книги из ГПНТБ / Пучеров, Н. Н. Покоренная радиация

рости света. Бета-распад — это излучение радиоактив­ ным ядром электронов или позитронов.

С электронами мы уже ознакомились, позитроны — античастицы по отношению к электронам. Позитрон имеет те же характеристики, что и электрон, однако в отличие от него — иной знак электрического заряда. Аб­ солютная величина заряда позитрона равна заряду электрона, но знак его заряда — положительный. Когда электрон и позитрон сталкиваются, обе частицы исчеза­ ют, а вместо них появляется электромагнитное излуче­ ние — гамма-кванты. Такой процесс имеет название анни­ гиляции, он характерен для взаимодействия частиц и ан­

минус относится к случаю, когда излучаются электроны, а знак плюс — когда позитроны).

Свободный нейтрон, то есть нейтрон, не связанный в ядре, в течение некоторого времени распадается, преоб­ разуясь в протон и две легкие частицы — электрон и ней­ трино.

Нейтрино очень интересный и своеобразный предста­ витель микромира, который играет важную роль в про­ цессе бета-распада. Масса нейтрино исчезающе мала, а электрический заряд у него отсутствует. Эти свойства за­ трудняют обнаружение нейтрино. Существование нейтри-^, но доказано совсем недавно сложными и трудоемкими* опытами, хотя о наличии их можно было догадываться| по результатам других опытов.

При определенных условиях процессы распада ней­ трона или протона происходят внутри атомных ядер. Та­ кие ядра и являются бета-активными. При р~-распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, электрон и нейтрино; протон остается в ядре, а электрон и нейтри­ но выбрасываются из него. При р+-распаде один из про­

20

тонов в ядре превращается в нейтрон, позитрон и ней­ трино. Как уже отмечалось, все перестройки ядра при­ водят к появлению наиболее энергетически выгодной си­ стемы.

В результате бета-распада ядер массовое число не меняется (не изменяется общее количество протонов и нейтронов, хотя массы исходного и конечного ядер отличаются одна от другой). Порядковый номер элемен­ та (заряд ядра) или уменьшается на единицу ((3+-рас- пад), или увеличивается (р~-распад). Таким образом, в результате бета-распада возникает ядро элемента, кото­ рое относительно исходного ядра в периодической систе­ ме стоит на одну клетку ближе или дальше.

Раньше речь шла о том, что во время альфа-распада возникают альфа-частицы с определенной энергией. Важ­ ной особенностью бета-распада является появление бетачастиц с очень разнообразными энергиями, вплоть до ка­ кой-то максимальной. При этом в каждом случае бетараспада энергия одинакова, однако она распределяется между электроном и нейтрино каждый раз по-иному.

Впроцессе распада появляется определенное количество частиц с энергией, от минимальной до максимальной, ко­ торая называется верхней границей бета-спектра и яв­ ляется важной характеристикой бета-распада.

Электроны и позитроны, возникающие при бета-рас­ паде, движутся со скоростью, близкой к скорости света.

Вмагнитных и электрических полях они отклоняются от

направления начального движения.

Электронный захват. В результате захвата электрона один из протонов ядра превращается в нейтрон и при этом выделяется нейтрино. Место в электронной оболоч­ ке заполняют электроны из более высоких оболочек ато­ ма, при такой перестройке оболочки происходит электро­ магнитное излучение.

21

При электронном захвате ядро уменьшает свой заряд на единицу и элемент перемещается на одну клетку бли­ же к началу периодической системы элементов.

Итак, мы рассмотрели основные типы радиоактивных преобразований. Есть и более сложные процессы, однако мы рассматривать их не будем. Необходимо только еще выяснить природу гамма-излучения, которое сопровож­ дает радиоактивный распад.

Гамма-лучи. Гамма-излучение представляет собой жесткое электромагнитное излучение очень высокой час­ тоты. Природа его та же, что и видимого света, рентге­ новских лучей и радиоволн. Все эти виды электромагнит­ ного излучения отличаются лишь частотой колебаний электромагнитного поля (или длиной волны):

длина волны видимого света 7600-10~8—3800- 10~8 см\ длина волны рентгеновских лучей 50 ■10~8 см и меньше; длина волны гамма-лучей с энергией 1 Мэе 0,012-Ю -8 см.

