2.7. Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом

Возникающие в процессе радиоактивного распада излучения, проходя через вещество, взаимодействуют с атомами и молекулами, передавая им свою энергию. При этом различают упругое и неупругое взаимодействие.

При упругом взаимодействии происходит лишь изменение направления движения, например альфа- и бета-частиц, а их кинетическая энергия остается неизменной.

Неупругое взаимодействие выражается в передаче от излучения части энергии, которая затрачивается на ионизацию и возбуждение атомов, возбуждение ядер, их расщепление или на тормозное излучение. В воздухе, воде и биологических тканях на каждую пару ионов, образующихся под воздействием ионизирующего излучения любого вида, приходится в среднем 2-3 возбужденных атома или столько же молекул.

Наибольшее значение имеет неупругое взаимодействие.

Результаты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависят: от массы, заряда потока частиц и их энергий; от вида фотонов и их энергий, от типа и плотности вещества; от значения энергий внутримолекуляр-ных сил облучаемого вещества.

Следует учитывать, что заряженные частицы, проходящие через вещест-во, взаимодействуют как с орбитальными электронами атома, так и с его ядром.

При взаимодействии с орбитальными электронами энергия частиц растрачива-ется на ионизацию атомов и на возбуждение атомов (перевод электрона с ближней орбиты на более удаленную). В процессе ионизации атома образуются заряженные частицы (свободные электроны), а атомы, потерявшие один или несколько электронов, превращаются в положительно заряженные ионы.

При взаимодействии с ядром заряженная частица может или тормозиться электрическим полем ядра и менять свое направление движения, или погло-щаться ядром. В первом случае происходит испускание тормозного излучения, во втором – заряженная частица (при достаточно большой энергии) поглощает-ся ядром, при этом выбрасываются элементарные частицы и фотоны. Погло-щение частицы ядром обычно происходит, если энергия частицы превышает 1,02 МэВ.

Процесс взаимодействия, при котором исчезают первоначальные и появляются новые частицы, называют ядерной реакцией.

Взаимодействие альфа- и бета-частиц с веществом. Альфа- и бета-час-тицы, проходя через вещество, взаимодействуют с электронами оболочек атомов, передают им свою кинетическую энергию, которая расходуется на ионизацию атомов (отрыв электрона от атома) и возбуждение атомов (перевод электрона на более удаленную от ядра оболочку) среды. Одна частица, в зависимости от значения ее энергии, может ионизировать не один атом, а много атомов. Энергия, теряемая альфа-частицами в результате одного акта ионизации в воздухе, составляет 35 эВ, бета-частицами – 34 эВ. Это так называемая работа ионизации – работа (средняя энергия), затраченная на образование одной пары ионов. Среднюю энергию, теряемую заряженной частицей на единице длины ее пути в веществе, называют линейной передачей энергии. Понятие линейной передачи энергии (ЛПЭ) было введено в 1954 году. За единицу ЛПЭ принимают 1 кэВ на 1 мкм пути (1 кэВ/мкм = 1,6∙10 ^-10 Дж/м). В зависимости от значения ЛПЭ все ионизирующие излучения делят на редко- и плотноионизирующие. Плотность ионизации возрастает с увеличением заряда частицы и уменьшения ее скорости. Поэтому она самая большая у альфа-частиц. Число ионизирован-ных и возбужденных атомов, образуемых альфа-частицей на единице длины пробега в среде, в сотни раз больше, чем у бета-частицы. Это обусловлено тем, что масса альфа-частицы в 7300 раз больше массы бета-частицы (электрона), а скорость ее меньше. Длина пробега альфа-частиц в веществе зависит от их начальной энергии, а также от порядкового номера, атомной массы и плотности материала вещества.

Вероятность взаимодействия альфа-частиц с ядрами очень мала. Так, из 500000 альфа-частиц, проходящих через вещество, в среднем только одна частица взаимодействует с ядром, что связано с малыми размерами ядра и его положительным зарядом.

Прохождение бета-частиц через вещество сопровождается упругими и неупругими соударениями с ядрами и электронами тормозящей среды.

При поглощении быстрых электронов в среде может возникнуть свече-ние (эффект Черенкова-Вавилова). Испускание фотонов видимого света связа-но с поляризацией молекул среды при скоростях движения электрона выше скорости света в данной среде. Эффект Черенкова-Вавилова может быть использован для измерения активности β-излучающих радионуклидов.

Для α-частиц с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе составляет 2,5 см, в биологической ткани – 31 мкм, в алюминии – 16 мкм.

