Эффект Мёссбауэра используется для нахождения времени жизни возбужденных состояний ядер; для определения спина ядра и магнитного момента; для изучения динамики кристаллической решетки и исследования внутренних электрических и магнитных полей в кристаллах.

Контрольные вопросы

1.Что называется радиоактивностью? Какие типы радиоактивности существуют?

2.Выведите формулу закона радиоактивного распада.

3.Что называется периодом полураспада, постоянного рас-

пада?

4.Дайте понятие активности и единицы измерения актив-

ности.

5.Опишите α-распад.

6.Опишите β-распад и энергетический спектр β-распада.

7.Чем обусловлено γ -излучение? Опишите прохождение

γ-лучей через вещество.

8.Опишите эффект Мёссбауэра.

3.ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ И ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ИИ) С ВЕЩЕСТВОМ

Ионизирующее излучение (ИИ) представляет собой поток частиц или электромагнитных квантов, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул. ИИ являются потоки электронов, позитронов, протонов, дейтонов, α -частиц и других заряженных частиц, а также потоки нейтронов,

рентгеновского и γ -излучения. Понятие ИИ не включает в себя

видимый свет и УФ-излучение.

Различают корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля, и электромагнитное излучение (рентгеновское и γ -излучение). Эти виды излучения различаются коли-

чеством высвобождаемой энергии и обладают соответственно разной проникающей способностью, оказывая различное влияние на ткани организмов. Характеристиками ИИ являются: тип частиц; их энергия; направление распространения; интенсивность; энергетическое, пространственное и временное распределение.

48

Взависимости от состава излучения различают однородное

исмешанное ИИ. Излучение, состоящие из частиц одного вида, является однородным, из двух и более видов – смешанным.

Моноэнергетическое ИИ создается частицами с одинаковой

энергией. Если энергия частиц различна, излучение является немоноэнергетическим. Примерами последнего являются β -излу-

чение и тормозное излучение. Примером моноэнергетического излучения может служить вылет α -частицы определенной энергии

при распаде радионуклидов.

По характеру распространения в пространстве выделяют направленное и ненаправленное излучения. Если в рассматриваемую точку пространства излучение приходит только по одному направлению, то такое излучение является направленным. Излучение, приходящее в рассматриваемую точку по нескольким направлениям, называется ненаправленным. Вид ненаправленного излучения, не имеющего преимущественного направления распространения, принято называть изотропным. К направленному излучению относится, например, излучение точечного источника или пучка частиц из ускорителя, а к ненаправленному – рассеянное излучение.

При прохождении ИИ через вещество принято выделять две его составляющие: первичное и вторичное излучения.

Первичным ИИ называется излучение, состоящее из частиц, которые получены на ускорителе или из источников радиоактивного излучения.

Вторичным ИИ называются виды излучения, образующиеся при взаимодействии первичного излучения с веществом.

Для вторичного излучения характерны следующие особенно-

сти:

-его интенсивность пропорциональна интенсивности первичного излучения;

-энергетическое и пространственное распределение частиц вторичного излучения не зависит от аналогичных характеристик первичного излучения.

Примером вторичного излучения является тормозное излучение, образующееся при облучении мишени протонами.

Ионизирующее излучение вызывает в организме сложные фи- зико-химические изменения и взаимодействия, модификацию важных молекул. Реакция на них может произойти немедленно или через десятилетия после облучения (гибель клеток, генетиче-

49

ские аномалии, рак и т.д.). Степень опасности радиационного воздействия зависит от типа излучения, величины энергии излучения, периода полураспада и от того, какая часть энергии излучения передастся тканям организма.

3.1. Прохождение ядерных заряженных частиц через вещество

Различные виды радиации по-разному взаимодействуют с веществом в зависимости от типа испускаемых частиц, их заряда, массы и энергии. Заряженные частицы возбуждают и ионизируют атомы вещества. Нейтроны и γ -кванты, сталкиваясь с электрона-

ми и ядром атомов в веществе, передают им свою энергию и ионизируют их. В случае γ -квантов возможно также рождение элек-

трон-позитронных пар.

