5. Торможение заряженных частиц в веществе

Тормозное излучение – электромагнитное излучение, возникающее при рассеянии (торможении) быстрой заряженной частицы в кулоновском поле атомных ядер и электронов; существенно для легких частиц – электронов, позитронов. Представлено γ и рентгеновским излучением.

6. Характеристика ионизирующих излучений

Существуют два вида ионизирующих излучений: корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (α, β и нейтронное излучение), и электромагнитное с очень малой длиной волны (γ и рентгеновское излучение).

Важнейшими характеристиками ионизирующих излучений является их проникающая и ионизирующая способность. Проникающая способность корпускулярных излучений определяется длиной пробега частицы в воздухе или других средах. Это наибольшее расстояние от источника излучения, на котором еще можно обнаружить частицу до ее поглощения веществом.

Длина пробега частицы зависит от заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. С возрастанием начальной энергии частицы и уменьшением плотности среды длина пробега увеличивается. Если начальная энергия излучаемых частиц одинакова, то тяжелые частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие.

Проникающая способность электромагнитного излучения зависит от длины волны и энергии фотона. Высокая энергия и малая длина волны обусловливают большую проникающую способность.

Ионизирующая способность излучений зависит от энергии частиц и скорости их движения. Если частицы движутся медленно, то их взаимодействие с атомами вещества среды более эффективно и частицы быстрее растрачивают имеющийся у них запас энергии.

α-излучение представляет собой поток ядер гелия с массой 4 и зарядом +2, движущихся практически прямолинейно со скоростью примерно 15000 км/с. Энергия α-частиц не превышает нескольких МэВ. Они образуются при радиоактивном распаде ядер или при ядерных превращениях. В настоящее время известно более 120 искусственных и естественных α-радиоактивных ядер, которые, испуская α-частицу, теряют 2 протона и 2 нейтрона. Некоторые из α-излучателей и их периоды полураспада: уран-238 (4,47×10⁹ лет), радон-222 (3,82 суток), торий-232 (1,41×10¹⁰ лет), плутоний-239 (24 400 лет).

Длина пробега α-частиц в воздухе обычно менее 10 см. Так, например, α-частицы с энергией 4 МэВ обладают длиной пробега в воздухе примерно в 2,5 см. В воде или в мягких тканях человеческого тела, плотность которых более чем в 700 раз превышает плотность воздуха, длина пробега α-частиц составляет несколько десятков микрометров. За счет своей большой массы при взаимодействии с веществом α-частицы быстро теряют свою энергию. Это объясняет их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию: при движении в воздушной среде α-частица на 1 см своего пути образует несколько десятков тысяч пар заряженных частиц – ионов.

α-излучатели представляют огромную опасность для организма лишь в тех случаях, когда они попадают внутрь организма с пищей, напитками либо вдыхаемым воздухом, т.е. при внутреннем облучении.

β-излучение представляет собой поток электронов или позитронов, возникающих при радиоактивном распаде. В настоящее время известно около 900 β-радиоактивных изотопов. Некоторые β-излучатели: калий-40 (1,18×10⁹ лет), цезий-137 (30,2 года), тритий (12,3 года), углерод-14 (5730 лет), йод-131 (8,07 суток).

Масса β-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше массы α-частиц. В зависимости от природы источника β-излучений скорость этих частиц может лежать в пределах 0,3-0,99 скорости света. Энергия β-частиц не превышает нескольких МэВ, длина пробега в воздухе составляет приблизительно 1800 см, а в мягких тканях человеческого тела ~ 2,5 см. Проникающая способность β-частиц выше, чем α-частиц (из-за меньших массы и заряда). Например, для полного поглощения потока β-частиц, обладающих максимальной энергией 2 МэВ, требуется защитный слой алюминия толщиной 3,5 мм.

β-излучатели представляют особую опасность для человека, если они попали на кожу или поглощены организмом. Одна β-частица способна разорвать в живой ткани тысячи химических связей, но ионизирующая способность β-излучения ниже, чем α-излучения: на 1 см пробега β-частиц в среде образуется несколько десятков пар заряженных ионов.

