exp3 perda de energia de particulas alfa no ar
DESCRIPTION
Perda de energia de partículas alfa no arTRANSCRIPT
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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