Природа і властивості радіоактивних випромінювань

Радіоактивність – природне явище, яке проявляється у спонтанному процесі розпаду ядер певних хімічних елементів і супроводжується випромінюванням заряджених часток і гама-квантів. До цих часток відносяться альфа-, бета-випромінювання, а також нейтринне, гамма-випромінювання і, за певних умов, випромінювання нейтронів.

Ядра хімічних елементів складаються з нуклонів: позитивно заряджених протонів і нейтральних нейтронів. У свою чергу нуклони складаються з мезонів. Постійний обмін енергією між мезонами обумовлює ядерні сили зчеплення між нуклонами, які діють на відстанях 10^-13 см.

Енергія альфа-частки (a) в ядрі змінюється у певних межах. Її величина нижча ніж енергетичний рівень ядра, що утримує її в ядрі. Залишити ядро вона може тільки завдяки так званому тунельному ефекту, коли її енергія в певні моменти часу буде відповідати одному з енергетичних станів ядра, або тоді коли її енергія буде перевищувати енергетичний бар’єр ядра. В зв’язку з цим, однією з характерних властивостей a-часток конкретного радіоактивного елемента є енергія і довжина пробігу. Це дозволило Гейгеру і Неттону встановити залежність між довжиною пробігу a-часток – R і постійною розпаду елемента l:

lnR=A+Blnl,

де А і В постійні.

Моноенергетичний характер a-випромінювання певних елементів слугує їх діагностичною ознакою.

Завдяки подвійному позитивному електричному заряду і значній масі, яка у 7300 разів більша за масу електрона, a-частка, взаємодіючи із електронами, іонізує на своєму шляху оточуюче середовище. Із збільшенням густини середовища пробіг a-частки зменшується і складає для пухкої породи біля 1 мм, а в алюмінії – 0,05 мм. Величину пробігу a-частки в будь-якому середовищі можливо визначити із виразу

,

де R₀ - довжина шляху a-частки в повітрі, r - густина поглинаючою речовини, А – її атомна вага.

Бета частки (b) це електрони і позитрони значних енергій. Їх енергетичний спектр, на відміну від a-часток, досить значний, що пояснюється їх природою, ядерними перетвореннями нуклонів. При перетворенні нейтрона у протон ядро випромінює електрон, а при перетворенні протона у нейтрон з ядра випромінюється позитрон. Ці перетворення супроводжуються випромінюванням нейтрино, яке виносить значну (до 2/3) енергію ядерного перетворення.

Характерною особливістю -випромінювання конкретного елемента є те, що максимальна енергія його випромінювання в спектрі – E_max, яка зв’язана з постійною розпаду ядра цього елемента виразом Це також є діагностичною ознакою даного елемента.

При проходженні b-часток через речовину спостерігається їх взаємодія з його атомами і молекулами. В залежності від енергії b-часток ця взаємодія може мати різний характер: збудження, іонізація, пружні взаємодії. Приблизно 2/3 енергії b-часток витрачається на процес збудження атомів. Перехід їх у нормальний стан супроводжується випромінюванням фотонів (рентгенівське або гамма-випромінювання). Приблизно третина b-випромінювання, яке залишилося і на долю якого приходиться основна частина жорсткого випромінювання, витрачається на іонізацію атомів. Лише незначна частина енергії b-випромінювання, яке залишилося, витрачається на пружні взаємодії, при яких вся їх енергія передається електронам.

Пробіг b-часток у речовині залежить від їх енергії і густини середовища (r) і може бути підрахований з виразу:

R=0,56E_max–0,16rd,

де d – товщина шару речовини.

В повітрі b-частки з енергією 1-3 МеВ мають пробіг 3-13 м, а з енергією 0,5 – 1 МеВ – 1,5 –3 м. У пухких породах шлях пробігу становить біля 1 см, в алюмінії – 5,5 мм, у свинці – 1,4 мм.

Гама-випромінювання (g) - це електромагнітне випромінювання досить високих енергій. У природних радіоактивних елементах воно відбувається завдяки процесам розпаду і перетворенню ядер, внаслідок яких вони переходять у збуджений стан. Перехід у нормальний енергетичний стан супроводжується g-випромінюванням, яке виносить з ядра енергію збудженого стану. Характерним для гамма-випромінювання радіоактивних елементів є їх суцільний спектр енергій, в якому діагностичне значення має максимальна енергія випромінювання.

