Глава 3. Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом

Для понимания механизмов взаимодействия радиоактивных излучений с веществом введем ряд необходимых понятий.

Атом, лишенный одного или нескольких электронов в электронной оболочке, представляет собой положительный, соответственно однозарядный или многозарядный, ИОН. Атом, имеющий избыток в один или несколько электронов в электронной оболочке, является отрицательным соответственно однозарядным или многозарядным ионом. Многозарядные ионы встречаются значительно реже однозарядных. Ионами являются также молекулы, в состав которых входят ионизированные атомы. ИОНИЗАЦИЕЙ называется потеря или присвоение атомом одного или нескольких электронов с образованием положительно или отрицательно заряженного иона и свободных электронов.

Под ИОНИЗИРУЮЩИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ понимается поток частиц различной природы с энергией, достаточной для ионизации атомов при их взаимодействии со средой. Ионизирующее излучение может состоять из электронов, протонов, нейтронов, -частиц, фотонов (-кванты, рентгеновское излучение) и др. Следует отметить, что видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относятся к категории ионизирующих излучений.

Различают два типа ионизирующего излучения непосредственно ионизирующее и косвенно ионизирующее. НЕПОСРЕДСТВЕННО ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ состоит из заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов при столкновении с ними. К непосредственно ионизирующему излучению относят: -излучение, -излучение и др. КОСВЕННО ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ состоит из незаряженных частиц (фотонов), которые непосредственно не производят ионизацию, но которые в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны и др.), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую они проходят. К косвенно ионизирующему излучению относят: (‑излучение, рентгеновское излучение, нейтронное излучение и др.)

Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или частиц и фотонов, называется СМЕШАННЫМ ИОНИЗИРУЮЩИМ ИЗЛУЧЕНИЕМ. Различают моноэнергетическое и немоноэнергетическое ионизирующее излучение.

Под моноэнергетическим понимается ионизирующее излучение, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одинакового вида с одинаковой кинетической энергией.

Немоноэнергетическое излучение имеет фотоны разной энергии или частицы одного вида с разной кинетической энергией.

Принято различать ПЕРВИЧНОЕ И ВТОРИЧНОЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Под ПЕРВИЧНЫМ понимается ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается за исходное. ВТОРИЧНОЕ ионизирующее излучение возникает в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения с данной средой.

При рассмотрении взаимодействия ионизирующего излучения с веществом ограничимся рассмотрением излучений, сопровождающих процесс радиоактивного распада.

Взаимодействие заряженных частиц с веществом (-частицы и -частицы)

Альфа- и бэта- излучения относятся к непосредственно ионизирующему излучению. В процессе прохождения через вещество - и -частицы теряют свою энергию в результате электрического взаимодействия как с электронами, так и с электрическим полем ядра. При взаимодействии с электронами кинетическая энергия частиц тратится на ионизацию атома (срыв электронов) или на его возбуждение (перевод электронов с близких к ядру оболочек на более удаленные). Энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов, почти не зависит от энергии частицы. С учетом потерь на возбуждение и другие процессы средняя энергия образования одной пары ионов составляет 20–40 эВ, т.е. по мере прохождения через вещество заряженные частицы теряют свою энергию малыми порциями, образуя огромное количество ионов.

Число пар ионов, образованных одной заряженной частицей на всем пути в среде, называется ПОЛНОЙ ИОНИЗЦИЕЙ I .

I = E/W , где

Е – энергия частицы,

W – энергия образования пары ионов.

Минимальная толщина вещества, необходимая для полного поглощения энергии частицы, называется ЛИНЕЙНЫМ ПРОБЕГОМ L. Его величина в различных веществах обратно пропорциональна концентрации электронов в среде,

L ~ 1/NZ , где

N – число атомов в единице объема,

Z – атомный номер элемента или заряд его ядра.

Важной характеристикой взаимодействия излучения с веществом является ЛИНЕЙНАЯ ТОРМОЗНАЯ СПОСОБНОСТЬ или ЛИНЕЙНАЯ ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ S (ЛПЭ). S – это энергия, теряемая частицей на единице длины пути вдоль ее траектории,

S=Е/L, где

Е – энергия, теряемая заряженной частицей при прохождении элементарного пути L в среде.

Очевидно, что чем больше тормозная способность S заряженной частицы, тем меньше ее пробег. Рассмотрим, как зависят L и S от энергии частицы и ее заряда. Поскольку S обратно пропорциональна L, то S~NZ. Естественно, чем больше заряд частицы, тем на большем расстоянии от траектории она может ионизировать и возбуждать атомы среды, тем больше число пар ионов она может образовывать вдоль своей траектории, тем больше потеря ее энергии на единице пути и тем меньше длина ее свободного пробега. Следовательно, при одной и той же энергии, чем больше ее заряд и, значит, масса, тем меньше ее скорость и величина L.

Такова общая картина взаимодействия заряженных частиц со средой.

Рассмотрим некоторые количественные характеристики этого процесса на примере - и -излучения. Энергия -частиц, испускаемых тяжелыми элементами, не превышает 5–10 МэВ, и скорость их в среднем равна примерно 20000 км/с. Полная ионизация на всем пути в веществе составляет 100–250 тыс. пар ионов. Величина L в воздухе не превышает 10 см, а в биологической ткани – нескольких микрон и, следовательно, α‑излучение практически полностью задерживается тонким омертвевшим слоем кожи. Для -излучения указанные характеристики имеют иные значения. При такой же энергии, как и у -частицы, электрон обладает скоростью гораздо большей и зарядом вдвое меньшим, поэтому вероятность взаимодействия с атомами среды у β-частиц существенно ниже, чем у α‑частиц. Поэтому на каждой единице пути электрон образует меньшее число пар ионов и длина его свободного пробега больше. В воздухе она составляет до 1–2 м для излучения с энергией несколько МэВ, а в биологической ткани не превышает 2–3 см. Естественно, для меньших энергий величина L существенно ниже. В отличии от α-частиц, траектория которых в среде прямолинейна, у β-частиц при их взаимодействии с веществом существенную роль играет эффект рассеяния. Траектория электрона представляет ломаную линию, и истинная длина пути электрона в веществе может в 1,5–4,0 раза превосходить его пробег.