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Título: Perda de Energia de Partículas Alfa no Ar Universidade Federal do Rio de Janeiro Instituto de Física Relatório de Laboratório Avançado IV Autor: Thiago Marcolino da Silva 1 Introdução O processo de perda de energia de partículas carregadas é diferente do processo de uma partícula sem carga. Enquanto a radiação sem carga pode atravessar a matéria sem interação, a partícula carregada tem interação coulombiana com os elétrons e núcleos de quase todos os átomos do material. Essa interação consome parte da energia, assim diminuindo sua energia aos poucos. Para uma partícula alfa (alta energia) a perda de energia por unidade de trajetória pode ser aproximada para a perda de energia por interações coulombianas por unidade de trajetória. 2 Teoria Considerando um feixe de partículas monoenergética movendo através de absorvedor. A partícula perde energia durante a viagem, pelas interações com íons presentes na matéria (interações coulombianas). A perda média de energia por unidade de comprimento é chamado de Stopping Power de absorção da substância. A ionização específica é o número de íons produzidos por unidade de comprimento. A curva mostra que mostra a ionização específica em função da energia residual é conhecida como curva de Bragg (figura 1). Figura 1: Curva de Bragg Podemos caracterizar as interações coulombianas pelo parâmetro de impacto b e pelo raio atômico a. Para longa distancia do átomo (b >> a) a partícula exerce influencia sobre todo ele, distorcendo a nuvem eletrônica, excitando e algumas vezes ionizando-o por ejeção de um elétron de uma camada de valência. Grandes valores de b são mais prováveis, pois as distâncias interatômicas são grandes. Por isso, interações leves ocorrem em maior número e são responsáveis por perda da metade da energia da partícula carregada.

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Perda de energia de partículas alfa no ar

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Page 1: Exp3 Perda de Energia de Particulas Alfa No Ar

Título: Perda de Energia de Partículas Alfa no Ar

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Instituto de Física

Relatório de Laboratório Avançado IV

Autor: Thiago Marcolino da Silva

1 Introdução

O processo de perda de energia de partículas carregadas é diferente do processo de uma partícula

sem carga. Enquanto a radiação sem carga pode atravessar a matéria sem interação, a partícula carregada

tem interação coulombiana com os elétrons e núcleos de quase todos os átomos do material. Essa interação

consome parte da energia, assim diminuindo sua energia aos poucos. Para uma partícula alfa (alta energia) a

perda de energia por unidade de trajetória pode ser aproximada para a perda de energia por interações

coulombianas por unidade de trajetória.

2 Teoria

Considerando um feixe de partículas monoenergética movendo através de absorvedor. A

partícula perde energia durante a viagem, pelas interações com íons presentes na matéria (interações

coulombianas). A perda média de energia por unidade de comprimento é chamado de Stopping Power

de absorção da substância. A ionização específica é o número de íons produzidos por unidade de

comprimento.

A curva mostra que mostra a ionização específica em função da energia residual é conhecida

como curva de Bragg (figura 1).

Figura 1: Curva de Bragg

Podemos caracterizar as interações coulombianas pelo parâmetro de impacto b e pelo raio atômico a. Para longa distancia do átomo (b >> a) a partícula exerce influencia sobre todo ele, distorcendo a nuvem eletrônica, excitando e algumas vezes ionizando-o por ejeção de um elétron de uma camada de valência. Grandes valores de b são mais prováveis, pois as distâncias interatômicas são grandes. Por isso, interações leves ocorrem em maior número e são responsáveis por perda da metade da energia da partícula carregada.

Page 2: Exp3 Perda de Energia de Particulas Alfa No Ar

Portanto a perda de energia por unidade de comprimento, conhecido também como Stopping Power, pode ser dado pela relação (1).

(1)

Onde r0 é o raio clássico do elétron

mc2 é a energia de repouso para o elétron

β = v/c

γ = (1 – β2)-1/2

N é o número de Avogadro

Z é o número atômico do material

z é a carga da partícula incidente

I é o potencial de excitação e ionização.

Uma vez que a massa das partículas alfa é muito maior que a massa dos elétrons, a quantidade de

energia transferida em cada interação é relativamente pequena, para se ter uma perda significativa de

energia são necessárias diversas interações. Estas interações não são relevantes em relação à mudança de

direção da partícula alfa sendo esse papel reservado essencialmente às interações coulombianas com o

núcleo (espalhamento de Rutherford).