Нейтронное излучение образуется в результате различных ядерных превращений. Масса нейтрона приблизительно в 4 раза меньше массы α-частиц. В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1 КэВ), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 КэВ) и быстрые нейтроны (от 500 КэВ до 20 МэВ). Среди медленных нейтронов различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Тепловые нейтроны находятся по существу в состоянии термодинамического равновесия с тепловым движением атомов среды. Наиболее вероятная скорость движения таких нейтронов при комнатной температуре составляет 2200 м/с.

Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у α или β-частиц. Так, длина пробега нейтронов промежуточных энергий составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов – соответственно 120 м и 10 см. Причем свободные нейтроны радиоактивны и распадаются на протон и электрон (Т½ = 10,6 минуты).

Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и из всех видов корпускулярного излучения представляет для человека наибольшую опасность при внешнем облучении. Мощность нейтронного потока измеряется плотностью потока нейтронов (нейтр./см²∙с).

γ-излучение – самое коротковолновое электромагнитное излучение, занимающее весь диапазон частот более 3×10²⁰ Гц, что соответствует длинам волн менее 10^-12 м.

Источником γ-излучения является изменение энергетического состояния атомного ядра, а также ускорение свободных заряженных частиц. Оно возникает при радиоактивном распаде ядер, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом (тормозное излучение), а также при аннигиляции (электронно-позитронных пар и др.).

Высокая энергия (0,01-3 МэВ) и малая длина волны обусловливают большую проникающую способность γ-излучения. В воздухе γ-излучение способно распространяться на километры, в тканях – на несколько сантиметров. Оно проходит сквозь метровый слой бетона и слой свинца толщиной несколько сантиметров. γ-лучи не отклоняются в электрических и магнитных полях. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем α и β-излучение. Оно обусловливает, прежде всего, внешнюю радиационную нагрузку на организм.

В качестве примера определим длину волны γ-излучения с энергией 0,048 МэВ. Используя известное соотношение 1 эВ = 1,602∙10^-19Дж, выразим энергию γ-излучения в джоулях:

Энергия γ-излучения определяется следующей формулой: где h – постоянная планка (h = 6,626·10^-34Дж·с); ν – частота кванта электромагнитной энергии, Гц; с – скорость света (~3,00·10⁸ м/с); λ – длина волны, м.

Отсюда длина волны

Рентгеновские лучи – это электромагнитное излучение, возникающее в диапазоне частот 3×10¹⁶-3×10²⁰ Гц с длиной волны 10^-12-10^-8 м. Они испускаются при торможении быстрых электронов в веществе и при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние.

Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубах, в ускорителях электронов, в среде, окружающей источник β-излучения, и др. Энергия его обычно не превышает 1 МэВ. Рентгеновское излучение, как и γ-излучение, обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.

Контрольные вопросы:

1. Что такое ионизирующее излучение?

2. Приведите примеры ионизирующего и неионизирующего корпускулярного и электромагнитного излучений?

3. Сравните понятия изотоп и нуклид.

4. Что такое радиоизотопы и радионуклиды?

Какова причина радиоактивного распада?

5. Как происходит α-распад?

6. β-распад и его виды?

7. В чем сущность процесса спонтанного деления атомных ядер?

8. Что такое радиоактивность? Закон радиоактивного распада?

9. Охарактеризуйте понятия физический,

биологический и эффективный период полураспада.

10. Что такое радиоактивные ряды? Приведите примеры.

11. Активность и ее единицы?

12. Поверхностная, объемная и удельная активность?

13. Что такое ядерные реакции?

14. Условия возникновения ядерных цепных реакций?

Сколько энергии при этом образуется?

15. Термоядерные реакции?

16. Что такое проникающая и ионизирующая способность?

От чего она зависит?

17. Дайте характеристику α-излучения? Какова его опасность?

18. β-излучение? Сравните его свойства с α-излучением.

19. Когда образуется нейтронное излучение?

От чего зависит проникающая и ионизирующая способность

нейтронного излучения?

20. Охарактеризуйте природу, проникающую и ионизирующую способность

рентгеновского и γ-излучения.