В области низких энергий (при большой длине вол­ ны) электромагнитное излучение проявляет в основном волновые свойства. При увеличении энергии частота из­ лучения увеличивается (длина волны уменьшается), из­ лучение распространяется отдельными порциями, гаммаквантами, которые имеют свойства частиц.

Гамма-кванты всегда движутся со скоростью света. Как уже упоминалось, энергия гамма-квантов опреде­ ляется частотой колебаний: с увеличением частоты энер­ гия увеличивается. Гамма-кванты не имеют электриче­ ского заряда и в связи с этим не отклоняются в магнит­ ном и электрическом полях.

Остановимся более подробно на появлении гамма-лу­ чей в процессе радиоактивного распада. Электромагнит­ ное излучение высокой частоты возникает при перестрой­ ках атомного ядра в процессе перехода его из возбужден­ ного состояния в основное.

22

Возбуждение ядра достигается различными способа­ ми. В частности, возбужденное ядро может появиться в процессе радиоактивного распада. Конечное ядро — ре­ зультат распада — появляется не в основном, а в возбуж­ денном состоянии. Затем излучается гамма-квант и ядро переходит в основное состояние. Таким образом, альфа- и бета-распады могут сопровождаться электромагнитным излучением — выбрасыванием гамма-квантов.

Примером альфа-распада может быть схема распада радия ssRa226, вследствие чего образуется ядро радона вбИп222. Период полураспада — 1590 лет. Существует две возможности для распада: 94,3% распадов происходит с излучением альфа-частиц с энергией 4,777 Мэе, при этом радон образуется в основном состоянии; для 5,7% распа­ дов излучается альфа-частица с энергией 4,589 Мэе и яд­ ро радона образуется в возбужденном состоянии. При переходе в основное состояние выбрасывается гаммаквант с энергией 0,188 Мэе.

Пример р+-распада — распад 4Ве7, в результате кото­ рого возникает ядро лития 3U 7; 11 % таких распадов про­ исходят с излучением позитронов с энергией 0,386 Мэе, а 89% — путем электронного захвата, причем ядро лития появляется в возбужденном состоянии, оно разряжается с излучением гамма-кванта с энергией 0,480 Мэе.

Примером схемы р- -распада может быть распад 15Р32. Исходное ядро распадается с выбрасыванием элек­ трона с энергией 1,708 Мэе. Гамма-лучи при этом распа­ де не возникают.

Бывают и более сложные распады, продуктами кото­ рых могут быть не только стабильные, стойкие ядра, а и радиоактивные. Эти ядра в свою очередь снова распа­ даются. Возникает цепочка взаимосвязанных радиоактив­ ных распадов. Процесс продолжается до тех пор, пока ядро не станет стабильным.

23

Взаимодействие ядерных излучений с веществом

Прежде всего рассмотрим взаимодействие с вещест­ вом заряженных частиц. Такими являются альфа-части­ цы, электроны, протоны. Остановимся на взаимодействии первых двух, поскольку речь идет в основном об излуче­ ниях, которые возникают при радиоактивном распаде.

Попадая в вещество, альфа-частица (как и всякая иная заряженная частица) взаимодействует в первую очередь с электронами, которые находятся в атомах ве­ щества. Когда альфа-частицы имеют достаточную энер­ гию для преодоления электрического отталкивания атом­ ного ядра, при их столкновении может произойти ядерное рассеивание или ядерная реакция. Напомним, что та­ ким путем было открыто атомное ядро (опытами Резер­ форда). Но атомное ядро занимает незначительную часть объема атома, и такие столкновения происходят

очень редко.

Мы уже говорили, что основная часть объема атома занята полями, которые образуются ядрами и электрона­ ми. Попадая в вещество, альфа-частица встречает на своем пути ажурную систему частиц и как бы проры­ вается сквозь электромагнитное поле, которое препят­ ствует ее движению.

