Краткая характеристика ионизирующих излучений

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВЕЩЕСТВОМ

Ионизирующее излучение – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков. Ионизирующее излучение делят на корпускулярное и фотонное.

Примечание: видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующим излучениям.

Корпускулярное - это поток частиц с массой отличной от нуля (электроны, протоны, нейтроны, альфа-частицы).

Фотонное - это электромагнитное излучение, косвенно ионизирующее излучение (гамма излучение, характеристическое излучение, тормозное из­лучение, рентгеновское излучение, аннигиляционное излучение).

Альфа-излучение - это поток альфа-частиц (ядер атомов гелия), испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Он обладает сильной ионизирующей способностью и незначительной проникающей способностью. В биологической ткани оно проникает на доли миллиметра, задерживается листом бумаги, тканью одежды. Альфа-излучение особо пасно при попадании внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом радиоактивных частиц, обладающих альфа-активностью.

Бета-излучение - это поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при их бета-распаде. Их ионизирующая способность меньше, чем у альфа-частиц, но проникающая способность во много раз больше. В биологической ткани проникает на глубину до 2 см, одеждой задерживается. Только частично. Бета-излучение опасно для здоровья человека, как при внешнем, так и при внутреннем облучении.

Протонное излучение - это поток протонов, наблюдаемых только при ядерных взрывах и являющееся основным в космическом излучении. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа и бета-излучением.

Нейтронное излучение - поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах, особенно нейтронных боеприпасов, и работе ядерного реактора. Последствия его воздействия на окружающую среду зависят от их начальной энергии нейтрона, которая может менятся в пределах 0,025 – 300 МэВ.

Гамма-излучение - электромагнитное излучение (длина волны 10^-10 -10^{-14 м), возникающее в некоторых случаях при альфа и бета-распаде и аннигиляции частиц. Проникающая способность гамма-излучения значительно больше, чем у выше перечисленных видов излучений. Глубина распространения гамма-квантов в воздухе может достигать сотен и тысяч метров. Ионизирующая способность (косвенная) значительно меньше, чем у выше перечисленных видов излучений. Большинство гамма-квантов проходит через биологическую ткань, и только незначительное количество поглощается телом человека.}

Тормозное излучение - фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Воздействие на окружающую среду аналогично воздействию гамма-излучению.

Характеристическое излучение - фотонное излучение с дискретным энер­гетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Аннигиляционное излучение - фотонное излучение, возникающее в резу­льтате аннигиляции частицы и античастицы (например, позитрона и электро­на). Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Рентгеновское излучение - фотонное излучение (длина волны 10^-9 - 10^-12), состоящее из тормозно­го и (или) характеристического излучения, генерируемого рентгеновскими аппаратами и возникающее при некоторых ядерных реакциях. В отличие от гамма-излучения оно обладает такими свойствами как отражение и преломление.

1.2.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ

Альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, протоны обладают значительной энергией, и воздействуя на вещество, с одной стороны производят его ионизацию или возбуждение атома, а с другой проникают на определенную глубину. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию в основном в результате упругих и неупругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами. Отдавая им всю или часть своей энергии на возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту), а также на ионизацию атомов или молекул среды. И ионизация атома или молекулы и проникновение на определенную глубину имеют принципиальное значение для оценки воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань различных видов излучений, а зная свойства различных видов излучений проникать в различные виды материалов их можно использовать как для защиты человека, так и некоторых объектов.

Результаты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависят: от массы, заряда потока частиц и их энергий; от вида фотонов и их энергий; от типа и плотности вещества; от значения энергий внутримолекулярных сил облучаемого вещества.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом можно объяснить следующим образом: в зависимости от соотношения масс и энергии частиц взаимодействие с облучаемым веществом может носить упругий или неупругий характер.

Упругое взаимодействие (столкновение, рассеяние) микрочастиц - это процесс взаимодействия частиц, при котором их внутренние состояния остаются неизменными, а меняются лишь импульсы, т.е. переносимая энергия.

Неупругое взаимодействие (столкновение, рассеяние) микрочастиц – это процесс сопровождающейся изменением их внутреннего состояния, превращением в другие частицы или дополнительным образованием новых частиц.

Упругое взаимодействие аналогично столкновению бильярдных шаров и характерно для нейтральных частиц (нейтронов) и фотонов, не имеющих заряда. При этом нейтрон, взаимодействуя с атомами, может в соответствии с законами классической механики передать часть энергии пропорционально массам соударяющихся частиц. Если это тяжелый атом, то передается только часть энергии. При этом нейтрон замедляется до тепловых энергий, а далее вступает в ядерные реакции. Ударяя в атом, нейтрон может передать такое количество энергии, которой достаточно, чтобы ядро "выскочило" из электронной оболочки. В этом случае образуется заряженная частица, обладающая значительной скоростью, которая способна осуществлять ионизацию среды. Результатом упругого взаимодействия может быть и смещение атомов с узлов кристаллической решетки.

Аналогично взаимодействие с веществом и фотонов. Фотон самостоятельно не способен ионизировать среду, но выбивает электроны из атома, которые и производят ионизацию среды. Нейтроны и фотоны относятся к косвенно ионизирующим излучениям.

Итак, при упругом взаимодействии не изменяется природа частиц, и их суммарная энергия остается постоянной до и после взаимодействия, происходит только перераспределение энергии между взаимодействующими частицами. Возможен и такой случай упругого взаимодействия, когда не изменяется энергия каждой из взаимодействующих частиц, а происходит только изменение направления их движения.

При неупругом взаимодействии часть энергии может затрачиваться на возбуждение атомов или молекул, ионизацию и т.д. В процессе взаимодействия может происходить и изменение природы частиц в результате протекания ядерных реакций, рождения и аннигиляции частиц.

Неупругое взаимодействие характерно для заряженных частиц. Они способны ионизировать среду за счет взаимодействия с электрическим полем атома. Попадая в зону действия электрического поля, положительно заряженные частицы тормозятся, и отклоняются от направления своего движения, испуская при этом тормозное излучение. Заряженные частицы могут за счет неупругих взаимодействий передавать атомам среды количество энергии, недостаточное для ионизации. В этом случае образуются атомы в возбужденном состоянии, которые передают эту энергию другим атомам, либо испускают кванты характеристического излучения, либо соударяясь с другими возбужденными атомами, могут получить энергию, достаточную для ионизации атомов.

С учетом выше сказанного можно сделать некоторые выводы:

- заряженные частицы, проходящие через вещество, взаимодействуют как с орбитальными электронами атома, так и с его ядром;

- взаимодействуя с орбитальными электронами, энергия частиц растрачивается на ионизацию атомов, если она не менее 35 эВ и на возбуждение атомов (перевод электрона с ближней на более удаленную), если она менее 35 эВ;

- в процессе ионизации атома образуются заряженные частицы - это свободные электроны, а атомы, потерявшие один или несколько электронов в положительно заряженные ионы;

- при взаимодействии с ядром заряженная частица может или тормозиться электрическим полем ядра и менять свое направление движения или поглощаться ядром. В первом случае происходит испускание тормозного излучения, во втором случае заряженная частица /при достаточно большой энергии/ поглощается ядром, при этом выбрасываются элементарные частицы и фотоны. Поглощение частицы ядром обычно происходит, если энергия частицы превышает 1,02 МэВ.

Процесс взаимодействия, при котором исчезают первоначальные и появляются новые частицы, называют реакцией. Если при взаимодействии возникают ядра с новыми свойствами, то такая реакция называется ядерной. Рассмотрим взаимодействие различных видов излучений с веществом.