Взаимодействие альфа и бета - частиц

Заряженные частицы, проходя через вещество, постепенно теряют энергию в основном в результате взаимодействия с электронами атомов, а также с электрическим полем ядра.

В процессе взаимодействия с электронами атомов кинетическая энергия альфа и бета — частиц растрачивается на ионизацию, т.е. на отрыв электронов от атомов и на возбуждение атомов и молекул (ионизационные потери энергии).Взаимодействуя с электрическим полем ядра, заряженная частица тормозится и меняет направление своего движения, при этом происходит испускание излучения, которая по своей характеристике близко к рентгеновскому и называется тормозным рентгеновым излучением.

Уменьшение кинетической энергии заряженных частиц в электрическом поле ядра составляет радиационные потери, которые будут тем значительнее, чем больше порядковый номер атомов среды (плотность вещества) и энергия частиц. Следует отметить, что радиационные потери и тормозное излучение характерно для бета-частиц.

Исходя из этого в практической работе для защиты от бета - излучения целесообразно использовать материалы малой плотности (плексиглас, стекло, полимеры и т.п.).

Величиной, определяющей энергетическую сторону процесса ионизации служит так называемая работа ионизации - средняя работа, затрачиваемая на образование одной пары ионов. Для воздуха этот показатель составляет в среднем 35 эВ для альфа и 34 эВ для бета - частиц. Если известна энергия заряженной частицы, легко можно подсчитать полную ионизацию, т.е. количество пар ионов, образованных на всем пути частицы: J = Е/W, где Е - энергия частицы,W- средняя энергия затраченная на образование одной пары ионов.

Заряженные частицы различные по природе, но с одинаковой энергией образуют практически одинаковое число пар ионов (одинаковая полярная ионизация.). Однако плотность ионизации или удельная ионизация, т.е. число пар ионов на единицу пути частицы в веществе, будет различная. Плотность ионизации возрастает с увеличением заряда частицы и с уменьшением ее скорости. Это обусловлено тем, что частицы с большим зарядом сильнее взаимодействуют с электронами, а частицы, обладающие меньшей скоростью, большее время находятся вблизи электронов, и их взаимодействие с ними также оказывается более сильным. Удельная ионизация у альфа-частиц самая большая из всех ядерных излучений. В воздухе на 1см пути альфа - частица образует несколько десятков тысяч пар ионов, в то время как бета-частицы- 50-100 пар ионов. Проходя через вещество заряженные частицы, постепенно теряют энергию и скорость, поэтому плотность ионизации вдоль пути частицы возрастает и достигает наибольшей величины в конце пути.

Процесс ионизации будет происходить до тех пор пока энергия альфа и бета-частиц будет способна производить ионизацию. В конце пробега альфа-частица присоединяет к себе 2 электрона и превращается в атом гелия, а бета-частица (электрон) может включиться в один из атомов среды или на какое-то время остается свободным электроном.

Путь, проходимый альфа или бета- частицей в веществе, на протяжении которого она производит ионизацию, называется пробегом частицы.

Пробег альфа-частиц в воздухе может достигать 10 см, а в мягкой биологической ткани — несколько 10 микрон.

Пробег бета-частиц в воздухе достигает 25 см, а в биологической ткани до 1см.

Распространяются альфа-частицы в веществе прямолинейно и изменяют направления движения только при соударениях с ядрами встречных атомов.

Бета-частицы, имея малую массу (в 7000 раз легче альфа - частицы), большую скорость и отрицательный заряд, значительно отклоняются от первоначального направления в результате соударения с орбитальными электронами и ядрами встречных атомов (эффект рассеяния).

Претерпевая многократное рассеяние бета - частицы могут даже двигаться в обратном направление - обратное рассеяние. Эффект обратного рассеяния наблюдается при радиометрии исследуемых препаратов, если пробу наносить на подложку из материала большей плотности. Скорость счета в таких случаях иногда возрастает до 50% от активности измеряемого препарата.

Вследствие значительного рассеяния бета-частиц в веществе истинная длина пути в 1,5-4 раза больше их пробега.

Таким образом, путь и пробег при характеристике бета-излучения имеет разное понятие, путь бета-частиц всегда больше чем, пробег. Пробег выражается в единицах длины (мк, мм, см и т.п.) или поверхности плотности (г/см², мг/см²). Следует отметить еще одно различие прохождения альфа и бета-частиц через вещество.

1. Поскольку все альфа-частицы испускаемые данным радиоактивным изотопом, обладают относительно равной энергией и движутся в веществе прямолинейно, то число альфа-частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности поглотителя, резко падает до нуля лишь в конце пробега.

2. Спектр бета- частиц непрерывен, поэтому с увеличением толщины поглотителя число бета- частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности уменьшается постепенно, так как бета-частицы различной энергии будут поглощаться различными слоями поглотителя.

Ослабление интенсивности потока бета- частиц в веществе приблизительно подчиняется экспоненциальной зависимости.

N = N_ое^-μd,

N - число бета- частиц прошедших через слой поглотителя d см; N₀ -число бета-частиц, поступивших за 1 с на площадку поглотителя равную 1 см²; е - основание натуральных логарифмов (2,72); μ (ми, мю) - линейный коэффициент ослабления излучения, характеризующий относительное ослабление интенсивности потока бета-частиц после прохождения поглотителя толщиной 1 см.

Обычно толщину поглотителя выражают не в единицах длины (см, мм), а в г/см² мг/см², т.е. указывают массу поглотителя, приходящуюся на 1 см² его поверхности.