Лекция 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ 1. Процесс ионизации вещества и проникающая способность излучений. 2. Взаимодействие корпускулярных (альфа- и бета-) излучений с веществом. 3. Взаимодействие с веществом нейтронного и фотонных излучений ( и рентгеновское излучение). 1
1 вопрос. ПРОЦЕСС ИОНИЗАЦИИ ВЕЩЕСТВА И ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЙ Гамма-кванты, альфа- и бета-частицы при распространении в разных средах взаимодей-ствуют с атомами и молекулами вещества, при этом: 1) гамма-кванты, альфа- и бета-частицы передают атомам и молекулам часть своей энергии и меняют направление движения; 2) атомы и молекулы, получившие избыток энергии, в процессе столкновения переходят в возбужденное состояние. 2
3) происходит ионизация атомов или молекул (отрыв электронов), а также молекулы могут и диссоциировать на ионы. 3 Ионизация – процесс образования положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул.
Ионизирующая способность излучения определяется удельной ионизацией - числом пар ионов, создаваемых частицей в единице объема, массы среды или на единице длины пути. Энергия, необходимая на образование одной пары ионов, называется потенциалом ионизации данного вещества, или средней энергией ионообразования. Если энергия излучения, которая передается атому или молекуле, меньше, чем потенциал ионизации вещества, то происходит возбуждение атома без образования ионов. 4
Число пар ионов, которые образованы в среде гамма-квантом или частицей на единице длины своего пути, называется линейной плотностью ионизации (ЛПИ). При каждом акте взаимодействия частица теряет часть своей энергии и затормажива-ется, ее скорость уменьшается до того момента, пока не станет равной скорости теплового движения. 5
Проникающая способность излучений определяется величиной пробега. Пробегом называется путь, пройденный частицей в веществе до ее полной остановки, обусловленной тем или иным видом взаимодействия. 6
2 вопрос. Взаимодействие корпускулярных (альфа- и бета-) излучений с веществом. а). Альфа-частицы при прохождении через слой вещества взаимодействуют с электронами и ядра-ми атомов. При взаимодействии с электроном (упругое рассеивание) -частица отклоняется на очень малый угол, так как масса М >> m e, и поэтому ее путь в среде практически прямолинейный. При уменьшении кинетической энергии движение -частицы замедляется за счет неупругих взаимо-действий с электронами, приводящими к ионизации или возбуждению атомов среды. Потери энергии -частицы, обусловленные неупругими взимодействиями с электронами, получили общее название ионизационных. 7
На образование одной пары ионов затрачивается небольшая энергия ( Е = 33 35 эВ), в сравнении с начальной кинетической энергией -частиц (4 9 МэВ). Процесс уменьшения энергии -частиц можна считать практически непрерывным. Кроме ионизационных, для заряженных частиц имеют место радиационные потери - потери энергии на тор-мозное излучение, пропорциональные квадрату уско-рения -частицы. Средняя линейная плотность ионизации (ЛПИ) -частиц в воздухе описывается кривой Брэгга и составляет 25 30 тыс. пар ионов/см пути, а за 3 4 мм до конца пробега ее ионизирующая способность достигает максимума и составляет около 65 тыс. пар ионов/см пути и называется пик Брэгга. 8
Если начальная энергия -частицы составляет 4 9 МэВ и на каждый акт ионизации затрачивается в среднем 34 эВ, то на всем пути в воздухе образуется 100 300 тыс. пар ионов. Если -частица полностью израсходует весь свой запас кинетической энергии, то присоединяет к себе два электрона и преобразуется в нейтральный атом гелия. 9
Вид излучения Ионизирующая способность (ЛПИ) ( к-во пар ионов на 1 см пробега в воздухе Характер ионизации Проникающая способность Скорость воздух биологическая ткань ( ) 25 – 60 тыс. пар ионов/см непосредственно 2,5 – 8,6 см; макс 11,5 см 70 -110 мкм 14 000 – 22 500 км/с ( e -, e + ) n (нейтрон) фотонное (квант) Корпускулярное излучение Сравнительная характеристика ионизирующих излучений 10
Взаимодействие -частицы с веществом проявляется во взаимном отталкивании с положительно заряженными ядрами и притяжении с отрицательно заряженными электронами атомов. По сравнению с рентгеновским, бета- и гамма-излуче-ниями коэффициент качества излучения для - излуче-ния принимается равным 20. Лист бумаги, кожа человека полностью задерживают -частицы. Альфа-частицы поглощаются одеждой. Для исключения ожога кожи, при работе с источниками -излучения используют защитные резиновые пер- чатки. Однако при попадании -частиц внутрь Организма (с воздухом, пищей, водой или через открытую рану) из-за сильной ионизирующей способности вызывают в местах контакта необратимые повреждения биологической ткани. 11
