Экспериментальные методы ядерной физики (ЭМЯФ) / Boyko_Fizika_vzaimodeystviya_zaryazhennykh_chastits_i_gamma_2023

Глава 1

Рис. 1.2. Диаграмма стабильности ядер [1, 2]

1.3 ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Под излучением мы будем понимать энергию, которая высвобождается атомами в форме частиц или волн электромагнитной природы. Потоки частиц с ненулевой массой покоя (электроны, протоны, нейтроны и многие другие) относятся к первому виду излучения, а потоки частиц с нулевой массой покоя – фотоны ко второму.

10

Общая характеристика взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

Известны три основных вида излучений: альфа, бета и гамма. Все три вида излучения относятся к ионизирующим, то есть к излучениям, взаимодействие которых с веществом способно приводить к образованию ионов разных знаков.

Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц (ядра атомов гелия), образовавшихся в результате альфа-распада тяжелых ядер. Под бета-излучением понимается поток электронов или позитронов (бета-частиц), образовавшихся в результате бета-распада радиоактивных ядер. Гамма-излучение состоит из фотонов больших энергий, имеющих длину волны значительно меньше межатомных расстояний и большую проникающую способность. Оно испускается при ядерных превращениях, аннигиляции частиц, торможении заряженных частиц высокой энергии, синхротронном излучении. Для фотонов больших энергий (больше 10 кэВ) вводят термин гамма-квант (квант гамма-из- лучения).

Принято также различать первичное и вторичное ионизирующее излучение. Под первичным понимается ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия с веществом является исходным (например, альфа-излучение). Вторичное ионизирующее излучение возникает в результате вза-

имодействия первичного ионизирующего излучения с средой. Перечисленные виды излучения относятся к основным ви-

дам радиоактивности – альфа-распад, три вида бета-распада (с испусканием электрона, позитрона или с захватом орбитального электрона, так называемый K-захват) и гамма-излучение. Существуют и другие радиоактивные процессы, например спонтанное деление тяжелых ядер. Примеры перечисленных выше радиоактивных превращений представлены в таблице 1.1.

11

Глава 1

12

Общая характеристика взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

1.4 ОБЩИЙ ХАРАКТЕР ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Понимание процессов взаимодействия частиц с атомами среды при прохождении излучения через вещество является важным как с точки зрения фундаментальных, теоретических задач, так и прикладных: в области ядерной медицины, материаловедения, ядерной энергетики, геологии, радиационной безопасности и т. п.

При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами, из которых оно состоит, т. е. с электронами и атомными ядрами.

Всего известно четыре вида взаимодействия, в которых могут участвовать частицы (таблица 1.2):

–cильное;

–электромагнитное;

–слабое;

–гравитационное.

В таблице 1.2 приведены основные параметры всех типов взаимодействия, в том числе энергия взаимодействия по отношению к сильному при одинаковых условиях опыта (расстояниях, массах и т. д.).

13

Глава 1

Сильное взаимодействие осуществляется за счет обмена глюонами (g) – электрически нейтральными безмассовыми переносчиками сильного взаимодействия. Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит посредством обмена квантами электромагнитного поля – фотонами. Переносчиками слабого взаимодействия являются массивные W- и Z-бозоны.

В атомной и ядерной физике доминируют три первых вида взаимодействия излучения с веществом. Вкладом гравитационного взаимодействия обычно пренебрегают вследствие его малой величины.

Сильные взаимодействия между нуклонами приводят к образованию их связанного состояния атомному ядру. Это взаимодействие наиболее интенсивное. При прохождении частиц через вещество оно проявляется, как в процессах непосредственного взаимодействия (ядерных реакциях с захватом одних частиц ядром и образованием других), так и в процессах распада ядер и частиц, например:

7 Li 11 p 4 He+4He,

7 Li +4He 10 B 01n,

235 U 01n 139 Ba 95 Kr 01n 01n.

Электромагнитное взаимодействие – второе по интенсивности. Переносчиками этого взаимодействия являются кванты электромагнитного излучения, которые возникают в результате взаимодействия электрического заряда с окружающим его электромагнитным полем. Соответственно, такие взаимодействия испытывают только электрически заряженные частицы. Электромагнитные взаимодействия приводят, с одной стороны, к отталкиванию между протонами, что ослабляет связь в атомном ядре, с другой стороны, взаимодействие магнитных моментов нуклонов приводит к большому разнообразию ядерных состояний. В качестве константы взаимодействия, определяющей интенсивность процесса, в случае электромагнитных взаимодействий выступает квадрат заряда e2 (где е – заряд электрона по абсолютной величине) или постоянная тонкой структуры α = е2/ħс = 1/137, которая пропорциональна e2.

14

Общая характеристика взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

Слабые взаимодействия в 106–1013 раз слабее сильных и настолько же медленнее протекают. Слабые силы действуют между всеми микрочастицами. Слабое взаимодействие между нуклонами приводит к взаимным превращениям нейтронов и протонов в атомном ядре – явлению β-распада атомных ядер, в процессе которого возникают или поглощаются электроны (позитроны) и антинейтрино (нейтрино).

Сильное и слабое взаимодействия проявляются на очень малых расстояниях (10–13...10–16) см.

Взаимодействие частиц с веществом зависит как от самих частиц – их типа, заряда, массы и энергии, так и от характеристик вещества – плотности, заряда и среднего ионизационного потенциала образующих вещество элементов.

Например, α-частицы имеют заряд +2е, и, проходя через вещество и взаимодействуя по закону Кулона с атомами и ядрами этого вещества, они быстрее, чем β-частицы или γ-лучи, теряют свою энергию. Достаточно поставить на пути α-частиц лист бумаги, чтобы они почти полностью затормозились. Электроны имеют меньший заряд, и поэтому, чтобы пучок β-частиц поглотился, необходимо поставить на его пути металлическую (например, алюминиевую или железную) пластинку небольшой толщины. Гамма-лучи заряда не имеют, взаимодействуют с веществом слабо, и поэтому их проникающая способность велика.

