مطيافية أشعة جاما (Gamma-Ray Spectroscopy)

نظرية التجربة

تتفاعل أشعة جاما مع المادة بثلاث طرق رئيسية تعتمد على طاقة الفوتون الساقط والعدد الذري لمادة الكاشف:

1. التأثير الكهروضوئي (Photoelectric Effect)

يحدث غالباً عند الطاقات المنخفضة. يمتص الإلكترون المرتبط بالذرة طاقة فوتون جاما بالكامل ويتحرر. يظهر هذا التفاعل في طيف جاما على شكل قمة حادة تسمى قمة الامتصاص الكامل (Photopeak). الطاقة الحركية للإلكترون تُعطى بالمعادلة:

$E_e = E_\gamma - B_e$

2. استطارة كومبتون (Compton Scattering)

يحدث عند الطاقات المتوسطة، حيث يصطدم الفوتون بإلكترون حر (أو ضعيف الارتباط)، فيفقد جزءاً من طاقته وينحرف بزاوية $\theta$. تظهر في الطيف كمنطقة مستمرة تسمى (Compton Continuum) تنتهي بحافة حادة تُعرف بحافة كومبتون (Compton Edge). طاقة الفوتون المستطار تُحسب كالتالي:

$E'_\gamma = \frac{E_\gamma}{1 + \frac{E_\gamma}{m_e c^2}(1 - \cos\theta)}$

3. إنتاج الزوج (Pair Production)

يحدث فقط عندما تكون طاقة فوتون جاما أكبر من $1.022 \text{ MeV}$. يتلاشى الفوتون في المجال النووي منتجاً إلكترون وبوزيترون. بعد فقدان البوزيترون لطاقته، يتحد مع إلكترون آخر وينتجان فوتونين طاقة كل منهما $0.511 \text{ MeV}$ (إشعاع الإفناء). يمكن أن يهرب أحدهما أو كلاهما من الكاشف، مما يُنتج قمم الهروب الأحادي والمزدوج.

---

المعايرة (Calibration)

لتحويل أرقام القنوات في الـ MCA إلى طاقة حقيقية، نستخدم مصادر قياسية (مثل Cs-137 بطاقة 662 keV، و Co-60 بطاقتي 1173 و 1332 keV) لإيجاد معادلة الخط المستقيم:

$E = m \cdot (\text{Channel}) + c$

خطوات عمل المحاكاة

1. انتقل إلى تبويب المحاكاة التفاعلية.
2. من القائمة المنسدلة، اختر المصدر المشع المراد دراسته (مثلاً السيزيوم-137 كخطوة أولى للمعايرة).
3. اضغط على زر تشغيل العداد (Start) لبدء تجميع البيانات في المحلل متعدد القنوات (MCA).
4. انتقل إلى تبويب الرسم البياني لملاحظة تشكّل الطيف الإشعاعي (لاحظ القمة الكهروضوئية وحافة كومبتون).
5. انتقل إلى تبويب جدول البيانات لمشاهدة العدّات مقابل أرقام القنوات.
6. للاحتفاظ بالبيانات ومعالجتها خارجياً (ورسم علاقة المعايرة)، اضغط على زر تصدير إلى Excel.
7. بعد الانتهاء من جمع البيانات وتحليلها، انتقل إلى تبويب أسئلة التقرير للإجابة عليها في تقريرك العملي.

لوحة التحكم بالمحاكاة

قم باختيار النظير المشع لبدء تسجيل الطيف الإشعاعي.

الطيف الإشعاعي (MCA Spectrum)

أسئلة المناقشة والتقرير العملي

عزيزي الطالب/ـة، يرجى الإجابة على الأسئلة التالية في تقريرك العملي بعد الانتهاء من إجراء المحاكاة وتحليل البيانات للطيف الناتج: