К тяжелым заряженным частицам

ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩЕГО
ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВЕЩЕСТВОМ
Ионизирующее
излучение
это
излучение, взаимодействие которого с
веществом приводит к ионизации его
атомов
и
молекул,
то
есть
превращению их из электрически
нейтральных частиц в положительно и
отрицательно заряженные ионы.
К ионизирующим излучениям относятся
потоки заряженных и нейтральных
частиц и электромагнитные излучения
высоких энергий.
Электромагнитные
ионизирующие
излучения отличаются от других
электромагнитных излучений более
короткой длиной волны (λ) и более
высокой энергией, которые находятся в
обратной зависимости друг с другом.
К электромагнитным ионизирующим
излучениям относятся: рентгеновское
излучение,
тормозное
излучение,
гамма излучение.
• Рентгеновское излучение представляет
собой электромагнитное излучение с
длиной волны 10 - 0,001 нм (10–7 – 10–11 м),
и занимающую спектральную область
между
ультрафиолетовым
и
гаммаизлучением.
Рентгеновское
излучение
образуется при торможении быстрых
электронов, получаемых в вакууме, в
веществе.
Условно
рентгеновское
излучение делится на жесткое (длина волны
<0,2 нм) и мягкое (длина волны >0,2 нм).
• Тормозное рентгеновское излучение - это
электромагнитное излучение, возникает
при
торможении
электронов
в
электрическом поле ядер атомов вещества.
• Характеристическое
рентгеновское
излучение возникает при перестройки
электронных оболочек атомов при
ионизации и возбуждении атомов и
молекул.
• Гамма-излучение - это электромагнитное
излучение, испускаемое ядрами атомов в
ходе
их
радиоактивного
распада.
Испусканием ϒ-квантов сопровождаются араспад, β-распад и К-захват. Кроме этого
они генерируются при аннигиляции
электрон-позитронной пары и при распаде
некоторых элементарных частиц, например
π-мезонов. Во всех этих случаях избыток
энергии высвобождается в виде гаммаизлучения.
• Гамма-излучение
представляет
собой
поперечные электромагнитные волны, лежащие в
диапазоне длин волн 10–10 – 10–14 м. Они
распространяются прямолинейно и равномерно
во все стороны от источника, ϒ-кванты не имеют
массы покоя и заряда.
В отличие от рентгеновских лучей, имеющих
непрерывный спектр энергии, в большинстве
случаев ϒ-источники испускают ϒ-кванты
различной энергии. В среднем энергия ϒ-квантов
различных ϒ-излучателей колеблется в пределах
0,01 МэВ (мягкие ϒ- лучи) - 3МэВ (жесткие)
иногда до 10 МэВ.
• Корпускулярные излучения.
Корпускулярные ионизирующие излучения
представляют
собой
поток
частиц
(корпускул). В зависимости от массы,
заряда и скорости они подразделяются на
легкие
и
тяжелые,
заряженные
и
незаряженные, быстрые и медленные.
• Электроны (е–) относятся к легким
заряженным частицам. Источником е–-ов
может
стать
вещество,
получившее
определенное количество энергии. Ускоренные
е–-ы, возникающие при β-распаде атомов
радиоактивных веществ, называются β–
частицами.
Позитрон, образовавшийся при позитронном
распаде, называется β+частицей. Физические
характеристики е–-ов ядерного происхождения
такие же, как и у е–-ов атомной оболочки.
Бета-частицы представляют собой поток
частиц (электронов или позитронов)
ядерного происхождения. Бета-частицы
одного и того же радиоактивного элемента
обладают различным запасом энергии (от 0
до некоторого максимального значения).
Это объясняется тем. что при β-распаде из
атомного ядра вылетают одновременно с βчастицей
нейтрино.
Поэтому
энергетический
спектр
β-излучения
сплошной или непрерывный.
Максимальная
энергия β-частиц
различных
элементов
имеет
широкие пределы - от 0.015-0,05
МэВ (мягкое β-излучение) до 3-12
МэВ
(жесткое
β-излучение).
Вследствие этого у β-частиц одного
и того же радиоактивного элемента
величина пробега в одном и том же
веществе неодинакова.
К тяжелым заряженным частицам
относятся протоны и дейтроны (ядра
легкого и тяжелого водорода с
единичным плюсовым зарядом 1р+ ; 2d+),
α-частицы
и
ядра
химических
элементов.
Альфа-частицы представляют собой ядра
атомов гелия и состоят из двух протонов
и двух нейтронов: они имеют двойной
положительный заряд, и относительно
большую массу (4,003 а.е.м.). Энергия их
колеблется в пределах 2-11 МэВ. Для
каждого данного изотопа энергия αчастиц постоянна. α-излучение считают
монохроматическим. α-частицы
возникают при α-распаде радиоактивных
изотопов (239Pu, 226Ra, 210Ро и др.).