Масса летящей частицы также влияет на взаимодействие излучения с веществом – чем больше масса, тем меньше частица отклоняется от первоначального направления. Поэтому траектория протонов и более тяжелых ядерных частиц практически прямолинейна, а траектория электронов сильно изломана вследствие рассеяния на орбитальных электронах и ядрах атомов.

По механизму прохождения через вещество частицы условно делятся на четыре группы:

–тяжелые заряженные частицы (α, p, d, t, легкие и тяжелые ионы);

–легкие заряженные частицы (e , e+, π±, μ±);

–-излучение;

–нейтроны.

15

Глава 1

Также стоит отметить, что характер взаимодействия определяется соотношением между размерами объекта d (например, радиус ядра Rя или радиус атома) и длиной волны де Бройля ча-

стицы . Если λ d , то взаимодействие частицы с ядром (или атомом) в большей степени похоже на столкновение двух частиц. Этот случай характерен для высоких энергий частиц. При низких энергиях > d, и в этом случае проявляются волновые свойства частицы.

Попадая в вещество, заряженная частица может испытать упругое рассеяние, неупругое рассеяние и испустить фотон за счет того, что она движется с ускорением в электрическом поле, создаваемом зарядами атомов среды. Кроме того, атомы среды в некоторых случаях также способны излучать.

При упругом взаимодействии не изменяется природа частиц и их суммарная энергия остается постоянной до и после взаимодействия. Происходит только перераспределение энергии между взаимодействующими частицами. Возможен и такой случай, когда не происходит изменения энергии каждой из взаимодействующих частиц, а изменяется только направление их движения (рассеяние электрона на электронах, например). Процессы упругого рассеяния могут приводить к однократному, кратному, многократному и, в частности, к обратному рассеянию заряженных частиц. Однократное и кратное рассеяние существенны только в тонких слоях вещества, поэтому решающую роль среди процессов упругого рассеяния играет процесс многократного рассеяния.

При неупругом взаимодействии также не изменяется природа частиц, но их суммарная энергия после взаимодействия меньше. Часть энергии тратится на возбуждение атомов, излучение, нагревание системы, совершение работы и т. п. Для разных частиц в различных диапазонах энергии преобладают те или иные процессы. Процесс неупругого рассеяния приводит к ионизации и возбуждению атомов среды, поскольку частица передает им часть своей энергии.

При прохождении частиц через вещество они взаимодействуют с атомами, соответственно, можно сопоставить расстоя-

16

Общая характеристика взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

ние наибольшего сближения (величину параметра удара, прицельный параметр b) с размером атомов a. Процесс взаимодействия будет зависеть от того, как соотносятся между собой эти величины (Рис. 1.3).

Рис. 1.3. Определение прицельного параметра

1.b a . В этом случае атом реагирует как целое на переменное электромагнитное поле, создаваемое заряженной частицей, что приводит к возбуждению и ионизации атомов.

2.b ~ a. Если параметр удара сравним с размерами атома, то происходит взаимодействие частицы с отдельными электронами атома. Заряженная частица может передать значительную энергию электрону, который вырывается из атома и ионизирует другие атомы.

При столкновении фотона с таким «свободным» электроном фотон рассеивается (комптоновское рассеяние).

3. b a . В этом случае происходит взаимодействие частицы с кулоновским полем ядра, что приводит к искривлению траектории частицы, то есть частица ускоряется (замедляется). Согласно классической электродинамике в этом случае возникает тормозное излучение.

17

Глава 1

1.5 ПОНЯТИЕ СЕЧЕНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Как уже указывалось выше, при прохождении излучения через вещество происходит взаимодействие этого излучения с ядрами, электронами или с атомами в целом. В силу статистической природы такие взаимодействия (столкновения частиц) носят вероятностный характер. Количественной мерой, определяющей вероятность таких столкновений, является эффективное сечение, которое можно измерить непосредственно в опыте.

Пусть на атом (ядро) падает мононаправленный и моноэнергетический поток частиц, плотность потока которых равна:

Число частиц, испытавших взаимодействие в единицу вре-

где – коэффициент пропорциональности, называемый микроскопическим (эффективным) сечением взаимодействия. Размерность сечения нетрудно установить, используя определение сечения из формулы (1.1).

В практике расчетов из-за малости размеров атомов (ядер) широкое распространение получила внесистемная единица барн (б) (1 барн = 10 24 см2).

Из размерности следует геометрический смысл эффективного сечения как площади эффективного поперечного сечения некой области (атом, ядро), где происходит взаимодействие.

Если поток частиц N0 падает на тонкую мишень (тонкой называют мишень, атомы или ядра которой при проецировании мишени на плоскость, перпендикулярную оси пучка, не перекрывают друг друга), то очевидно, что для расчета эффективного сечения необходимо в формуле (1.1) учесть количество атомов (ядер) в мишени (Рис. 1.4):

18

Общая характеристика взаимодействия ионизирующего излучения с веществом

число взаимодействий в 1 см2 тонкой мишени за единицу вре-

Рис. 1.4. Схема к определению эффективного сечения в геометрии тонкой мишени

При столкновении частиц с атомами возможны различные взаимодействия – упругое и неупругое рассеяние, деление, ядерные реакции и т. п. Поэтому полное эффективное сечение взаимодействия можно представить как сумму парциальных сечений, соответствующих различным процессам:

В общем случае парциальное сечение i-го типа можно найти, используя формулу (1.1):

19