O alcance das partículas alfa de um feixe apresenta uma pequena dispersão espacial. À medida que a

partícula alfa perde velocidade, sua capacidade de ionizar as moléculas aumenta, atingindo um máximo no

final de sua trajetória (pico de Bragg).

O alcance de uma partícula carregada com energia inicial E na matéria pode ser obtido integrando a

relação (1).

(2)

Para partículas alfas com energias entre 4 e 11 MeV, o alcance no ar é

(3)

onde R é dado em cm e E em MeV.

3 Procedimento experimental

O esquema experimental utilizado é mostrado na figura 2. Onde o detector utilizado é do tipo

barreira de superfície. A fonte de partículas alfa é Amerício – 241 (Am-241), que emite partículas com

energia de 5,486 MeV (85%) e 5,443 MeV (12,8%). Com uma média de energia de 5,48 MeV. A

distância da amostra ao detector variou entre 0 e 36 mm, em passos de 1 mm, durante um tempo de

exposição de 100 s para cada distância.

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Figura 2: Esquema experimental.

4 Resultados Experimentais

Na figura 3 temos o espectro proveniente da detecção de partículas alfa em vácuo e com a

câmera a pressão atmosférica para diversas distâncias entre a fonte e o detector. Observa-se o

deslocamento do espectro para a esquerda, onde, as tensões são menores e consecutivamente

energias mais baixas, ou seja, a partícula alfa perde energia no ar conforme a distância (resultado já

esperado). Já a diminuição do número de contagens a medida afastamos a fonte do detector ocorre

devido a diminuição do ângulo sólido de detecção.

A calibração dos dados foi feita utilizando um pulsador, que simulou um pulso com energia de ~5,4 MeV e foi atenuado por fatores de 1.2, 1.4, 2 e 4.

Figura 3: Espectro de detecção da partícula alfa.

Page 4: Exp3 Perda de Energia de Particulas Alfa No Ar

Figura 4: Espectro do pulsador.

Figura 5: A energia varia linearmente com o canal.

(4)

A relação apresenta o método linear para determinar a energia de um determinado canal.

Page 5: Exp3 Perda de Energia de Particulas Alfa No Ar

5 Análise de Resultados

A partir da relação 4 podemos construir um gráfico da figura 6 que apresenta a atenuação da energia em função da distância.

Figura 6: Energia das partículas alfa em função da distância do detector a fonte.

Através da relação 3, estima-se que o alcance de uma partícula alfa com energia de 5,4 MeV é

de R = 39,15 mm. Realizando um ajuste com um polinômio de 6º grau ao gráfico da figura 6 obtemos o

alcance R ≈ 37 mm, com uma discrepância de 5,5 %.

A figura 7 mostra o gráfico da perda de energia em função da trajetória (curva de Bragg) para

partícula com energia de 5,4 MeV. No foi realizado um ajuste com um polinômio de 8º gráfico,

apresentando um pico (pico de Bragg) em ~36 mm, discrepância de 8% com relação ao valor obtido a

partir da relação 3 (R = 39,15 mm).

Figura 7: Curva de Bragg para partículas alfa (5,4 MeV) no ar.

Page 6: Exp3 Perda de Energia de Particulas Alfa No Ar

O gráfico da figura 8 apresenta, a partir de um calculo semi-empírico realizado no programa

SRIM, a perda de energia (Stopping Power) de íons na matéria (neste caso a matéria é o ar), simulando

as condições experimentais para análise de comparação com os dados reais apresentados no gráfico

da figura 9.

Figura 8: Simulação do SRIM

Figura 9: Perda de energia de partículas alfa em ar, em função da energia.

6 Conclusões

De acordo com os métodos descritos, foi obtida uma aproximação satisfatória para a curva de

Bragg (figura 7) e o valor de alcance com uma discrepância inferior a 10% em comparação ao valor da

literatura. Porém, os dados experimentais em comparação com a simulação semi-empírica do SRIM

estão totalmente em desacordo apresentando um comportamento de difícil análise. Talvez seja

necessário realizar uma nova simulação no SRIM afim de comparar com os dados experimentais.

Page 7: Exp3 Perda de Energia de Particulas Alfa No Ar

7 Referências

Nicholas Tsoulfanidis – Measurement and Detection of Radiation

Manual Ortec - Experiment 5, Energy Loss with Heavy Charged Particles (Alphas)

Emilio Segrè – Nuclei and Particles

SRIM Software