5.1 Взаимодействие альфа – частиц с веществом

Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют главным образом с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов. Максимальная энергия, которая может быть передана в одном акте взаимодействия тяжелой частицей, движущейся со скоростью v << с, неподвижному электрону, равна:

Е_макс = 2m_ev² (5.1)

Основными силами взаимодействия α – частиц с веществом являются кулоновские силы. Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию.

Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных потерь dE/dx. Удельные ионизационные потери представляют собой отношение энергии Е заряженной частицы, теряемой на ионизацию среды при прохождении отрезках, к длине этого отрезка.

Так для альфа-излучения выражение для ионизационных потерь имеет следующий вид:

, (5.2)

где Z_α – заряд α – частицы;

v – средняя скорость частицы см/с;

Z – атомный номер поглотителя;

m_e – масса покоя электрона;

n_A – число атомов поглотителя в 1 см³ поглотителя; n_A = N₀·ρ/A, где N₀ – число Авогадро, ρ – плотность, г/см³ поглотителя, А – атомная масса поглотителя.

B – коэффициент торможения.

После замены в n_A = N₀·ρ/A и объединения постоянных в К получим:

,(5.3)

Как видно из этой формулы тормозная способность среды в отношении заряженных частиц пропорциональна плотности среды и порядковому номеру атомов поглотителя

Удельные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы и особенно резко перед остановкой в веществе. Этот эффект используется в терапии рака, где очень важно обеспечить максимальное выделение энергии в глубоко расположенной опухоли, причиняя при этом минимальный вред окружающей здоровой ткани.

Основными процессами при взаимодействии альфа- частиц с веществом являются процессы ионизационного торможения.

Благодаря разнице масс взаимодействующих частиц (m_α = 7350 м.е.), альфа – частица практически не отклоняется от первоначального направления, траектория движения ее прямолинейна (за исключением случаев прохождения вблизи ядра или столкновения с ним). Пройдя определенный для данного радионуклида путь, альфа – частица теряет энергию на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды.

Ионизация атомов среды альфа-частицами возможна только тогда, когда энергия отдаваемая альфа-частицей электрону больше энергии его связи с ядром (энергии ионизации атома).

Как только альфа-частица замедляется после прохождения некоторого пути в веществе, ее кинетическая энергия стала меньше потенциала ионизации атомов окружающей среды, дальнейшее уменьшение ее энергии происходит за счет возбуждения атомов и молекул. Механизм такого возбуждения сводится к взаимодействию электронных оболочек атомов с α – частицей без выбивания электронов. При этом происходит их переход на более высокий энергетический уровень. В конечном счете, вся энергия возбуждения переходит в тепловую. Вещество, через которое проходит α – частица нагревается. Иногда наблюдается люминисценция некоторых соединений.

Для определенной среды и частицы с данным зарядом Z величина dE/dx является функцией только кинетической энергии: dE/dx=(E). Проинтегрировав это выражение по всем значениям Е от 0 до Е_max, можно получить полный пробег частицы, то есть полный путь (R), который заряженная частица проходит до остановки и полной потери кинетической энергии:

Путь, который проходит α – частица до полной потери энергии, называется длиной пробега, является константой, характеризующей α – излучение и, обозначается R. Понятием R пользуются для оценки проникающей способности α – частиц. Пробег R измеряется в см или в массовой толщине (d) (г/см²) поглотителя.

Длина пробега в воздухе и энергия α – частицы взаимосвязаны эмпирическим соотношением:

, (5.4)

где K – постоянная, равная 0,318, а Е – энергия альфа – частицы, МэВ;

Пробег α – частиц в воздухе для всех α – частиц колеблется от 2,5 до 8,5 см.

Поэтому α – частицы даже самой большой энергии поглощаются даже листом бумаги.

Из всех известных частиц, испускаемых радиоактивными атомами, альфа – частицы обладают наибольшей ионизационной способностью. В воздухе при нормальных условиях α – частица образует 150-250 тысяч пар ионов на 1 см пути.

Независимо от того, по какому пути идет взаимодействие альфа-частиц с веществом, заторможенные до обычных молекулярных скоростей, они последовательно присоединяют два электрона и превращаются сначала в одноименно заряженные ионы, а затем в атомы гелия.

Таблица 5.1 Пробеги альфа-частиц в воздухе, биологической ткани, алюминии.

Энергия -частиц, МэВ	4	6	8	10
воздух, см	2.5	4.6	7.4	10.6
Биологическая ткань, мкм	31	56	96	130
алюминий, мкм	16	30	48	69

За счет энергии, выделяющейся при торможении альфа- частиц в веществе, в нем возможны различного рода изменения. Например, люминисценция некоторых веществ или тепловой эффект. Кроме того, под воздействием альфа-излучения различной энергии могут в веществе могут присходить химические превращения (разложение воды с образование различных радикалов и молекул, разложение или полимеризация органических молекул).

Альфа-лучи обладают физиологическим действием. На коже вызывает ожоги и воспалительные процессы. Попадание альфа-радиоактивных веществ внутрь организма может привести к смертельному исходу, так как в этом случае вся энергия частиц передается ткани организма, в результате чего в ней возникают необратимые процессы.