Характеристика рентгеновского и гамма-излучения, их взаимодействие с веществом

Характеристика корпускулярных видов излучения (альфа-, бета-частиц); их взаимодействие с веществом. Понятие о линейной передаче энергии. Особенности взаимодействия с веществом нейтронов разных энергий.

Ионизирующее излучение - излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков (закон РБ “О радиационной безопасности населения”). Термин используют для описания переноса через пространство энергии в виде электромагнитных волн либо субатомных частиц.

По природе ионизирующие излучения делятся на два основных вида:

а) корпускулярные (альфа, бета, нейтронное)

б) электромагнитные (гамма, рентгеновское)

Основные характеристики для корпускулярных излучений - заряд, масса и энергия частицы - определяют особенности взаимодействия данных излучений с веществом и, соответственно, степень и вероятность их повреждающего действия.

Характеристика корпускулярных видов излучения и особенностей их взаимодействия с веществом.

1) альфа-частицы (ядра гелия):

- заряд +2, масса 4 а.е.м.

- энергия альфа-частиц при выходе из ядра составляет 3 – 11 МэВ (эВ – электрон-вольт – внесистемная единица энергии: 1 эВ = 1,6´10^-19 Дж)

- обладают высокой ионизационной способностью, образуя несколько десятков тысяч пар ионов на микрометр пробега в веществе; по мере продвижения альфа-частицы в веществе плотность ионизации возрастает в несколько раз (с 20 тыс. до 80 тыс. пар ионов на 1 мкм пути) и затем, практически при завершении пробега, резко падает.

Кривая Брегга - график, отражающий зависимость ЛПЭ альфа-излучения от пройденного в веществе пути

- траектории альфа-частиц в веществе прямолинейны в связи с их большой массой

- пробег альфа-частиц в воздухе до 11 см, в жидкостях и биологических тканях - от 10 до 100 мкм

- альфа-излучение позволяет сосредоточить значительную энергию на глубине поражённой ткани при минимальном рассеянии в здоровых тканях (используется для лечения опухолей)

- элементарная защита - любой плотный материал даже незначительной толщины (лист бумаги, кожа, одежда)

2) бета-частицы (электроны и позитроны):

- заряд -1 (электроны) и +1 (позитроны), масса пренебрежимо мала (1/1836 а.е.м.)

- энергия порядка нескольких кэВ

- удельная плотность ионизации, создаваемая бета-частицами, примерно в 1000 раз меньше, чем у альфа-частиц той же энергии; бета-частица образует несколько десятков пар ионов на микрометр пробега в веществе.

- в веществе кроме ионизации за счёт торможения электронов в веществе (особенно состоящем из атомов с большим порядковым номером), возникает тормозное рентгеновское излучение; чем выше энергия потока бета-частиц, тем более жестким будет тормозное излучение (используется в рентгеновских трубках)

- b-частиц при продвижении в веществе отклоняются на большие углы, траектория их очень извилиста (в связи с малой массой)

- проникающая способность у бета-частиц больше, чем у альфа-частиц (длина пробега в воздухе несколько метров, в биологической ткани - сантиметры)

- элементарная защита - тонкий слой легкого металла (алюминиевая фольга), пластмасса, стекло.

3) нейтроны:

- заряд 0 (за счет этого беспрепятственно проникают вглубь атомов, взаимодействуя непосредственно с ядрами), масса 1 а.е.м.

- энергия от 0,025 эВ до 300 и более МэВ; в зависимости от энергии выделяют медленные (энергия до 1 МэВ) и быстрые (энергия выше 1 МэВ) нейтроны

- защитные материалы: для быстрых нейтронов - вода, парафин, бетон, пластмассы; для медленных нейтронов - бораль, борная сталь, борный графит, сплав кадмия со свинцом

Возможны следующие эффекты взаимодействия нейтронного излучения с веществом:

а) упругое рассеяние - нейтрон передаёт ядру часть своей энергии и отклоняется от первоначального направления; ядро, с которым взаимодействует нейтрон (ядро отдачи), начинает двигаться и ионизировать другие атомы и молекулы.

Данный эффект характерен для быстрых нейтронов (пример - рассеяние на ядрах водорода (протонах); при этом нейтрон передаёт протону более половины своей энергии с образованием протона отдачи, поэтому для замедления быстрых нейтронов используют вещества, содержащие водород - вода, парафин).

б) неупругое рассеяние - часть кинетической энергии нейтрона тратится на возбуждение ядра отдачи, которое затем переходит в стабильное состояние, излучая гамма-квант.

в) поглощение (радиационный захват) - при взаимодействии нейтрона с ядром оно переходит в возбуждённое состояние и испускает гамма-квант или частицы (протон, нейтрон, альфа-частицу).

В результате радиационного захвата многие вещества становятся радиоактивными с образованием так называемой "наведенной" активности. Данный эффект наиболее характерен для медленных нейтронов, их лучшими поглотителями являются кадмий и бор.

Основная часть энергии заряженных частиц, взаимодействующих с веществом, идёт на его:

1) ионизацию - отрыв электрона от атома или молекулы, в результате чего они преобразуются в положительно заряженные ионы.

2) возбуждение - переход электрона на удаленную от ядра орбиталь; происходит, когда энергии излучения недостаточно для полного отрыва электрона.

