Взаимодействие радиоактивных излучений с окружающей средой

Альфа- и бета-частицы вызывают в основном ионизацию окружающей среды, т.е. образование положительных ионов и свободных электронов вследствие вырывания электронов из внешних оболочек атомов.

При прохождении через вещество гамма-кванты взаимодействуют с электронами атомов, что сопровождается в основном тремя физическими явлениями.

А. Фотоэлектрическим поглощением (фотоэффектом), происходящим при взаимодействии гамма-квантов малых энергий (мягкое гамма-излучение с энергией меньше 0,5 МэВ) с атомами плотного вещества. В результате из атомов выбиваются электроны, а среда ионизируется. Атом, потерявший электрон, оказывается в возбуж- денном состоянии и способен заполнять освободившийся уровень одним из электронов внешней оболочки. Это сопровождается испусканием кванта характеристического (рентгеновского) излучения. Поглощение гамма-квантов на единице длины пути пробе- га можно выразить через коэффициент поглощения μФ.

Б. Комптоновским взаимодействием (рассеянием) гамма-квантов повышенных энергий (>0,5 МэВ) с атомами легкого вещества. В результате гамма-квант передает часть энергии электрону, отклоняется от своей прямолинейной траектории распростра- нения и происходит так называемое неупругое рассеяние, сопровождающееся погло- щением энергии. Его можно охарактеризовать коэффициентом поглощения μК.

В. Образованием электронно-позитронных пар при взаимодействии гамма- квантов высоких энергий (>1 МэВ) с полем ядра атома. При этом гамма-квант отдает энергию и поглощается. Коэффициент такого поглощения μЭ.

Существуют и другие взаимодействия гамма-квантов (фотонейтронный эффект, релеевское рассеяние на связанных электронах атомов и др.). В целом за счет всех эф- фектов линейный коэффициент поглощения гамма-квантов в породе, содержащей и легкие, и тяжелые элементы, можно описать формулой

μV = μФ + μК + μЭ. (5.2)

Таким образом, μV является гамма-параметром горных пород.

Нейтронное излучение характеризуется следующими взаимодействиями с ядрами элементов окружающей среды.

А. Неупругим рассеянием быстрых нейтронов на ядрах тяжелых элементов, приводящим к их возбуждению. При переходе ядра в основное первоначальное состоя- ние оно излучает гамма-квант.

Б. Упругим рассеянием быстрых нейтронов на ядрах легких элементов, приво- дящим к передаче энергии нейтронов ядрам, а в результате к их замедлению тем боль- шему, чем меньше массовые числа среды. Замедленные до тепловой энергии нейтроны поглощаются ядрами, т.е. происходит радиационный захват нейтронов. Процесс по- глощения сопровождается испусканием гамма-квантов.

Таким образом, нейтроны в горной породе замедляются в результате взаимодей- ствия с ядрами. Это замедление можно охарактеризовать коэффициентом ослабления μn . Когда энергия нейтронов уменьшается до тепловой, происходит их захват атомами, сопровождающийся гамма-излучением, т.е. наведенной радиоактивностью. Результа- тивное количество тепловых нейтронов и вторичное гамма-излучение зависят от пер- вичной энергии нейтронов, нейтронных свойств горных пород и расстояния до источ- ника.