¿Cómo funciona el blindaje contra la radiación con materiales absorbentes?

La radiación puede ser varias cosas, pero dado que mencionó específicamente el blindaje de plomo, echemos un vistazo a los rayos X: mucho de lo que aprende también se aplica a otra radiación.

Para detener la radiación necesita interactuar con "algo" que le haga ceder su energía e impulso. Así es como consigues que la radiación deje de ir en la dirección en la que iba.

Ahora, los rayos X generalmente interactúan con la materia (átomos) en una de tres formas:

A bajas energías, puede tener el efecto fotoeléctrico: la energía de la radiación es completamente absorbida por los electrones del átomo, por lo que el fotón "desaparece" y el electrón obtiene toda la energía (menos la energía necesaria para separarlo del átomo - la energía de enlace). Los electrones no viajan muy lejos en la materia, por lo que la energía generalmente se absorbe una vez que ocurre una interacción fotoeléctrica. La probabilidad de esta interacción depende de la energía del fotón y la$Z$(número atómico) del átomo - mayor$Z$significa una probabilidad mucho mayor (he visto$Z^4$relaciones, pero no estoy seguro de qué tan bien se sostienen y en qué rango).

A medida que la energía del fotón aumenta por encima del borde K del átomo, domina la dispersión Compton: esta es una colisión elástica entre el fotón y los electrones en el material y da como resultado una transferencia de impulso y energía del fotón a el electrón La famosa ecuación de Compton muestra la relación entre la energía incidente y final del fotón como:

Dónde$m_0$es la masa en reposo del electrón y$\theta$es el ángulo entre el fotón incidente con la energía$E$y energía final$E'$.

Cuantos más electrones haya en su material, más efectivo será el poder de frenado en este rango (por encima de 80 keV más o menos). Esta es la razón por la que el plomo, el uranio empobrecido, el bismuto, el tungsteno y otros materiales similares son buenos para proteger.

A muy altas energías, se puede obtener la producción de pares: el fotón (con más de 1.022 MeV de energía) crea un par electrón/positrón "de la nada", cediendo 1.022 MeV de energía (que se convierte en masa de las partículas creadas ).

En resumen: el blindaje de rayos X funciona mediante la interacción de electrones con fotones. Los materiales de mayor densidad mejoran la probabilidad de dispersión Compton; un mayor número atómico aumenta la sección transversal de la interacción fotoeléctrica. Típicamente, se habla del espesor de valor medio: el espesor de material que detiene la mitad de la radiación. Debido a que el blindaje es un proceso probabilístico, no existe el "blindaje perfecto".

Un punto más sobre la densidad del material de protección:
en algunas situaciones, le importa detener la radiación en la distancia más corta posible. Esto sucede, por ejemplo, en una cámara estenopeica de radiación (utilizada en los sistemas SPECT), en la que desea tener una pequeña abertura para dejar pasar la radiación, pero necesita detener toda la radiación fuera de eso. Tal apertura tiene que estar hecha del material de alta Z más denso que pueda encontrar. La gente suele elegir oro para esta aplicación ( http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=949378 ) - la cifra de mérito aquí es el producto de la densidad y la sección transversal de dispersión específica, el coeficiente de atenuación lineal con unidades de$m^{-1}$. Cuanto mayor sea este número, más eficiente será el material para detener la radiación en una distancia corta. Un par de ejemplos (todos los valores a 100 keV, datos de atenuación de http://physics.nist.gov/cgi-bin/Xcom/xcom2-t ):

symbol   Z  density    sigma   lambda
           (g/cm^3)  (cm^2/g)   (/cm)
  Ir    77   22.5      4.86     109
  Pt    78   21.5      4.99     107
  Au    79   19.3      5.16     100

Como puede ver, para este ejemplo en particular, la longitud de parada más corta se obtiene para el iridio, porque aunque tiene una Z ligeramente más baja que el oro, tiene una densidad significativamente mayor.

