Средние линейные пробеги альфа- и бета-частиц в воздухе, воде (мягкой биологической ткани), алюминии

, МэВ	Воздух, м	Алюминий, мкм	Биоткань, мкм	, МэВ	Воздух, м	Алюминий, мкм	Биоткань, мкм
0,1	0,13	0,069	0,143	4,0	2,5	16	31
0,3	0,763	0,400	0,841	4,5	3,0	20	37
0,5	1,6	0,837	1,77	5,0	3,5	23	43
0,8	2,98	1,56	3,31	5,5	4,0	26	49
1,0	3,93	2,06	4,38	6,0	4,6	30	56
1,2	4,89	2,56	5,47	6,5	5,2	34	64
1,6	6,82	3,57	7,66	7,0	5,9	38	72
2,0	8,73	4,59	9,84	7,5	6,6	43	81
2,6	11,51	6,07	13,10	8,0	7,4	48	91
3,0	13,41	7,74	15,30	9,0	8,9	58	110

Бета-частицы, обладая сравнительно большой проникающей способностью, создают опасность внешнего облучения при облучении кожных покровов и хрусталика глаза. Потоки бета-частиц особо опасны при контактном и внутреннем облучении организма.

Взаимодействие нейтронов с веществом

Нейтрон является одной из основных частиц, входящих в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона равен нулю. Поэтому при взаимодействии нейтрона с веществом электрическое поле орбитальных электронов или ядра на него никакого влияния не оказывают.

Нейтрон взаимодействует с ядром в том случае, если он проникает в ядро или подходит к нему настолько близко, что подвергается действию ядерных сил. Поэтому характер взаимодействия нейтронов с веществом зависит от величины их кинетической энергии. Энергетический спектр нейтронов очень широк. Спектр нейтронов ядерного реактора непрерывный, максимальная энергия нейтронов около 15 МэВ, а средняя энергия -1,9 МэВ. В зависимости от энергии нейтроны условно подразделяются на три группы: тепловые, промежуточные и быстрые.

Тепловые нейтроны - это нейтроны, находящиеся в термодинамическом равновесии с рассеивающими атомами среды, E_n меньше 0,25 эВ.

Промежуточные нейтроны - нейтроны с энергией в интервале от средней энергии тепловых до энергии 200 кэВ.

Быстрые нейтроны - нейтроны с энергией от 0,2 МэВ до E_n меньше 20 МэВ. При прохождении нейтронов через вещество могут иметь место два процесса взаимодействия их с веществом: поглощение и рассеяние. При этом рассеяние может быть упругим и неупругим. Вероятность того или иного процесса зависит от энергии нейтронов и атомного состава поглощающей среды и характеризуется эффективным сечением взаимодействия нейтрона, измеряемым в барнах. 1 барн = 10^-24см².

При упругом рассеянии нейтрон меняет направление движения и часть энергии передает ядру, которое отлетает под углом (рис. 1.5).

При этом энергия ядра отдачи определяется по формуле:

где M_яд - масса ядра; m_n - масса нейтрона; E_n - начальная энергия нейтрона.

Рис. 1.5. Упругое рассеяние нейтронов

На практике используют формулу для вычисления средней энергии передаваемых ядрами отдачи при упругом рассеянии.

,

где A - относительная атомная масса ядра, на котором происходит рассеяние.

Анализ приведенных формул показывает, что наибольшую кинетическую энергию приобретают ядра отдачи в веществе с наименьшей атомной массой. Это означает, что, рассеиваясь на ядрах водорода, нейтрон будет передавать при каждом акте взаимодействия большую часть своей энергии, т.е. будет быстро замедляться. Ядра отдачи, обладая зарядом, способны производить ионизацию среды. На этом основан один из методов регистрации быстрых нейтронов.

Сечение упругого рассеяния для большинства ядер в тепловой и промежуточной областях энергии нейтронов почти постоянно. А в быстрой области сечение упругого рассеяния испытывает значительные колебания в зависимости от энергии.

При неупругом рассеянии (рис. 1.6) образуется составное ядро в возбужденном состоянии (I), составное ядро остается возбужденным (II). Переход его в основное состояние (III) обычно сопровождается испусканием гамма-кванта.

Баланс энергии при неупругом рассеянии:

Рис. 1.6. Неупругое рассеяние нейтронов

Неупругое рассеяние возможно только при энергии нейтронов, превышающей энергию первого уровня возбуждения ядра. Для возбуждения легких атомных ядер требуется значительная, до нескольких МэВ, энергия, а для тяжелых ядер - около 0,1 МэВ. Поэтому процесс неупругого рассеяния происходит только с быстрыми нейтронами и преимущественно на тяжелых ядрах.

Таким образом, в процессах упругого и неупругого рассеяния только часть энергии нейтрона преобразуется в энергию вторичного излучения - в энергию ядер отдачи и энергию гамма-квантов.

Широко распространенным процессом взаимодействия нейтронов с веществом является захват их ядрами атомов, в результате чего протекают различные ядерные реакции. При захвате нейтрона образуется составное ядро в возбужденном состоянии. Энергия возбуждения складывается из кинетической энергии нейтрона и энергии связи нейтрона в составном ядре.

При значительных энергиях возбуждения составное ядро при переходе в основное состояние может испускать заряженные частицы: протоны - реакции (n, p); альфа-частицы – реакции (n, ) и т.п. Составные тяжелые ядра испытывают процесс деления - реакция (n, f).

Реакции (n, p) и (n, ) наиболее вероятны для быстрых нейтронов при взаимодействии с легкими ядрами и маловероятны для тепловых нейтронов за исключением реакций:

Кинетические энергии заряженных частиц, образующихся в реакциях, довольно велики и они могут создавать в поглощающей среде заметные ионизационные эффекты. Например, энергия альфа-частиц реакции   составляет = 2,05 МэВ, а при реакции энергия альфа-частицы равна = 1,5 МэВ.

Эти реакции используются благодаря избирательности энергии нейтронов для регистрации тепловых нейтронов.

Захват нейтрона ядром может привести и к образованию стабильного изотопа, при предварительном переходе из возбужденного состояния путем испускания гамма-кванта – реакция .

Такая реакция - , называемая радиационным захватом, характерна при взаимодействии тепловых нейтронов и имеет место на ядрах почти всех элементов. Например, . Кадмий является высокоэффективным поглотителем тепловых нейтронов и широко используется для защиты от тепловых нейтронов.

Из изложенного видно, что при ядерных реакциях энергия взаимодействующего нейтрона полностью преобразуется в энергию вторичного излучения. Заряженные частицы и ядра отдачи, образующиеся в процессе взаимодействия с веществом, легко поглощаются средой. Напротив, образующиеся при радиационном захвате гамма-кванты могут выйти из поглотителя ограниченных размеров.