Взаимодействие альфа-частиц с веществом, ЛПЭ и пик Брэга

К плотно ионизирующим излучениям относятся ядра различных элементов (альфа частицы). Заряженные частицы ионизируют вещество за счет притягивания или отталкивания орбитальных электронов.. Высокие ЛПЭ этих излучений обусловливают их высокую относительную биологическую эффективность. Суммарное число образованных ионов прямо пропорционально скорости частицы, а ЛПЭ – обратно пропорционально. Чем медленнее частица, т.е. чем меньше её скорость, тем больше время для взаимодействия с орбитальным электроном, тем выше вероятность его отрыва от атома, тем, следовательно, больше ЛПЭ. Кроме того, скорость, с которой α-частица происходит потеря энергии, пропорциональна квадрату заряда частицы Z2. Число ионных пар, образованных на единицу траектории ионизирующих частиц, называют линейной плотностью ионизаций или линейной передачей энергии (ЛПЭ) или удельной ионизацией. ЛПЭ зависит от энергии и заряда частицы. На рисунка видно, что по мере глубокого проникновения α-частицы в вещество происходит всё большее число взаимодействий (ионизаций и возбуждений). Это уменьшает скорость частицы, что, в свою очередь, увеличивает вероятность дальнейших ионизаций. В конце пробега из-за уменьшения скорости частицы резко возрастает ЛПЭ – т.н. пик Брэгга. Остановившаяся частица притягивает 2 электрона и становится нейтральным атомом гелия.

Взаимодействие бета-частиц с веществом.

Энергия B- частиц колеблется от 0,019 МэВ. B- частица встретив атом среды взаимодействует с его электронным облаком, происходит радиационные потери энергии. 1-я ионизация – не посредственно В-частица. А электрон, выбитый из атома и получившие энергию способен получать вторичную ионизацию. Различают путь В-частицы в веществе(в виде ломаной линии и пробег частицы в веществе).

В

е

е е1

е1

Электроны называют β-частицами, когда они являются продуктами радиоактивного распада. Взаимодействие между электронами и веществом приводит к ионизациям и возбуждениям атомов среды. Благодаря небольшой массе и единичному отрицательному заряду каждый раз, когда свободный электрон приближается к орбитальным электронам, он отклоняется от своего пути. Из-за многократных отклонений электронов от своего основного направления истинная длина его пробега отличается от глубины проникновения.

Фотоэффект

При фотоэлектрическом поглощении гамма-квант, сталкиваясь с прочно связанным электроном (чаще электронами К —слоя) в атомах облучаемого вещества, полностью передает ему свою энергию, сам исчезает, а электрон приобретает кинетическую энергию, равную энергии гамма-кванта минус энергия связи электрона в атоме.

Таким образом, при фотоэффекте вся энергия первичного гамма-кванта преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов, которые ионизируют атомы и молекулы. На освободившееся место в орбите К -слоя перескакивает электрон L-слоя, на L-слой — электрон М -слоя и т. д. с высвечиванием квантов характеристического рентгеновского излучения.

Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда энергия гамма-кванта не превышает 0,05 МэВ, а поглотитель представляет собой вещество с большим атомным номером (например, свинец).

Фотоэффект невозможен на слабосвязанных и свободных электронах (не связанных с атомом), так как они не могут поглощать гамма-кванты.

18.Комптон-эффект
Этот эффект состоит в том, что гамма-кванты, сталкиваясь с электронами, передают им не всю свою энергию, а только часть ее и после соударения изменяют направление своего движения, т. е. рассеиваются. Вследствие соударения с гамма-квантами электроны (электроны отдачи) приобретают значительную кинетическую энергию и расходуют ее на ионизацию вещества (вторичная ионизация).

В отличие от процесса фотоэлектрического поглощения, при комптон-эффекте гамма-кванты взаимодействуют с внешними, валентными электронами, энергия связи которых минимальная. Комптоновское рассеяние возможно на свободных электронах, легких элементов при Еу>= 0,05 МэВ.

Таким образом, в результате комптон-эффекта интенсивность гамма-излучения ослабляется вследствие того, что гамма-кванты, взаимодействуя с электронами среды, рассеиваются в различных направлениях и уходят за пределы первичного пучка, а также в результате передачи электронам части своей энергии: Еу2 = Еy1 — Ее.

19.Образование электрон-позитронных пар

Квант такой большой энергии (1,02 – 7-8 МэВ) уже не может поглотиться ни одним электроном атома. Он поглощается только π-мезонными облаками ядра. При этом не дестабилизируется и превращается в две материальные частицы – электрон и позитрон. Электрон вылетает за пределы атома и ионизирует среду по типу бета-частиц. Позитрон встречает электрон, происходит анегилляция, образование двух квантов АИ. На освободившееся место переходят электроны с выделением РХИ. В дальнейшем РХИ в зависимости от энергии могут вызвать возбуждение или ионизацию, чаще по типу фотоэффекта, с конечным эффектом – ионизация среды фотоэлектроном. Кванты аннегиляционного излучения взаимодействуют с атомами среды по типу комптон-эффекта с конечным эффектом – ионизация среды.

Фотоядерный эффект

Квант такой высокой энергии (более 8 МэВ) не может поглотиться даже π-мезонным облаком ядра, а только π-мезонным облаком отдельного нуклона. В случае энергии кванта примерно 8 МэВ, нуклону передается энергия примерно равная или больше удельной энергии связи нуклонов в ядре, и этот нуклон становится свободным, вылетает из ядра. Если энергия квантов больше, чем общая энергия связи всех нуклонов в ядре, то все нуклоны становятся свободными и разлетаются. Эти процессы постоянно происходят в верхних слоях атмосферы под действием гама-квантов солнца.

Выброшенные протоны летят в среде и ионизируют ее по типу альфа-частиц, срывая электроны и оставляя за собой ионы. Растратив энергию, протоны останавливаются, их догоняет электрон, становится на орбиту, и образуются атомы водорода, а при соединении с другим атомом – молекула водорода.