3.2 Свойства радиоактивных излучений

Рассмотрим важнейшие свойства радиоактивных излучений и их взаимодействие с веществом.

Различные радиоактивные элементы выбрасывают α-частицы со скоростями от 1,4•107 м/с до 2•107 м/с, что соответствует энергиям от 4 до 8,8 миллионов электрон-вольт (МэВ). У данного радиоактивного элемента выбрасываемые им α -частицы дают приблизительно равную энергию.

При движении в веществе α -частицы производят на своем пути сильную ионизацию атомов, действуя на них своим электрическим полем. Расстояние, на которое проникает α -частица в вещество до полной ее остановки, называется пробегом частицы или проникающей способностью. Быстрые α -частицы могут пройти слой воздуха около 8,5 см (при нормальном атмосферном давлении и температуре 15° С). В среднем α -частица образует в воздухе при нормальных условиях около 30 000 пар ионов на 1 см пути. Удельной ионизацией называется число пар ионов, образующихся на 1 см длины пробега. Между пробегом R α -частиц в воздухе и их скоростями υ или энергиями Е существует приближенное эмпирическое соотношение: R ≈ аυ³ ≈ bЕ^3/2.

В более плотных веществах пробег α -частиц гораздо короче, чем в газах, и составляет всего несколько сотых долей миллиметра, поэтому радиоактивные элементы, запаянные в стеклянные ампулы, не пропускают наружу α -частиц, а обычная одежда людей полностью поглощает α -излучение. Однако α -частицы способны оказывать значительное биологическое действие, если они попадают в ткани человека, особенно вместе с пищей или вдыхаемым воздухом.

Бета-частицы (быстрые электроны) имеют скорости, близкие к скорости света в вакууме. При β-распаде наблюдались электроны со скоростями, равными 0,988 скорости света, и, следовательно, с энергиями около 5 МэВ.

Особенность β-распада состоит в том, что электроны, испускаемые данным радиоактивным элементом, имеют значения кинетической энергии—от нуля до некоторого максимума Е_макс, образуя непрерывный спектр. Средняя энергия электронов составляет приблизительно 1/3 Е_макс.

При β -распаде атомные ядра одного и того же изотопа всегда теряют, как показали эксперименты, одинаковое количество энергии. В. Паули высказал гипотезу, что при каждом акте β -распада одновременно с электроном выбрасывается еще одна легкая частица - нейтрино. Нейтрино не имеет заряда и массы. Существует два типа частиц: нейтрино (ν) и антинейтрино ( ). При β -распаде из ядра уносится определенное, всегда одно и то же количество энергии (равное Е_макс), но она в каждом отдельном случае распределяется между электроном и антинейтрино по-разному; это приводит к образованию непрерывного энергетического спектра у β -частиц.

Потери энергии β -частицами при прохождении их через вещество вызываются главным образом процессами ионизации и, кроме того, возникновения рентгеновского излучения при торможении их ядрами поглощающего вещества. Так как β –частицы обладают очень малой массой, единичным зарядом и очень большими скоростями, то их ионизирующая способность невелика. Она примерно в 100 раз меньше, чем у α-частиц. Поэтому и проникающая способность (пробег) β -частиц значительно больше, чем у α –частиц: в воздухе пробег β -частиц может достигать 200 м, а в свинце до 3 мм.

Поглощение в веществе β -частиц с данной максимальной энергией происходит примерно по экспоненциальному закону N=N₀e^-μd, где N₀ — число частиц, падающих на слой вещества; N — число частиц, прошедших через слой вещества толщиной d; μ — коэффициент поглощения. Для каждого вещества всегда существует вполне определенная толщина слоя d_макс, при которой поглощаются все β-частицы. Следовательно, упомянутая формула справедлива лишь для d<dмакс.

Гамма-лучи — это электромагнитное излучение, обладающее длинами волн от одного до сотых долей ангстрема. Энергия фотонов γ-лучей достигает миллионов эВ.

Испускание γ-лучей происходит всякий раз, когда атомное ядро переходит из возбужденного состояния в нормальное или промежуточное. При этом энергия γ -фотона определяется условием hν= E₁—E₂, где E₁ и E₂ — энергия ядра в этих состояниях.

Гамма-лучи по своей природе одинаковы с рентгеновскими лучами; поглощение γ -лучей веществом обусловлено тремя основными процессами: фотоээффектом, образованием пар «электрон — позитрон» и рассеянием.

Фотоэффект состоит в том, что γ -фотоны, выбивая электроны из атомов, сами поглощаются.

Образование пар электрон — позитрон состоит в том, что γ -фотон, обладающий энергией не менее 1,02 МэВ, вблизи ядра атома может превратиться в пару электрон + позитрон; γ -фотон при этом исчезает.

Рассеяние γ - фотонов - взаимодействие их со слабосвязанными электронами, в результате чего фотон теряет часть своей энергии и

отклоняется от первоначального направления движения - Комптон – эффект.

Ионизация газов γ -лучами обусловлена появлением свободных (вторичных) электронов в этих трех процессах, которые, и производят ионизацию.

Гамма-лучи, как и рентгеновские, поглощаются постепенно, следуя экспоненциальному закону: I=I₀e^-μx, где μ. — линейный коэффициент ослабления, зависящий от энергии γ - лучей и свойств среды; I₀ — интенсивность падающего параллельного пучка; I — интенсивность его после прохождения слоя вещества толщиной х: сантиметров.

Гамма-лучи — одно из наиболее проникающих излучений; для наиболее жестких лучей толщина слоя половинного поглощения равна в свинце 1,6 см, в железе — 2,4 см, в алюминии — 12 см, в земле — 15 см.