Первинні механізми дії радіоактивного випромінювання і потоків частинок на речовину

Як зазначалося в параграфі 8.2, дія заряджених і частинок радіоактивного випромінювання на речовину зводиться головним чином до збудження та іонізації атомів, тобто переходу електронів атома на більш високі енергетич­ні рівні і відриву електронів від атома. При цьому, якщо енергія і частинок є достатньо великою, то вони мо­жуть вибити електрони з глибоких енергетичних рівнів, що призводить до виникнення характеристичного рентгенівсь­кого випромінювання.

Щодо випромінювання, то первинні механізми його дії на речовину здебільшого подібні до дії рентгенівського випромінювання, а саме: зводяться до фотоефекту і ефекту Комптона. Крім того, для випромінювання великих енер­гій характерним стає процес утворення електронно-позит­ронних пар. Оскільки енергії спокою електрона і позитрона майже однакові (маси їх спокою відрізняються на 0.007%)

то для утворення електронно-позитронної пари і надання цим частинці та античастинці кінетичної енергії необхідно, щоб енергія фотона була більшою, ніж 2W₀ = 1.02 МеВ.

Таким чином, послаблення пучка випромінювання, як і рентгенівського випромінювання, описується законом Бугера (8.35), в якому лінійний коефіцієнт послаблення складається з суми трьох доданків

(8.38)

де перший доданок характеризує послаблення за рахунок явища фотоефекту, другий - комптон-ефекту, а третій -утворення електронно-позитронних пар.

У речовинах з високим атомним номером (наприклад, у свинцю) при енергіях фотонів менших, ніж головним чином відбувається фотоефект, при середніх енергіях - комптон-ефект, а при великих енергіях значен­ня набуває утворення пар. У результаті загальний коефіцієнт послаблення із зростанням енергії фотонів спочатку падає внаслідок зниження фотоефекту, а потім збільшується за рахунок утворення пар.

Для речовин з невисоким атомним номером (наприклад, для води) при енергії фотонів переважає фотоефект, при - ефект Комптона, а при - процес утворення електронно-позитронних пар.

Для повітря фотоефект має значення тільки при енергії фотонів до потім відбувається головним чином комптон-ефект, утворення пар можливе тільки при енергії порядку

Важливо зазначити, що іонізуюча здатність зростає в ряду випромінювання, а проникна здатність у

зворотному ряду випромінювання (див. рис. 8.13).

Рис. 8.13.Відносна іонізуюча та поглинаюча здатність радіоактивного випромінювання.

Для більш детальної характеристики взаємодії радіо­активного випромінювання з речовиною вводять такі вели­чини:

1) питома іонізація - число пар іонів, що утворюються на 1 см шляху частинки в речовині;

2) іонізаційні втрати - зміна енергії частинки на 1 см її шляху в речовині;

3) повний пробіг - відстань R, яку проходить частинка в речовині доти, доки її енергія не стає рівною тепловій енергії ри кімнатній температурі).

Звичайно, ці величини не є постійними і залежать від типу випромінювання та його енергії. Так, для частинок з енергією максимальне значення питомої іонізації в повітрі складає близько пар іонів на шляху, причому це значення досягається не відразу при попаданні частинки в повітря, а після того, як вона пройшла шлях близько 6 см. За цих умов швидкість частинки зменшу­ється настільки, що її іонізуюча здатність стає максималь­ною, а іонізаційні втрати досягають значення

У рідинах типу води та в тілі людини і тварин типові значення повного пробігу частинок звичайно суттєво менші за їх значення в повітрі і складають приблизно Пояснення цього факту пов'язане з тим, що біологічні рідини, як і вода, містять багато атомів водню, маса яких по порядку величини близька до маси а-части-нок. Чим ближче маса частинок, які співударяються, тим ефективніше передається кінетична енергія від однієї частинки до іншої. В цьому випадку так званий коефіцієнт акомодації, що визначає такий процес передачі енергії, пря­мує до одиниці. Саме цим визначається швидке сповільнен­ня β-частинок в організмі людини і тварин, які на 70-80% складаються з рідин, що за своєю консистенцією набли­жаються до води. Іншим прикладом є використання важкої води для сповільнення нейтронів в ядерному реакторі.

Що стосується -частинок, то послаблення їх потоку в речовині відбувається наближено теж за законом Бугера причому внесок в лінійний коефіцієнт по­слаблення потоку випромінювання дають такі процеси, як іонізація і збудження атомів та молекул, гальмівне рент­генівське випромінювання, розсіяння на електронах атомів і молекул тощо. Слід зазначити, що у разі позитронного випромінювання зустріч електронів та позитронів, тобто частинок і античастинок, призводить до реакції анігіляції

внаслідок якої з'являються 2 кванти, які через закон збере­ження імпульсу розлітаються під кутом 180° один до одного. При середніх значеннях енергії частинкам в організмі людини і тварин (маються на увазі, звичайно, електрони) притаманні значно більші значення повного пробігу , ніж а-частинкам, а саме: мм. Більша проникна здатність /?-частинок пояснюється меншою їх масою та суттєво меншими

іонізаційними втратами і питомою іонізацією (для реляти­вістських частинок, тобто електронів, які рухаються зі швидкістю, що близька до швидкості світла, питома іоніза­ція складає приблизно 50 пар іонів на 1 см шляху).

Питания про послаблення випромінювання обговорю­валося раніше у зв'язку з формулою (8.38). Додаткова увага буде приділена цьому питанню далі в лабораторній роботі "Визначення коефіцієнта лінійного послаблення γ-випромінювання".

До іонізуючого випромінювання відносять також про­тони і нейтрони. Швидкість і енергія протонів, що утворю­ються при ядерних реакціях, а також їх проникна та іонізуюча здатності близькі до відповідних величин альфа-частинок. Нейтрони, що викидаються при ядерних реакціях, мають початкову швидкість порядку і енергію до У зв'язку з відсутністю заряду первинна іонізуюча здатність у них низька, проникна відповідно досить висока.

Іонізуючий ефект від дії нейтронів на речовину є наслідком, головним чином, вторинних процесів. При взаємодії нейтронів з ядрами атомів можуть відбуватися пружне розсіяння, непружне розсіяння і захват нейтронів ядрами (радіаційне захоплення). При непружних взаємо­діях, особливо з ядрами легких елементів, нейтрон передає ядру частину кінетичної енергії. За рахунок отриманої енергії ядро, що в даному випадку називається ядром віддачі, викликає вторинну іонізацію, яка через наявність у ядрі електричного заряду може бути досить інтенсивною. Оскільки тканини організму містять багато водню, то швидкі нейтрони легко втрачають в них свою енергію і, утворюючи ядра віддачі (протони), викликають значну іонізацію. При суттєвих передачах енергії при непружних взаємодіях ядер з нейтронами відбувається збудження ядра, внаслідок чого воно випромінює один або кілька фотонів. Якщо нейтрон поглинається ядром, то відбувається ядерна реакція. Зазвичай це перетворення ядра в радіоактивний ізо­топ з наступним розпадом та випромінюванням γ-фотонів. При цьому в біологічних тканинах часто утворюються

Дейтерій за реакцією

радіоактивні ізотопи натрію за реакцією

а також радіовуглець за реакцією (8.20) та ін.

При дії іонізуючих випромінювань може відбуватися також порушення структури молекул речовини. Зокрема, можна відзначити радіоліз води, який полягає в іонізації, а потім розпаді іонізованої молекули води з утворенням ненасичених радикалів Н і ОН, які не несуть електричних зарядів, але мають ненасичені валентності і тому мають виключно високу хімічну активність.