5. Види радіоактивних випромінювань та їх взаємодія з речовиною

Виходячи з того, що α-частка є електрично зарядженою, вона взаємодіє з електронами речовини. При цьому частина енергії α-частинки передається електрону, викликаючи збудження або іонізацію атома. Після деякого числа взаємодій енергія частинки зменшується практично до нуля і відбувається її нейтралізація шляхом приєднання електронів. Оскільки маса α-частки приблизно в 7300 разів більше маси електрона, напрямок її руху при зіткненні з електронами фактично не змінюється. Внаслідок прямолінійності траєкторії і великого числа актів зіткнення, необхідних для уповільнення, моноенергетичні α-частки мають майже однаковий лінійний пробіг у речовині. Відповідно до останніх підрахунків, пробіг α-частинки в повітрі складає декілька сантиметрів, а в твердих тілах – n-10n мг/см³.

β-частки представляють собою швидкі електрони або позитрони. Спектр β-часток безперервний, їх енергія неперервно змінюється від нуля до максимальної, яка рівна енергії β-розпаду і яка складає для різних ізотопів величину до декількох МеВ.

При проходженні через речовину енергія β-часток витрачається в основному на іонізацію і збудження атомів. Однак для швидких електронів і позитронів істотні також так звані радіаційні втрати, які зв’язані з випусканням γ-квантів із-за гальмування β-часток при їх проходженні поблизу ядра.

Оскільки заряд β-часток менше, а їх швидкість (при рівних значеннях енергії) значно більше, чим у α-часток, то лінійні втрати енергії для β-часток при рівній енергії приблизно в 10² разів менше, а пробіг між зіткненнями відповідно більше, чим для α-часток. Через те, що мала маса електронів вони при зіткненні сильно відхиляються від початкового напрямку, і іх траєкторія представляє ламану лінію. Тому повний максимальний пробіг часток по прямій набагато менше, чим довжина траєкторії по ламаній лінії.

Гама-випромінювання відноситься до сильнопроникного випромінювання, для практично повного його поглинання необхідний шар гірських порід товщиною в декілька десятків сантиметрів. Хоча γ-кванти мають велику кількість взаємодій різних типів, вірогідність більшості з них мала і послаблення потоку γ-квантів в речовині проходить практично лише за рахунок трьох процесів: фотоефекта, комптон-ефекту і ефекту утворення пар.

Фотоефект. Фотоефектом наз. таку взаємодію, при якій γ-квант поглинається, а його енергія витрачається на відрив і на надання кінетичної енергії одному з електронів атома. Відповідно, фотоефект можливий лише тоді, коли енергія γ-кванта більше енергії зв’язку електрона. Вірогідність фотоефекту різко зменшується при збільшенні енергії кванта.

Комптон-ефект. Комптон-ефект полягає в розсіянні γ-кванта електроном. Це зіткнення подібно зіткненню двох пружних куль. У відповідності з законами пружного зіткнення енергія γ-квантів розподіляється між розсіяним квантом і електроном віддачі. В області, де комптон-ефект є переважаючий, енергія кванта більше енергії зв’язку електронів в більшості речовин і тому зв’язок електрона з ядром практично не позначається на закономірностях комптонівського розсіяння.

Ефект утворення пар. При енергії γ-кванта, яка перевищує сумарну енергію спокою електрона і позитрону (2m₀c²=1,02 МеВ), енергетично можлива анигіляція кванту з утворенням пари електрон-позитрон. Для дотримання закону збереження імпульсу цей процес повинен йти в присутності третього тіла, якому передається частина імпульсу і енергії кванту. Роль такого тіла грають переважно ядра атомів. Тому вірогідність ефекту утворення пар залежить від заряду ядра. Процес утворення пар навіть у важких середовищах важливий лише при Е>2-3 МеВ. Такі значення енергії в ядерній геофізиці зустрічаються у γ-квантів радіаційного захоплення нейтронів. При дослідженні γ-випромінювання природних радіоактивних елементів ефектом утворення пар можна знехтувати.