Cuando está interesado en la "protección contra la radiación a granel", por ejemplo en los reactores nucleares, entonces la pregunta es simplemente "¿cómo obtengo mucho blindaje por poco dinero?". Ahora el tamaño del escudo no importa mucho, y terminas con agua, un material muy barato y abundante que es capaz de detener la radiación (no solo los rayos gamma, sino también los neutrones). Este es el material elegido para proteger el combustible del reactor (gastado). Es posible que haya visto las imágenes de las barras de combustible de color azul brillante bajo el agua:

fuente de esta imagen: http://spectrum.ieee.org/image/37182

El brillo es la radiación de Cerenkov, que resulta del hecho de que las partículas viajan "más rápido que la velocidad de la luz". En este caso, es más rápido que la velocidad de la luz en el agua, que por supuesto es menor que la velocidad de la luz en el vacío debido al índice de refracción del agua.

Mi punto es: siempre que ponga "muchos electrones en el camino", eventualmente detendrá los rayos gamma: si necesita detenerlos en una distancia corta, necesita material denso de alta Z, pero eso no siempre es necesario.

En protección radiológica, se reconoce que la combinación de blindaje, distancia y tiempo de exposición juegan un papel en mantener la dosis de radiación para las personas lo más baja posible: ALARA "As Low As Reasonably Achievable".

Finalmente - un enlace de wikipedia

Hay varias cosas diferentes etiquetadas como "radiación". Los rayos gamma son radiación electromagnética, similar a la luz visible pero a una frecuencia más alta. Los rayos X también son radiación electromagnética. Para la radiación electromagnética, los elementos con núcleos pesados ​​son un buen blindaje. Consulte este artículo de Wikipedia sobre protección contra la radiación electromagnética.

También se llaman radiación los protones de alta velocidad y los núcleos atómicos.

Y los núcleos de alta velocidad pueden variar mucho en velocidad. Los núcleos de alta velocidad desde fuera del sistema solar se denominan rayos cósmicos . Estos tienden a ser mucho más rápidos que los iones de alta velocidad provenientes del viento solar o los cinturones de Van Allen.

Los rayos cósmicos galácticos a menudo se mueven cerca de la velocidad de la luz. Cuando un núcleo o protón de alta velocidad golpea un núcleo masivo (como un núcleo de plomo), es como una bola blanca que rompe un estante en una mesa de billar. Tienes partículas que van en todas direcciones formando rayos cósmicos secundarios . Para evitar esta lluvia de partículas secundarias, son deseables átomos con núcleos pequeños. Por lo tanto, los compuestos ricos en hidrógeno pueden proteger mejor contra los GCR. El agua se sugiere a menudo como escudo contra los GCR.

Las dos respuestas existentes han señalado que los electrones detienen efectivamente la radiación EM (rayos X, gamma). Hay al menos otros 4 tipos comunes de radiación:

1. Partículas alfa (2 protones, 2 neutrones - esencialmente He4 2+)
2. Partículas beta (electrón único)
3. neutrones
4. Iones (que no sean partículas alfa)

Los primeros son comúnmente generados por reacciones de desintegración nuclear; la 4ª categoría es relevante ya que forma parte de las partículas cósmicas mencionadas. El blindaje para ellos difiere. Los alfa son bastante fáciles de detener, al igual que los iones. Casi cualquier capa delgada de materia los detendrá: un centímetro de aire ya tendrá un efecto medible.

Los beta son electrones y, por lo tanto, muchos materiales los detienen fácilmente. Debido a que son más livianos que los alfa, pero tienen energías similares, viajan más rápido. Como resultado, penetran más que los alfa.

Los neutrones son los extraños, ya que son eléctricamente neutros. Ninguna nube de electrones los detendrá; son detenidos por núcleos. Pero no se necesita un núcleo particularmente pesado para eso. Los elementos ligeros tienen menos orbitales de electrones y, por lo tanto, pueden empaquetar más núcleos en un volumen dado, lo que compensa el hecho de que cada núcleo es más pequeño.