Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Под взаимодействием излучения с веществом понимают те физические и химические процессы, которые возникают в веществе при прохождении через него излучения. В резуль­тате взаимодействия с атомами и молекулами окружающей среды излучения постепенно растрачивают свою энергию. По­тери энергии могут быть двух видов: ионизационные и ра­диационные.

Ионизационные потери — это энергия излучения, растра­чиваемая на ионизацию и возбуждение атомов встречного вещества. Если энергии на ионизацию не хватает (34 эВ на ионную пару), то могут возникнуть возбужденные атомы или молекулы.

Ионизационные потери тем больше, чем больше заряд частицы и меньше ее скорость. В конечном счете кинетическая энергия, теряемая заряженными частицами, превращается в тепловую,

Радиационные потери — это процесс потери энергии излу­чения на торможение в электрическом поле ядра встречных атомов, при этом тормозящаяся частица изменяет свое направление. Радиационные потери тем выше, чем больше по­рядковый номер атомов среды и энергия частицы. Заряжен­ная частица приобретает в кулоновском поле ядра ускорение, а заряд, испытывающий ускорение, излучает энергию. Чем меньше масса частицы и чем больше заряд ядра, тем большее количество энергии излучается. При торможении частицы про­исходит излучение большого количества энергии в виде тор­мозного рентгеновского излучения.

При прохождении альфа-частицчерез вещество их энергия расходуется, главным образом, на взаимодействие с электро­нами атомов и молекул среды, что приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул. Треки альфа-частиц обыч­но прямолинейны. Это связано с тем, что их масса примерно в 7000 раз больше масс электронов, с которыми они взаимо­действуют. Взаимодействуя с электронами среды, альфа-час­тицы получают импульс, который слишком мал, чтобы замет­но отклонить их от прямолинейного пути.

Бета-излучение, обладая электрическим зарядом, во вза­имодействии с веществом имеет много общего с альфа-излу­чением. Для бета-частиц низких энергий наибольшее значение имеют ионизационные потери, поскольку большая часть их энергии тратится на ионизацию и возбуждение атомов среды. В области высоких энергий, наоборот, решающее значение приобретают радиационные потери, т. е. потери на торможе­ние частиц в электрическом поле ядра.

Бета-частицы из-за малой массы сильно отклоняются элек­тростатическим полем взаимодействующих с ними атомов. Поэтому путь движения бета-частиц в веществе очень извилист и их пробег в веществе нельзя характеризовать длиной трека, так как их действительные траектории движения оказывают­ся в 1,5—4 раза больше толщины поглощающего слоя.

Гамма-кванты,также как альфа- и бета-частицы, растрачивают свою энергию в основном за счет взаимодействия с электро­нами атомов среды. При этом имеют место три основных эффекта взаимодействия гамма-лучей с веществом: фотоэффект, Комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар (рис. 2).

Рис. 2. Виды взаимодействия гамма-излучения с веществом:

а — фотоэлектрическое поглощение; б— комптоновский эффект; в — образование пар.

Фотоэффектзаключается в том, что гамма-квант, взаимо­действуя с атомом или молекулой, выбивает из них электрон (называемый обычно фотоэлектроном). При этом гамма-квант полностью поглощается, вся его энергия передается электро­ну. В результате электрон приобретает кинетическую энергию, равную энергии гамма-кванта, за вычетом энергии связи электрона в атоме. Этот вид взаимодействия наиболее вероятен, если энергия гамма-кванта меньше 0,1–0,2 МэВ. Фотоэлектрическое поглощение быстро уменьшается с повышением энергии излучения. Вероятность фотоэффекта зависит от атомного номера и пропорциональна числу протонов поглотителя.

Комптоновское рассеяние – это процесс, при котором g- кванты, сталкиваясь с электронами атомов вещества, передают им не всю свою энергию, а только часть ее, и после соударения изменяют свое направление движения, т. е. рассеиваются. Эффект Комптона возникает, когда поглотитель имеет малый атомный вес, а g- кванты энергию порядка 0,2 МэВ и более.

Некоторые гамма-кванты с энергией не ниже 1,02 МэВ, проходя через вещество, превращаются под действием сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару «электрон-позитрон». Возникновение пары «электрон-позитрон» приводит (как и фотоэффект) к полному погло­щению энергии гамма-кванта. Позитроны, замедляясь вещест­вом, взаимодействуют с электронами среды, давая аннигиляционное гамма-излучение.

От характера взаимодействия излучения с веществом за­висит проникающая способность излучения, знать которую необходимо для решения многих задач, таких как выбор метода регистрации излучения, расчет толщины защитных экранов и др.

Ионизирующее действие излучений широко используется для их регистрации.