Веществом

Процессы, возникающие при прохождении ядерных частиц и излучений через вещество, имеют исключительно важное практическое значение. Без хорошего знания этих процессов нельзя понять методы регистрации ядерных частиц или, например, рассчитать толщину бетонной стены для радиационной защиты от ядерных излучений.

Общая картина прохождения частиц высоких энергий через вещество крайне сложна, частицы сталкиваются с электронами, рассеиваются кулоновскими полями ядер, вызывают различные ядерные реакции, вызывают разнообразные вторичные эффекты (например потоки g -квантов).

В основном, течение процессов взаимодействие ядерных частиц с веществом определяют следующие характеристики: масса, заряд и энергия частицы; плотность, атомный номер и средняя энергия связи электронов в атоме (средний потенциал ионизации) вещества.

По механизму прохождения через вещество частицы можно разделить на три группы:

1. Тяжелые заряженные частицы (a - частицы, протоны).

2. Легкие заряженные частицы (электроны, позитроны).

3. Нейтроны и g - кванты.

Вопрос о прохождении потока микрочастиц через различные вещества распадается на два вопроса:

а) Что произойдет с частицами?

б) Что произойдет с веществом?

10.4.1. Взаимодействие a- и b- частиц с веществом

Заряженная частица большой энергии, пролетая сквозь вещество, взаимодействует, во-первых, с электронными оболочками атомов; во-вторых, с ядрами атомов.

В первом случае, электроны атомной оболочки получают дополнительную энергию и могут:

а) перейти на более удаленную от ядра оболочку (возбуждение атома);

б) совсем покинуть атом (ионизация).

Во втором случае, при прохождении вблизи ядра быстрая частица может:

а) испытать торможение в электрическом поле ядра;

б) проникнуть в ядро.

Торможение заряженной частицы сопровождается испусканием тормозного рентгеновского излучения. Если частица проникает в ядро, то могут наблюдаться различные ядерные реакции (выбивание из ядра протонов, нейтронов, разрушение ядер).

Основными физическими величинами, характеризующими прохождение частиц через вещество, являются потери энергии на единицу пути (-dE/dx ) и пробег L (расстояние, пройденное частицей в веществе).

Для a - частиц основными являются ионизационные потери (т.е. потери энергии за счет ионизации и возбуждения). Чем меньше скорость частицы, тем больше вероятность ионизации и выше потери энергии. При одинаковой начальной энергии a - частицы обладают меньшими скоростями, чем b - частицы, поэтому взаимодействуют с атомами вещества более эффективно, быстрее растрачивая свой запас энергии. Ионизирующая способность, пропорциональна массе частицы (при одинаковой скорости). Число пар ионов, возникающих на единице длины пробега частицы, называется удельной ионизацией:

n = dN_i/dx.

Например, энергия a - частиц, испускаемых изотопом радия, равна 4,7 МэВ. В среднем, энергия, теряемая такой a - частицей на каждый акт ионизации, равна »33 эВ. В воздухе при нормальных условиях, такая a -частица создает в среднем около 130000 пар ионов на 1 см, пробег L_a=3,21 см. У a - частиц, испускаемых другими радиоактивными элемен-тами, L_a в воздухе меняются от 2 до 10 см. Величина L_а обратно пропорциональна числу встречных атомов, т.е. плотности вещества. Потеряв всю энергию, частица останавливается. Для полной остановки a - частиц достаточно слоя алюминия толщиной (0,05 ¸ 0,1)мм. Увеличение ионизирующей способности перед остановкой частицы (рис.2.4, кривая (а)) связано с возрастанием времени взаимодействия частицы с веществом, т.е. вероятности ионизации, при малой скорости. Вследствие этого, число частиц, проходящих через среду, слабо меняется на первых участках пробега (все частицы проходят слой насквозь) и резко уменьшается при толщине x, равной L_a (рис.2.4.(б)). Из-за большой массы траектории a - частиц практически прямолинейны.

Рис. 2.4. Зависимость удельной ионизации и количества Na

a - частиц от пройденного расстояния

Прохождение через вещество легких заряженных частиц (электронов и позитронов) качественно отличается от тяжелых (a - частиц, протонов).

В отличие от a - частиц, вылетающих из ядер со скоростями (1,4¸2)_*10⁷ м/с, b - частицы имеют очень большой разброс по скоростям (от малых до близких к скорости света).

При малых скоростях b- частиц основными являются ионизационные эффекты, но из-за малой массы ионизационная способность b - частиц в сотни раз меньше, чем у a - частиц.

