1. 5.2. Взаимодействие бета-излучений с веществом

β – частицы, в отличие от α – частиц, имеют эл. заряд в 2 раза меньший по модулю и массу во много раз меньшую, а скорость – значительно большую.

Поэтому средняя плотность ионизации в сотню раз меньше, чем α – частицы и составляет примерно 100 – 300 пар ионов / см пути в воздухе и увеличивается при уменьшении скорости β – частицы и уменьшении ее энергии.

β – частица, передавая электронам среды свою ЭМ-энергию (до 1кэВ на электрон), при каждом акте взаимодействия рассеивается, меняя направление движения, при этом происходит возбуждение и ионизация атомов среды как ею, так и дельта-электронами, выбитыми из атомов (вторичная ионизация - 30-40% от всего объема ионизации).

Когда скорость β^- – частицы уменьшается до тепловой, то она или остается свободным электроном, или же присоединяется к положительному атому, нейтрализуя его, или к нейтральному атому, превращая тот в отрицательный ион.

β ⁺ – частица (позитрон) в конце своего пути, сталкива-ясь с электроном аннигилируют, вследствие чего и позит-

рон и электрон превращаются из частиц в 2 гамма-квант с

Рис. 11. Длина пробега и длина пути энергией 0,51 МэВ каждый.

бета - частицы в веществе

1. 5. 3. Взаимодействие гамма-излучений с веществом

Основными видами взаимодействия γ- квантов с веществом являются:

• фотоэффект (фотоэлектрический эффект);

• комптон-эфффект (комптоновское рассеяние);

• образование пары электрон – позитрон.

Кроме того, возможны ядерные реакции под действием γ- лучей (ядерный фотоэффект).

Фотоэффект

Фотоэффектом называется процесс взаимодействия γ- кванта с веществом, в результате которого γ- квант полностью передает свою энергию атому вещества.

При этом один из электронов, как правило, K или L – слоя выбивается из атома за счет полученной им энергии, равной его энергии связи с ядром, а его место занимает один из внешних электронов атома, что сопровождается испусканием кванта рентгеновского излучения.

Фотоэффект наблюдается при энергиях

γ- кванта менее 0, 5 МэВ.

Рис. 12. Фотоэффект

Комптон-эфффектом называется процесс взаимодействия γ- кванта с веществом, в результате которого γ- квант передает свою энергию электрону или ядру атома по частям, изменяя при этом направление своего движения, т.е. рассеиваясь.

Рис. 13. Эффект Комптона (неупругое рассеяние)

Комптон- эфффект наблюдается при энергии квантов в пределах 0,5 - 1 МэВ (при этом масса кванта mγ = Eγ / c2 может равняться 1-2 массам электрона), как правило, при взаимодействии γ- кванта с одним из внешних электронов атома, имеющим небольшую энергию связи с ядром (порядка 10 эВ), вследствие чего электрон отрывается от ядра со значительной скоростью, производя вторичную ионизацию других атомов вещества.

Когда энергия γ- кванта вследствие многократного рассеивания на ряде атомов вещества станет менее 0,5 Мэв, тогда вероятность фотоэффекта будет преобладать над вероятностью комптон-эффекта.

Образование пары электрон – позитрон (в поле ядра)

Данный процесс наблюдается при взаимодей-ствии γ- кванта с ЭМ-полем ядра атома, в случае, когда энергия кванта больше суммы энергий покоя электрона и позитрона, т.е.

E_γ ≥ 2m_ec² = 1,022 МэВ,

При этом, вся избыточная энергия кванта сверх 1,022 МэВ, сообщается поровну электрону и позитрону в виде кинетической энергии; последние, двигаясь в веществе, расходуют эту энергию на вторичную ионизацию среды, пока электрон не присоединится к атому, а позитрон не аннигилирует с каким-либо электроном.

Рис. 14. Образование электронно-позитронной пары

Ядерный фотоэффект -

происходит при взаимодействии ядер с налетающими γ – квантами при их поглощении ядром и может иметь следующие последствия:

1) испускание ядром протона, нейтрона;

2) деление ядра.

Наиболее простым примером таких реакций является расщепление дейтрона γ-квантом на протон и нейтрон при E_γ ≥ 2,28 МэВ (энергия связи ядра дейтрона).

Следует заметить следующее:

1) что в отличие от альфа и бета-частиц, которые сами производят ионизацию атомов, γ- кванты во всех выше описанных 3-х случаях, взаимодействуя с веществом, вызывают появление в нем вторичных электронов отдачи, которые и производят ионизацию.

2) что общее количество пар ионов, создаваемых γ- квантом, имеющим некоторую энергию E_γ, такое же, как и для α и β-частиц таких же энергий, но ионизированные атомы располагаются друг от друга на значительных расстояниях на всем длинном пути кванта в воздухе (Табл.6).

3) ослабление γ- излучений в веществе происходит по экспоненциальной зависимости:

N = N₀ e ^{- μ лx}, D = D₀ e ^{- μ лx}, P = P₀ e ^{- μ лx}, где

x – толщина материала;

μ _л - линейный коэффициенте ослабления излучения материалом;

e ≈ 2,718 – основание натурального логарифма;

N₀, N - исходном количестве квантов, падающих на поверхность материала и прошедших

через него, в единицу времени;

D₀ ,D – доза получаемая человеком до и после слоя материала;

P₀ ,P – мощность дозы до и после слоя материала.

4) толщина слоя половинного ослабления d_{1/ 2} - толщина слоя материала, ослабляющая ИИ в 2 раза:

d_{1/ 2} = ln 2 / μ _л = 0,693 / μ _л

5) длина релаксации ℓ.- толщина слоя материала, ослабляющая ИИ в e раз (e ≈ 2,718):

ℓ = d _1/2 / ln2 ≈ d _1/2 / 0,693=1/ μ _л

6) коэффициент ослабления γ – излучения материалом:

К_осл = 2 ^{x / d1/2} = e ^{x / ℓ}