Выделяют излучения:

а) прямо ионизирующие - ионизацию непосредственно производят заряженные частицы (альфа- и бета-); механизм потери энергии этих частиц в поглотителе в основном обусловлен кулоновским взаимодействием с орбитальными электронами атомов вещества.

б) косвенно ионизирующие - электрически нейтральные излучения (гамма, рентгеновское, нейтронное) ионизируют атомы среды в результате вторичных процессов.

Степень ионизации зависит как от свойств самого излучения (энергия, заряд частиц), так и от структуры облучаемого объекта. Основными свойствами излучений являются:

1) линейная плотность ионизации (удельная ионизация) - это число пар ионов, образованных заряженной частицей на микрометр пробега в веществе.

2) линейная передача энергии (ЛПЭ) - средняя энергия, теряемая заряженной частицей на единице длины её пробега в веществе. Единица измерения - килоэлектрон-вольт на микрометр пути (кэВ/мкм).

Для электрически нейтральных видов излучения ЛПЭ не применяется, но используется значение ЛПЭ вторичных заряженных частиц, образующихся в веществе.

В зависимости от ЛПЭ все излучения делятся на:

а) редкоионизирующие (ЛПЭ < 10 кэВ/мкм) - бета-, гамма- и рентгеновское излучения.

б) плотноионизирующие (ЛПЭ > 10 кэВ/мкм) - альфа- и нейтронное излучения.

ЛПЭ заряженных частиц возрастает по мере снижения их скорости, поэтому в конце пробега отдача энергии заряженной частицей максимальна.

Основной характеристикой для электромагнитных излучений (гамма, рентгеновское) являются энергия излучений.

Характеристика электромагнитных видов излучения и особенностей их взаимодействия с веществом:

1) гамма-излучение - представляет собой поток гамма-квантов

- имеет длину волны 10^-10-10^{-14 м}

- образуется при ядерных превращениях

- обладает высокой проникающей способностью, которая зависит как от энергии гамма-квантов, так и от свойств вещества, длина пробега в воздухе достигает сотен метров

В процессе прохождения через вещество g-кванты (фотоны) взаимодействуют с электронами атомов, электрическим полем ядра, а также с нейтронами и протонами, входящими в состав ядра, в результате чего происходит ослабление плотности потока излучения благодаря рассеянию g-квантов и передачи их энергии атомам среды.

Гамма-кванты относятся к косвенно ионизирующему излучению. Данное излучение в среде любой толщины полностью не поглощается, а лишь ослабляется в заданное число раз за счет различных эффектов взаимодействия:

а) фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) - фотоны (g-кванты) поглощаются и полностью передают свою энергию электронам внутренней орбитали атома. Данная энергия равна энергии орбитали, расходуется на отрыв электрона и сообщение ему кинетической энергии. В результате электрон вырывается из поля атома и производит в дальнейшем ионизацию вещества. Место выбитого фотоэлектрона занимает другой электрон с более высокой орбитали, что сопровождается испусканием низкоэнергетического характеристического рентгеновского излучения или Оже-электронов.

Чем больше энергия связи электрона, чем ближе он находится к ядру, тем больше вероятность передачи ему всей энергии g-кванта. С ростом номера элемента или его заряда вероятность фотоэффекта возрастает, а с увеличением энергии излучения она быстро падает.

Возникновение фотоэффекта наиболее характерно для мягкого g-излучения (до 0,5 Мэв). Т.к. для биологических тканей энергия выбивания электрона не превышает 0,5 Мэв, данный эффект наиболее вероятен при поглощении мягкого g-излучения.

б) комптоновское рассеивание (Комптон-эффекта) - фотон (g-квант) передает электрону лишь часть своей энергии, а сам меняет направление своего движения. Выбитый электрон производит в дальнейшем ионизацию. Затем вторичный фотон может вновь претерпевать эффект Комптона и т.д.

В отличие от фотоэффекта такое рассеивание происходит, в основном, на электронах внешних оболочек атомов с минимальной энергией связи. С ростом энергии излучения вероятность такого взаимодействия снижается, но медленнее, чем при фотоэффекте.

Комптон-эффект наиболее вероятен при энергии g-квантов 0,5-1 МэВ.

в) образовании пары "электрон-позитрон" - при значительной энергии g-кванта (>1 МэВ) он взаимодействует с атомным ядром и в его поле преобразуется в пару частиц - электрон и позитрон, которые и производят в дальнейшем ионизацию. Позитрон, встречая на своем пути электрон, может соединиться с ним и превратиться в 2 фотона (эффект аннигиляции). Образующиеся фотоны поглощаются средой в результате эффекта Комптона или фотоэффекта.

2) рентгеновское излучение:

- имеет длину волны 10^-9-10^{-12 м}; чем меньше длина волны, тем выше энергия излучения и больше его проникающая способность

- образуется за счет изменения энергетического состояния электрона при его переходе на энергетически более выгодную орбиталь (характеристическое рентгеновское излучение) или при столкновении заряженных частиц с частицами вещества, через которое они проходят (тормозное рентгеновское излучение)

Защитные материалы для электромагнитных видов излучения - тяжелые металлы, бетон, грунт.

Дата добавления: 2015-04-24