Завдяки відсутності електричного заряду g-випромінювання має значну проникну здатність. Так, у повітрі на відстані 115 м спостерігається 0,5% первинного g-випромінювання, а на відстані 760 м – 0,1 %. Це є підставою для створення дистанційних методів реєстрації g-квантів (аеро, -автогама методи). Поглинання g-випромінювання при проходження через шар речовини пропорційне інтенсивності випромінювання I:

dI=mIdx,

або для моноенергетичного g-випромінювання:

I=I_oe^-mx,

де m - лінійний коефіцієнт поглинання g- квантів, який відповідає ймовірності їх поглинання на одиницю шляху в речовині х (см^-1).

Із всієї різноманітності типів взаємодій g-квантів із речовиною основними є: фотоефект, комптонівське розсіювання і утворення пар. Перші два типи характеризують взаємодію g-квантів з електронами, третій тип – з ядрами атомів.

Фотоефект , або фотоелектричне поглинання це така взаємодія g-кванта з електронами атома, при якій вся його енергія hn передається електрону. Частина цієї енергії втрачається на відрив електрона від атома (Еh), та що залишилася – на передачу йому кінетичної енергії (Е_к= ), тобто hn=Е_н+Е_к, де Е_н – енергія зв’язку електрона з атомом, V – швидкість фотоелектрона, М_в- його маса.

Фотоефект відбувається при відносно малій енергії g-кванта. Із збільшенням енергії ймовірність фотоефекту зменшується. Енергія фотоефекту відносно збільшується для елементів з великими атомними номерами. Найбільша ймовірність фотоефекту проявляється для електронних орбіт К і L, що використовується при аналізі речовинного складу порід і мінералів за допомогою рентгенорадіометричного і рентгенофлюорисцентного аналізу.

Комптоновське розсіювання полягає в передачі частини енергії g-квантом електрону, подібно удару двох куль. При цьому g-квант змінює не тільки свою енергію, але і напрямок свого руху, відповідно виразу ,

де С – швидкість світла , m_о – маса покою електрона, Е_n- початкова енергія g-кванта (до взаємодії), Q – кут розсіювання g-кванта (рис. 5.4(а)).

Рисунок 5.4 – Взаємодія g-випромінювання із речовиною (а – комптонівське розсіювання; б – утворення пар)

Передана електрону частина енергії g-кванта витрачається на його збудження. Якщо вона більша енергії зв’язку електрона з атомом, то він звільняється з атома і приймає участь в іонізації речовини. В інтервалі енергій 0,5 – 5 МеВ комптонівське розсіювання є переважним процесом взаємодії g-кванта з речовиною при будь-якому атомному номері Z, особливо для елементів з Z<15-20. Оскільки енергія g-кванта при комптонівському розсіянні майже завжди більша енергії зв'язку електрона з атомом, то іонізація (радіоактивність) буде залежати від кількості електронів в речовині, тобто від її густини і відношення . Величина речовини відносно мало змінюється. З зміною складу речовини (при переході від легких елементів до важких воно змінюється приблизно на 20 %). Тому можна стверджувати, що імовірність взаємодії g-квантів з електронами майже повністю залежить від густини речовини (r). Ця можливість використовується для визначення густини порід і мінералів шляхом вимірів радіоактивності за рахунок комптонівського (або некогерентного) розсіювання. При зменшенні енергії g-квантів менше 0,1 МеВ провідним процесом взаємодії із електронами буде фотоефект (когерентне розсіювання).

Утворення пар. Це процес взаємодії g-квантів, який відбувається з ядрами атомів, коли їх енергія буде перевищувати сумарну енергію спокою електрона і позитрона (1,02 МеВ). Роль цього типа взаємодії g-кванта зростає із збільшенням атомного номера речовини і енергії g-кванта. При передачі енергії первинного g-кванту ядру воно збуджується. В ньому відбуваються процеси переходу протона в нейтрон і нейтрона в протон. Внаслідок цього з ядра випромінюється позитрон і електрон, які є античастками. Вони анігілюють з утворенням двох фотонів (рис. 5.4(б)).

Імовірність цих процесів взаємодії g-квантів з речовиною залежить, перш за все, від складу речовини і енергії фотонів. Так, для основних породоутворюючих елементів (Z=6¸20) при енергії Е<(0,02¸0,07) МеВ переважаючим процесом буде фотоефект, при (0,02¸0,07)<Е<(20¸12) МеВ – комптонівське розсіювання, при Е>12 МеВ – утворення пар.

