2.3.3 Взаимодействие альфа-частиц с веществом
В
результате α-распада радионуклидов
образуется поток α-частиц, представляющих
собой ядра атомов гелия (
),
которые обладают кинетической энергией
порядка нескольких МэВ. Основными видами
взаимодействия с веществом движущихся
тяжелых заряженных частиц являются:
- упругое и неупругое рассеяние;
- возбуждение и ионизация атомов среды.
Радиационные потери по сравнению с ионизационными у тяжелых частиц очень малы. При прохождении α-частиц через вещество их энергия в основном расходуется на ионизацию и возбуждение атомов поглощающей среды. К концу пробега, когда энергия α-частицы уменьшается и становится недостаточной, чтобы производить ионизацию, она, присоединив к себе два электрона, превращается в атом гелия. Полная ионизация для α-частиц составляет сотни тысяч пар ионов. Например, при энергии в 7 МэВ частица образует 2·105 пар ионов. Несмотря на высокие значения энергии α-частиц из-за большой плотности ионизации на единицу пути, их проникающая способность крайне мала. Например, в воздухе их пробег составляет 4-10 см.
2.3.4 Взаимодействие бета-частиц с веществом
β-распад – это радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов (протона или нейтрона) ядра в нуклон другого рода, а именно превращением либо нейтрона в протон, либо протона в нейтрон. В первом случае из ядра вылетает электрон (е-) – происходит так называемый β-распад. Во втором случае из ядра вылетает позитрон (е+) – происходит β+-распад. Вылетающие при β-распаде электроны и позитроны носят общее название β-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением еще одной частицы – нейтрино (ν) в случае β+-распада или антинейтрино в случае β--распада.
Испускаемые β-частицы имеют непрерывный энергетический спектр, т.е. по энергии они распределяются от нуля до определенного максимального значения, характерного для данного нуклида. Максимальная энергия β-спектра лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ. В зависимости от энергии β-частиц различают мягкое β-излучение (до нескольких десятков кэВ) и жесткое (для β-частиц большей энергии).
При прохождении β-частиц через вещество их энергия расходуется на:
- ионизационные потери;
- радиационные потери;
- рассеяние β-частиц.
Ионизационные потери – это потери энергии, связанные с ионизацией и возбуждением атомов поглотителя. Вероятность взаимодействия с веществом меньше, чем для α-частиц, так как β-частицы имеют в два раза меньший заряд и в 7000 раз меньшую массу по сравнению с α-частицами. При ионизации β-частицы выбивают орбитальные электроны, которые могут проводить вторичную ионизацию.
Продолжительность жизни замедленного электрона и позитрона различна. Электрон может существовать неограниченно долгое время. Замедлившись, он останется свободным или присоединится к атомам и окажется в связанном состоянии. Позитрон же приблизительно через 10-9 сек. после своего образования аннигилирует, т.е. захватывает орбитальный электрон атома и превращается в два γ-кванта.
Радиационные потери β-частиц происходят, когда они, пролетая вблизи ядра атома поглотителя, тормозятся в поле ядра и меняют направление своего движения. Уменьшение энергии в результате торможения электронов в поле ядра поглотителя связано с испусканием тормозного излучения. Тормозное излучение – это фотонное излучение с непрерывным спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц. Радиационные потери пропорциональны энергии β-частиц и квадрату атомного номера элемента поглотителя, поэтому для снижения тормозного излучения защиту для β-источников выполняют из материалов с малым атомным номером.
Так как масса β-частиц невелика, то для них характерен эффект рассеяния. Рассеяние β-частиц происходит при соударениях с орбитальными электронами атомов вещества поглотителя. При рассеянии энергия β-частицы теряется большими порциями, в отдельных случаях до половины. В результате рассеяния в поглотителе путь β-частиц в отличие от пути α-частиц не является прямолинейным. Максимальный пробег β-частиц в воздухе достигает нескольких метров, но в биологической ткани не превышает 1 см.