Взаимодействие бета-излучения с веществом

Бета-излучение – корпускулярное излучение, состоящее из отрицательно или положительно заряженных электронов (электронов и позитронов), испускаемых атомными ядрами при ядерных превращениях или при распаде нестабильных частиц, или при взаимодействии фотонов с веществом.

Примером электронного и позитронного распадов могут служить соответственно распады радионуклидов стронция-90 и цинка-65.

Как видно бета-распад сопровождается испусканием электрона (позитрона) и антинейтрино (нейтрино).

Естественным радионуклидам свойственен электронный бета-распад, при котором в ядре атома происходит превращение одного избыточного нейтрона в протон:

Периоды полураспада бета-активных ядер варьируются в очень широких пределах от 10^-2 до 10¹⁸ лет. С точки зрения ядерных масштабов время жизни бета-активных ядер можно считать бесконечно большим. Бета-распад свойственен ядрам практически во всей области значений массового числа А начиная от единицы (свободный нейтрон) и кончая числами самых тяжелых ядер.

Энергия бета-частиц , испускаемых радионуклидами, может достигать 10 МэВ. Энергетический спектр бета-излучения отдельного радионуклида (рис. 1.4) непрерывный, средняя энергия бета-спектра радионуклида составляет

= 0,25...0,45 .

Прохождение бета-частиц через вещество сопровождается их электрическим взаимодействием с орбитальными электронами и ядрами атомов вещества. При этом происходит упругое рассеяние на атомных ядрах и неупругое рассеяние на орбитальных электронах и атомных ядрах. При упругом рассеянии общая кинетическая энергия взаимодействующих частиц не меняется, меняется лишь направление движения бета-частиц. По мере увеличения энергии бета-частиц вероятность упругого рассеяния уменьшается.

Неупругое рассеяние бета-частиц на орбитальных электронах сопровождается передачей последним части энергии частицы, что приводит к ионизации атомов, либо к его возбуждению. С увеличением энергии бета-частиц вероятность ионизации уменьшается, достигая минимума при энергии , а затем медленно возрастает (см. рис. 1.3).

Вероятность возбуждения атомов с ростом энергии бета-частиц возрастает. Электроны, образованные в процессе первичной ионизации, могут также обладать энергией достаточной для ионизации атомов среды. Это так называемая вторичная ионизация. Таким образом, полная ионизация складывается из первичной и вторичной ионизации.

При энергии бета-частиц меньше 1,0 МэВ имеет место неупругое рассеяние на орбитальных электронах, приводящее к ионизации и возбуждению атомов среды. Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов называют ионизационными потерями. При уменьшении скорости бета-частицы возникает, так называемое, тормозное излучение, при этом изменяется и направление движения частицы. Потери энергии на тормозное излучение называют радиационными потерями. Таким образом, в области малых энергий бета-излучения имеют место ионизационные потери, а при больших энергиях - радиационные потери.

Потери энергии бета-частицами определяют длину их пробега в веществе. Ввиду малой массы бета-частицы при соударениях сильно отклоняются от первоначального направления своего движения. При многократном рассеянии траектории их движения представляют ломаную линию. При этом, полная длина пути бета-частицы значительно превышает толщину слоя, полностью поглощающего частицу. Средняя длина пробега бета-частицы зависит от материала поглотителя и энергии частицы.

Рис. 1.4. Простой спектр

бета-излучения нуклида

Рис. 1.3. Линейная плотность

ионизации для воздуха

Существует ряд эмпирических формул, по которым определяется величина среднего пробега (линейного или массового ) при данной граничной энергии бета-спектра.

При значении энергий от 1,05 Мэв до 0,8 МэВ величину среднего линейного пробега можно определить по формуле:

.

Для энергий больших 0,8 МэВ используют формулу:

= .

В формулах величина выражена в см, - в МэВ, - в г/см³.

Массовые пробеги бета-частиц примерно одинаковы во всех средах, поэтому по величине массового пробега можно оценить линейные пробеги в различных веществах (табл. 1.1).

Ослабление бета-излучения в веществе происходит по закону близкому к экспоненциальному: где - соответственно, потоки частиц на глубине поглотителя и на его поверхности = 0, - линейный коэффициент ослабления бета-излучения.

Таблица 1.1