1. ( 2,5 \mathrm{pt} ) Descreva o que ocorre com o meio, com a radiação ionizante incidente e com a radiação ionizante produzida, para os quatro principais processos de interação entre os fótons e a matéria.

Passo 1

O enunciado pede para descrever, para cada um dos quatro principais processos de interação fóton-matéria, o que acontece com (a) o meio (átomos ou elétrons do material), (b) o fóton incidente e (c) a radiação secundária (ionizante) que é produzida. O conteúdo envolve física de interação de raios-X e gama com a matéria: espalhamento coerente (Rayleigh), efeito fotoelétrico, espalhamento Compton e produção de pares.

Passo 2

Espalhamento coerente (Rayleigh)
– Meio: o fóton “vibra” todos os elétrons do átomo de forma coletiva, mas não ocorre ionização nem excitação eletrônica permanente.
– Fóton incidente: não é absorvido; mantém toda a sua energia.
– Radiação produzida: sai apenas o mesmo fóton, agora desviado de direção, porém com energia idêntica à incidente.

Passo 3

Efeito fotoelétrico
– Meio: o fóton transfere toda a energia para um elétron de camada interna, que é ejetado (ionização do átomo). O átomo fica carregado positivamente e normalmente emite raios K ou L característicos ou elétrons Auger para se rearranjar.
– Fóton incidente: é completamente absorvido (desaparece).
– Radiação produzida:
  1. elétron fotoelétron de alta energia cinética;
  2. raios X característicos ou elétrons Auger de baixa energia.

Passo 4

Espalhamento Compton
– Meio: um elétron (quase livre ou fracamente ligado) recebe parte da energia do fóton e é ejetado, causando ionização.
– Fóton incidente: não some totalmente, mas perde energia e muda de direção.
– Radiação produzida:
  1. elétron de recuo (recoil) com energia cinética igual à diferença de energia do fóton;
  2. fóton espalhado com energia menor que a original, dada pela fórmula de Compton.

Passo 5

Produção de pares
– Meio: o fóton interage no campo de um núcleo (ou elétron pesado), cedendo energia para criar um par elétron-pósitron; o núcleo (ou elétron pesado) absorve o momento de recoil.
– Fóton incidente: é aniquilado, pois sua energia se converte em massa de partícula.
– Radiação produzida:
  1. um elétron e^- e um pósitron e^+, compartilhando a energia excedente acima de 1{,}022\,\mathrm{MeV};
  2. após algum tempo, o pósitron aniquila-se com um elétron do meio, gerando dois fótons de 511\,\mathrm{keV} propagando-se em direções opostas.

Resposta

Os quatro processos e seus efeitos são:
  1. Espalhamento coerente (Rayleigh): átomo não ioniza; fóton é desviado sem perda de energia; não há outra radiação além do fóton espalhado.
  2. Efeito fotoelétrico: átomo é ionizado e emite fotoelétron + possíveis raios X característicos/Auger; fóton incidente some; produz elétron e raios X ou elétrons Auger.
  3. Espalhamento Compton: átomo é ionizado por elétron de recuo; fóton incidente é espalhado com energia reduzida; produz elétron recoil e fóton espalhado.
  4. Produção de pares: átomo (ou núcleo) sofre recoil mas não ioniza diretamente; fóton incidente é convertido em massa e some; produz um par e^-\,e^+, seguido de dois fótons de 511\,\mathrm{keV} na aniquilação do pósitron.

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