Взаимодействие альфа- и бета-излучения с веществом

Альфа-частицы. Альфа-частицам присущи оба вида взаимодействия:

неупругое взаимодействие альфа-частиц с орбитальными электронами (следствие такового взаимодействия – ионизация и возбуждение атомов);

упругое рассеяние альфа-частиц на атомных ядрах. Поскольку альфа-частица положительно заряжена, то при упругом взаимодействии с ядром возникают кулоновские силы и частица отталкивается, изменяя направление своего движения;

неупругое взаимодействие с атомными ядрами наблюдается, если альфа-частица обладает достаточной энергией для преодоления кулоновских сил взаимодействия (тогда она проникает в ядро). При этом образуется промежуточное ядро, которое распадается с испусканием заряженных частиц, нейтронов или гамма-квантов. Это явление используется для получения нейтронов в радиоизотопных источниках по реакции . На практике источником альфа-частиц часто служит полоний, а мишенью – бериллий. Таким образом получают полоний-бериллиевый Ро(Ве), плутоний-бериллиевый Рu(Ве) или радий-бериллиевый Ra(Be) источники нейтронов. Характерная особенность таких источников нейтронов – отсутствие гамма-излучения.

Бета-частицы. При взаимодействии бета-частиц с веществом тоже наблюдаются все варианты взаимодействия. Следствие неупругого взаимодействия с орбитальными электронами – ионизация и возбуждение атомов и молекул среды. При этом бета-частица расходует свою энергию до тех пор, пока общий запас энергии не уменьшится до такой степени, что частица теряет ионизационную способность. Может наблюдаться и электрическое взаимодействие бета-частиц с орбитальными электронами. Бета-частица, отталкиваясь от отрицательно заряженных электронов, изменяет направление своего движения.

Неупругое рассеяние бета-частиц на атомных ядрах наблюдается, если бета-частица имеет высокую энергию, а поглотителем служит материал большой плотности. При этом бета-частица тормозится в электрическом поле ядра и теряет часть своей энергии. Следствие такого взаимодействия – возникновение тормозного электромагнитного излучения. Интенсивность тормозного излучения определяется энергией бета-частиц и атомным номером поглотителя. В практике такой вариант взаимодействия используют для получения рентгеновского излучения в рентгеновской трубке.

Упругое взаимодействие бета-частиц с атомными ядрами наблюдается в результате притяжения бета-частиц к положительно заряженным ядрам атомов (электрическое взаимодействие). Следствие такого взаимодействия – изменение направления движения частиц, иногда этот вид взаимодействия называют упругим многоатомным рассеянием бета-частиц на атомных ядрах. Таким образом, траектория полета бета-частиц в веществе сильно изломана вследствие рассеяния на орбитальных электронах и особенно в результате притяжения к положительно заряженным ядрам атомов. Вследствие значительного рассеяния бета-частиц в веществе истинная длина пути в 1,5¸4 раза больше их пробега, т. е. путь бета-частиц всегда больше, чем пробег.

Энергетические характеристики взаимодействия α- и β-частиц с веществом. Величиной, определяющей энергетическую сторону процесса ионизации, служит так называемая работа (потенциал) ионизации – средняя работа, затрачиваемая на образование одной пары ионов. В воздушной среде этот показатель составляет в среднем 35 эВ для альфа-частиц и 34 эВ для бета-частиц. Если известна энергия заряженной частицы, легко можно подсчитать полную ионизацию I, т. е. количество пар ионов, образованных на всем пути частицы:

I=E/W,

где Е – энергия частицы; W – средняя энергия, затраченная на образование одной пары ионов.

Заряженные частицы, различные по природе, но с одинаковой энергией, образуют практически одинаковое число пар ионов (одинаковая полная ионизация). Однако плотность ионизации, или удельная ионизация, т. е. число пар ионов на единицу пути частицы в веществе, будет различная. Плотность ионизации возрастает с увеличением заряда частицы и с уменьшением ее скорости. Это обусловлено тем, что частицы с большим зарядом сильнее взаимодействуют с электронами, а частицы, обладающие меньшей скоростью, большее время находятся вблизи электронов, и их взаимодействие с ними также оказывается более сильным. Удельная ионизация у альфа-частиц самая большая из всех ядерных излучений. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует несколько десятков тысяч пар ионов, в то время как бета-частица – 50¸100 пар ионов.

Проходя через вещество, заряженные частицы постепенно теряют энергию и скорость, поэтому плотность ионизации вдоль пути частицы возрастает достигает наибольшей величины в конце пути (Рис. 13). Процесс ионизации будет происходить до тех пор, пока энергия альфа- и бета-частиц будет способна производить ионизацию. В конце пробега альфа-частица присоединяет к себе два электрона и превращается в атом гелия, а бета-частица (электрон) может включиться в один из атомов среды или на какое-то время остается свободным электроном.

Путь проходимый альфа- или бета-частицей в веществе, на протяжении которого она производит ионизацию, называют пробегом частицы. Пробег альфа-частиц в воздухе может достигать 10 см, а в мягкой биологической ткани – нескольких десятков микрометров. Пробег бета-частиц в воздухе достигает 25 м, а в биологической ткани – до 1 см.

Распространяются альфа-частицы в веществе прямолинейно и изменяют направление движения только при соударениях с ядрами встречных атомов. Бета-частицы, имея малую массу (в 7000 раз легче альфа-частицы), большую скорость и отрицательный заряд, значительно отклоняются от первоначального направления в результате соударения с орбитальными электронами и ядрами встречных атомов (эффект рассеяния). Претерпевая многократное рассеяние, бета-частицы могут даже двигаться в обратном направлении – обратное рассеяние.

Следует отметить еще одно различие в прохождении альфа- и бета-частиц через вещество. Поскольку все альфа-частицы, испускаемые данным радиоактивным изотопом, обладают относительно равной энергией и движутся в веществе прямолинейно, то число альфа-частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности поглотителя, резко падает до нуля лишь в конце пробега. Спектр бета-частиц непрерывен, поэтому с увеличением толщины поглотителя d число бета-частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности, уменьшается постепенно (Рис. 14), так как бета-частицы различной энергии будут поглощаться различными слоями поглотителя.

Ослабление интенсивности потока бета-частиц в веществе приближенно подчиняется экспоненциальной зависимости:

N=N ₀ e^-μd,

где N – число бета-частиц, прошедших через слой поглотителя толщиной d (см); N ₀ – число бета-частиц, поступающих за 1 с на поверхность поглотителя площадью 1 см ²; е – основание натуральных логарифмов (е =2,72); μ – линейный коэффициент ослабления излучения, характеризующий относительное ослабление интенсивности потока бета-частиц после прохождения слоя поглотителя толщиной 1 см.

Иногда толщину слоя поглотителя выражают не в единицах длины (см или мм), а в г / см ² или мг / см ², т. е. указывают массу поглотителя, приходящуюся на 1 см ² его поверхности.

Дата добавления: 2014-01-05