Страница 12 из 19
Различают два типа взаимодействия – упругое и неупругое. При упругом взаимодействии сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц (или фотонов и частиц) не изменяется, происходит лишь перераспределение энергии между участниками взаимодействия. Такие процессы не представляют для нас интереса (кроме случая, когда и результате упругого взаимодействия часть энергии γ-кванта передается свободному электрону). При неупругом взаимодействии сумма кинетических энергий участников взаимодействия уменьшается, так как часть кинетической энергии переходит в другие формы (энергию возбуждения, энергию разрыва связей и т. п.) и в конечном счете рассеивается в виде теплоты и длинноволнового излучения.
Для характеристики энергии, поглощенной в единице массы облучаемой среды, используют величину, называемую поглощенной дозой излучения (или просто дозой излучения). От уровня дозы зависит, в частности, степень биологического действия излучения. Вопросы, связанные с изучением воздействия радиоактивных излучений на организм человека (элементы радиобиологии и радиационной медицины), измерением и расчетом доз ионизирующих излучений (дозиметрия), а также организацией защиты от ионизирующих излучений, стали предметом специальной дисциплины – радиационной безопасности.
Заряженные частицы (α-, β-) непосредственно оказывают сильное ионизирующее действие на вещество, в котором распространяется излучение: их неупругое взаимодействие с электронами атомов и молекул среды сопровождается потерями энергии на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Взаимодействие γ-квантов со средой приводит к образованию относительно небольшого числа первичных электронов (а в некоторых случаях и позитронов), которые вызывают дальнейшую ионизацию среды. Поэтому γ-излучение часто называют косвенно ионизирующим.
Ионизирующее действие излучения характеризуют линейной ионизацией – числом пар ионов, образуемых частицей или γ-квантом на единицу длины пути.
Ионизирующее действие излучений широко используется для их регистрации. С ионизирующим действием связан ряд вторичных эффектов, которые также используются для регистрации излучения или измерения доз, создаваемых радиоактивными веществами.
Возбужденные атомы и молекулы, которые вместе с ионами образуются вдоль пути ионизирующей частицы, могут переходить в основное состояние, испуская электромагнитное излучение. У некоторых веществ часть спектра этого излучения лежит в видимой или ультрафиолетовой области, поэтому прохождение излучения через такие вещества сопровождается короткой вспышкой (сцинтилляцией). На этом принципе основаны сцинтилляционные методы регистрации излучения.
Энергия возбуждения многоатомных молекул может расходоваться на их диссоциацию с образованием химически активных атомов и радикалов. Далее возможны столкновения возбужденных атомов и радикалов между собой и с другими молекулами, в результате чего протекают различные химические реакции, в частности реакции окисления – восстановления. Так, например, в слабом водном растворе серной кислоты, содержащем ионы Fe2+, в процессе облучения происходит накопление ионов Fe3+. Этот принцип использован в работе химических дозиметров, предназначенных для измерения больших доз.
Одним из видов химического действия ядерных излучений является их способность воздействовать на фотографические эмульсии; на этом основаны фотографические (радиографические) методы регистрации излучений.
Основная часть энергии ядерного излучения, поглощаемого веществом, рассеиваясь, в конце концов превращается в теплоту. На определении количества теплоты, пропорционального количеству частиц или квантов и их энергии, базируются калориметрические методы регистрации излучений.
От характера взаимодействия излучения с веществом зависит проникающая способность излучения, знать которую необходимо для решения многих задач (таких, как выбор метода регистрации излучения, оценка абсолютной радиоактивности препарата по результатам радиометрических определений, расчет толщины защитных экранов). Далее будут более подробно рассмотрены вопросы поглощения (ослабления) излучения в веществе.
1.4.2. Взаимодействие α-излучения с веществом
При прохождении α-частиц через вещество их энергия расходуется главным образом на взаимодействие с электронами атомов и молекул среды, что приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул. α-частицы обладают большой линейной ионизацией – в среднем они создают в воздухе примерно 4 104 пар ионов на 1 см пути.
Чтобы оценить проникающую способность заряженных частиц, пользуются понятием пробега. Пробегом α-частиц называется длина траектории (трека) в данном веществе. Треки α-частиц обычно прямолинейны. Это связано с тем, что масса α-частицы примерно в 7000 раз больше массы электрона. Взаимодействуя с электронами среды, α-частицы получают импульс, который слишком мал, чтобы заметно отклонить их от прямолинейного пути.
На рис. 1.6. показано распределение числа α-частиц в параллельном пучке в зависимости от толщины поглощающего слоя. Не все α-частицы с равной начальной энергией имеют одинаковый пробег, что вызвано статистическими флуктуациями как в числе соударений, так и в потере энергии при каждом соударении. Обычно пользуются значением среднего пробега α-частиц в веществе, который определяется как абсцисса точки перегиба правого участка кривой, изображенной на рис. 1.6..
Проникающая способность α-частиц мала. Их средние пробеги в воздухе при нормальных условиях не превышают 10 см. α-частицы с такими энергиями полностью поглощаются листом писчей бумаги.
Рис. 1.6. Зависимость числа n α-частиц, прошедших слой поглотителя, от расстояния l, Rcp – средний пробег α-частиц. Пунктиром показана производная этой зависимости.
1.4.3. Взаимодействие β-излучения с веществом
1. Потери энергии β-излучением. Как и α -частицы, β-частицы расходуют свою энергию в основном на ионизацию и возбуждение атомов и молекул вещества, в котором распространяется излучение. Кроме того, β -частицы могут терять энергию при замедлении их в поле ядер, что вызывает появление квантов электромагнитного излучения (так называемое тормозное излучение). Потери энергии на тормозное излучение пропорциональны кинетической энергии электрона и квадрату атомного номера поглощающего материала Z2. В свинце, например, потери энергии на тормозное излучение становятся равны потерям на ионизацию при начальной энергии электронов Е=10 МэВ. Для β-частиц, испускаемых обычно употребляемыми радионуклидами, потери энергии на это излучение крайне малы по сравнению с ионизационными потерями.
Линейная ионизация, создаваемая β-частицами, примерно в 1000 раз меньше линейной ионизации α-частиц такой же энергии. В связи с этим β-частицы обладают значительно большей проникающей способностью.
2. Максимальный пробег β-частиц. При взаимодействии с электронами поглощающего вещества β-частицы легко рассеиваются. Их действительные траектории оказываются в 1,5–4 раза больше толщины поглощающего слоя. Пробег β-частицы нельзя однозначно характеризовать длиной ее трека, как это было сделано в случае α-излучения: явление рассеяния приводит к тому, что даже электроны с одинаковой начальной энергией проходят в веществе различные по протяженности пути, которые в твердом поглотителе практически невозможно определить. Дело осложняется еще наличием непрерывного спектра β-излучения. Поэтому проникающую способность β-излучения характеризуют значением максимального пробега β-частиц Rmax. (от англ. «range» – пробег). Максимальный пробег определяется как минимальная толщина поглотителя, при которой полностью задерживаются β-частицы с начальной энергией, равной максимальной энергии β –спектра.