Взаимодействие излучения с веществом

Общая характеристика взаимодействия излучения с веществом

При взаимодействии со средой любого излучения, протекают следующие физические процессы:

• рассеяние излучения или частиц (упругое, неупругое);

• поглощение;

• отражение;

• деление;

• прохождение без взаимодействия.

Сечение взаимодействия определяется сортом частиц, видом излучения, энергией и материалом среды (используется эффективный атомный номер Z_eff).

По механизму взаимодействия с веществом частицы условно делятся на четыре группы:

• Тяжелые заряженные частицы (α, p, d, ионы)

• Легкие заряженные частицы (е^-, е⁺, β, )

• Рентгеновское и γ-излучение

• Нейтроны

Взаимодействие заряженных частиц с веществом

Заряженная частица – это прямоионизирующая частица, которая, двигаясь в веществе, теряет энергию на:

• возбуждение;

• ионизацию;

• торможение в кулоновском поле ядра;

• упругое взаимодействие.

Упругое взаимодействие - т.е. взаимодействие, при котором сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц до взаимодействия и после сохраняется неизменной - в дозиметрии не учитывается в виду малого его вклада (1-2%).

Возбуждение - взаимодействие, вызывающее переход электронов атома на возбужденный уровень - в дальнейшем приводит к процессу релаксации атома с испусканием вторичных фотонов.

Ионизация - процесс отрыва электрона от атома - характеризуется средней энергией ионообразования (т.е. энергией, необходимой для образования одной пары ионов), которая различна для каждого материала и зависит от вида излучения.

Торможение - процесс потери энергии частиц за счет испускания тормозного излучения.

Тормозное излучение – фотонное излучение с непрерывным спектром, возникающее при изменении кинетической энергии заряженных частиц.

Интенсивность тормозного излучения: I ~ z²/m,

где z – атомный номер; m - масса заряженной частицы.

Полные потери энергии заряженной частицы равны сумме ионизационных и радиационных потерь:

.

Специфика взаимодействия тяжелых заряженных частиц

Рассмотри на примере a-частиц (дважды ионизованный атом гелия).

Энергия a-частиц, испускаемых естественными и искусственными радионуклидами, колеблется в пределах 4,0 – 9,0 МэВ, излучение моноэнергетично. При прохождении через вещество энергия a-частицы расходуется на ионизацию и возбуждение атомов поглощающей среды, тормозные потери малы.

Из-за большого различия между массами тяжелых заряженных частиц и массой электрона в процессе многократных столкновений с электронами среды не наблюдается отклонения заряженных частиц от первоначального направления движения, что приводит к образованию выраженного трека. Минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного поглощения энергии заряженной частицы, называется линейным пробегом R.

Пробег может быть рассчитан по формуле:

.

Обычно пробег определяют по эмпирическим или полуэмпирическим формулам:

- формула Гейгера для воздуха;

- для любого вещества.

a-частицы (5 МэВ): в воздухе R_a = 3,7 см;

в биологической ткани R_a = 40 мкм.

Осколки деления (5 МэВ): в воздухе R = 2 см;

в биологической ткани R = 10 мкм.

a-частицы (8 МэВ, ²¹⁰Po): в биологической ткани R_a = 77 мкм (пробивают эпидермис кожи).