Вторичные заряженные частицы: электроны, протоны, α -час- тицы, возникающие при взаимодействии с атомами вещества, тормозясь в веществе, вызывают вторичную ионизацию атомов. Воздействие излучения на вещество на промежуточном этапе приводит к образованию быстрых заряженных частиц и ионов. Радиационные повреждения вызываются в основном этими вторичными частицами, так как они взаимодействуют с бóльшим количеством атомов, чем частицы первичного излучения. В конечном итоге энергия первичной частицы трансформируется в кинетическую энергию вторичных заряженных частиц большого количества атомов вещества и приводит к его разогреву и ионизации. Процесс потери частицей энергии в результате ионизации атомом вещества называют ионизационным торможением.

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

∆Emax = me2V 2 . Проходя через вещество, заряженная частица со-

вершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Тормозная способность вещества может быть охарактеризована

величиной удельных ионизационных потерь (– dEdx )ион = Sион,

50

МэВ/см, которые представляют собой отношение энергии dE заряженной частицы, теряемой на ионизацию атомов вещества при прохождении отрезка dx , к длине этого отрезка. Удельные ионизационные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы и особенно резко перед остановкой в веществе (рис. 16).

Этот эффект (пик Брэгга) используется в терапии рака, где очень важно обеспечить максимальное выделение энергии в глубоко расположенной опухоли, причиняя при этом минимальный вред окружающей здоровой ткани.

Для определенной среды и частицы с данным зарядом величина (– dEdx )ион = Sион является функцией только кинетической

Рис. 16. Зависимость тормозной способности биологической ткани для протонов с начальной энергией 400 МэВ от глубины проникновения протонов в слой вещества. Численные значения над кривой

–энергия протона (в МэВ) на различной глубине проникновения.

Вконце пробега – пик Брэгга

Проинтегрировав от 0 до Emax, можно получить полный пробег частицы, то есть полный путь R, который заряженная частица проходит до остановки и полной потери кинетической энергии:

51

где β = Vc – относительная скорость частицы; Z – зарядовое число;

А – массовое число; ρ – плотность вещества; z – заряд частицы в относительных единицах.

Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами, поэтому они мало отклоняются от первоначального движения, так как их масса значительно больше, чем масса электрона. Пробег R тяжелой частицы в веществе измеряется расстоянием по прямой от источника частиц до места их остановки. Обычно R тяжелых частиц измеряют в м, см, мм, мкм.

Средний пробег моноэнергетической α -частицы c кинетической энергией Еα можно рассчитать эмпирически:

в воздухе при нормальных условиях: если 4 < E < 9МэВ, то

Rα = 0,318Eα1,5 , и если 9 < Eα ≤ 200 МэВ, то Rα = 0,148Eα1,8 ;

в веществе с массовым числом А и плотностью ρ:

где Rαв – пробег α -частицы той же энергии в воздухе, см.

Пробег протонов в воздухе Rр, см, при нормальных условиях составляет

Rр = ( Rα(4Ер) – 0,2),

где Rα(4Ер) – пробег α -частицы с энергией Еα = 4Ер в воздухе.

52

Для воды эмпирическое соотношение между энергией частицы Е и ее пробегом в веществе R приближенно записывается в виде

R = aE p . Значения коэффициентов α и р приведены в табл. 2.

Отношение линейных пробегов двух типов частиц с зарядами z1e и z2e, начинающих движение в воздухе с одинаковыми скоростями, определяется как

где E1 = m1 E2 ; m1, m2 , E1, E2 − массы и энергии частиц. m2

В экспериментальной ядерной физике часто вместо линейного пробега используют массовый пробег Rm , г/см2 , численно рав-

ный массе вещества, заключенной в цилиндре, высота которого равна линейному пробегу частицы R, а площадь поперечного сечения составляет 1 см2, т.е.

Rm = ρR , где ρ – плотность вещества, г/см3.

Массовый пробег Rm для заряженной частицы не зависит от

Пример.

Допустим, нужно определить линейный пробег альфа-частицы

3,51 см. Тогда массовый пробег α -частицы в воздухеRmα = ρвоздRα =

53