Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом

Для понимания механизмов взаимодействия радиоактивных излучений с веществом введем ряд необходимых понятий.

Атом, лишенный одного или нескольких электронов в электронной оболочке, представляет собой положительный, соответственно однозарядный или многозарядный, ИОН. Атом, имеющий избыток в один или несколько электронов в электронной оболочке, является отрицательным соответственно однозарядным или многозарядным ионом. Многозарядные ионы встречаются значительно реже однозарядных. Ионами являются также молекулы, в состав которых входят ионизированные атомы.

Ионизирующее излучение (ИИ) – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков и свободных радикалов.

Каждый атом характеризуется своим значением энергии ионизации.

Замечание: видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующим излучениям.

Согласно современной теории существует 2 вида излучений: волновое (квантовое); корпускулярное.

К волновому виду относятся электромагнитные излучения с разной (обычно короткой) длинной волны – рентгеновские и – излучение.

Природным источником рентгеновского излучения является солнце. Это излучение поглощается земной атмосферой. Если бы это не происходило, то рентгеновское излучение пагубно действовало на все живое на земле.

Искусственное рентгеновское излучение создается с помощью специальных аппаратов (ускорителей) для использования в медицинских целях, – излучение возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц.

К корпускулярному виду излучений относятся излучения различных заряженных частиц таких как – альфа, бета – частицы, протоны и другие, нейтральных – нейтроны, нейтрино.

Пучки заряженных элементарных частиц, ядра легких элементов, ионов оказывают ионизирующее воздействие на вещество, через которые они проходят. Опосредованное ионизирующее воздействие оказывают и нейтральные частицы, прежде всего нейтроны: в результате взаимодействия этих частиц с ядрами веществ испускаются ядром протон и гамма – квант, которые и вызывают ионизацию среды.

Альфа – излучение – это поток альфа – частиц, испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Альфа – частицы обладают сильной ионизирующей способностью и незначительной проникающей способностью. В воздухе они проникают на глубину 2 – 9 сантиметров, в биологической ткани – 0,02 – 0,06 миллиметра, задерживаются листом бумаги, тканью одежды. Альфа – излучение особо опасно при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом.

Бета – излучение – это поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета – распаде. Их ионизирующая способность меньше, чем у альфа – частиц, но проникающая способность во много раз больше и составляет десятки сантиметров. В биологической ткани они проникают на глубину до 2 см, в воздухе – от нескольких сантиметров до 3 метров. Одеждой задерживаются только частично. Бета – излучение опасно для здоровья человека как при внешнем, так и внутреннем облучении.

Гамма – излучение – электромагнитное излучение (длина волны 10 ^{– 10} – 10 ^{– 14} м) , возникающее в некоторых случаях при альфа – и бета – распаде, и аннигиляции частиц. Отдельно от других видов излучения  – излучение не существует. Распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность его в воздухе – всего несколько пар ионов на 1 см пути, т.е. значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений.Проникающая способность гамма – излучения значительно больше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Глубина распространения гамма – квантов в воздухе может достигать сотен и тысяч метров. Часть гамма – квантов проходит через биологическую ткань, другая – поглощается ею, рисунок 2.3

бумага человек металл Рисунок 2.3 – Проникающая способность излучения

Протонное излучение – это поток протонов, составляющих основу космического излучения, а также наблюдаемых при ядерных взрывах. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа – и бета – излучением.

Нейтронное излучение – поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах особенно нейтронных боеприпасов и работе ядерного реактора. последствия его воздействия на окружающую среду зависят от их начальной энергии нейтронов, которая может меняться в пределах 0,025 – 300 МэВ.

Тормозное излучение – фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Воздействие на окружающую среду такое, как и гамма – излучения.

Характеристическое излучение – фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма – излучению.

Аннигиляционное излучение – фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, позитрона и электрона). Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма – излучению.

Взаимодействие aльфа – излучения с веществом. История открытия и изучения – частиц связана с именем Резерфорда: – частицы это атомы гелия, потерявшие 2 электрона, т.е. ядра атома гелия .

При помощи – частиц Резерфорд производил исследования большинства атомных ядер.

В настоящее время известно более 200 альфа – активных ядер, главным образом тяжелых (А>200, Z>82), исключение составляют редкоземельные элементы (А=140 – 160).

Примером альфа – распада может служить распад изотопа урана:

.

Скорости, с которыми – частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики и колеблются для различных ядер в пределах от 1,4•10⁷ до 2•10⁷ м/с, что соответствует кинетическим энергиям этих частиц в 4 – 8,8 МэВ.

– частицы в состав ядра не входят, и по современным представлениям они образуются в момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра 2 – х протонов и 2 – х нейтронов.

Пролетая через вещество, – частицы постепенно теряют свою энергию, затрачивая ее на ионизацию. Происходит это так: – частицы встречаются с атомами вещества, при этом атомы вещества возбуждаются, т.е. электроны атома переходят с более близкой к ядру орбиты на более далекую, а некоторые даже отщепляются от атома. В этом случае атом превращается в положительно заряженный ион. Оторванный от атома электрон может присоединиться к внешней оболочке другого атома, который в свою очередь превращается в отрицательно заряженный ион.