Удельная плотность ионизации, создаваемая бета-частицами, примерно в

1000 раз меньше, чем для альфа-частиц той же энергии. При расчете защиты от β-излучения малых энергий, для которых ионизационные потери несущест-венны, необходимо, чтобы толщина защитного экрана была равна или больше максимального пробега частицы в данном материале. При этом следует использовать материалы с малым Z. При высоких энергиях β-частиц необхо-димо осуществлять дополнительно защиту от тормозного рентгеновского излучения. Для β-частиц с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе составляет 17,8 м, в воде – 2,6 см, в алюминии – 9,8 мм.

Для грубой оценки глубины пробега бета-частиц пользуются прибли-женными формулами. Одна из них:

R_ср/R_возд = r_возд/r_ср,

где R_ср – длина пробега в среде; R_возд – длина пробега в воздухе, R_возд = 450 E_b; r_возд и r_ср – плотность воздуха и среды соответственно; E_b – энергия бета-частиц.

При упругом взаимодействии альфа-частицы отталкиваются от ядра, так как они и ядро имеют один и тот же заряд (положительный). Бета-частицы притягиваются ядром (за счет противоположных зарядов – и +), но при этом они изменяют направление своего движения. Упругое рассеяние бета-частиц на ядрах более вероятно и осуществляется при относительно низких энергиях электронов Е_β < 0,5 МэВ.

Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Гамма-излучение непос-редственно ионизацию практически не производит, но в процессе взаимодейст-вия с атомами среды передает частично или полностью энергию электронам, которые затем производят ионизацию (вторичную). Таким образом, происхо-дит взаимодействие с веществом и ионизирующего рентгеновского излучения.

Рентгеновское и гамма-излучения обладают высокой проникающей способностью. Длина пробега их в воздухе может достигать сотен и тысяч метров.

Взаимодействие квантов энергии от 60 кэВ до 50 МэВ с веществом осуще-ствляется за счет трех эффектов: фотоэлектрического поглощения (фотоэф-фекта), комптоновского рассеяния (эффект Комптона), образования пар.

Вид эффекта зависит от энергии гамма-кванта:

Е_к = hν – Е_и,

где h – постоянная Планка; ν – частота излучения; Е_и – энергия ионизации соответствующей атомной оболочки (энергия связи выбитого электрона из ато-ма).

Фотоэффектом (фотоэлектрический эффект) называется такой процесс взаимодействия гамма-излучения с веществом, при котором вся энергия гамма-кванта (квант – порция излучения) расходуется на отрыв электрона от атома (преимущественно с К-оболочки) и передаче ему кинетической энергии. При этом сам гамма-квант прекращает существовать. Выбитые из атома электроны (фотоэлектроны) обладают энергией, которая равна исходной энергии фотона минус энергия связи электрона в атоме (для электрона К-оболочки 88 кэВ). Эта энергия электрона достаточна для ионизации атомов и молекул вещества (вто-ричная ионизация). Определение энергии фотоэлектронов гамма-спектромет-рией позволяет идентифицировать радионуклиды.

Фотоэлектрический эффект как правило наиболее вероятно происходит, если энергия кванта меньше 100-200 кэВ, и быстро уменьшается с повышением энергии излучения. Фотоэффект может сопровождаться так называемым эффектом ОЖЕ, когда на место выбитого из атома электрона становится элект-рон с внешней оболочки или свободный электрон. Этот процесс сопровождает-ся выделением энергии в виде характеристического рентгеновского излучения.

Эффект Комптона является преобладающим механизмом передачи энергии излучения атомам и молекулам при энергиях кванта порядка 200 кэВ-100 Мэв. При этом из атома выбивается электрон преимущественно внешней оболочки. Выбитые электроны сами могут вызывать ионизацию. Квант меняет первоначальное направление своего движения, или, как говорят, рассеивается, и может участвовать во всех процессах передачи энергии.

Образование пар (электрон-позитрон) происходит, если энергия излуче-ния гамма-кванта больше суммы энергии покоя электрона и позитрона, то есть больше 1,02 МэВ. В результате взаимодействия с электрическим полем ядра гамма-квант (при прохождении его на очень близком расстоянии от ядра) исчезает (поглощается ядром) и образуется пара электрон-позитрон. Таким образом, происходит переход материи из гамма-излучения в частицы вещества.

Электрон и позитрон могут вызывать вторичную ионизацию атомов и молекул среды. Следует отметить, что позитрон нестабилен в присутствии элек-тронов среды. Позитрон после потери им кинетической энергии с электроном внешней среды образует пару, которая аннигилирует, превращаясь в два вторичных гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ:

е⁺ + е^- → 2γ (Еγ = 0,511 МэВ).

