Взаимодействие заряженных частиц с веществом

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:

W₁ + W₂ = W₁^' + W₂^' ,

где W₁ и W₂ - кинетическая энергия частиц до взаимодействия;

W₁^' и W₂^' - кинетическая энергия частиц после взаимодействия;

Следствие такого взаимодействия - лишь изменение направления движения частиц (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема взаимодействия заряженных частиц с веществом.

1 и 2 - заряженные частицы; А₁ и А₂ – атомы.

Неупругое 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, т.е.

W₁ + W₂ = W₁^' + W₂^' + Е.

2.2.2.1.1. Взаимодействие альфа-частиц с веществом

Им присущи оба вида взаимодействия: неупругое 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. На практике это явление используется для получения нейтронов в радиоизотопных источниках по реакции:

n.

Источником альфа-частиц часто служит полоний, а мишенью - бериллий. Таким образом получают полоний-бериллиевый Ро(Ве), плутоний-бериллиевый Рu(Ве) и радий-бериллиевый Ra(Be) источ­ники нейтронов. Характерная особенность таких источников нейт­ронов - отсутствие гамма-излучения.

Взаимодействие бета-частиц с веществом

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. Отталкиваясь от отрицательно заряженных электронов, они изменяют 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, т. е. 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, вследствие рассеяния на орбитальных электронах и особенно в результате притяжения к положительно заряженным ядрам атомов траектория полета бета-частиц в веществе сильно изломана. Вследствие значительного рассеяния бета-частиц в веществе истинная длина пути в 1,5...4 раза больше их пробега.

Энергетические характеристики взаимодействия

Излучений 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 для α-частиц 35 эВ и для β-частиц 34 эВ. Если известна энергия заряженной частицы, то легко можно посчитать полную ионизацию, 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.

Пробег в воздухе

Рис. 2.4. Изменение удельной ионизации альфа-частицы

(линейная потеря энергии - ЛПЭ) вдоль пробега (кривая Брегга)

Проходя через вещество, заряженные частицы постепенно теряют энергию и скорость, поэтому плотность ионизации вдоль пути частицы возрастает и достигает наибольшей величины в конце пути (рис. 2.4.). 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 7320 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 А число бета-частиц в параллельном пучке, про­ходящем через единицу поверхности, уменьшается постепенно (рис. 2.5.), так как бета-частицы различной энергии будут поглощаться раз­личными слоями поглотителя.

Рис. 2.5. Типичные кривые поглощения параллельного пучка

альфа- (1) и бета-частиц (2) в веществе.

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

N= N₀ е^{-μ d},

где N - число бета-частиц, прошедших через слой поглотителя толщиной d (см);

N₀ - число бета-частиц, поступающих за 1 с на поверхность поглотителя площадью 1 см²;

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.

Обычно толщину слоя поглотителя выражают не в единицах дли­ны (см или мм), а в г/см² или мг/см², т. е. указывают массу поглоти­теля, приходящуюся на 1 см² его поверхности.