б). При взаимодействии бета-частиц с веществом имеют место упругие и неупругие процессы. Происходит ионизация и возбуждение атомов, при этом бета-частицы передают атомам свою кинетическую энергию и рассеиваются. При взаимодействии с веществом -частица замед-ляет движение и часть ее энергии расходуется на образование тормозного рентгеновского излучения. Отрицательная -частица (электрон) либо остается в виде свободного электрона, либо присоединяется к нейтральному атому или положительному иону, превращая нейтральный атом в отрицательный ион, а положительный ион – в нейтральный атом. 12
Положительная -частица (позитрон) в конце своего пути сталкивается с электроном, соеди - няется с ним и аннигилирует. При аннигиляции электрон и позитрон пере- стают существовать как частицы и превраща - ются в два гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ каждый. 13
Вид излучения Ионизирующая способность (ЛПИ) ( к-во пар ионов на 1 см пробега в воздухе Характер ионизации Проникающая способность Скорость воздух биологическая ткань ( ) 25 – 60 тыс. пар ионов/см непосредственно 2,5 – 8,6 см, макс. 11, 5 см менее 70 мкм 14 000 – 22 500 км/с ( e -, e + ) 100 – 300 пар ионов/см непосредственно 2 – 5 м, макс. 44 м макс. 55,4 мм 250 000 – 270 000 км/с n (нейтрон) фотонное (квант) Корпускулярное излучение Сравнительная характеристика ионизирующих излучений 14
Многократные изменения направления -частицы при ее взаимодействии с веществом приводят к тому, что глубина проникновения ее в веществе – длина пробега – оказывается значительно меньше истиной длины пути бета-частицы в веществе. Для защиты от -излучения используются : стекло, алюминий, плексиглас, полимеры – материалы, состоящие из элементов с малым порядковым номером. 15
3 вопрос. Взаимодействие с веществом нейтронного и фотонных излучений ( и рентгеновское излучение) Нейтроны, взаимодействуя с веществом, либо рассеиваются, либо захватываются ядрами атомов вещества. Упругое рассеяние нейтронов. Нейтрон, столкнувшись с ядром атома, передает ему часть кинетической энергии и отскакивает от ядра, изменив направление своего движения, с уменьшенной энергией. Переданная ядру энергия превращается в кинетическую энергию ядра, которое приходит в движение и называется ядром отдачи, которое может оказаться выбитыми из атомов (при больших энергиях). 16
Неупругое рассеяние нейтронов Взаимодействие нейтрона с ядром, когда нейтрон проникает в него, выбивая из него один из нейтронов меньшей энергии и другого направления, чем первоначальный, и переводит ядро в возбужденное состояние, из которого оно очень быстро переходит в основное состояние с испусканием гамма-кванта.
Радиационный захват нейтронов Нейтрон, проникая в ядро, образует более тяжелый изотоп взаимодействующего с ним ядра. Ядро, захватившее нейтрон, переходит в возбужденное состояние и, возвращаясь в основное состояние, испускает один или несколько гамма-квантов или заряженные частицы. Вероятность захвата возрастает для нейтронов малых энергий вследствие большого времени нахождения нейтрона вблизи ядра.
Нейтронное излучение является косвенно ионизиру-ющим, так как нейтроны практически не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и непосредственно не ионизируют атомы. Нейтроны движутся в веществе без потери энергии, пока не встретятся с ядрами. Ионизирующее действие нейтронов, имеющее место при их прохождении через вещество, обусловлено вторичными эффектами, возникновением потока гамма-квантов и заряженных частиц, образующихся при взаимодействии нейтронов с ядрами вещества. 19
Качественной характеристикой нейтронного излучения является энергетический спектр – распределение нейтронов по энергиям. При этом различают следующие энергетичес-кие спектры нейтронов: медленные – с энергией Е до 0,5 эВ, промежуточные – с Е от 0,5 эВ до 200 кэВ, быстрые – с Е от 200 кэВ до 20 МэВ; сверхбыстрые – с Е свыше 20 МэВ.
Вид излучения Ионизирующая способность (ЛПИ) ( к-во пар ионов на 1 см пробега в воздухе Характер ионизации Проникающая способность Скорость воздух биологическая ткань ( ) 25 – 60 тыс. пар ионов/см непосредственно 2,5 – 8,6 см, макс. 11,5 см 70 -110 мкм 14000 – 22500 км/с ( e -, e + ) 100 – 300 пар ионов/см непосредственно 2 – 5 м, макс. 44 м 55,4 мм 250000 – 270000 км/с n (нейтрон) ___ косвенно до 300 м до 1 см скорость света фотонное (квант) Корпускулярное излучение до столкновения Сравнительная характеристика ионизирующих излучений 21
При взаимодействии гамма-квантов с веществом наибольшую вероятность имеют процессы: 1) фотоэффект, Е = 0,001 – 0,2 МэВ; 2) комптоновское рассеяние, преимущественно при Е = 0,2– 1,0 МэВ; 3) образование пары электрон-позитрон, при Е ≥1,022 МэВ. В первых двух процессах фотоны взаимодействуют с электронами атомов, а в третьем – с ядрами. 1) Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) – это процесс взаимодействия -кванта с атомным (связанным) электроном. При этом вся энергия первичного фотона полностью поглощается атомом вещества и из него выбивается электрон ( фотоэлектрон) из К-оболочки. 22
23 Фотоэффект чаще происходит при малых значениях энергии гамма-квантов (10-140 кэВ) и резко уменьшается с ее увеличением. Примерно на 80% электроны выбиваются из К-оболочки.