Нейтрони ( ). Вони є електрично нейтральними частинками з масою, яка перевищує масу протона на 0,00081 масової одиниці або на 1,3 МеВ. Цей надлишок маси приводить до нестабільності нейтрона. Він зазнає b-розпад, де перетворюється у протон .

Період напіврозпаду нейтрона 11,7 хв. Джерелом нейтронів може бути будь-яка ядерна реакція, внаслідок якої створюються нейтрони. Всі вони діляться на некеровані і керовані. До некерованих відносяться радіоізотопні: радій-берилієві, полоній-берилієві, полоній-борові і ін. До керованих – нейтронні генератори в яких, завдяки взаємодії певних елементарних часток, нуклонів чи елементів із змінним електромагнітним полем, можливо отримати для них необхідну енергію. В зв’язку з відсутністю електричного заряду, нейтрони взаємодіють з ядрами хімічних елементів і викликають в них різні ядерні реакції. Їх характер і інтенсивність залежать, перш за все, від енергії нейтронів. За величиною енергії нейтрони поділяються на теплові (Е<1еВ), проміжних енергій (1 еВ<Е<0,1 МеВ), швидкі (Е>0,1 МеВ). Крім того, існують ще резонансні (1еВ<E<1 МеВ) і надтеплові (0,3¸0,5<Е<n10² eB) нейтрони. Ймовірність ядерної реакції визначається ефективним перетином ядер (d). Якщо перетин реакції розрахований на одне ядро, то воно називається ефективним перетином реакції і визначається в барнах (1 барн=10^-24 ). При взаємодії нейтрона із ядром може відбуватися розсіяння енергії нейтрона, при якому її частина передається ядру. Розсіювання може бути пружним і непружним. Пружне розсіювання подібне поштовху двох шарів, при якому сума кінетичної енергії системи ядро-нейтрон до і після поштовху зберігається. Таке розсіювання називається потенційним. Пружним вважається також така взаємодія, при якій нейтрон втрачає частину своєї енергії тільки на віддачу ядра. Цей тип взаємодії відбувається у тому випадку, коли енергія нейтрона така, що створене збуджене спільне ядро має енергію, яка відповідає одному з квантових станів ядра і називається пружним резонансним розсіюванням.

Середня втрата енергії при кожному співударі (DЕ) буде тим більшою, чим ближче маса ядра (М) до маси нейтрона (m):

де Е_о - енергія нейтрона до співудару.

При розсіянні на ядрах водню нейтрон при кожному співударі може втрачати до 50% своєї енергії. Внаслідок багатократних співударів швидкого нейтрона на ядрах енергія його зменшується, відбувається процес уповільнення нейтрона. Ефективний перетин розсіювання для більшості ядер зростає із зменшенням енергії нейтрона. Нейтрони невеликих енергій в легкому середовищі взаємодіють, головним чином, по типу пружного розсіювання (потенційне чи резонансне), при якому ядро не збуджується.

Непружне розсіювання характеризується втратою енергії нейтрона не тільки на віддачу ядра, але і на його збудження. Останнє втрачається шляхом g-випромінювання. Цей тип взаємодії характерний для важких ядер. Поки енергія нейтронів значно перевищує енергію зв’язку атомів у молекулах (біля 1 еВ), або в кристалічних гратках речовини, вважається, що процес уповільнення відбувається на вільних ядрах. Як тільки енергія нейтронів стає близькою до енергії цього зв’язку, уповільнення ускладнюється. Нейтрон може збудити молекулу чи порушити її, втративши більшу частину своєї енергії. Такий тип розсіяння вважається як непружний. Уповільнення і дифузія нейтронів з енергією близькою до енергії теплового руху атомів речовини називається термалізацією. Уповільнений нейтрон деякий час знаходиться у тепловій рівновазі з молекулами, приймаючи участь в загальному хаотичному русі молекул речовини. Такий нейтрон називається тепловим. Його дифузія буде спостерігатися поки він не буде захоплений будь-яким ядром.

Уповільнююча якість нейтронів визначається середньою витратою енергії нейтрона при зіткненні, величиною перетину розсіювання чи захоплення d, концентрацією ядер в уповільнювачі.