Взаимодействие с веществом g- излучения

Взаимодействие с веществом b- излучения

Взаимодействие с веществом a – излучения

a-частицы сильно взаимодействуют с различными веществами, т. е. легко поглощаются ими. Тонкий лист бумаги или слой воздуха толщиной несколько сантиметров достаточны для того, чтобы полностью поглотить a-частицы.

b-частицы - это электроны (или позитроны), испускаемые ядрами радонуклидов при b-распаде.

Вероятность взаимодействия b-частиц с веществом меньше, чем для a-частиц, так как b-частицы имеют в два раза меньший заряд и приблизительно в 7300 раз меньшую массу.

Упругое рассеяние b-частиц происходит в основном на ядрах, но могут также происходить и на атомных оболочках

Рассеяние b-частиц. Потерянная при столкновении энергия b-частицы передается орбитальному электрону, что ведет к возбуждению или ионизации атома.

При ионизации b-частицы выбивают орбитальные электроны, которые могут производить вторичную ионизацию. Полная ионизация равна сумме первичной и вторичной ионизации.

При неупругом столкновении электронов с ядрами атомов происходит торможение электронов в поле ядра. Уменьшение энергии электронов в результате торможения приводит к испусканию тормозного рентгеновского излучения.

Потери энергии тем больше, чем больше энергия b-частицы и атомный номер элемента поглотителя. Поэтому для снижения тормозного излучения защиту для b-источников выполняют из материалов с малым атомным номером - алюминий, органическое стекло.

В случае применения тяжелых материалов возникает тормозное (вторичное) излучение, которое является рентгеновским и обладает большой проникающей способностью.

g-кванты отдают всю или, по крайней мере, большую часть своей энергии при однократном взаимодействии. Однако вероятность этого взаимодействие очень низка, поэтому g-кванты обладают гораздо большей проникающей способностью, чем заряженные частицы.

Поглощение g-квантов вызывается тремя независимыми друг от друга процессами с различной физической природой:

фотоэффектом;

эффектом Комптона;

образованием электрон-позитронных пар,

Многократный процесс рассеяния за счет Комптон-эффекта приводит в конечном счете к тому, что рассеянный фотон в результате фотоэффекта поглотится атомом.

53. При прохождении -излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка -квантов, что является результатом их взаимодействия с атомами вещества.
Выделены вклады различных физических процессов в полное сечение поглощения. Вторым по величине вклада в полное сечение в этой же области энергий гамма-квантов является когерентное рассеяние фотонов на атомах вещества (релеевское рассеяние). Ни ионизации, ни возбуждения атомов при релеевском рассеянии не происходит, гамма-квант рассеивается упруго.
При энергиях гамма-кванта выше ~0.1 МэВ в веществе с малыми значениями Z и выше ~1 МэВ в веществах с большим Z главным механизмом ослабления первичного пучка гамма-квантов становится некогерентное рассеяние фотонов на электронах вещества (эффект Комптона).
Фотоэффект. Если энергия -кванта больше энергии связи электрона оболочки атома, происходит фотоэффект. Это явление состоит в том, что фотон целиком поглощается атомом, а один из электронов атомной оболочки выбрасывается за пределы атома. Используя закон сохранения энергии, можно определить кинетическую энергию фотоэлектрона E_е:

E_е = - I_i - E_n,

где I_i - ионизационный потенциал оболочки атома, из которой выбивается электрон; E_n - энергия отдачи ядра, - энергия гамма-кванта.. Эффективное сечение фотоэффекта является суммой эффективных сечений фотоэффекта на отдельных электронных оболочках атома. Существенной особенностью фотоэффекта является то, что он не может происходить на свободном электроне
Фотоэффект происходит с наибольшей вероятностью (около 80%) на электронах атомной оболочки, наиболее сильно связанной с ядром атома, т.е. на K-оболочке.
Зависимость сечения фотоэффекта от атомного номера Z вещества поглотителя сильное: _ph ~ Z⁵.Фотоэффект является главным процессом, ответственным за поглощение -квантов в области малых энергий. В области энергий < 0.5 МэВ величина эффективного сечения фотоэффекта очень резко спадает с ростом энергии гамма-квантов:

Комптон-эффект - это рассеяние -квантов на свободных электронах. Электрон можно считать свободным, если энергия -квантов во много раз превышает энергию связи электрона. В результате комптон-эффекта вместо первичного фотона с энергией появляется рассеянный фотон с энергией

< , а электрон, на котором произошло рассеяние, приобретает кинетическую энергию E_е = - .. Кинетическая энергия электрона определяется соотношением

Сечение комптоновского рассеяния убывает с ростом энергии -кванта: _C ~ 1/ .
При комптоновском рассеянии -квантов, возникших в результате переходов атомных ядер из возбужденных состояний в основное и низшие возбужденные, энергии -квантов, как правило, много больше как энергии связи электронов в атоме, так и кинетических энергий этих электронов. Поэтому в формулах (11) - (13) первичный электрон считался покоящимся. Некогерентное рассеяние -кванта приводит в этом случае к передаче части энергии кванта электрону и появлению -кванта с меньшей энергией (и большей длиной волны). Однако этот же процесс некогерентного рассеяния используется в современной физике для получения моноэнергетических пучков -квантов высоких энергий. С этой целью поток фотонов от лазера рассеивают на большие углы на пучке ускоренных электронов высокой энергии, выведенных из ускорителя. Такой источник -квантов высокой энергии и плотности называется L aser- E lectron- G amma- S ource (LEGS). В одном из работающих в настоящее время LEGS лазерное излучение в результате рассеяния на электронах, ускоренных до энергий 3 ГэВ, превращается в поток -квантов с энергиями 400 МэВ

Образование пары электрон–позитрон. Можно показать, что одиночный квант любой энергии не может в вакууме превратиться в электрон-позитронную пару, так как при этом не выполняются одновременно законы сохранения энергии и импульса. Процесс образования пар происходит лишь в кулоновском поле частицы, получающей часть энергии и импульса.
Образование пар в поле ядра может иметь место, если энергия кванта удовлетворяет соотношению

> 2m_ec² + E_я, где первый член справа соответствует энергии покоя пары электрон- позитрон, а второй - энергия отдачи ядра.

Порог рождения пар в поле электрона равен 4m_eс². Это связано с тем, что энергию отдачи получает электрон, имеющий малую массу, и пренебречь ею уже нельзя.

54 Независимо от природы ионизирующего излучения его взаимодействие с веществом может быть оценено отношением энергии, переданной элементу к массе этого элемента. Эту дозу называют поглощенной. Единица измерения-Грей. Можно оценить дозу по ионизирующему действию излучения в воздухе, окружающем тело. В связи с этим вводят понятие экспозиционная доза излучения Х. За единицу принимают кулон Кг. Эквивалентная доза излучения H=kD. K показывает во сколько раз эффективность данного вида излучения больше, чем рентгеновское излучения, при одинаковой дозе излучения в тканях(коэффициент качества). Поглощенная доза(D) в системе си Дж/кг=Гр(Гр=100рад). D=fX. Мощность поглощенной дозы Гр/c, рад/c. Экспозиционной дозы Кл/Кг. Эквивалентная доза дж/кг= Зв(зиверт), 1зв=100 бэр.

Коэффицие́нт ка́чества — в радиобиологии усредненный коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ). Характеризует опасность данного вида излучения (по сравнению с γ-излучением). Чем коэффициент больше, тем опаснее данное излучение.

Природный или естественный радиационный фон (ПРФ / ЕРФ):первичное космическое излучение, вторичное космическое излучение, радиоактивные семейства; радионуклиды, не входящие в ряды; радионуклиды земной коры, атмосферы, строительных материалов, пищи и воды

Выделяют также технологически измененный естественный радиационный фон.

55 Детекторами ионизирующих излучений называют приборы, регистрирующие α,β,γ-излучения, нейтроны, протоны.

-следовые (позволяют наблюдать траекторию частицы) Камера Вильсона

-счетчики - газоразрядные устройства (пропорциональные счетчики, счетчик Гейгера-Мюллера, импульсные ионизационные камеры), а так же люминесцентные, полупроводниковые.

-интегральные приборы-фотопленки (фиксируется степень почернения после проявления пленки, ионизационные камеры непрерывного действия.

Испускание света некоторыми веществами при прохождении сквозь них быстрых заряженных частиц называют сцинтилляцией. СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК регистрирует частицы по световому излучению, вызываемому ими в кристалле. Часть светового излучения попадает в световод. Свет выбивает из фотокатода фотоэлектронного умножителя электроны, которые ускоряются и умножаются системой его динодов, создавая ток, который дополнительно усиливается.

Гейгера - Мюллера счетчик газоразрядный прибор для обнаружения и исследования различного рода радиоактивных и др. ионизирующих излучений: α- и β-частиц, γ-kвантов, световых и рентгеновских квантов, частиц высокой энергии в космических лучах и на ускорителях.

48. Люминесценцией называют избыточное над тепловым излучение тела, имеющее длительность, значительно превышающую период (~10-15с) излучаемых световых волн.

