Взаимодействие ядерных излучений с веществом

К основным свойствам радиоактивных излучений относятся их проникающая и ионизирующая способности.

Ионизирующая способность излучения оценивается линейной плотностью ионизации :

, (10)

где – число ионов одного знака, образованных ионизирующей частицей на элементарном пути . На практике эта величина оценивается количеством пар ионов, образованных частицей на 1 см пробега.

Проникающая способность излучения оценивается длиной свободного пробега или средним линейным пробегом – среднее расстояние, которое проходит частица в данном веществе, пока она способна ионизировать.

Общая картина прохождения частиц высокой энергии через вещество крайне сложна. Частицы сталкиваются с электронами, находящимися на различных оболочках, рассеиваются кулоновскими полями ядер, а при достаточно больших энергиях вызывают и различные ядерные реакции. По механизму прохождения через вещество частицы можно разбить на три группы: 1) тяжелые заряженные частицы; 2) легкие заряженные частицы и 3) -кванты. К легким заряженным частицам относят электроны и позитроны (-лучи), к тяжелым – все остальные.

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом.

Основной механизм взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом таков. Частица, пролетая сквозь вещество, “расталкивает” атомные электроны своим кулоновским полем. За счет этого частица постепенно теряет энергию, а атомы либо ионизируются, либо возбуждаются. Растеряв свою энергию, частица останавливается. Из-за дальнодействующего характера кулоновских сил пролетающая частица успевает “растолкать” очень большое количество электронов.

Ионизация и возбуждение является первичными процессами. Вторичными процессами могут быть увеличение скорости молекулярного – теплового движения, характеристическое рентгеновское излучение, радиолюминесценция, химические процессы.

Сама пролетающая частица при столкновении с отдельным электроном мало отклоняется от своего пути из-за ее большой массы (сравнительно с массой электрона). К тому же и эти малые отклонения почти целиком компенсируют друг друга при огромном числе хаотически ориентированных столкновений. Поэтому траектория тяжелой заряженной частицы в веществе практически прямолинейна. Потеряв всю энергию, частица останавливается. Расстояние, пройденное частицей в веществе, называется пробегом. Основными физическими величинами, характеризующими прохождение тяжелых частиц, являются потери энергии на единицу пути и полный пробег частицы в веществе.

Средний линейный пробег –частицы зависит от её энергии. В воздухе он равен нескольким сантиметрам, в жидкости и в живом организме – 10 – 100 мкм. После того, как скорость –частицы замедляется до скорости молекулярно-теплового движения, она, захватив два электрона в веществе, превращается в атом гелия.

Взаимодействие –частиц с ядрами значительно более редкий процесс, чем ионизация. При этом возможны ядерные реакции, а так же рассеяние–частиц.

Взаимодействие легких заряженных частиц с веществом.

-излучение кроме возбуждения и ионизации атомов вещества может вызывать и другие процессы, т к. прохождение электронов и позитронов (-лучей) через вещество качественно отличается от прохождения остальных заряженных частиц. Главной причиной этого является малость масс электрона и позитрона. Из-за малости массы для налетающего электрона (позитрона) относительно велико изменение импульса при каждом столкновении в веществе. А это в свою очередь приводит к тому, что электрон, во-первых, может значительно отклоняться от первоначального направления движения и, во-вторых, может порождать при столкновениях кванты электромагнитного излучения.

Первый из упомянутых эффектов проявляется в том, что электрон движется в веществе не по прямой; за счет же второго эффекта для электронов становятся существенными радиационные потери, т.е. потери энергии на электромагнитное излучение. При торможении электронов возникает тормозное рентгеновское излучение. Если электрон движется в среде со скоростью, превышающей скорость распространения света в этой среде, то возникает характерное черенковское излучение (излучение Черенкова – Вавилова). При попадании β⁺-частицы (позитрона) в веществ с большой вероятностью происходит такое взаимодействие ее с электроном, в результате которого вместо пары электрон – позитрон образуется два γ–фотона. Этот процесс называют аннигиляцией.

Для электронов вводят две величины, соответствующие пробегу: максимальный пробег и средний пробег. Максимальным пробегом называется минимальная толщина слоя вещества, в котором задерживаются все электроны.

