Виды ионизирующего излучения

Все ионизирующие излучения по своей природе подразделяются на корпускулярные (альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра тяжелого водорода – дейтерия), тяжелые ионы (ядра других элементов)) и электромагнитные (гамма-, рентгеновское).

Альфа-частицы представляют собой поток ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов, испускаемых веществом при радиоактивном распаде или при ядерных реакциях. Альфа частицы вылетают из радиоактивного ядра со скоростью 14000 – 20000км/с. Энергия этих частиц не превышает нескольких Мэв. (1эв =1,6х10 -19 Дж) Альфа –излучение обладает высокой ионизирующей способностью (на 1 см пути в воздухе образует несколько десятков тысяч пар ионов) и малой проникающей способностью. Так, пробег альфа-частиц в воздухе достигает 8-9 см и альфа частицы поглощаются листом бумаги.

Бета-частицы – электроны или позитроны, вылетающие из ядра при радиоактивном распаде со скоростью, близкой к скорости света (250000 – 270000 км/с).

Энергия бета –частиц также не превышает нескольких Мэв. Они имеют проникающую способность в сотни раз большую, чем альфа-частицы, так как при одинаковой энергии обладают значительно меньшей массой и меньшим зарядом. Ионизирующая способность бета-частиц примерно на два порядка меньше, чем у альфа-частиц.

Типичными процессами взаимодействия альфа и бета частиц с веществом являются отрыв электрона от атома (ионизация) или перевод электрона с более глубокой, т.е. ближе расположенной к ядру оболочки, на более удаленную (возбуждение атома). Примерно половина энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, в процессе взаимодействия расходуется на ионизацию, а половина – на возбуждение.

Альфа- и бета-частицы, проходя через вещество, взаимодействуют преимущественно с электронами атомов и молекул среды, отталкивая и притягивая электроны атомов или молекул в зависимости от их заряда. Вероятность взаимодействия с ядром существенно меньше, поскольку поперечные размеры ядра примерно в 10…100 тысяч раз меньше поперечного размера атома

Для ионизации атому необходимо сообщить энергию, превышающую силы электростатического притяжения к ядру. Для атомов различных химических элементов она варьируется от 4 до 25 эВ (для электронов, находящихся на внешней орбите, эта энергия минимальна). Например, энергия фотонов источников видимого излучения составляет 2,0...2,5эВ, т.е. существенно ниже потенциала ионизации атома любого химического элемента.

Энергия излучений, испускаемых при ядерных превращениях, варьируется в пределах от десятков тысяч до миллионов электронвольт. Вследствие чего, проходя через вещество альфа- и бета-частицы способны создать сотни тысяч ионизированных и возбужденных атомов. Этим обстоятельством и обусловлен особый характер воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты.

Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение (длина волны менее IO^{-10 м), испускаемое ядром во время перехода от высокоэнергетического состояния на более низкое, при этом количество протонов и нейтронов в ядре неизменно.}

Ядро может оказаться в высоком энергетическом состоянии, например, после альфа- или бета-распада (т.е. гамма-лучи не являются самостоятельным видом радиоактивности, а сопровождают альфа- и бета- распады). Гамма-излучение также образуется при присоединении нейтрона и жестком столкновении нейтронов с ядром атома. Наиболее энергетически сильные гамма-лучи наблюдаются в космических частицах.

Гамма-излучение называют также фотонным излучением. Его скорость равна 300 ООО км/с.

Энергия гамма-излучения, как правило, находится в пределах 0,01...... 3 МэВ. Оно обладает наибольшей проникающей способностью (например, проходит сквозь слой свинца толщиной 5 см) и относительно слабой ионизирующей способностью.

Рентгеновское излучение (Х-лучи) – электромагнитное излучение, занимающее область спектра между гамма- и УФ- излучением в пределах длин волн от IO^-12 до IO^{-5 см.}

Различают тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.

Тормозное излучение – это электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое быстрыми заряженными частицами в результате их торможения в электрическом поле. Наиболее распространенным источником рентгеновского (тормозного) излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическую мишень из тяже- лых металлов, например, вольфрама или платины), испытывая на нем резкое торможение.

Характеристическое рентгеновское излучение – это электромагнитное излучение с линейчатым спектром, возникающее после ионизации атома с выбрасыванием электрона с одной из его внутренних оболочек, при столкновениях атома с быстрой заряженной частицей или при поглощении им кванта электромагнитного излучения. Например, при выбивании электрона гамма-квантом из одной из внутренних оболочек атома, освободившееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек, что сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Характеристическое излучение испускается также и анодом в рентгеновской трубке при достаточно большой энергии бомбардирующих анод электронов.

В отличие от гамма-лучей, происходящих из атомных ядер, Х-лучи возникают из взаимодействия электронов.

Рентгеновское излучение обладает малой ионизирующей и большой проникающей способностью.

Гамма- и рентгеновское излучения, представляющие собой поток фотонов, относятся к классу косвенно ионизирующего излучения. Фотон, как известно, не обладает зарядом, поэтому непосредственно ионизации не производит. В процессе прохождения через вещество он взаимодействует в основном с электронами атома, передавая им часть или всю свою энергию. Образованные, так называемые, вторичные электроны в последующих процессах взаимодействия производят ионизацию. Таким образом, ионизация происходит не в первичных актах взаимодействия фотонов с веществом, а как результат передачи энергии веществу вторичными заряженными частицами.

Нейтроны – нейтральные частицы, входящие в состав всех атомных ядер. Образование свободных нейтронов возможно только в результате ядерных реакций (например, при бомбардировке атомных ядер бериллия, лития, бора альфа-частицами, при расщеплении урана).

Нейтроны, являясь электрически нейтральными частицами, не испытывают кулоновского отталкивания и потому могут легко проникать через электронные оболочки атомов и ядра, вызывая разнообразные ядерные превращения.

Характер ядерных реакций под действием нейтронов, их проникающая способность, зависит от их энергии и состава атомов вещества, с которым они взаимодействуют.

Нейтроны любых энергий взаимодействуют с ядрами атомов среды, напоминая столкновение бильярдных шаров. Ядра атомов, получившие в результате такого взаимодействия часть кинетической энергии нейтрона, (ядра отдачи) выскакивают из электронной оболочки и, будучи положительно заряженными, при своем движении в веществе, производят ионизацию. Ядра тдачи – это лишь один из результатов взаимодействия нейтронов с веществом, который присущ, в первую очередь, нейтронам, обладающим большой энергией. (больше 200кэВ), так называемым быстрым нейтронам. Кроме того, при взаимодействии нейтронов с веществом возможны ядерные реакции, сопровождаемые вылетом заряженных частиц различного типа и фотонов, производящих в дальнейшем ионизацию, возможно даже деление ядра. При расщеплении тяжелое ядро поглощает нейтрон и распадается на два более легких ядра, почти всегда радиоактивных.

Открытие явления деления урана под действием нейтронов позволило осуществить неконтролируемую (ядерная бомба) и контролируемую (ядерный реактор) ядерные реакции, что обусловило возможность практического использования ядерной энергии.

Дата добавления: 2015-09-02