Указанные три процесса могут происходить независимо друг от друга, поэтому линейный коэффициент ослабления учитывает ослабление пучка гаммма-квантов за счет фотоэффекта (t_ф), эффекта Комптона (t_к) и образования пар (t_п). Он рассчитывается по формуле:

µ = t_ф + t_к + t_п.

Таким образом, гамма кванты способны косвенно ионизировать вещество.

Изменение интенсивности излучения выражают через линейный коэффициент ослабления (µ) или в отдельных случаях через слой половинного ослабления (∆_½). Коэффициент ослабления гамма-излучения проходящего через преграду толщиной х, и значением слоя половинного ослабления для данного материала ∆_½ , можно рассчитать по формуле:

µ = 2^х/∆½.

Слоем половинного ослабления называется такая толщина поглощающей среды (защитного материала), при прохождении которой интенсивность излучения уменьшается в 2 раза. Он рассчитывается по формуле:

∆_½ = 0,693/µ, или µ = 0,693/∆ _½.

Зная слой половинного ослабления, можно определить, какой нужно взять слой (толщину) поглотителя, чтобы ослабить излучение в данное число раз. Один слой уменьшает интенсивность излучения в 2 раза, два слоя – в 4 раза и пр. Слой половинного ослабления для свинца составляет 1,1 см, бетона – 7-10 см, кирпича – 12 см, земли – 12-15 см, воды – 20 см, полиэтилена – 22 см, дерева – 25-30 см. Десять слоев половинного ослабления почти полностью пог-лощают излучение.

Взаимодействие нейтронов с веществом. Нейтроны, не имея электричес-кого заряда, способны глубоко проникать в атом, достигать ядер и поглощать-ся ядрами или рассеиваться на них. При этом возможно упругое и неупругое рассеяние нейтронов на ядрах.

В результате упругого рассеяния нейтронов образуются сильноионизи-рующие протоны (протоны отдачи). Как правило, их возникновение происходит в глубине облучаемого объекта, из-за высокой проникающей способности нейтронов. Атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчи-выми и, распадаясь, порождают протоны, альфа-частицы и фотоны гамма-излучения, которые также производят ионизацию. При таких ядерных взаимо-действиях образуются радиоактивные изотопы элементов и может возникнуть наведенная радиоактивность, которая также вызывает ионизацию.

По величине энергии различают сверхбыстрые, быстрые, промежуточ-ные, медленные и тепловые нейтроны.

Сверхбыстрые нейтроны. Энергия сверхбыстрых нейтронов составляет 10-50 МэВ. Они образуются в ядерных реакторах и при ядерных взрывах, вы-зывают деление тяжелых ядер, которые расщепляются на два-три осколка. Во время акта деления ядра высвобождается огромная энергия (около 200 МэВ) и вылетают два-три свободных нейтрона, которые могут участвовать в делении других ядер.

Быстрые нейтроны. Они образуются в ядерных реакциях и имеют энер-гию более 100 кэВ. При взаимодействии с ядрами быстрые нейтроны передают им часть своей энергии и образуют ядра отдачи (быстролетящие ядра). При столкновении нейтронов с ядрами водорода (протонами) теряется половина энергии нейтрона. Быстрые нейтроны быстро растрачивают свою энергию и за-медляются легкими веществами, содержащими большое количество атомов водорода (вода, парафин). В то же время свободно проходят через толщу тяже-лых веществ, включая свинец.

Промежуточные нейтроны. Они имеют энергию от 100 эВ до 1 кэВ. С веществом такие нейтроны чаще взаимодействуют по типу упругого рассеяния.

Медленные нейтроны. Энергия их составляет до 1 кэВ. Они захватыва-ются ядрами атомов с образованием новых стабильных или радиоактивных изотопов. При этом происходит испускание жесткого гамма-излучения. Ядра водорода захватывают медленные нейтроны и превращаются в ядра дейтерия:

₁ ¹Н + _о¹n → ₁ ²Н + γ (2,18 МэВ).

Тепловые нейтроны. Энергия тепловых нейтронов составляет 0,025 эВ. Они обычно, как и медленные нейтроны, захватываются ядрами атомов среды.

Для защиты от нейтронов с небольшой энергией применяют воду, бор, кадмий, а для защиты от испускаемого гамма-излучения при образовании но-вых ядер – экраны из тяжелого материала (свинец).

Таким образом, при нейтронном облучении биологический эффект происходит в результате ионизации, производимой опосредованно вторичными частицами и фотонами.