Механизмы взаимодействия излучений с веществом

11.09.2012

С точки зрения физики явлений существуют два основных вида столкновений микрочастиц при прохождении излучения через вещество.
1. Упругие столкновения, при которых внутреннее состояние взаимодействующих частиц, как и сумма их кинетических энергий, не изменяется, меняется лишь направление движения частиц (наглядное представление можно сделать по аналогии с движениями бильярдных шаров). Пример упругих столкновений - рассеяние β-частиц на атомных ядрах, которое тем сильнее, чем выше атомный номер (2) элементов среды, а также чем меньше энергия самой β-частицы. Вероятность и интенсивность такого рассеяния невелика, она составляет обычно всего несколько процентов от всех взаимодействий.
2. Неупругие столкновения, которые играют наибольшую роль при поглощении в веществе α- и β-излучений. При них внутреннее состояние взаимодействующих частиц и соответственно их энергии изменяются. Часть кинематической энергии быстрой частицы передается орбитальному электрону, что может вызвать в атоме среды ионизацию, или возбуждение. Выбивание электрона из атома происходит лишь тогда, когда передаваемая электрону энергия больше силы связи его в атоме (а именно, 9-15 эВ). Если орбитальный электрон получил энергию, недостаточную для отрыва от атома, он может перейти в состояние возбуждения (более высокий энергетический уровень). В таком состоянии атом остается сравнительно ограниченное время, избыточная энергия довольно скоро выбрасывается в виде γ-квантов (высвечивается).
α-излучение почти всю свою энергию (у большинства изотопов она заключена в пределы от 4 до 9 МэВ) растрачивает на неупругие взаимодействия с орбитальными электронами среды. При таких столкновениях крупные α-частицы практически не отклоняются от первоначального направления движения, т.е. не рассеиваются. Полный пробег в веществе для α-частиц с одной энергией примерно одинаков, а так как их ионизирующая способность значительно возрастает в самом конце пробега, наибольшее число ионов образуется на последних 2-3 мм пути (графически это проявляется в виде «пика Брэгга).
β-излучение. В потоках электронов или позитронов, как и у α-частиц, потери энергии происходят большей частью через ионизацию и возбуждение атомов среды, которое обычно проявляется в 2-3 раза чаще, чем ионизация. Рассеяние β-частиц в упругих столкновениях, как уже отмечалось ранее, играет второстепенную роль (при обычных столкновениях энергиях частиц - около 5% взаимодействий), однако недооценивать их значение нельзя, так как они существенно отражаются на траекториях β-частиц в плотных материалах.
При выборе материалов для защиты от жесткого β-излучения необходимо также помнить еще об одном механизме взаимодействия с веществом. При прохождении β-частицы очень близко от ядра электростатическое взаимодействие приводит к появлению вторичного, тормозного излучения. Энергия последнего невелика - обычно в области значений энергий рентгеновских лучей, но проникающая способность значительно выше по сравнению с исходным β-излучением. Интенсивность тормозного излучения резко возрастает о увеличением атомного номера вещества, подвергающегося облучению, поэтому для экранирования жестких β-излучений (с энергией свыше 1 МэВ) рекомендуется подбирать легкие материалы, с малым значением Z. Поэтому экраны из оргстекла, содержащего только легкие элементы С, Н и О, более предпочтительны, чем экраны из обычного силикатного или свинец-содержащего стекла (последние часто используются при работах с γ-источниками).
Еще один вид вторичного излучения, которое возникает от поглощения быстрых электронов, - это специфическое свечение, названное излучением (эффектом) Черепкова-Вавилова. Испускание фотонов видимого света связано с поляризацией молекул среды при прохождении электрона, обладающего достаточной энергией, со скоростью, которая превышает скорость светя в данной среде (в частности, в воде). Черенковское излучение часто используется для измерения радиоактивности β-излучающих нуклидов на приборах, предназначенных (в первую очередь) для измерения γ-излучений.
γ-излучение. Радиоактивные γ-излучения являются ионизирующей радиацией, однако механизмы взаимодействия с веществом у них сильно отличаются от механизмов, свойственных α- и β-радиации (рис. 2.1, 2.2).

