelen. Bremsstrahling er derfor spesiellt viktig for lette ladede partikler som elektroner og positroner. Opptil energinivåer på 100 GeV bidrar bremsstrahlung i vesentlig grad bare til energitap i forbindelse med slike lette partikler. Bremsstrahlung vil normalt ha en flat fordeling for alle energinivåer opp mot maksimal partikkelenergi og deretter et raskt eksponentiellt fall mot en klar avskjæringsverdi.

[rediger] Ytre bremsstrahlung

«Ytre bremsstrahlung» refererer til forholdene når energitapet ved stråling langt overskrider tapene ved ionisering. Tap ved ionisering opptrer når interaksjonene medfører at elektronene eksiteres fra orbitalene rundt atomkjernen (krever f.eks 13.6 eV ved ionisering av et hydrogenatom i grunntilstand). Ytre Bremsstrahlung dominerer ved energinivåer over 50 keV.

[rediger] Indre bremsstrahlung

«Indre bremsstrahlung» er mindre vanlig og refererer til stråling som opptrer ved svak vekselvirkning. Dette skjer f.eks ved betanedbrytning når nøytroner nedbrytes og sender ut et elektron og en nøytrino eller når et foton absorberes av et proton og resulterer i et nøytron, et positron og en antinøytrino. Dette gir en endring i energitilstanden som normalt tilføres reaksjonsproduktene i form av kinetisk energi. Men fordi det skjer en rask endring av det elektriske feltet kan deler av energien avgis som et foton med energi opp til spranget i energitilstand. Økende energi for elektronet gir tilsvarende lavere verdier for fotonenes energispekter. Ved elektroninnfanging kommer fotonenergien derimot til fradrag i nøytinoens energi og har bredest spektrum ved omtrent en tredjedel av normal nøytrinoenergi. Spekteret når null bredde ved null energi når nøytrinoet har normal energi.

[rediger] Sekundærstråling

Bremsstrahlung er «sekundærstråling» den betydning at de produseres som resultat av interaksjoner med primær betastråling (elektroner). Denne effekten brukes ofte for å skjerme for farlig betastråling. Men i noen tilfelle (f.eks for fosfor isotopen ³²P) vil bruk tunge metaller som bly i skjemingen i seg selv forårsake et farlig energispektrum på sekundær bremsstrahlung. Da vil lettere materialer som plast, tre eller vann gi en mykere retardasjon og lavere energi, derfor lengere bølgelengde på betastrålingen.

[rediger] Referanser

^ CERN. Rudolf K. Bock. (9 April 1998.) Bremsstrahlung. Besøkt 2006-12-01. Engelskspråkelig.
^ George B.Rybicki, Alan P. Lightman: Radiative Processes in Astrophysics s. Kapittel 5. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. (1985) ISBN 0-471-82759-2