29. Радиоактивный распад, взаймодействие гамма-квантов с веществом.

РАДИОАКТИВНОСТЬ — способность некоторых атомных ядер самопроизвольно распадаться с испусканием элементарных частиц и образованием ядра другого элемента. Существует 3 вида излучения радиоактивных элементов α, β и γ-лучей. Было установлено, что α-лучи — это положительно заряженные ионы гелия, β-лучи —отрицательно заряженные электроны, а γ-лучи — поток электромагнитного излучения, аналогичного рентгеновым лучам. В настоящее время хорошо установлены и изучены 3 типа радиоактивного распада: α-распад, β-распад и спонтанное деление. Распад любого радиоактивного вещества происходит так, что если в какой-то момент времени имеется N радиоактивных ядер определенного вещества, то из них в единицу времени распадается λN ядер, где λ — постоянная распада, характерная для данного радиоактивного вещества. Из этого следует закон убывания числа атомных ядер данного вещества со времени. Экспоненциальный закон радиоактивного распада носит статистический характер, т. е. выполняется для большого числа ядер.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-КВАНТОВ С ВЕЩЕСТВОМ

При прохождении через вещество гамма-кванты взаимодей­ствуют с атомами, электронами и атомными ядрами среды. При этом они или поглощаются целиком, или теряют часть своей энергии, изменяя направление распространения, т. е. рассеива­ются, что приводит к ослаблению интенсивности гамма-излу­чения.

Для гамма-квантов характерны следующие процессы взаи­модействия с веществом: 1) фотоэлектрическое поглощение атомами вещества (фотоэффект); 2) упругое рассеяние на связанных электронах вещества (релеевское рассеяние); 3) неупругое рассеяние на электронах вещества (комптоновское взаимодействие); 4) полное поглощение в поле ядра, сопровождающееся образованием электронно-позитронной пары (эффект образования пар); 5) ядерный фотоэффект; 6) упругое и неупругое рассеяние на ядре и т. д.

Регистрируемая интенсивность гамма-излучения горных пород зависит в основном от трех физических явлений: фотоэффекта, эффекта Комптона и эффекта образования электронно- позитронной пары. Любой из этих процессов взаимодействия носит вероятностный характер и, следовательно, определяется средним сечением взаимодействия, которое измеряется в единицах площади.

Фотоэффект. Этот эффект характерен для гамма-квантов с энергиями не более 0,5 МэВ. Гамма-квант при прохождении через вещество может вступить во взаимодействие с электро¬нами атомов этого вещества. Гамма-квант передает всю свою энергию и полностью поглощается, а электрон выбрасывается за пределы атома. При фотоэффекте гамма-квант может выбить связанные электроны, энергия связи Е_i которых меньше энергии самого гамма-кванта Е_γ. Такой процесс вырывания электрона из атома фотоном называется фотоэффектом, а вырываемые электроны — фотоэлектронами. Атом, по­терявший электрон, оказывается в возбужденном состоянии. Освободившийся уровень энергии в атоме заполняется одним из наружных электронов, при этом испускается квант характе­ристического (рентгеновского) излучения, т. е. фотоэффект сопровождается характеристическим излучением.

Комптоновский эффект. Комптоновское взаимодействие (поглощение и рассеяние) характерно для гамма-квантов всех энергий, свойственных гамма-излучению естественных радиоактивных элементов, и для большей части природных поглотителей при E_γ = 0,2:3,0 МэВ является основным механизмом взаимодействия гамма-квантов с веществом.

Комптоновское взаимодействие происходит на электронах при энергиях гамма-квантов, значительно превышающих энергию связи электронов на электронных орбитах. При этом гамма-квант вступает во взаимодействие со свободными или слабосвязанным электроном и в результате неупругого соударения с электроном передает последнему часть своей энергии и импульса, а сам изменяет свое направление, приобретает энергию. Электрон выбрасывается из атома под углом к направлению падающего гамма-кванта. С увеличением энергии гамма-квантов угол их отклонения от первоначального направления при комптоновском взаимодействии закономерно уменьшается.

Образование электронно-позитронных пар. С увеличением энергии гамма-квантов быстро уменьшается фотоэлектрическое поглощение, несколько медленнее — комптоновское взаимодей­ствие. При энергии 1,02 МэВ и больше образуются пары частиц (электрон — позитрон). Электронно-позитронные пары образуются при взаимодействии гамма-квантов с гравита­ционным полем ядра за счет поглощения энергии гамма-кван­тов.

Электрон и позитрон вылетают из атома химического эле­мента под некоторыми углами направлению гамма- кванта, при больших энергиях — почти в на­правлении распространения падающих гамма-квантов.

Таким образом, при взаимодействии гамма-квантов с веще­ством часть энергии первичного гамма-излучения поглощается при образовании электронов отдачи, фотоэлектронов и пар электрон — позитрон, а часть сохраняется в виде энергии рас­сеянного гамма-излучения. Ионизация на пути распространения гамма-излучения происходит в основном за счет вторичных электронов, возникающих при взаимодействии гамма-излучения с веществом.

При прохождении гамма-квантов в горной породе наиболее вероятна следующая трансформация энергии: многократное комптоновское рассеяние до 0,1—0,05 МэВ с передачей атом­ным электронам, затем поглощение гамма-кванта при фотоэф­фекте.