Взаимодействие  - лучей с веществом.

Подобно заряженным частицам (и в отличие от нейтронов), пучок  - квантов поглощается веществом в основном за счет электромагнитных взаимодействий. Однако механизм этого поглощения существенно иной. На это есть две причины. Во-первых, - кванты не имеют электрического заряда и тем самым не подвержены влиянию дальнодействующих кулоновских сил. Поэтому  - кванты при прохождении через вещество сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении, как правило, резко отклоняются от своего пути, т.е. практически выбывают из пучка. Вторая отличительная особенность - квантов состоит в том, что они обладают нулевой массой покоя и, следовательно, не могут иметь скорости, отличной от скорости света. А это значит, что - кванты в среде не могут замедляться. Они либо поглощаются, либо рассеиваются, причем в основном на большие углы.

При рассмотрении механизма прохождения - излучения через вещество нельзя ограничиться классическими волновыми представлениями об излучении, а приходится учитывать квантовую, корпускулярную природу света. Квантовые свойства становятся важными потому, что длина волны - кванта значительно меньше расстояний между атомами и между электронами.

Поглощение - излучения веществом в основном происходит за счет трех процессов: а) фотоэффекта; б) комптон-эффекта; в) рождения электронно-позитронных пар в кулоновском поле ядра.

Фотоэффектом называется процесс, при котором атом поглощает - квант и испускает электрон. С достаточной для практических приложений точностью можно считать, что каждый квант поглощается одним атомным электроном.

Основные особенности фотоэффекта связаны с тем, что свободный электрон не может поглотить фотон из-за совместного действия законов сохранения энергии и импульса. Отсюда следует, что фотоэффект наиболее интенсивно будет идти для - квантов с энергиями, сравнимыми с энергиями связи электронов в атомах. Энергия связи электрона в атоме тем больше, чем глубже электронная оболочка и чем больше атомный номер Z. Поэтому фотоэффект идет, во-первых, в основном с низшей, т.е. с К-оболочки, а во-вторых, тем интенсивней, чем больше средний атомный номер Z вещества. Вероятность фотоэффекта быстро падает с увеличением энергии - квантов и очень сильно зависит от атомного номера. При фотоэлектрическом поглощении - лучей с помощью экранов существенно, поэтому иметь в составе защиты элементы с большим Z, например свинец.

Комптоновским рассеянием (или комптон-эффектом) называется упругое столкновение - кванта с электроном. При таком столкновении -квант передает электрону часть своей энергии, величина которой определяется углом рассеяния.

В отличие от фотоэффекта, который может идти только на сильно связанных электронах, комптоновское рассеяние может происходить и на свободных электронах. При малых энергиях -квантов их поглощение определяется главным образом фотоэффектом, и комптоновское рассеяние не играет существенной роли. Роль комптон-эффекта становится существенной только тогда, когда энергия квантов становится много больше энергии связи электронов в атоме. Атомные электроны в этом случае можно считать практически свободными, что обычно и делается при теоретическом анализе.

Процесс рождения электронно-позитронных пар в поле ядра состоит в том, что квант поглощается, а рождаются и вылетают электрон и позитрон. При этом ядро получает некоторый импульс отдачи. Согласующийся с опытом квантово-электродинамический расчет показывает, что поглощение фотона и рождение пары происходит не внутри ядра, а около него в области, имеющей размер порядка комптоновской длины волны электрона. Передача импульса отдачи ядру происходит через посредство его кулоновского поля. Без передачи импульса постороннему телу превращение фотона в электронно-позитронную пару запрещено законами сохранения энергии-импульса.

Так как масса покоя фотона равна нулю, то превратиться в пару он может, только имея энергию больше суммы энергий покоя электрона и позитрона 2mc² = 1,02 МэВ. Поскольку вероятность фотоэффекта и комптон-эффекта в области высоких энергий спадают практически до нуля, то рождение пар становится здесь основным механизмом поглощения - излучения. Вероятность образования пар приблизительно пропорциональна Z².

Для -квантов не существует понятий пробега, максимального пробега, потерь энергии на единицу длины. При прохождении пучка -квантов через вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений постепенно ослабляется интенсивность пучка.