Заряженная частица, взаимодействуя с электронами, постепенно теряет свою энергию. Электроны вещества связаны в атомах, то есть занимают определенное место в атомных оболочках. Получив какую-то энергию при столкновении, электрон может переместиться на другую оболочку атома. Атом, имеющий какой-то излишек энер­ гии, находится в возбужденном состоянии. Через некото­ рое время атом возвращается к нормальному состоянию,

24

отдавая излишек энергии в виде электромагнитного излу­ чения (рентгеновские лучи, видимый свет). Такой процесс носит название «возбуждение атома». Бывает, что энер­ гия, переданная электрону при столкновении, достаточна для того, чтобы оторвать его от атома, перебороть силы, удерживающие в нем электрон. Теряя электрон, атом становится заряженным положительно. Такой атом без электрона называется ионом, а процесс его образова­ ния — ионизацией.

Таким образом, при прохождении сквозь вещество заряженные частицы теряют свою энергию преимуще­ ственно на возбуждение и ионизацию атомов.

В пустоте альфа-частица движется прямолинейно. Казалось бы, что при столкновении с электроном она должна изменить направление, отклониться на какой-то угол. Однако этого не происходит, а точнее, направление изменяется очень незначительно. Это объясняется тем, что масса электрона в 7000 раз меньше массы альфачастицы.

Представьте себе столкновение двух бильярдных ша­ ров. Один шар передает часть своей энергии другому и изменяет направление своего движения. Если тяжелый свинцовый шар столкнуть с легкими шарами, то послед­ ние будут отброшены в сторону, а направление движения свинцового шара практически не изменится.

Направление движения альфа-частицы может значи­ тельно измениться, если она окажется очень близко от атомного ядра. В этом случае произойдет ядерное рас­ сеяние и альфа-частица отклонится на значительный угол от направления начального движения. Однако такие случаи очень редки.

Какой бы малой ни была энергия, которую отдает в каждом случае столкновения с электроном альфа-части­ ца, движение последней постепенно тормозится и совсем

25

гаснет, потому что столкновений на ее пути очень много. Каждая альфа-частица теряет в среднем одинаковое ко­ личество энергии на единицу пути. При определенной энергии альфа-частица проходит в веществе определен­ ное расстояние. Энергию альфа-частицы можно характе­ ризовать длиной ее пробега в данном веществе. Рассмот­ рим такой пример: если разогнать автомашину до определенной скорости и выключить мотор, то она, вре­ завшись в поле, где много колосков пшеницы, и потеряв запас энергии, остановится. Чем больше будет скорость движения, тем дальше в поле она углубится.

Так и в случае альфа-частиц: чем больше их началь­ ная скорость, тем больший путь в веществе они проходят. Величина пробега зависит не только от энергии частицы, но и от плотности вещества, в котором частица движется.

Пробег альфа-частиц в атмосфере значительно боль­ ше, чем, например, в алюминии. С увеличением плотно­ сти вещества пробег уменьшается. Альфа-частицы, воз­ никающие в процессе распада, обладают энергией 4— 9 Мэе. При энергии 5 Мэе альфа-частица продвигается в атмосфере на 3,5 см (давление атмосферы 760 мм рт. ст., температура 15° С). Пробег же в алюминии составляет лишь 25 микрон (мк). В биологической ткани альфа-ча­ стицы продвигаются лишь на десятки микронов.

Эти частицы вызывают значительную ионизацию, что и обусловливает их сравнительно малый пробег в веще­ стве (например, альфа-частица с энергией 6 Мэе образу­ ет в атмосфере около 200000 пар ионов).

Электроны также представляют собой заряженные частицы. Масса электрона очень мала по сравнению с альфа-частицей, поэтому при одинаковой энергии послед­ няя движется значительно медленнее, чем электрон. Так, при энергии 1—2 Мэе скорость движения электрона при­ ближается к скорости света.

26

Процессы взаимодействия электронов с веществом очень разнообразны. Прежде всего, как и в случае аль­ фа-частиц, возникает возбуждение, а также ионизация атомов, с той существенной разницей, что сталкиваются частицы с одинаковой массой — электрон с электроном. А это определяет долю энергии, которая передается при столкновении.