Для характеристики ионизирующей способности – частиц и других излучений вводится понятие удельной ионизации.

Удельная ионизация – это количество пар ионов, которые возникают в 1 см пути пробега – частицы. – частицы имеют большую ионизирующую способность: на пути пробега в воздухе образуется от 100000 до 300000 пар ионов.

Под пробегом частицы в веществе понимается толщина слоя этого вещества, которую может пройти эта частица до полной остановки.

Пробег – частиц зависит как от энергии частиц, так и от плотности вещества, в котором они движутся.

Взаимодействие – излучения с веществом. Бета излучение состоит из – частиц (электронов и позитронов), которые испускаются при – распаде радиоактивных изотопов.

При электронном – распаде происходит превращение нейтрона в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино. При этом заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Электронный распад характерен для ядер с избыточным числом нейтронов.

Примером электронного – распада может служить распад стронция:

При позитронном бета – распаде происходит превращение протона в нейтрон с образованием и выбросом из ядра позитрона и нейтрино. Заряд и порядковый номер ядра уменьшаются на единицу. Позитроны и β – распад наблюдается для неустойчивых ядер с избыточным числом протонов.

Примеры позитронного бета – распада радионуклида:

К бета – распаду относится также электронный захват (К – захват), т.е. захват атомным ядром одного из электронов своего атома. При этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и испускается нейтрино. Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя в основное состояние оно пропускает – фотон. Место в электронной оболочке освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате возникает рентгеновское излучение.

Примером электронного захвата могут служить следующие превращения:

β – частицы, испускаемые при бета – распаде, имеют различную энергию, поэтому и пробег их в веществе не одинаков. Путь, проходимый β – частицей в веществе представляет собой не прямую линию, как у – частиц, а ломаную.

Ионизирующая способность бета – частиц много меньше, а длина пробега много больше, чем у – частиц. Существует довольно большая опасность со стороны проникающих потоков – частиц для глаз человека.

В сравнении с кожей хрусталик обладает повышенной радиоактивной чувствительностью. При работе с источником – излучения рекомендуются защитные очки – толщиной стекла 6 мм., защитные перчатки и дистанционный инструмент. На своем пути пробега – частицы образуют от 1000 до 50000 пар ионов. Скорость бета – частицы 270000 км/с.

Взаимодействие – излучения с веществом.

Взаимодействие гамма – квантов с веществом может сопровождаться:

– фотоэффектом; – комптоновским рассеянием; – образованием электрон – позитронных пар.

Вид эффекта зависит от энергии гамма – кванта.

Фотоэффект возникает при Е= 10 эВ – 1 МэВ, то есть при относительно малых значениях энергий. В этом случае вся энергия гамма – кванта передается орбитальному электрону, и он выбивается из орбиты (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 – Схема фотоэффекта

С ростом энергии гамма – квантов явление фотоэффекта становится все меньше, а при энергии 0,1 до 5 – 20 МэВ, начинает преобладать комптон – эффект, то есть гамма – квант сообщает достаточную кинетическую энергию электрону, последний покидает атом (упругое взаимодействие), а сам гамма – квант изменяет направление своего движения, и его частота несколько уменьшается (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5– Эффект Комптона

Если энергия гамма – кванта превышает 1,022 МэВ, то он поглощается ядром, а из последнего одновременно вылетают электрон и позитрон (2.6).

Рисунок 2.6– Возникновение электронно-позитронной пары

Таким образом, гамма – кванты способны косвенно ионизировать вещество.

Рассмотрим проникающую способность гамма – квантов.

Гамма – квант образуется при переходе ядра в более низкие энергетические состояния. Не имея массы, они не могут замедляться в среде, а лишь поглощаются или рассеиваются.

При прохождении через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность излучения по следующему закону :

I = I₀е ^{– µх}, ( 1)

где µ – коэффициент поглощения; х – толщина поглотителя , см; І₀ – интенсивность квантов до прохождения поглотителя, МэВ/с.

В практических расчетах удобно пользоваться и такой табличной величиной, как «толщина слоя половинного ослабления».

Толщина слоя половинного ослабления d – это такая толщина слоя материала, проходя которую интенсивность излучения гамма – квантов уменьшается в 2 раза.

d = 0,693/µ, тогда формула (1) примет вид:

l=I₀e ^{– 0.693x/d} (2)

Толщина слоя половинного ослабления d берется из таблиц (таблица 2.1), но если они отсутствуют, то эта величина может быть вычислена приближенно по плотности материала р:

d = 23/p, (3)

где 23 см – слой воды, ослабляющий гамма – излучение в 2 раза; р – плотность материала, г/см³.

Таблица 2.1 – Ослабление в два раза проникающей радиации различными материалами

На практике часто применяется коэффициент ослабления гамма – излучения Косл проходящего через преграду толщиной х и значением слоя половинного ослабления для данного материала d .

Косл = Iо/I = exp (0,693x/d), (4)

При грубой оценке выражение (4) можно упростить, полагая, что основание натурального логарифма е =2,713...≈ 2, а 0.693=1, получим:

Косл ≈ 2 ^x/d. (5)

Пример коэффициентов ослабления представлен в таблице2.2.

Таблица 2.2 – Коэффициент ослабления радиации различными укрытиями