При большой скорости, вследствие сокращения времени взаимодействия частицы с встречным атомом уменьшается вероятность ионизации при столкновении, но зато возрастают радиационные потери, на электромагнитное излучение, обусловленные столкновениями с ядрами. Начиная с некоторой критической энергии Е_кр, радиационные эффекты будут преобладать. Для a - частиц (и других тяжелых частиц) радиационные потери не существенны.

Вследствие относительно малой массы b- частиц возможно отклонение их от прямолинейного распространения на значительный угол - рассеяние. Для них не существует определенной длины прямолинейного пробега. Все же суммарная толщина слоя, на которую проникают в вещество b- частицы, (максимальный пробег) в десятки раз превышает пробег a- частиц (b- частицы задерживаются, например, слоем алюминия толщиной ~ 2 мм).

Вследствие малой проникающей способности a- и b- частицы не наносят, обычно, серьезного вреда при внешнем облучении, так как плотная одежда может поглотить большую часть b- частиц и задержать все a- частицы. Но при проникновении радиоактивных изотопов внутрь человеческого организма с воздухом, водой, пищей или при попадании их на незащищенную поверхность тела, они представляют серьезную опасность для жизни, поскольку могут вызывать необратимые изменения структуры вещества (см. п.2.6.).

10.4.2. Прохождение g - излучения и нейтронов через вещество

Нейтроны и g - кванты не имеют электрического заряда, а значит, не подвержены влиянию дальнодействующих кулоновских сил. Поэтому они, проходя через вещество, сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами.

Гамма - кванты обладают нулевой массой покоя и, следовательно, могут двигаться только со скоростью света. Это значит, что в среде g- кванты не могут замедляться: при столкновениях с электронами (или ядрами) они либо поглощаются, либо рассеиваются на большие углы. Для них не существует понятий пробега, максимального пробега, потерь энергии на единицу длины, они обладают очень большой проникающей способностью. Отличительной особенностью прохождения g- лучей через вещество является постепенный спад их интенсивности I по экспоненциальному закону (интенсивность определяется числом g квантов, проходящих через 1 см² площади в 1 с):

I = I₀ e^{- mx} ,

где I₀ - начальная интенсивность,

I - интенсивность g- лучей, прошедших слой вещества толщиной x .

Коэффициент m, имеющий размерность см^-1, называется коэффициентом ослабления (или поглощения), он зависит от свойства среды и от энергии квантов.

Ослабление g- излучения веществом происходит в основном за счет трех процессов: а) фотоэффекта, б) эффекта Комптона, в) рождения электрон - позитронных пар в кулоновском поле ядра.

При низких энергиях g- квантов (Еg~e_св электрона) преобладает фотоэффект - процесс, при котором g- квант исчезает (поглощается атомом), полностью передавая свою энергию и импульс выбиваемому электрону и атому. В веществе появляются быстрые электроны, приводящие в свою очередь к ионизации атомов среды. Фотоэффект идет в основном с низшей, т.е. с К - оболочки атома, и тем интенсивней, чем больше средней атомный номер Z вещества.

С увеличением энергии квантов (Eg>>E_св) роль фотоэффекта уменьшается, уступая комптон - эффекту. В этом случае ослабление g- лучей происходит за счет их упругого рассеяния при ударе g- фотона по слабо связанному с ядром электрону, в результате чего у фотона увеличивается длина волны (уменьшается Eg). Комптоновское рассеяние не уменьшает числа фотонов, а лишь приводит к уменьшению их энергии и к пространственному перераспределению. Однако в результате многократного рассеяния даже на небольшие углы энергия фотонов уменьшается заметно, вследствие чего растет вероятность их фотоэлектрического поглощения. Это используется в защите от g- излучения.

Процесс рождения электрон-позитронных пар становится возможным лишь при очень высоких энергиях g - квантов, превышающих сумму энергий покоя электрона и позитрона:

E_g ³ 2 m_oec² = 2 × 0,511 МэВ = 1,022 МэВ.

Полный коэффициент ослабления

m g - излучения в веществе представляет собой сумму коэффициентов поглощения за счет всех возможных механизмов:

m = m_ф + m_к + m_n. (10.10)

Первое слагаемое в (2.12) преобладает при низких энергиях g - квантов, второе - при средних, а третье - при высоких. В важной для практики области энергий (от 2 до 10 МэВ) комптон - эффект является преобладающим, и коэффициент ослабления пропорционален плотности вещества.

Как следует из вышеизложенного, проникающая способность g - лучей растет с ростом их энергии и уменьшением плотности среды.

Нейтроны при движении в веществе с электронными оболочками не взаимодействуют, возбуждать или ионизировать атомы не могут. При столкновении с атомными ядрами они либо рассеиваются (упруго или не упруго), либо захватываются ядром, вызывая ядерные реакции с выходом из ядра различных заряженных частиц и g- квантов (см. п. 3.5 и 3.6).