Механизмы взаимодействия излучений с веществом

γ-фотоны не имеют заряда и не обладают непосредственным ионизирующим действием, ионизацию вызывают вторичные электроны, которые возникают в среде по трем основным механизмам.
1. Фотоэффект, или фотоэлектрическое поглощение, - это взаимодействие, при котором вся энергия γ-кванта передается одному из электронов в атоме (обычно с одной из внешних оболочек). Выбитый электрон (его называют фотоэлектроном) характеризуется энергией, равной исходной энергии фотона минус энергия связи электрона в атоме (например, 88 кэВ для электрона К-оболочки), это дает возможность идентифицировать радионуклиды методами γ-спектрометрии.
(Образовавшаяся на внутренней электронной оболочке вакансия восполняется за счет электронов с наружных оболочек, а вслед за их перестройкой избыточная энергия теряется. У тяжелых атомов это происходит обычно в виде электромагнитного рентгеновского излучения; для легких и средних атомов более характерен безизлучательный переход, т. е. избыточная энергия передается электрону, покидающему атом. Таким образом, при поглощении γ-излучения образуются фотоэлектроны и дополнительные конверсионные электроны или электроны Оже с малой энергией и соответственно малым пробегом.)
2. Эффект Комптона, или комптоновское рассеяние, - это результат упругих соударений γ-фотонов со слабосвязанным и орбитальными электронами, при котором энергия поглощается (передается) лишь частично, что в итоге приводит к появлению электронов отдачи и рассеянию фотонов. (Описанные выше явления - следствие выбивания внутренних электронов.)
3. Образование электрон-позитронных пар возможно при прохождении фотона на очень близком расстоянии от атомного ядра. Сильное возмущение от действия ядерного поля приводит к превращению фотона в пару частиц е- и е+. Вероятность образования нар возрастает на крупных ядрах, т. е. с ростом числа Z в материале среды. Обе новообразованные частицы могут вызывать в веществе вторичную ионизацию. Что касается позитрона, то после замедления он захватывается средой в результате процесса, обратного образованию пар - аннигиляции:

Фотоэффект наиболее вероятен при низких энергиях γ-излучения (до 50-100 кэВ). комптоновское рассеяние - при средних энергиях (более 0,2 МэВ), а образование пар - при больших энергиях (начиная с 1,02 МэВ).
Нейтронные излучения. Ионизирующее действие потоков незаряженных частиц (нейтронов) также является непрямым. Чаще всего ионизацию вызывают не сами нейтроны, а ядра отдачи, образующиеся после упругих или неупругих соударений нейтронов с ядрами.
Быстрые нейтроны (от 14 до 0,2 МэВ) теряют энергию в основном в столкновениях с ядрами, при этом нейтрон изменяет направление своего движения, я ядро получает импульс отдачи. Замедление быстрых нейтронов до тепловых энергий происходит примерно за 20 последовательных соударений, приводя к существенному рассеянию в поглощающей среде. Рассеяние нейтронов наиболее выражено на атомах легких элементов - С, N, О. и особенно на атомах водорода (рис. 2.3). Связано это с тем, что передача энергии наиболее эффективна при сопоставимых размерах взаимодействующих частиц (в данном случае нейтрон и протон). Поэтому хорошими замедлителями нейтронов являются такие материалы, как вода, парафин, пластмассы, графит. Ионизация в нейтронных потоках тоже наиболее существенна с участием протонов отдачи (т. е. в веществах с высоким содержанием водорода).

Медленные нейтроны (с энергией не более 10 кэВ), в отличие от быстрых, более подвержены захвату ядрами, чем рассеянию на них. Захват («прилипание») нейтрона приводит ядро в сильно возбужденное состояние с последующим выделением избыточной энергии в виде одного или нескольких γ-квантов (это так называемое захватное γ-излучение, которое используют для детектирования нейтронов). Захват нейтрона особенно вероятен при энергии, соответствующей резонансному возбуждению ядра (обычно в интервале энергий от 0,1 до 500 эВ). Такой резонансный захват специфичен для следующего ряда элементов - Li, В, Cd, CI, Мn, Au, Ag, 238U, редкоземельных элементов. Захват нейтрона может приводить также к ядерным реакциям с появлением наведенной радиоактивности.
Тепловые нейтроны (с кинетической энергией теплового движения атомов, т. е. порядка 0,025 эВ при температуре -20º). при сравнительно небольшой скорости движения - 2,2 км/с захватываются ядрами наиболее эффективно. Вероятность захвата нейтронов для разных элементов существенно отличается, характеризуют ее величиной эффективного поперечного сечения, которое численно равно отношению числа захватов к общему количеству бомбардирующих частиц в расчете на 1 см2. Единицей эффективного сечения принят 1 барн - 10в-24 см2 - условная площадь, сопоставимая по порядку величины с поперечным сечением атомных ядер. Величина эффективного сечения иногда намного больше геометрического сечения ядер, что указывает на большую склонность к захвату нейтронов атомами данного элемента (изотопа).
Следует отметить также, что и свободном состоянии нейтроны нестабильны, они превращаются в протоны в соответствии с (2.1). Среднее время жизни нейтрона, включая время замедления и тепловой диффузии, составляет около 1000 с.