2.6.5 Взаимодействие ядерных излучений с веществом.

Ранее (См. раздел 1.2.1) в число процессов рассеяния мы отнесли и распа­ды нестабильных частиц. Правда, точнее было бы говорить о рассеянии продуктов радиоактивных препаратов, поскольку именно они, родившись в некоторой среде, в ней же и распространяются. Иногда α-, β-, и γ- частицы переходят и в другие среды, минуя границы их раздела. При движении через вещество они взаимодействуют с электронными оболочками атомов и атомными ядрами среды, изменяя их и собственные параметры, вступая в различные реакции, а также производя различные эффекты. В конечном итоге частицы, возникшие в результате радиоактивного распада ядер, как правило, прекращают свое существование, т.е. можно говорить об их поглощении веществом. В последние десятилетия в быту и технике проблема поглощения радиоактивных излучений является особенно актуальной, поэтому мы и вынесли анализ таких процессов за рамки раздела 1.2, в котором рассеяние частиц рассматривалось в качестве ведущего метода в исследовании свойств вещества. Тем не менее, и в данном разделе, рассматривая поглощение как частный случай рассеяния, основное внимание будем уделять не проблемам радиационной защиты и безопасности, а физическим основам механизмов взаимодействия излучения с веществом.

Основными типами взаимодействия β-частиц с атомом являются упругое рассеяние, неупругое рассеяние и радиационное торможение.

В результате упругого рассеяния электрон после столкновения с атомом изменяет направление и скорость движения, но суммарная кинетическая энергия электрона и атома не меняется.

При неупругих соударениях за счет кинетической энергии электронов происходит возбуждение или ионизация атомов. Этот механизм преобладает при малых значениях энергии электронов и естественно сопровождается ее уменьшением. Потери энергии электронов на ионизацию и возбуждение атомов среды называют ионизационными потерями. На единицу пути электрона они пропорциональны концентрации электронов в веществе _e, которая определяется выражением: , где N_А – число Авогадро,  - плотность, А – массовое число, z – атомный номер элемента. Так как отношение мало изменяется при переходе от одного элемента к другому, в первом приближении можно считать, что ионизационные потери электронов на единицу пути пропорциональны плотности вещества. Отсюда следует, что слои различных веществ с одинаковой массовой толщиной d вызывают примерно одинаковые ионизационные потери.

Взаимодействие электронов с кулоновскими полями атомных ядер приводят к торможению электронов, которое сопровождается испусканием электромагнитного излучения – радиационное торможение. Этот механизм преобладает при больших энергиях β-частиц. Перемещаясь в Кулоновском поле ядра, электрон испытывает большое отрицательное ускорение а, и согласно классической электродинамике излучает энергию значением в единицу времени. Естественно, что она выделяется в виде квантов электромагнитного излучения. В силу равновероятного распределения электронов по скоростям (следовательно, и по значениям ускорения а) спектр тормозного излучения является сплошным, а его максимальная частота определяется из соотношения:

hv₀=E₀mc²,

где Е₀  энергия падающего электрона, m – его масса покоя.

Вероятность тормозного излучения существенно зависит от эффективного расстояния до ядра, так как при малом расстоянии ускорение электрона будет определяться зарядом ядра, а при большом расстоянии будет сказываться экранировка ядра электронами атома. Однако в любом случае вероятность излучения пропорциональна z².

Уменьшение энергии электронов вследствие излучения называется радиационными потерями. Они растут пропорционально энергии и z², тогда как потери на ионизацию зависят от энергии логарифмически и пропорциональны z вещества.

Радиационные и ионизационные потери энергии определяют пробег электрона в среде. Под длиной пробега электрона обычно понимается толщина слоя вещества по прямой первоначального движения электрона, проходимая электроном при торможении до тепловых скоростей. Эта величина существенно отличается от истинной длины пути электрона в веществе, так как при каждом соударении электрон изменяет направление движения перемещаясь по ломанной линии. Поглощение электронов в веществе довольно точно описывается экспоненциальным законом:

,

где N₀ - начальная интенсивность пучка бета-частиц, N_d - интенсивность пучка после прохождения слоя вещества толщиной d,  - линейный коэффициент поглощения.

В большинство случаев радиационные потери α-частиц ничтожны и их поглощение веществом определяются лишь ионизационными потерями. Пути -частиц в веществе обычно прямолинейны. Объясняется это тем, что при столкновениях с электронами альфа-частицы благодаря большей массе испытывают рассеяние на очень малые углы, а их столкновения с ядрами очень редки. Такое объяснение полностью можно обосновать двумя простыми экспериментальными фактами:

- пробеги отдельных альфа-частиц, содержащихся в моноэнергетическом пучке, отличаются не более чем на 3-4%;

- если α- и β- частицы в отдельных опытах пропускать через фольгу различной толщины, то интенсивность пучка электронов будет ослабевать при любой толщине фольги, тогда как для тяжелых частиц число частиц в пучке на выходе из фольги остается неизменным, если ее толщина меньше пробега частиц в данном веществе.

Результаты подобных опытов сведены далее в две таблицы, используя которые можно построить эмпирические закономерности зависимостей пробега α- и β- частиц от начальной энергии для трех сред.