§ 11.5 Механізм взаємодії іонізуючого випромінення з речовиною

Механізм взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною розгляну­тий в§ 10.2. Розглянемо особливості взаємодії α- і β-частинок з речовиною. Дія іонізуючого випромінювання на речовину приводить до:

• збудження атомів і молекул;

• іонізації або рекомбінації атомів і молекул;

• появи нового випромінювання;

• виникнення нових радіонуклідів.

В ядерній фізиці розрізняють іонізаційні і радіаційні витрати. Іонізаційні витра­ти залежать від виду частинки, її енергії, властивостей середовища: густини і тов­щини шару речовини, з якою вони взаємодіють. Частинки, які мають велику швидкість, іонізують речовину слабко, оскільки вони не встигають передати свою енергію навколишнім електронам. При малій швидкості - навпаки, частинки спричиняють сильну іонізацію. Частинки, які мають велику масу, мають дуже малий пробіг.

Існують деякі особливості проходження електронів через речовину. Вони по­в'язані з тим, що з усіх заряджених частинок у них найменша маса. Електрони малої енергії при зіткненні з електронами, а тим більше з ядрами атомів середови­ща, часто сильно змінюють напрямок свого руху, в той же час важкі частинки при зустрічі з електронами напрямку свого руху не змінюють. Якщо товщина шару менша за довжину пробігу важких частинок в речовині, то із нього практично ви­ходять всі частинки, які попадають в речовину. При товщині шару, більшій за дов­жину пробігу, важкі частинки зовсім не виходять із нього. Якщо ж електрони воло­діють великою енергією, то, згідно з теорією відносності, їх маса збільшується і вони поводяться подібно до важких частинок.

Розглянемо особливості взаємодії α, β-частинок і -випромінювання з речо­виною.

1.Альфа-частинки з енергією 1 МеВ здатні іонізувати середовище і проника­ють в організм на малу глибину (10÷100) мкм. Пролітаючи через речовину, б-частинки втрачають свою енергію, затрачаючи її на іонізацію атомів і молекул речовини. Зрештою α-частинка захоплює два електрони і перетворюється на атом гелію. Альфа-частинки повністю поглинаються, наприклад, шаром алюмінію тов­щиною 0_,06 мм або шаром біологічної тканини чи листком паперу.

Для утворення однієї пари іонів у повітрі необхідно затратити енергію 31 МеВ. Таким чином, α-частинка утворює на своєму шляху 105 пар іонів/м.

Альфа-частинки згубно діють на організм.

2.Бета-частинки мають меншу іонізуючу здатність, але більшу проникність у повітрі, яка сягає 10-15 мм при тій же енергії.

Пробіг β-частинок великої енергії в повітрі - 40 мм, в алюмінії - 2 см, а в біологічних тканинах - приблизно 6 см. Захиститися від Р-частинок можна мета­левими або пластмасовими листами відповідної товщини.

3.Гамма-промені поглинаються атомами речовини і вибивають із них електро­ни, які потім беруть участь в іонізації. Взаємодія у-квантів великої енергії (0,02 ÷10 МеВ) приводить до виникнення фотоефекту, комптон-ефекту і утворення пари позитрон-електрон.

Гамма-промені мають найбільшу проникну здатність. Жорсткі -промені про­ходять через свинець товщиною 5 см або шар повітря товщиною в декілька со­тень метрів, пронизують все тіло людини.

Іонізуюча здатність -променів невелика; в повітрі утворюється 100 пар іонів (в середньому 1-2 іони на 1 см шляху).

Стосовно взаємодії нейтронного випромінювання з речовиною слід відмітити, що, у зв'язку з відсутністю заряду, первинна іонізуюча здатність потоку нейтронів низька, проникна, - відповідно, - висока. В результаті взаємодії нейтронів з ядрами атомів утворюються заряджені частинки і -випромінювання. Іонізуючий ефект внаслідок дії нейтронів на речовину є результатом вторинних процесів. При співу дарі нейтронів з ядрами атомів може проходити пружне розсіювання і захоплення нейтронів ядром (радіаційне захоплення). При пружному співударі, особливо з яд­рами легких елементів, нейтрони передають частину кінетичної енергії. Ядро, яке називається ядром віддачі, за рахунок одержаної енергії викликає вторинну іоніза­цію. Оскільки тканини організму містять багато води, то нейтрони можуть викли­кати у них значну іонізацію.

Взаємодія заряджених частинок (α і β) з речовиною кількісно оцінюється та­кими характеристиками:

а) лінійна густина іонізації- це відношення числа сіп іонів одного знака, утво­рених зарядженою іонізуючою частиною на елементарному шляху dl, до цього шляху: I =

б) лінійна гальмівна здатність речовини S – це відношення енергії dE яка втрачається зарядженою частинкою при проходженні елементарного

шляху dl в речиoвині до довжини цього шляху: S=

в) середній лінійний пробіг частини R зарядженої частинки - це середнє зна­чення віддалі між початком і кінцем пробігу зарядженої іонізуючої частинки в даній речовині. Коли швидкість іонізуючої частинки приблизно дорівнює швидкості теп­лового руху, вона втрачає свою активність.