1.2. Процессы ионизации и возбуждения атомов

Ионизирующие излучения получили свое название из-за способности вы-зывать ионизациию атомов и молекул в облучаемом веществе. Ионизирующее излучение – это поток элементарных частиц ядерной природы или фотонов, энергии которых достаточно, чтобы ионизировать окружающую среду, то есть превращать атомы и молекулы вещества в ионы путем выбивания из них валентных электронов.

В целом атом нейтрален, количество положительных протонов ядра в атоме равняется количеству отрицательно заряженных электронов на орбитах. Но если атом получит извне дополнительную энергию, и возможно, эта энер-гия передастся электрону, то электрон может разорвать свою связь с ядром и покинуть пределы атома. Нейтральность атома нарушится. Электрон унесет с собой единичный отрицательный заряд. Следовательно, атом будет иметь на один положительный заряд (в ядре) больше и станет положительно заряженным ионом. Сорванный электрон, потеряв свою энергию, затормаживается и захва-тывается другим атомом, и этот атом уже становится отрицательным ионом. Возникает пара ионов. Процесс образования положительного и отрицательного ионов из нейтрального атома носит название процесса ионизации.

Энергия электрона в атоме водорода в основном энергетическом состо-янии составляет приблизительно – 13,55 эВ. Для того чтобы осуществить ионизацию атома (удалить электрон из атома), электрону необходимо сооб-щить энергию (Е = 13,55 эВ). Эта энергия называется энергией связи атома.

Ионизация (от греч. ion – идущий) как процесс по времени короткий (10^-8 с) и обычно быстро сопровождается рекомбинацией ионов. Пустое место улетевшего электрона займет из среды свободный электрон, и атом вновь станет нейтральным, при этом выделится дополнительная энергия. Эта энергия количественно приблизительно равна энергии, затраченной на ионизацию. Чтобы произошел акт ионизации в воздухе, энергия α-частиц в среднем долж-на быть 35 эВ, β-частиц – 34 эВ.

Ионизация характеризуется объемной или линейной плотностью – числом пар ионов, образованных в единице объема или на единице пути. Эта величина зависит от свойств вещества, заряда и энергии ионизирующего излучения.

К ионизирующим излучениям отнесены рентгеновское и радиоактивное излучения. Коротковолновое ультрафиолетовое излучение, способное ионизи-ровать среду, не принято относить к ионизирующему излучению (ГОСТ 15484 – 74).

Электрон, получивший энергию извне, по значению ниже, чем энергия связи его с ядром, останется в атоме, но перейдет с одного энергетического уровня – более низкого, на другой уровень – более высокий. Атом останется ней-тральным, но будет обладать избытком энергии. Такие атомы называют возбужденными. А процесс перехода электронов в атоме с одного энергети-ческого уровня на другой, более удаленный от ядра, носит название возбуж-дения. В возбужденном состоянии атом не может находиться длительное время, поскольку в природе все стремится перейти в стабильное положение, при котором полная энергия будет наименьшей. Атом быстро возвращается в первоначальное состояние с выделением энергии, приблизительно равной по значению энергии, потраченной на процесс ионизации. Возвращение атома в первоначальное состояние происходит через малый промежуток времени (порядка 10^-8 с) и сопровождается перестроением электронов в пределах электронных орбит. Если электроны, перестраиваясь, переходят с внешних орбит на внутренние, то такой переход электронов сопровождается выделением из атома рентгеновского излучения с длиной волны, характерной для каждого энергетического уровня данного атома (характеристическое рентгеновское излучение). Жесткость рентгеновского излучения возрастает по мере увеличе-ния заряда атомного номера элемента. Перестроение электронов в пределах внешних орбит сопровождается выделением энергии в виде ультрафиолетовых лучей, видимого света и инфракрасных лучей.