Вопрос 30. Взаимодействия радиоактивного излучения с веществом.

Взаимодействие частиц с веществом зависит от их типа, заряда, массы и энергии. Заряженные частицы ионизируют атомы вещества, взаимодействуя с атомными электронами. Нейтроны и гамма-кванты, сталкиваясь с частицами в веществе, передают им свою энергию, вызывая ионизацию за счет вторичных заряженных частиц. В случае гамма-квантов основными процессами, приводящими к образованию заряженных частиц, являются фотоэффект, эффект Комптона и рождение электрон-позитронных пар. Взаимодействие частиц с веществом зависит от таких характеристик вещества как его плотность, атомный номер вещества, средний ионизационный потенциал вещества.

В ядерной физике эффективность вза­имодействия характеризуют эффективным сечением. С каждым видом взаимодейст­вия частицы с ядром связывают свое эф­фективное сечение: эффективное сечение рассеяния определяет процессы рассея­ния, эффективное сечение поглощения — процессы поглощения. Эффективное сече­ние ядерной реакции s=dN/ (Nndx), где N — число частиц, падающих за еди­ницу времени на единицу площади попере­чного сечения вещества, имеющего в еди­нице объема n ядер, dN — число этих частиц, вступающих в ядерную реакцию в слое толщиной dx. Эффективное сече­ние σ имеет размерность площади и ха­рактеризует вероятность того, что при па­дении пучка частиц на вещество произой­дет реакция.Единица эффективного сечения ядерных процессов — барн (1 барн =10^-28 м ²).

Каждое взаимодействие приводит к потере энергии частицей и к изменению траектории её движения. При прохождении заряженных частиц с кинетической энергией Е через слой вещества их энергия уменьшается.

Ионизирующее излучение, обладающее большим запасом энергии, при прохождении через веществооставляет свой след в виде изменений структуры вещества.

При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами, из которых оно состоит, т.е. с электронами и атомными ядрами (или нуклонами ядер). Характер взаимодействия излучения с веществомзависит от его вида, энергии, плотности потока, а также от физических и химических свойств самого вещества.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом бывает двух типов: упругое и неупругое.

Упругое рассеяние частиц – процесс столкновения частиц, в результате которого меняются только их импульсы, авнутренние состояния остаются неизменными.

Неупругое рассеяние частиц – столкновение частиц, приводящее к изменению их внутреннего состояния, превращению вдругие частицы или дополнительному рождению новых частиц.

Ионизация и возбуждение – первыйрезультат действия излучения на вещество. Ионизация – превращение атомов или молекулв положительные ионы в результате отрываодного или нескольких электронов.

Взаимодействие тяжелых частиц с веществом. Дифференциальное сечение упругого рассеяния нерелятивистской заряженной частицы в кулоновскомполе ядра-мишени описывается формулой Резерфорда

,

где σ - полное поперечное сечение рассеяния для рассеяния на любые углы, Ω - полный телесный угол, Z ₁ и Z ₂- заряды налетающей частицы и ядра-мишени, e - элементарный заряд, Е _α- кинетическая энергия налетающейчастицы, θ - угол рассеяния.

Энергетические потери заряженной частицы в неупругих (возбуждение иионизация) и упругихстолкновениях с атомами принято относить к ионизационным потерям.

Тяжёлые заряженные частицы взаимодействуют главным образом с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов. Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных потерь энергии dE / dx, где dE - энергия, теряемая частицей в слое вещества толщиной dx.

 

Взаимодействие нейтронов с веществом. Проходя сквозь вещество, нейтроны вызывают различные ядерные реакции, а также упруго рассеиваются на ядрах. Интенсивностью этих микроскопических процессов, в конечном счете, определяются все макроскопические свойства прохождения нейтронов через вещество, такие, как замедление, диффузия, поглощение и т. д. Так как нейтрон имеет нулевой электрический заряд, он практически не взаимодействует с электронами атомных оболочек. Поэтому атомные характеристики среды не играют практически никакой роли в распространении нейтронов в веществе.

