Гамма-излучение.

γ-излучение - самопроизвольный процесс перехода ядра из возбужденного состояния в основное, или менее возбужденное, сопровож­дающееся испусканием кванта коротковолнового электромагнитного излу­че­ния. α – и β-распады сопровождаются испусканием γ-квантов. Кинетическая энергия α – и β-частиц очень велика (Мэв), а энергетические уровни в ядре – квантованы (т.е. имеют строго определенные значения) и маловероятно, чтобы ядро пришло в стабильное состояние после испускания элементарной частицы. Поэтому при α – и β-распадах, для того чтобы ядро пришло в стаби­льное энергетическое состояние, распады сопровождаются испуска­нием γ-квантов. Энергия γ-квантов определяется разностью энергий между уровнем энергии после испускания частицы и стабильным энергетическим уровнем ядра. Следовательно, энергетический спектр гамма-излучения для каждого изотопа строго индивидуален (характерен) и имеет строго опре­де­лен­ные энергии. Для естественных радиоактивных элементов после α – распада обычно испускаются γ-кванты с энергией не выше 0,5 Мэв, после β-распада, энергия γ-кванта может быть больше и достигает 2 ÷ 2,5 Мэв.

Нет принципиальной разницы между квантами видимого света (оптических) и γ-квантами – это кванты электромагнитного излучения. Различие между ними только в частоте излучения, т.е. в энергии. Можно условно подраз­де­лить кванты по энергии на следующие типы: оптические ( до 1 эв), ультра­фиолет ( до 1 Кэв), рентгеновские ( до 100 Кэв) и гамма-кванты (свыше 100 Кэв). Источником оптических квантов являются процессы, происходящие в валентных электронах атома, ульрафиолетового излучения – процессы, прои­с­ходящие на электронных уровнях, следующими за валентными.

Происхождение рентгеновского излучения обусловлено процессами, происходящими на наиболее близко расположенных к ядру атома внутрен­них электронных оболочках. Энергия этих трех излучений (оптического, ультрафиолетового и рентгеновского) определяется энергией связи электро­нов с ядром атома, т.е. потенциалом ионизации данной электронной оболоч­ки. Источником γ-квантов являются процессы, происходящие в самом ядре.

Энергетические уровни электронных оболочек и ядра строго опреде­лены для каждого атома (или кристаллической решетки вещества). Говорят, что они характерны для каждого вещества. Следовательно, изучая энергети­ческие спектры вышеперечисленных излучений, можно точно определить тип вещества, а по интенсивности излучения можно перейти к количествен­ным определениям этого вещества (определить концентрацию данного веще­ства). С этой целью в ядерной геофизике, помимо изучения гамма-излучения, очень широко применяется исследование рентгеновского (характеристичес­кого) излучения.

2. Взаимодействие радиоактивных излучений с окружающей средой

Взаимодействие заряженных частиц.

К заряженным частицам относятся α- и β – частицы. α-частица представляет собой ядро гелия (₄He²⁺), масса α-час­тицы составляет 4 а.е.м.( по меркам микромира это огромная величина), заряд - +2.. Масса электрона (позитрона) примерно в 7300 раз меньше массы α-частицы, а заряд β-частицы, равный по модулю заряду электрона, равен ±1. Энергия заряженной частицы – кинетическая энергия, которая пропорцио­на­льна массе частицы и квадрату скорости ее движения.

Будучи электрически заряженными, частицы взаимодействуют с куло­новскими полями ядра и электронов атома вещества. Необходимо отметить, что ядро занимает ничтожно малый объем атома (примерно 10^-12 части объе­ма атома), поэтому вероятность взаимодействия заряженной частицы с куло­новским полем ядра невелика. В результате взаимодействия частицы вызыва­ют ионизацию окружающей среды, т.е. образование положительных ионов и свободных электронов вследствие вырывания электронов из внешних оболо­чек атомов. При ионизации вещества происходит потеря части энергии (ско­рости) заряженной частицы в каждом акте взаимодействия. После некоторого числа взаимодействий энергия (скорость) заряженной частицы уменьшается практически до нуля и происходит ее нейтрализация путем присоединения электронов для α-частицы или присоединения электрона к иону для β-части­цы. Таким образом, при каждом акте взаимодействия происходит замедление частицы, т.е. частица имеет отрицательное ускорение. Известно, что при дви­жении заряженной частицы с ускорением, частица начинает излучать энер­гию, что приводит к потере энергии частицы. Следовательно, при взаимо­дей­ствии заряженной частицы с веществом имеют место быть ионизационные и радиационные потери энергии.