• При делении ядер тяжелых ядер
образуются ядра-осколки (ядра более
легких химических элементов).
• Кроме этого заряженные частицы могут
быть получены на ускорителях разных
типов
бетатронах,
циклотронах,
синхротронах,
синхрофазатронах
и
линейных ускорителях, в этом случае
энергии частиц могут достигать десятков
миллиардов электронвольт (ГэВ).
К незаряженным ионизирующим частицам
относятся нейтроны.
По величине энергии принята следующая условная
классификация нейтронов:
•Тепловые нейтроны, обладающие энергией
теплового движения, которая составляет при
комнатной температуре около 0.25 эВ;
•Медленные нейтроны, энергия <1 КэВ;
•Промежуточные нейтроны, энергия 1-100 КэВ:
•Быстрые нейтроны, энергия >100 КэВ.
•Сверхбыстрые нейтроны, энергия 10-50 МэВ
Проникающая способность излучения - путь,
который волна или частица способны
проходить в веществе. Его длина находится
в обратной зависимости от массы частицы.
Наибольшей проникающей способностью
обладают электромагнитные ионизирующие
излучения.
Так
в
воздухе
ϒ-кванты
пробегают сотни метров, более того, каким
бы плотным ни было вещество, каким бы ни
была его толщина, поглотить полностью
фотоны теоретически нельзя, их можно
лишь ослабить.
В радиобиологии применяется понятие линейного
коэффициента ослабления электромагнитного
излучения,
который
представляет
собой
величину относительного его уменьшения после
прохождения слоя вещества в 1 см, величина
коэффициента
прямо
пропорционально
плотности
вещества
и
обратно
пропорциональна энергии излучения. Чем
меньше энергия квантов и больше масса
(объем, плотность и порядковый номер)
поглотителя, тем сильнее ослабление ϒизлучения. Например для квантов с энергией 2.5
МэВ слой полуослабления составляет в воздухе
около 200 м, в дереве - 25 см в бетоне - 10 см, в
свинце – 1,8 мм.
• Снижение интенсивности электромагнитного
излучения при прохождении через вещество
описывается зависимостью:
I(l) = I0e-kl,
где I0 - исходная интенсивность падающего
излучения;
I(l)-интенсивность излучения, прошедшего
толщину l;
k - линейный коэффициент ослабления
(поглощения), характеризующий поглощающую
способность вещества.
Большой проникающей способностью
обладают
незаряженные
частицы
(нейтроны).
Значительно
меньше
проникающая способность заряженных
частиц. Она зависит, как и проникающая
способность
электромагнитных
излучений от энергии, но кроме этого в
значительной степени определяется
массой и скоростью движения частицы.
Так β-частицы, обладают малой массой и
большой скоростью, достаточно медленно
теряют свою энергию на ионизацию и
поэтому их пробег в ткани больше чем у
других заряженных частиц. Путь β-частиц в
веществе извилист, т.к. имея малую массу,
они легко меняют направление движения
под
действием
электрических
полей
встречных атомов. Пробег бета-частиц в
воздухе может составлять в зависимости от
энергии до 25 см, в биологических тканях до 1.
Тяжелые
частицы
проходя
через
вещество очень быстро теряют свою
кинетическую энергию и соответственно
имеют
небольшую
проникающую
способность.
Пробег
α-частицы
в
воздухе
в
зависимости от энергии составляет 2-10
см, в биологических тканях - несколько
десятков микрометров. Так как αчастицы
массивны
и
обладают
сравнительно большой энергией, путь.
Наиболее
опасными
при
внешнем облучении являются
электромагнитные излучения, а
при
внутреннем
корпускулярные излучения!
• Плотность ионизации (ПИ) - число пар
ионов, образующихся на 1 мкм пути
пробега частицы или электромагнитного
излучения. Разные виды излучения в
одинаковых дозах вызывают ионизацию
различной плотности. Плотность ионизации
пропорциональна квадрату заряда (q) и
обратно
пропорциональна
скорости
частицы (υ):
• ПИ ≈ q2/υ .
Так как при равных энергиях скорость
частицы обратно пропорциональна
массе (m), то самую высокую плотность
ионизации
дают
тяжелые
многозарядные
ионы
α-частицы,
имеющие
наибольший
заряд
и
максимальную массу. Они вызывают
сильно
выраженные
эффекты
ионизации и флуоресценции (100-250
тыс. пар ионов в 1 см воздуха).
Рентгеновское излучение вызывает
ионизацию минимальной плотности,
так как его проникающая способность
сходна с проникающей способностью
ϒ-излучения, а энергия значительно
меньше. Промежуточное положение в
порядке возрастания занимают ϒ- и βизлучения, протоны и нейтроны. Бетаизлучение образует 50-100 пар ионов
на 1 см пути в воздухе.
