7.2. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

Регистрация и использование рентгеновского излучения, а также воздействия его на биологические объекты определяется первичными процессами взаимодействия рентгеновского фотона с электронами атомов и молекул вещества.

В зависимости от соотношения энергии фотона и энергии ионизации имеет места три главных процесса.

Когерентное (классическое) рассеивание. Это рассеивание длинноволнового рентгеновского излучения, которое происходит, в основном, без изменения длинны воны. Оно возникает, если энергия фотона меньше энергии ионизации.

Так как в этом случае энергия фотона рентгеновского излучения и атома не изменяется, то когерентное рассеивание само по себе не вызывает биологического действия.

Некогерентное рассеяние – это рентгеновское излучение с изменением длинны волны. Оно возникает, если энергия фотона рентгеновского излучения больше энергии связи электрона в атоме (энергии ионизации). Впервые такое рассеяние в 1922 г. обнаружил А.Х. Комптон, наблюдая рассеяние жестких рентгеновских лучей, было замечено уменьшение проникающей способности рассеянного пучка по сравнению с падающим. Это означало, что длина волны рассеянного рентгеновского излучения больше чем подающего. Этот эффект носит название эффекта Комптона.

При этом явлении наряду с вторичным рентгеновским излучением появляются электроны отдачи. Атомы или молекулы при этом становятся ионами.

Фотоэффект – рентгеновское излучение поглощается атомом, в результате чего вылетают электроны из глубоких оболочек атома. Если энергии фотона недостаточно, то фотоэффект может проявляться в возбуждении атомов без вылета электронов.

Эти три процесса являются первичными, они приводят к последующим вторичным, третичным и т.д. явлениям

7.3. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

Радиоактивностью называют самопроизвольный распад неустойчивых ядер с испусканием других ядер или элементарных частиц. Процесс идет самопроизвольно (спонтанно). Само явление называется радиоактивным распадом, который сопровождается небольшим выделением теплоты. Радиоактивность открыта Беккерелем в 1896 г. и впоследствии исследовано супругами Кюри. Все элементы, для которых это явление характерно, получили название радиоактивных.

Рисунок 33.

Радиоактивное излучение имеет три составляющих--, - и - излучений (рис.33).

 и  - излучения отклоняются под действием постоянных электрических и магнитных полей и представляют собой соответственно потоки положительных и отрицательных заряженных частиц.

Гамма – излучение с электрическим и магнитным полями не взаимодействует.

Различают радиоактивность естественную и искусственную. Оба вида подчиняются одним и тем же законам. Радиоактивное излучение невидимо.

Рассмотрим основные виды радиоактивного распада.

 - излучение – поток  - частиц (дважды ионизованные атомы гелия). Заряд частицы равен +2е, массовое число 4, скорость 14·10³ – 20·10³ км/с, энергия 4-9 МэВ. Они обладают большой ионизирующей способностью, но малой проникающей способностью – в воздухе 3 – 9 см, полностью поглощаются алюминием толщиной 0,06 мм и биологической тканью 0,12 мм.

 - излучение – частицы двоякого рода: или электроны (для большинства радиоактивных веществ) или позитроны (у искусственно полученных радиоактивных веществ). Масса β-частицы меньше в 7350 раз массы α-частицы. Скорость ≈160∙10³км/с. β-излучение имеет сплошной спектр. Энергия в пределах сотых долей (мягкое излучение) Мэв до 1-2 Мэв(жесткое излучение).

Необходимо отметить, что энергия, уносимая β-частицами из ядер, меньше энергии, которая испускается при β-распаде, т.е. нарушается закон сохранения энергии. Тогда Паули (1913 г.) высказал предположение, что при β- распаде вместе с β-частицей из ядра выбрасывается частица очень легкая и не обладающая зарядом, ее называют нейтрино (ν). Она обладает чрезвычайно большой проникающей способностью. Непосредственное экспериментальное доказательство нейтрино было получено в 1956 г. Американскими физиками Рейнсом и Коуэном.

 - излучение – поток фотонов, имеющих высокую частоту (10¹⁹Гц). Энергия фотонов порядка 1 МэВ. Это жесткое электромагнитное излучение испускаемое атомным ядром. Скорость равна скорости света. Ионизирующая способность -лучей низка, а проникающая способность велика (несколько сот метров в воздухе, тело человека насквозь, слой свинца толщиной 5 см). для полного поглощения этих лучей необходим слой свинца толщиной более 20 см.

Радиоактивное излучение возникает в результате распада атомных ядер и ведет к превращению атомов излучающего вещества в атомы другого элемента.

Для элементов тяжелых ядер характерен - распад.

Радиоактивный распад ведет к постепенному уменьшению атомов радиоактивного элемента. Этот процесс статистический и для данного ядра можно лишь указать вероятность распада за данное время. Эта вероятность характеризуется коэффициентом (постоянной распада λ).

Основной закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля наличных (т.е. еще не распавшихся) ядер данного элемента.

Следовательно, если вещество содержит N ядер, еще не распавшихся к началу данного промежутка времени, то количество dN ядер, распавшихся за dt время будет равно:

Знак минус указывает на уменьшение со временем величины N. Решением уравнения является экспоненциальная функция

- закон радиоактивного распада, где N₀ - исходное количество ядер (в

момент t=0.