2) Комптон-эффект, или комптоновское рассеивание. В результате упругого столкновения с внешним электроном фотон передает ему часть своей энергии ( электрон отдачи ) и отклоняется от первоначального направления на угол , а оставшаяся часть энергии передается вторичному (рассеянному) фотону. Угол может изменяться 0 , а выбитый электрон отдачи отклоняется на /2. 24
25 Этот процесс наиболее характерен для -квантов, энергия которых значительно превышает энергию связи электронов в атоме, поэтому рассеяние происходит только на внешних (валентных) или свободных электронах. Энергия -квантов от 0,2 до 1 МэВ.
3) Образование электронно-позитронной пары - процесс взаимодействия фотонов с веществом, при котором энергия фотона в поле ядра или атомного электрона переходит в энергию массы покоя электрона и позитрона, т.е. -квант прекратит свое существование и превратиться в две частицы: электрон и позитрон. Суммарная энергия электрона и позитрона составляет 1,022 МэВ. При образовании пары в поле атомного ядра энергетический порог равен Е ~ 2 m e с 2 = 1,022 МэВ. 26
27 При энергиях фотона значительно больше 1 МэВ, происходят процессы образования пар в кулоновском поле электрона. Пороговая энергия фотонов здесь должна быть не менее 4 m e с 2.
Столкновение позитрона с электроном может привести к аннигиляции частиц, т.е. частицы исчезают и их энергия переходит в энергию двух вторичных фотонов с равными энергиями Е = m e с 2, которые р азлетаются в противополож-ные стороны под углом примерно . Для однородной окружающей среды ослабление узкога пучка фотонов происходит по экспоненциальному закону Бугера ( закон ослабления излучения ): І = І 0 ехр ( x ), ( 1 ) где І 0 – начальная интенсивность пучка; І – интенсивность пучка фотонов после прохождения слоя вещества толщиной х ; – линейный коэффициент ослабления фотонов ( см 1 или в м 1 ). 28
Величина 1/ равна средней длине свободнога пробега фотона в веществе. При толщине слоя вещества х, равной 1/ , интенивнсть пучка фотонов уменшится в е раз ( е = 2,73 ). После преобразований закона Бугера (1) введем массовую толщина d = · х (кг/м 2 ). Для этога показатель степени умножим и разделим на плотность поглотителя : І = І 0 ехр ( х / ). Величина m = / называется массовым коэффи-циентом ослабления, измеряемый в см 2 /г или м 2 /кг. Для массовых величин закон Бугера будет: I = І 0 ехр ( m d ). 29
Вид излучения Ионизирующая способность (ЛПИ) ( к-во пар ионов на 1 см пробега в воздухе или орг. ткани) Характер ионизации Проникающая способность Скорость воздух биологическая ткань ( ) 25 – 60 тыс. пар ионов/см непосредственно 2,5-8,6 см, макс. 11,5см 70 -110 мкм 14 000 – 22 500 км/с ( e -, e + ) 100 – 300 пар ионов/см непосредственно 2 – 5 м, макс. - 44 м максим. 55,4 мм 250 000 – 270 000 км/с n (нейтрон) ___ косвенно до 300 м до 1 см скорость света фотонное (квант) 2 – 3 пары ионов/см косвенно сотни м десятки см скорость света Корпускулярное излучение до столкновения Сравнительная характеристика ионизирующих излучений 30
31
Рентгеновское излучение – совокупность тормозного и характеристического излучений, диапазон энергий фотонов которого составляет от 1 кэВ до 1 МэВ. Характеристическое излучение – фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атома, обусловленного перестройкой внутренних электронных оболочек. Тормозное излучение – излучение, связанное с изменением кинетической энергии заряженных частиц. Имеет непрерывный спектр и возникает в среде, окружающей источник бета-излучения, в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов. 32
Ионизирующая способность (ЛПИ) фотонов в тысячи раз меньшая, чем ионизирующая способность заряженных частиц той же энергии. Малая ЛПИ фотонов обуславливает их небольшие линейные потери энергии и большую величину пробега в веществе. Например, средняя длина пробега фотона ( -кванта) с энергией 1 МэВ составляет в воздухе 122 м, а в тканях человека – 14 см. 33
34