Проникающая способность и плотность
ионизации связаны между собой
обратной зависимостью. Объясняется
это тем. что чем крупнее и тяжелее
частица, тем больше энергии она несет и
большей способностью к ионизации
обладает и, в то же время, тем больше
для нее сопротивление вещества и
короче путь пробега в нем. И наоборот...
• Взаимодействие
ионизирующих
излучений с веществом.
Обнаружение и регистрация всех видов
ядерных излучений, выбор материала
для защиты, оценка биологического
действия
излучений
основаны
на
эффектах, которые возникают при
взаимодействии излучений с веществом.
Для понимания принципов этих явлений
необходимо знать, каким образом
различные
по
природе
излучения
взаимодействуют с веществом.
К ионизирующим излучениям относятся
электромагнитные излучения высоких
энергий и потоки заряженных и
незаряженных
частиц.
Механизм
передачи энергии веществу зависит от
типа излучения и его энергии.
• При прохождении через вещество
излучения
испытывают
три
вида
взаимодействия.
 Фотоэлектрическое поглощение (Фотоэффект),
 Комптоновское рассеяние (Комптон-эффект),
 Процесс образования электронно-позитронных
пар.
Вид взаимодействия электромагнитного
излучения с веществом зависит от величины
энергии кванта и от атомного номера
облучаемого вещества.
• Фотоэффект заключается в том, что квант
электромагнитного
излучения
полностью
передает свою энергию электрону атома,
облучаемого
вещества,
в
одном
акте
взаимодействия.
В
результате
такого
взаимодействия возникает свободный электрон
(электрон отдачи), кинетическая энергия (Еk)
которого равна энергии кванта (hν) за вычетом
энергии связи (W) электрона в атоме:
• Ek = hν - W
• Вероятность фотоэффекта тем выше, чем
ближе совпадают значения hν и W.
С увеличением энергии облучения
вероятность
фотоэлектрического
взаимодействия
с
веществом
уменьшается, и при энергиях
значительно превышающих энергии
связи электронов в атоме (более 1
МэВ) им можно пренебречь. В этом
случае
излучение
фотонов
ослабляется за счет комптоновского
рассеяния.
Эффект Комптона, упругое рассеяние падающих
фотонов излучения на свободных (или слабо
связанных электронах внешней оболочки атома)
электронах, которым передается лишь часть
энергии фотона, при этом фотон изменяет
направление своего движения. Следовательно,
при
комптоновском
рассеянии
энергия
падающего кванта распределяется между
выбиваемым из атома электроном отдачи и
вторичным рассеянным фотоном. Вследствие
соударения с фотонами электроны отдачи
приобретают
значительную
кинетическую
энергию и расходуют ее на ионизацию вещества
(вторичная ионизация).
Узкий пучок излучения в результате
комптоновского рассеяния становится
более широким, а само излучение
более
мягким.
В
последующих
соударениях
вторичный
фотон
ступенчато передает свою энергию
электронам вещества до тех пор, пока
ее остаток, близкий по значению к
энергии связи электрона в атоме не
будет
передан
электрону
путем
фотоэффекта.
Образование
электронно-позитронных
пар происходит при взаимодействии с
веществом ϒ-квантов большой энергии
(>1.02 МэВ). Этот процесс наблюдается
при прохождении ϒ-кванта вблизи
атомного ядра в поле которого и
образуется пара заряженных частиц электрон и позитрон. Вероятность
такого типа размена энергии больше
для тяжелых элементов, чем для
легких.
• Механизмы
передачи
энергии
корпускулярных ИИ.
Корпускулярные ИИ представляют собой
поток
частиц
(корпускул),
характеризующихся массой, зарядом и
скоростью, в соответствии с чем, они
подразделяются на легкие и тяжелые,
заряженные и незаряженные, быстрые и
медленные.
При взаимодействии заряженных частиц с
веществом выделяют упругое и неупругое
взаимодействие.
При упругом взаимодействии суммарная
кинетическая
энергия
частиц
до
взаимодействия
равна
суммарной
кинетической
энергии
после
их
взаимодействия.
Следствие
такого
взаимодействия
лишь
изменение
направления движения частиц.
W1 + W2 = W*1 + W*2,
где W1 и W2 - кинетическая энергия до
взаимодействия, W*1 и W*2 - кинетическая
энергия после взаимодействия.
Heупругoe взаимодействие - это процесс, при
котором часть кинетической энергии частиц
расходуется на ионизацию и возбуждение
атомов, возбуждение ядер, расщепление ядер
или
тормозное
излучение.
При
таком
взаимодействии
суммарная
кинетическая
энергия частиц до взаимодействия будет равна
суммарной кинетической энергии частиц после
взаимодействия плюс энергия Е, затраченная на
ионизацию и возбуждение атомов, возбуждение
и расщепление ядер или тормозное излучение.
W1 + W2 = W*1 + W*2 + E.