Люминесценция, вызванная заряженными частицами: ионами – ионолюминесценция, электронами – катодолюминесценция, ядерным излучением – радиолюминесценция. Люминесценцию под воздействием рентгеновского и Y(гамма)-излучения называют рентгенолюминесценцией, фотонов видимого света – фотолюминесценция. При растирании, раздавливании или раскалывании некоторых кристаллов возникает триболюминесценция. Электрическим полем возбуждается электролюминесценция, частным случаем которой является свечение газового разряда. Люминесценцию, сопровождающую экзотермическую химическую реакцию, называют хемилюминесценцией.

Спектры Люминесценции

Спектром люминесценции называют зависимость интенсивности люминесцентного излучения от длины волны испускаемого света. Наиболее простые — атомные спектры, в которых указанная выше зависимость определяется только электронным строением атома. Спектры молекул гораздо более сложные вследствие того, что в молекуле реализуются различные деформационные и валентные колебания. При охлаждении до сверхнизких температур сплошные спектры люминесценции органических соединений, растворенных в определенном растворителе, превращаются в квазилинейчатые.

Фотолюминесценцией называется излучение электромагнитной энергии, возбуждаемое в веществе под действием оптического излучения ультрафиолетового или видимого диапазонов, избыточное по сравнению с тепловым излучением, при условии, что такое избыточное излучение имеет длительность, превышающую период электромагнитных колебаний (люминесценция) и время релаксационных процессов. Если облучить вещество (люминофор) в любом агрегатном состоянии ультрафиолетовым или видимым электромагнитным излучением, то возможно появление задержанного не менее, чем на 10-12 - 10-10 с, люминесцентного излучения. Максимум спектра этого излучения сдвинут относительно максимума спектра возбуждающего излучения в сторону меньших частот (закон Стокса - Ломмеля).

Хемилюминесценция — люминесценция (свечение) тел, вызванная химическим воздействием или при протекании химической реакции.

Люминесцентная микроскопия – метод микроскопии, позволяющий наблюдать первичную или вторичную люминесценцию микроорганизмов, клеток, тканей или отдельных структур, входящих в их состав.

50. Лазер – квантовый генератор видимого диапазона излучения.

Виды рабочего вещества лазера: газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные.

Виды источников энергетической накачки: возбуждение очень интенсивным светом – «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полупроводниковых лазерах – электрическим током.

Распределение Больцмана

Распределение частиц по потенциальным энергиям в силовых полях – гравитационном, электрическом и др. – называют распределение Больцмана.

Применительно к гравитационному полю это распределение может быть записано в виде зависимости концентрации n молекул от высоты h над уровнем Земли или от потенциальной энергии молекулы m0gh:

n = n0

Это выражение справедливо для частиц идеального газа.

Основными компонентами конструкции лазерной установки являются активная среда лазера, лазерная энергия накачки, высокий отражатель, прибор сцепки и лазерный луч. Активная среда лазера расположена в рефлексивной оптической впадине, куда направляется энергия накачки. Активная среда лазера – это материал, обладающий определенными свойствами, которые позволяют усиливать свет стимулируемой эмиссией. В своей самой простой форме эта впадина активной среды состоит из двух зеркал (одно из которых прозрачно), расположенных таким образом, что свет прыгает назад-вперед, каждый раз проходя через активную среду.

Свет, проходя через активную среду, неоднократно усиливается, выходя пучком лучей со стороны прозрачного зеркала. Энергия накачки лазера, как правило, поставляется как электрический ток или как свет волнами различной длины. Такой свет может быть обеспечен лампой или другим лазером. Большинство практических лазеров содержит дополнительные элементы, которые отвечают за такие свойства, как длина волны излучаемого света или форма луча.

Лазерное излучение уникально благодаря трем только ему присущим свойствам.

1) Когерентность. В физике существует 2 типа когерентности - пространственная и временная. Пространственная когерентность выражается в однотипности волнового фронта, т. е. пики и спады волн располагаются параллельно, когда свет выходит из лазера. Это обеспечивает синхронизацию фаз и фокусировку на очень маленькие участки.

2) Монохромность (временная когерентность). Это означает, что световые волны имеют одинаковую длину. Некоторые лазеры испускают лучи разной длины волны. Но явление это предсказуемо, и лазеры излучают свет только той длины, которая предусмотрена используемой в лазере средой.

3) Коллимация. Это означает, что все лучи, испускаемые лазером, параллельны и не рассеиваются с расстоянием.

Дата добавления: 2015-03-29