Глава 5. Взаимодействие ядерного излучения с веществом

Как отмечалось раньше, при радиоактивном распаде из ядер вылетают альфа- частицы, электроны и гамма - кванты. Потоки испускаемых при радиоактивном распаде частиц называют радиоактивным излучением.Но радиоактивный распад- не единственный источник быстрых частиц. Космическое пространство пронизывают потоки различных частиц- протонов, альфа - частиц, ядер более тяжелых элементов, электронов, фотонов, энергии которых достигают колоссальных значений вплоть до 10²⁰эВ ( 1 Дж= 6,24·10¹⁸ эВ).Это- космическое излучение. Мощные потоки быстрых заряженных частиц получают с помощью ускорителей. Ядерные реакторы также являются источником различных частиц, в том числе нейтронов. При взаимодействии быстрых частиц с веществом возникают новые нестабильные частицы- мезоны, гипероны и др. Потоки всех частиц, возникающих при естественных процессах и получаемых искусственно, объединяют под общим названием ядерного излучения.

Все виды ядерного излучения, как корпускулярные, так и электромагнитные, могут быть обнаружены только по их взаимодействию с веществом.

Излучение высокой энергии возникает при распаде ядер томов или получается с помощью ускорителей заряженных частиц. Его энергия на много порядков выше энергии химических свяей. Взаимодействте такого излучения с веществом подчиняется закону Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии.

Различают два типа взаимодействия ядерного излучения с веществом – упругое и неупругое.

При упругом взаимодействии сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц (или фотонов и частиц) не изменяется, происходит лишь перераспределение энергии между участниками взаимодействия. При этом сами частицы изменяют направление своего движения, т.е. происходит процесс рассеяния. Это взаимодействие так и называется - упругое рассеяние. Такие процессы не представляют интереса, кроме случая, когда в результате упругого взаимодействия часть энергии гамма-кванта передается свободному электрону.

При неупругом взаимодействии сумма кинетических энергий участников взаимодействия уменьшается, так как часть кинетической энергии переходит в другие формы (энергию возбуждения, энергию разрыва связей (ионизацию) и, в конечном счете рассеивается в виде теплоты и длинноволнового излучения.

Заряженные частицы – протоны, электроны, мезоны, ядра гелия и ядра более тяжелых элементов взаимодействуют с электронами атомных оболочек и ядрами встречных атомов главным образом в результате действия электростатических (кулоновских) сил. При близких столкновениях тяжелых частиц, в том числе и нейтронов, с ядрами, в действие вступают ядерные силы.

Гамма-кванты воздействуют на атомные электроны и ядра своим электромагнитнымполем. Взаимодействие гамма- квантов со средой приводит к образованию относительно небольшого числа электронов (в некоторых случаях и позитронов) которые вызывают дальнейшую ионизацию среды. Поэтому гамма-излучение часто называют косвенно ионизирующим.

Ионизирующее излучение характеризуютвеличинойудельной ионизации - числом пар ионов,образуемых частицей или гамма - квантом на единицу пути.

Ионизирующее действие излучений широко используется для их регистрации.

С ионизирующим действием связан ряд вторичных эффектов, которые также используются для регистрации излучения или измерения доз, создаваемых радиоактивными веществами. Например, возбужденные атомы и молекулы, которые вместе с ионами образуются вдоль пути ионизирующей частицы, могут переходить в основное состояние, испуская электромагнитное излучение.

У некоторых веществ часть спектра лежит в видимой или в УФ - областях, при этом прохождение излучения через такие вещества, сопровождается вспышкой (сцинтилляцией). На этом принципе основано действие сцинтилляционных детекторов.

Все эти виды взаимодействия имеют разную природу и по-разному проявляются для внешнего наблюдателя. В то же время общим для всех видов взаимодействия ядерного излучения с веществом является то, что энергия падающих частиц передается атомам вещества. Соответственно, по мере углубления в среду энергия, скорость и интенсивностьизлучения уменьшаются, в результате чего слои вещества могут служить защитой от ядерного излучения.

Рис. 5.1 Прохождение ядерного излучения через разные материалы

Процесс взаимодействия, в результате которого заряженные частицы теряют энергию вследствие ионизации и возбуждения, называется ионизационным торможением (ионизационными потерями).

Рассмотрим более подробно вопросы поглощения (ослабления) различных видов излучения при прохождении через вещество.

Характеристика,которая позволяет сравнивать поглощающую способность разных веществ по отношению к излучению, называется тормозной способностью. Она определяется количеством энергии, которую теряет излучение на единицу своего пути.

5.1 Взаимодействие альфа – частиц с веществом

Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют главным образом с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов. Максимальная энергия, которая может быть передана в одном акте взаимодействия тяжелой частицей, движущейся со скоростью v << с, неподвижному электрону, равна:

Е_макс = 2m_ev² (5.1)

Основными силами взаимодействия б – частиц с веществом являются кулоновские силы. Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию.

Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных потерь dE/dx. Удельные ионизационные потери представляют собой отношение энергии Е заряженной частицы, теряемой на ионизацию среды при прохождении отрезка х, к длине этого отрезка.

Так для альфа-излучения выражение для ионизационных потерь имеет следующий вид:

, (5.2)

где Z_б – заряд б – частицы;

v – средняя скорость частицы см/с;

Z – атомный номер поглотителя;

m_e – масса покоя электрона;

n_A – число атомов поглотителя в 1 см³ поглотителя; n_A = N₀·с/A, где N₀ – число Авогадро, с – плотность, г/см³ поглотителя, А – атомная масса поглотителя.

B – коэффициент торможения.

После замены в n_A = N₀·с/A и объединения постоянных в К получим:

, (5.3)

Как видно из этой формулы тормозная способность среды в отношении заряженных частиц пропорциональна плотности среды и порядковому номеру атомов поглотителя

Удельные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы и особенно резко перед остановкой в веществе. Этот эффект используется в терапии рака, где очень важно обеспечить максимальное выделение энергии в глубоко расположенной опухоли, причиняя при этом минимальный вред окружающей здоровой ткани.

Основными процессами при взаимодействии альфа- частиц с веществом являются процессы ионизационного торможения.

Благодаря разнице масс взаимодействующих частиц (m_б = 7350 м.е.), альфа – частица практически не отклоняется от первоначального направления, траектория движения ее прямолинейна (за исключением случаев прохождения вблизи ядра или столкновения с ним). Пройдя определенный для данного радионуклида путь, альфа – частица теряет энергию на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды.

Ионизация атомов среды альфа-частицами возможна только тогда, когда энергия отдаваемая альфа-частицей электрону больше энергии его связи с ядром (энергии ионизации атома).

Как только альфа-частица замедляется после прохождения некоторого пути в веществе, ее кинетическая энергия стала меньше потенциала ионизации атомов окружающей среды, дальнейшее уменьшение ее энергии происходит за счет возбуждения атомов и молекул. Механизм такого возбуждения сводится к взаимодействию электронных оболочек атомов с б – частицей без выбивания электронов. При этом происходит их переход на более высокий энергетический уровень. В конечном счете, вся энергия возбуждения переходит в тепловую. Вещество, через которое проходит б – частица нагревается. Иногда наблюдается люминисценция некоторых соединений.

Для определенной среды и частицы с данным зарядом Z величина dE/dx является функцией только кинетической энергии: dE/dx= (E). Проинтегрировав это выражение по всем значениям Е от 0 до Е_max, можно получить полный пробег частицы, то есть полный путь (R), который заряженная частица проходит до остановки и полной потери кинетической энергии:

Путь, который проходит б – частица до полной потери энергии, называется длиной пробега, является константой, характеризующей б – излучение и, обозначается R. Понятием R пользуются для оценки проникающей способности б – частиц. Пробег R измеряется в см или в массовой толщине (d) (г/см²) поглотителя.

Длина пробега в воздухе и энергия б – частицы взаимосвязаны эмпирическим соотношением:

,(5.4)

где K – постоянная, равная 0,318, а Е – энергия альфа – частицы, МэВ;

Пробег б – частиц в воздухе для всех б – частиц колеблется от 2,5 до 8,5 см.

Поэтому б – частицы даже самой большой энергии поглощаются даже листом бумаги.

Из всех известных частиц, испускаемых радиоактивными атомами, альфа – частицы обладают наибольшей ионизационной способностью. В воздухе при нормальных условиях б – частица образует 150-250 тысяч пар ионов на 1 см пути.

Независимо от того, по какому пути идет взаимодействие альфа-частиц с веществом, заторможенные до обычных молекулярных скоростей, они последовательно присоединяют два электрона и превращаются сначала в одноименно заряженные ионы, а затем в атомы гелия.

Таблица 5.1 Пробеги альфа-частиц в воздухе, биологической ткани, алюминии.

Энергия -частиц, МэВ
воздух, см	2.5	4.6	7.4	10.6
Биологическая ткань, мкм
алюминий, мкм

За счет энергии, выделяющейся при торможении альфа- частиц в веществе, в нем возможны различного рода изменения. Например, люминисценция некоторых веществ или тепловой эффект. Кроме того, под воздействием альфа-излучения различной энергии могут в веществе могут присходить химические превращения (разложение воды с образование различных радикалов и молекул, разложение или полимеризация органических молекул).

Альфа-лучи обладают физиологическим действием. На коже вызывает ожоги и воспалительные процессы. Попадание альфа-радиоактивных веществ внутрь организма может привести к смертельному исходу, так как в этом случае вся энергия частиц передается ткани организма, в результате чего в ней возникают необратимые процессы.