Электроны могут подвергаться упругому рассеянию на атомных ядрах и электронах атомных оболочек. При таком взаимодействии изменение направления первона­ чального движения электрона будет существенным.

При одинаковой массе частиц, которые сталкиваются, изменение направления движения может быть особенно сильным. Электрон движется в веществе не по прямой линии, как альфа-частица, а зигзагоподобно. Путь элек­ трона может в 1,5—4 раза превышать расстояние, кото­ рое он прошел бы, двигаясь в направлении первоначаль­ ного перемещения.

Электрон теряет энергию и за счет тормозного излучения (радиационные потери). Классической элект­ ромагнитной теорией доказано, что при ускорении или замедлении скорости движения заряда происходит излу­ чение электромагнитных волн. Двигаясь в электрическом поле ядра, электрон изменяет скорость как по величине, так и по направлению. Именно этим объясняется тормоз­ ное рентгеновское излучение.

Энергетический спектр тормозных рентгеновских лу- ) чей непрерывный. При взаимодействии с ядром энергия ) электрона изменится. Электрон может потерять всю энер­ гию целиком, однако в других случаях он частично ее со­

храняет.

Появление рентгеновских лучей при торможении дви­ жения электронов следует учитывать при проектировании защиты от бета-излучения.

27

При прохождении тяжелых заряженных частиц через вещество радиационные потери невелики. Однако для легких электронов, которые движутся с большими скоро­ стями, они могут составлять значительную часть общих потерь энергии. Например, при поглощении свинцом элек­ тронов с энергией 10 Мэе радиационные потери могут составить около 50% кинетической энергии электрона.

В конце концов электрон полностью задерживается в веществе, остается в виде свободного электрона или'по­ глощается каким-либо ионом.

Выше было сказано, что пробег альфа-частицы с оп­ ределенной энергией в веществе является вполне опре­ деленным (отклонения могут достигать 1—2%).

Разные электроны, которые сначала обладали одина­ ковой энергией, могут иметь разную длину пробега в данном веществе. Можно выбрать такую тодгцину погло­ тителя, при которой ни один электрон не выйдет за его границы. Минимальная толщина поглотителя и будет определять максимальный пробег бета-частиц. Эта вели­ чина важна для практической дозиметрии, для опреде­ ления условий безопасности работы с радиоактивным из­ лучением.

Максимальный пробег бета-частиц с энергией 5 Мэе в атмосфере— 1900 см, а в алюминии — около 1 см. Электроны обладают большей проникающей способ­ ностью, чем альфа-частицы, а наиболее проникающим является гамма-излучение.

Если альфа-частицы можно характеризовать опреде^ ленным пробегом, а электроны — каким-то максималь­ ным пробегом, то этого нельзя сделать в отношении гам­ ма-лучей. Проходя через вещество, поток гамма-лучей по­ степенно ослабляется и медленно приближается к нулю.

В зависимости от энергии гамма-лучей изменяются

28

вероятности разных процессов, которые могут происхо­ дить при взаимодействии гамма-лучей с веществом.

Взаимодействуя с электронами и ядрами атомов ве­ щества, гамма-лучи теряют энергию вследствие многих процессов: рассеяния гамма-квантов с изменением и без изменения энергии (то есть частоты), действительно­ го поглощения гамма-лучей, когда кинетическая энергия

тате гамма-квант исчезает, а из атома выбрасывается электрон. Описанный процесс носит название фотоэффек­ та (рис. 4).

Фотоэлектрическое взаимодействие играет важную роль для тяжелых элементов (например, свинца) и при энергиях гамма-квантов меньше 0,5 Мэе.

При энергиях гамма-квантов больше 100 кэв возра­ стает вероятность взаимодействия гамма-квантов с элек­ тронами внешних оболочек атома. Происходит как бы столкновение двух частиц: гамма-кванта и одного свобод­ ного электрона (при больших энергиях энергию связи электрона можно не брать во внимание). Гамма-квант передает часть своей энергии электрону и отклоняется на какой-то угол. Чем больше угол рассеяния, тем боль­ шая часть энергии передается электрону. Такой процесс носит название комптон-эффекта (рис. 5).

Наконец, при энергиях гамма-квантов выше 1,02 Мэе

29