Взаимодействие излучений с веществом. Проникающая способность разных видов излучений

Обладая высокой энергией, радиоактивное излучение может оказывать сильное воздействие на живую и неживую природу. Так как физическая природа излучений различна, то отличается и характер взаимодействия их с веществом.

Альфа-излучение обладает массой и зарядом и при прохождении через вещество постепенно растрачивает свою энергию на взаимодействие с атомами и молекулами. Основными эффектами при этом являются: 1) ионизация нейтральных атомов, при которой образуются свободный электрон и положительно заряженный ион, и 2) возбуждение электронов атомных оболочек, при котором орбитальные электроны, получая дополнительную энергию, переходят в возбужденное состояние, но не покидают атомы (рис. 3.13).

Возбуждение

Ионизация

Рис. 3.13. Основные механизмы взаимодействия заряженных частиц

с веществом

Для осуществления одного акта ионизации атома необходима в среднем энергия 33 эВ, при меньших энергиях происходит возбуждение атомов. Излучения, испускаемые при ядерных процессах, несут в тысячи-миллионы раз больше энергии, чем расходуется на возбуждение и ионизацию, поэтому во взаимодействие вовлекается огромное число атомов. Так, например, на I МэВ поглощенной энергии в воздухе образуется около 30 000 пар ионов.

Бета-излучение, как и а-частицы, теряет свою энергию главным образом в процессах ионизации и возбуждения атомов, с которыми оно взаимодействует.

Существует и третий тип потери энергии. При торможении Р-час-тиц высокой энергии в кулоновском поле атомных ядер испускается электромагнитное (рентгеновское) излучение, называемое тормозным излучением. В основном оно возникает тогда, когда Р-излучение высокой энергии взаимодействует с элементом, имеющим большой атомный номер. Поэтому при выборе защиты от [3-излучения используют легкие вещества, например алюминий или плексиглас, а не тяжелые (свинец).

Чтобы описать интенсивность процесса ионизации, широко применяют термин «удельная ионизация». Удельная ионизация — число пар ионов, образуемых ионизирующей частицей на единицу длины пробега.

Альфа-частица, имеющая массу и заряд больше, чем [3-частица, обладает значительно более высокой ионизирующей способностью. Альфа- и [3-излучения, обладающие электрическим зарядом и вызывающие при взаимодействии с атомами окружающей среды их ионизацию и возбуждение, относят к непосредственно ионизирующему излучению.

Гамма-излучение, не несущее заряда и не имеющее массы покоя, непосредственную ионизацию не вызывает. Однако оно может взаимодействовать с веществом с образованием электронов, которые, двигаясь с высокой скоростью, ионизируют окружающую среду. Таким образом, у-излучение вызывает ионизацию косвенным образом (,косвенно ионизирующее излучение).

Основными механизмами взаимодействия у-излучения с веществом являются фотоэффект (а), эффект Комптона (б) и образование пар (в) (рис. 3.14):

Фотоэффект — взаимодействие у-фотона с орбитальным электроном внутренней оболочки, при котором вся энергия у-фотона передается электрону.

электрон

б)

У

е -фото

е -электрон о отдачи

Рис. 3.14. Основные эффекты

взаимодействия у-излучения с веществом

Эффект Комптона — рассеяние у-фотонов на слабосвязанных и свободных электронах, при котором электрону передается только часть энергии и образуется вторичный у-фотон (у,) с меньшей энергией.

Образование электрон-позитронных пар — при взаимодействии у-кванта высокой энергии (> 1,02 МэВ) непосредственно с полем ядер-ных сил фотон перестает существовать и вся его энергия превращается в две частицы, позитрон и электрон.

Поскольку основным эффектом воздействия излучений на атомы окружающей среды является ионизация, то эти виды излучений называют ионизирующим излучением.

Удельная ионизация косвенно ионизирующего у-излучения значительно меньше по сравнению с удельной ионизацией а- и [3-излучения. Значения удельной ионизации а-, [3- и у-излучений соотносятся примерно как 10000 : 100 : 1.

Проникающая способность излучений. Альфа-, [3- и у-излучения, имеющие разную природу, по-разному взаимодействующие с веществом, обладают разной проникающей способностью. Чем выше удельная ионизация, тем быстрее частица теряет свою энергию, тем меньше ее проникающая способность и максимальный пробег в веществе. Проникающая способность излучений изменяется в ряду у » (3 > а (табл. 3.1), а также зависит от энергии излучения: чем больше энергия излучения, тем больше проникающая способность.

Степень воздействия излучения на биологические объекты зависит не только от вида и энергии излучения. Большое значение имеет также расположение источника излучения по отношению к объекту. Различают внешнее облучение, если источник излучения находится вне облучаемого объекта, и внутреннее облучение, если источник находится внутри облучаемого объекта.

На рис. 3.15 схематично сравнивается относительная опасность разных видов излучения при внешнем и внутреннем облучении.

Таблица 3.1

Сравнительная характеристика различных видов излучения

Рис. 3.15. Сравнительная опасность различных видов излучения при внешнем

и внутреннем облучении

Общая длина пути пробега частицы или фотона высоких энергий зависит не только от вида и энергии излучения, расположения источника относительно облучаемого объекта, но также и от плотности среды. В табл. 3.2 сравнивается проникающая способность различных видов излучений в материалах разной плотности.

Таблица 3.2

Проникающая способность ионизирующих излучений

(по максимальному пробегу а- и (3-частиц или по ослаблению потока у-излучения

в 1000 раз)