Нейтроны, проходя через вещество, непосредственно не ионизируют атомы имолекулы, как заряженные частицы. Поэтому нейтроны обнаруживают по вторичным эффектам, возникающимпри взаимодействии их с ядрами. При столкновениях с атомными ядрами они могут выбивать из нихзаряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды.

Врезультате соударения нейтронов сядрами вещества природа последних не изменяется, а сами нейтроны рассеиваются на атомных ядрах. При этомследует рассматривать упругое и неупругое рассеяния. При неупругом взаимодействии изменяется природасоударяющихся частиц.

 

Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов уменьшается экспоненциально с ростом проходимого им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом:

− фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект);

− комптоновское рассеяние (Комптон-эффект);

− образование пар электрон-позитрон.

При фотоэффекте гамма-квант выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает.Существенной особенностью фотоэффекта является то, что он не может происходить на свободном электроне, т. к. законы сохранения импульса и энергии в случае фотоэффекта на свободном электроне оказываются несовместимыми.Фотоэффект происходит с наибольшей вероятностью (около 80%) на электронах атомной оболочки, наиболее сильно связанной с ядром атома, т.е. на K-оболочке.Фотоэффект является главным процессом, ответственным за поглощение γ -квантов в области малых энергий.

При Комптон-эффекте гамма-квант рассеивается на одном из слабо

связанных с атомом или свободных электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1,02 МэВ, то возможно его превращение в электрическом поле ядер в пару электрон-позитрон (процесс обратный аннигиляции).

Вопрос 31. Закон радиоактивного распада. Период полураспада.

Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Поэтому можно считать, что убыль числа нераспавшихся ядер за малый промежуток времени пропорционально как числу имеющихся ядер, так и промежутку времени:

(8.19)

Разделяя переменные в (8.19), запишем; интегрируя полученное дифференциальное уравнение, найдем, потенцируя последнее выражение, получим, откуда при (т.е. в начальный момент времени) находим, что.

Таким образом, получаем закон радиоактивного распада

, (8.20)

т.ечисло нераспавшихся ядер убывает во времени экспоненциально; здесь – число ядер в данном объеме вещества в начальный момент времени; – число нераспавшихся ядер в том же объеме к моменту времени; – постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада ядра за 1 с и равная доле ядер, распадающихся в единицу времени (см. (8.19)).

Закон самопроизвольного радиоактивного распада основывается надвух предположениях: 1) постоянная распада не зависит от внешних условий; 2) число ядер, распадающихся за время dt, пропорционально наличному количеству ядер. Эти предположения означают, что радиоактивный распад является статистическим процессом и распад данногоядра является случайным событием, имеющим определенную вероятность.

Величина является средней продолжительностью жизни (среднее время жизни) радиоактивного изотопа.. Действительно, суммарная

продолжительность жизни dN ядер равна: t | dN |= tλNdt. Средняя продолжительность τ жизни всех первоначально существовавших ядер:

.. (8.21)

Характеристикой устойчивости ядер относительно распада является периодполураспада – время, в течение которого первоначальное количество ядер данного радиоактивного вещества распадается на половину. Это время определяется условием:

, откуда. (8.22)

Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Так, для урана T ≈ 4,5 млрд лет, а для радия T ≈ 1600 лет. Поэтому активность радия значительно выше, чем урана. Существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в доли секунды. При α- и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер.

Если дочернее ядро оказывается также радиоактивным, то возникаетцепочка радиоактивных превращений. Если происходит цепочка радиоактивных распадов и за время dt из общего числа N мматеринскихядер распадается λ м N м dt ядер, а за это же время распадается λ д N д dt дочерних ядер, то общее изменение dN дчисла ядер дочернего вещества заединицу времени выразится следующим образом:

. (8.23)

В случае подвижного равновесия между материнским и дочерним

веществами dN д/d t = 0 и выполняется условие радиоактивного равновесия:

. (8.24)