Радиационные потери пропорциональны квадрату ускорения. Учитывая, что ускорение a = F/M, где F – сила, действующая на частицу массой М, получим, что радиационные потери при рассеянии на кулоновском центре пропорциональны (Ze – заряд центра). Отсюда следует, что радиационные потери для α-частицы примерно в 10⁸ раз меньше, чем для β-частицы (т.к. масса α-частицы примерно в 10⁴ раз больше массы электрона). Для β-частицы радиационные потери пропорциональны EZ², а ионизационные – Z, поэтому отношение радиационных потерь энергии Eр к ионизационным Еи оказывается пропорциональным EZ:

где энергия β-частицы дана в Мэв. Следовательно, для основных породообра­зую­щих элементов (Z = 8 ÷ 20) при значениях энергии β-частицы, харак­тер­ных для естественных радиоактивных элементов 0.1 ÷ 2 Мэв, Еи / Ер > 10. Таким образом, для заряженных частиц характерны ионизационные потери.

Количественными характеристиками потерь энергии частицы служит ве­ли­чина удельных потерь энергии (dE/dx) (т.е. потери энергии на единицу длины пути частицы) и пробег частицы L в веществе (полный путь частицы в веществе).

Линейный пробег в воздухе α-частицы в области энергий 4 Мэв < Eα < 9 Мэв, характерной для естественных радиоактивных элементов, приближен­но выражается: и составляет от 2.5 до 9 см. Зная пробег α-частицы в воздухе, легко найти ее пробег в любом другом веществе. На­при­мер, пробег в алюминии R_AL относительно пробега в воздухе R_O можно записать так:

где: ρ – плотность; А – атомный вес. Атомный вес воздуха (28% кислорода и 72% азота) равен 14.4, плотность воздуха 0.0013 г/см³, для алюминия: плот­ность 2.7 г/см³, А равняется 27. Подставляя эти значения, получаем, что про­бег α-частицы в алюминии равен десяткам микрон.

Т.к. масса α-частицы почти на 4 порядка больше массы электрона, то напра­в­ление движения α-частицы при соударении с электронами практичес­ки не меняется.

β -частицы, ввиду малой массы элект­ро­на, при соударении сильно отклоняются от первоначального направления, и их траектория представляет ломанную ли­нию. Поэтому полный максимальный пробег частицы по прямой от начала до конца (эффективный пробег R_m) гораздо меньше длины траектории по ломанной. Величина массового эффективного пробега моноэнергетических электронов (в г/см²) находят по формулам:

Величина Rm есть массовая толщина такого слоя вещества, необходи­мая для полного поглощения электронов данной энергии. Однако из-за слож­ного характера траекторий пробег большинства электронов в веществе гораз­до меньше Rm. Для сравнения, пробег β-частицы в воздухе составляет, в зависимости от энергии, от единиц до десятков метров.

Удельная потеря энергии оценивается следующим выражением:

г де: N_e – концентрация электронов в веществе; q – заряд частицы; v – скорость движения частицы; A – число Авогадро; δ – плотность вещества; М – атомная масса; Z – заряд ядра.

Ионизирующее действие Ф α-части­цы увеличивается по мере прибли­же­ния их к концу пробега R, т.е. с уменьшением скорости. Зависи­мость ионизации, вызываемая α-частицей, зависит от длины пробега R₀:

где Ф – число пар ионов, образованных на пути между рассматриваемой точкой и концом пробега.

Удельная ионизирующая способность β-частицы примерно на порядок ниже, чем у α-части­цы.