9.3. Энергия частиц

Энергия частиц. Энергия частиц выражается в электроновольтах (эВ), килоэлектроновольтах (кэВ), мегаэлектроновольтах (МэВ). Электрон-вольт - энергия, приобретаемая электроном в поле напряженностью 1 вольт.

1 эВ = 1,6*10^-19 Дж

От величины энергии частиц зависит их проникающая способность и взаимодействие с ядрами элементов облучаемого вещества. Энергия -квантов изменяется от 0,02 до 3 МэВ и характеризуется: слабых энергий до 1,5 МэВ, мягкого излучения - (0,5 - 1 МэВ), жесткого излучения - более 1 МэВ. Нейтроны по энергии различают: быстрые - более 0,5 МэВ, промежуточные - (1 кэВ - 0,5 МэВ), медленные - (10 эВ - 1 кэВ), резонансные - (1 - 10 эВ), подтепловые - (0,05 - 1 эВ), тепловые - менее 0,025 эВ. Указанная классификация приближенная.

Таблица 9.2

Энергетическая характеристика излученных частиц

Частица	Название	Энергия излу-	Проникающая способность
		чения, МэВ	воздух	свинец
	Ядро гелия	2 - 10,6	7 см	0,02 мм
	Электрон	0,01 - 3,26	4 м	1,4 мм
	Гамма-квант	0,24 - 2,62	0,5 км	5 см
N	Нейтрон	0,5 – 20	большая	большая
	Нейтрино		сотни км	очень большая

Нейтрино - частица, не имеющая массы и заряда и с магнитным моментом, близким к нулю. По последним данным предполагают, что масса нейтрино - 1/700 массы электрона. Различают нейтрино () и антинейтрино ().Все указанные свойства нейтрино способствуют чрезвычайно слабому взаимодействию его с веществом. Свободный пробег для нейтрино в твердом теле до 10^16 км, т.е. вся толща земного шара не представляет серьезного препятствия для нейтрино.

Энергия естественного -излучения колеблется в пределах 2 - 10,6 МэВ,-излучения - 1 кэВ - 3,1 МэВ,-излучения - 0,01-2,02 МэВ.

9.4. Взаимодействие излучений с веществом

Проникновение элементов излучения в вещество зависит от массы излучаемой частицы, ее заряда, скорости движения (энергии), а также от вещества, в котором происходит замедление и поглощение излучения. Так, расстояние пробега частиц в веществе соответствует следующему ряду: нейтрино, нейтрон, -излучение,-частица,-частица. Проникающая способность альфа- и бета-частиц невелика, они почти полностью поглощаются листком бумаги.

Гамма-излучение. Гамма-излучение относится к сильнопроникающему. Для полного его поглощения требуется слой горных пород в десятки сантиметров. В веществе развиваются три процесса: фотоэффект, комптон-эффект, образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффект: при взаимодействии гамма-кванта с молекулами вещества он поглощается электроном. Вероятность фотоэффекта возрастает с увеличением атомного номера химического элемента. Взаимодействие происходит с электронами ближайших к ядру атома оболочек. Электрон, поглотивший гамма-квант, вылетает из орбиты, поэтому атом возбуждается и, возвращаясь к устойчивому состоянию, испускает рентгеновское излучеие (флуоресценция) с энергией более 100 кэВ. Фотоэффект вызывают гамма-кванты с энергией, равной связи электрона с атомом (до 0,5 МэВ), и с увеличением этой энергии вероятность фотоэффекта резко уменьшается.

Комптон-эффект: если энергия гамма-кванта превышает энергию связи электронов в атоме, -квант передает электрону часть своей энергии и изменяет направление движения. Имеет место упругое рассеяние -квантов, которое называется комптоновским. Векторная диаграмма рассеяния вытянута по направлению движения фотона. Энергия рассеяния достигает максимума при рассеянии "назад". Диапазон энергии -кванта, при котором наблюдается комптон-эффект, находится в пределах 0,05 - 5 МэВ.

Образование пар: в поле ядра -квант может превратиться в электронно-позитронную пару с суммарной энергией, равной энергии кванта. Процесс образования пар сопровождается мягким гамма-излучением (Е=0,511МэВ), вызванным рекомбинацией образовавшегося позитрона с одним из свободных электронов среды.

Образования пар возникает при энергиях -кванта более 5 МэВ.

Альфа-излучение. Альфа-частица - ядро атома гелия, имеет массу 4,0028 а.е.м. и заряд +2. Перемещаясь в пространстве, частица взаимодействует электрическим полем с атомами вещества. Длина пути пробега частицы до 1 см в воздухе, в плотных средах до - 1 мм.

Бета-излучение. Бета-частицы - быстрые электроны или позитроны. Пробег -частицы в веществе зависит от ее энергии и плотности вещества. Изменение энергии от 0,01 до 20 МэВ увеличивает длину пробега для алюминия от 0,0006 до 39 мм, воды - 0,002 - 123 мм, воздуха - 0,13 - 7800 мм, в свинце до 5,5 мм.

Нейтронное излучение. Нейтроны лишены заряда, поэтому легко проникают сквозь электронные оболочки атомов и взаимодействуют с ядрами. Происходит рассеяние и поглощение нейтронов, которое сопровождается ядерными реакциями. Рассеяние нейтронов происходит при энергиях более 1,1 МэВ. При неупругом рассеянии возбуждается ядро и испускает гамма-квант. При меньших энергиях происходит упругое столкновение нейтрона с ядром атома. Для тепловых нейтронов энергии 0,025 эВ может происходить реакция захвата нейтрона ядром и дальнейший распад его с испусканием -частицы и -квантов. Причем, каждый изотоп имеет свой характерный спектр -излучения, что дает возможность определять состав вещества.

Таким образом, в веществе нейтрон, постепенно замедляясь, проходит стадии рассеяния, поглощения, двигаясь при этом по сложной ломаной линии.

Максимальной замедляющей способностью обладают водородсодержащие вещества: вода, нефть, парафин (1,53 см^-1). Для горных пород длина пути замедления нейтронов с энергией от 4,3 до 1,5 МэВ составляет в ангидрите 25 см, в гипсе - 7,7 см, в галите - 47 см.