Основные понятия и единицы

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В РАДИАЦИОННОЙ ХИМИИ

Химическим и физико-химическим превращениям веществ под действием ионизирующего излучения предшествуют различные физические процессы: ионизация молекул среды, их возбуждение, замедление быстрых электронов, образование «шпор», цилиндрических треков и т. д. Стадию взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, на которой протекают эти процессы, обычно называют физической.

Следующая стадия – физико-химическая. В этой стадии первичные ионы, быстрые электроны и сверх возбужденные молекулы трансформируются в промежуточные продукты радиолиза, которые на третьей (химической) стадии осуществляют радиолитические превращения облучаемой системы, образуя конечные (стабильные) продукты.

Виды ионизирующих излучений. Поскольку излучения высокой энергии при взаимодействии со средой вызывают образование ионов, их обычно называют ионизирующими. Они подразделяются на фотонное (рентгеновское излучение, γ-излучение) и корпускулярное (электронное излучение, α-излучение, нейтронное излучение и т. д.). Конечно, из этого определения не следует, что они производят только ионизацию. Кроме указанного процесса, они осуществляют также возбуждение молекул среды. Поэтому предлагались термины «ядерные излучения», «атомные излучения» и др. Однако они не получили широкого распространения в радиационной химии.

Ионизирующие излучения подразделяются на непосредственно ионизирующие и косвенно ионизирующие. Непосредственно ионизирующим излучением называется ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении. Косвенно ионизирующее излучение – это ионизирующее излучение, состоящее из фотонов и(или) незаряженных частиц, которые могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и(или) вызывать ядерные превращения.

К ионизирующим относят фотонное излучение и корпускулярное излучение. Фотонным излучением называется электромагнитное косвенно ионизирующее излучение. Корпускулярное излучение – это ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля. К корпускулярному относится и нейтринное излучение.

Фотонное излучение включает γ-излучение и рентгеновское излучение. γ-Излучением называется фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц. Рентгеновское излучение – это фотонное излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения. Под тормозным излучением понимают фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Характеристическим излучением называется фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома.

Корпускулярное излучение подразделяется на электронное, β-излучение, протонное, нейтронное, дейтронное, α-излучение, гелионное излучение. Оно включает также потоки многозарядных ионов (например С⁺⁶), атомы отдачи, образующиеся в результате ядерных реакций, продукты ядерных реакций деления.

Ионизирующие излучения делят также на первичное и вторичное. Первичным ионизирующим излучением называется ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой принимается исходным. Под вторичным ионизирующим излучением понимают ионизирующее излучение, возникающее в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения со средой.

В радиационной химии применяется, кроме того, термин «смешанное ионизирующее излучение». Им называется ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или из частиц и фотонов. Например, со смешанным нейтронным и γ-излучением обычно имеют дело при работах на ядерных реакторах.

Основные понятия и единицы измерения ионизирующих излучений.

Важнейшей характеристикой ионизирующего излучения является его энергия. Единица энергии, используемая обычно в радиационной химии, это электронвольт (эВ). Он равен энергии, приобретаемой одним электроном (заряд 1,60219 –10^-19 Кл) при прохождении разности потенциалов в один вольт.

Единицей СИ энергии ионизирующего излучения является джоуль (Дж). Однако допускается применение внесистемной единицы – электронвольта. Для радиационной химии это разрешение имеет положительное значение. Дело в том, что основной количественной характеристикой любого радиолитического превращения, является радиационно-химический выход. Величина поглощенной энергии, используемая в определении этого понятия, –100 эВ. Поскольку 1 электронвольт равен 1,60219∙10^-19 Дж, то применение джоулей вместо электронвольт в радиационно-химическом выходе было бы затруднительно. Ниже приводятся соотношения между электронвольтом и другими единицами энергии (единицы эрг, кал и ккал изъяты из употребления):

1 эВ = 1,60219 _*10^-12 эрг = 1,60219 _*10^-19 Дж;

Электронвольт – сравнительно небольшая единица энергии. Поэтому в радиационной химии для характеристики энергии ионизирующего излучения чаще всего применяют килоэлектронвольт (кэВ) и мегаэлектронвольт (МэВ), равные соответственно 103 и 106 эВ. Излучения, используемые в радиационной химии, имеют энергию от ~0,1 кэВ до 30–40 МэВ.

Для характеристики ионизирующих излучений и их полей применяются следующие основные величины: поток ионизирующих частиц и его плотность, поток энергии ионизирующего излучения и его плотность, перенос (флюенс) ионизирующих частиц, перенос (флюенс) энергии ионизирующего излучения.

Поток ионизирующих частиц Ф_п – это число ионизирующих частиц dN, падающих на данную поверхность за единицу времени t:

Ф_п = dN/Idt.

Единицей СИ измерения потока ионизирующих частиц является секунда в минус первой степени (с^-1). Она соответствует равномерному потоку частиц, при котором на данную поверхность перпендикулярно к ней падает одна частица в одну секунду. В обозначение единицы не должно входить конкретное наименование частицы. Оно должно содержаться в тексте. Например, поток α-частиц составляет 10⁶ с^-1.

Плотностью потока ионизирующих частиц φ_п называется поток ионизирующих частиц dФ_n, проникающих в объем элементарной сферы через единицу площади поперечного сечения S этой сферы:

φ_п= dФ_n/dS

Единицей СИ измерения этой величины служит метр в минус второй степени секунда в минус первой степени (м^-2·с^-1). Она равна равномерной плотности потока частиц, при которой в объем сферы с площадью центрального поперечного сечения в 1 м² в одну секунду проникает одна частица. Как и в случае измерения потока ионизирующих частиц, единицу измерения плотности потока ионизирующих частиц записывают без указания вида частицы.

Под потоком энергии Ф ионизирующего излучения понимают энергию dE ионизирующего излучения, проходящего через данную поверхность за единицу времени:

Ф = dE/dt.

Единицей СИ измерения потока энергии ионизирующего излучения является ватт (Вт).

Плотностью потока энергии ионизирующего излучения φ называется поток энергии ионизирующего излучения dФ, проникающего в объем элементарной сферы через единицу площади поперечного сечения этой сферы: