Взаимодействие ядерных излучений с веществом

Взаимодействие нейтронов с веществом определяется, в первую очередь, отсутствием электрического заряда у этой частицы, вследствие чего нейтрон легко проникает в любые ядра, даже в самые тяжелые. Достигая ядра, поток нейтронов вызывает ядерные реакции: упругое и неупругое рассеяние, радиационный захват, ядерное расщепление.

Упругое и неупругое рассеяние – это процесс, при котором нейтрон передает большую часть своей энергии ядру и, как следствие, замедляет скорость своего движения.

Неупругое рассеяние наблюдается при движении нейтрона через внешнюю оболочку ядра. Оно тем больше, чем тяжелее ядро, т.е. чем дальше место элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Упругое рассеяние происходит при движении нейтрона через более глубокие зоны ядра. При упругом рассеянии потеря энергии и замедление скорости нейтрона тем больше, чем меньше масса ядра. Потерявший энергию нейтрон захватывается ядром (поглощается), вследствие чего возбуждается искусственная радиоактивность ядра; процесс поглощения сопровождается испусканием гамма-квантов, протонов, альфа-частиц; в самых тяжелых ядрах (уран, торий) под действием нейтронов может происходить деление.

Таким образом, поток нейтронов, проходя через вещество, замедляется и теряет часть нейтронов, захваченных ядрами атомов. И замедление, и интенсивность потока, а также вновь появившееся радиационное излучение могут быть оценены количественно, т. е. измерены.

Источником нейтронов чаще всего служат естественные радиоактивные элементы – смеси радия и бериллия (Ra – Be), полония и бериллия (Ро – Be), плутония и бериллия (Pu – Be) и др. – или искусственные источники, например ядерные реакторы. В зависимости от вида источника энергия нейтронов меняется в широких пределах. В соответствии с энергетической характеристикой нейтроны подразделяются па быстрые (более 0,5 МэВ), промежуточные (0,001–0,5 МэВ), медленные (менее 0,001 МэВ), резонансные (1–10 эВ), надтепловые (0,05 эВ), тепловые             (0,025 эВ). При исследовании пород нейтронными методами чаще используют быстрые нейтроны.

Замедление нейтронов породами оценивается длиной замедления L, т. е. таким расстоянием, на котором энергия нейтронов уменьшается в определенное число раз (  = const). Параметр L характеризует содержание в породе легких элементов, в первую очередь водородсодержащих (вода, нефть, газ), сильно замедляющих нейтроны. Ослабление интенсивности потока при рассеянии и поглощении нейтронов зависит от квантомеханических характеристик ядер, пропорциональных размеру ядер. Эти характеристики определяются коэффициентом пропорциональности, который называется нейтронным эффективным сечением  и численно равен вероятности ядерной реакции за 1 с при бомбардировке одного ядра потоком нейтронов с плотностью в            1 нейтрон на 1 см². Коэффициент  особенно велик у пород, содержащих бор, хлор, марганец, редкоземельные элементы. Измерение наведенной радиоактивности позволяет определить содержание многих элементов в одном облученном образце путем измерения состава излучения, периодов полураспада и других параметров.

Взаимодействие гамма-квантов с веществом сопровождается следующими физическими процессами: фотоэлектрическим поглощением (фотоэффект), комптоновским рассеянием, образованием пар электрон – позитрон, флюоресцентным излучением, тормозным гамма-излучением и др.

Фотопоглощение (или фотоэффект) заключается в поглощении γ-кванта атомом вещества, при этом его энергия уходит на отрыв электрона от атома и сообщение последнему импульса энергии (рис. 3.28, а).

 

 

Рис. 3.28. Виды взаимодействия гамма – квантов с веществом:

а – фотоэффект; б – комптоновское рассеяние;

в – образование пар; в – ядерный фотоэффект

 

Атом остается возбужденным и переходит в нормальное состояние, испуская фотон рентгеновского излучения. (Фотоэффект наблюдается при самых малых энергиях γ-квантов). Вероятность поглощения , при фотоэффекте зависит от энергии γ- кванта   и химического состава вещества.

Комптоновское рассеяние – это рассеяние γ-квантов на электронах вещества, в результате которого γ-квант теряет часть своей энергии и меняет направление движения (рис. 3.28, б). Выбитые из атомов электроны ионизируют среду и поглощаются ею. Наблюдается Комптон-эффект при более высоких энергиях, условно можно считать  > 0,5 МэВ.

Вероятность комптон-эффекта  зависит от сечения комптоновского рассеяния , которое, в свою очередь, является функцией энергии и атомного номера элемента, и от числа электронов в единице объема вещества .

Образование пар происходит при взаимодействии γ-кванта с полем ядра атома, γ- квант прекращает свое существование, а вместо него образуется пара: электрон и позитрон (рис. 3.28, в), которые поглощаются окружающим веществом.Вероятность этого процесса невелика поскольку ядро занимает лишь небольшую часть объема всего атома и энергия γ-кванта должна быть достаточной для этой реакции (  > 1,02 МэВ). Процесс образования пар в геофизических методах исследования скважин пока не используют.

Ядерный фотоэффект заключается в поглощении γ-кванта ядром атома, после чего ядро становится возбужденным и переходит в нормальное состояние через испускание нейтрона (рис. 3.28, г). При этом одновременно возникает вторичное направленное от ядра тормозное гамма-излучение.

Характер взаимодействия гамма-квантов с веществом определяется, таким образом, границами энергетических областей гамма-излучений. Эти границы имеют индивидуальные значения для каждого вещества, но приблизительно общие пределы для одного вида взаимодействия (табл. 3.7).

 

Таблица 3.7

 

Вещество (элемент)	Энергия, ниже которой преобладает фотоэффект, МэВ	Область энергий, в которых преобладает комптоновское рассеяние, Мэв	Энергия, выше которой преобладает образование пар электрон – позитрон, МэВ
Н	0,0001	0,0001–78,0	> 78,0
С	0,0160	0,016–28,0	> 28,0
О	0,0250	0,025–20,0	> 20,0
Аl	0,0460	0,046–15,0	> 15,0
Fe	0,1100	0,11–9,5	> 9,5
Mo	0,1950	0,195–7,5	> 7,5
Pb	0,5000	0,50–5,0	> 5,0
U	0,5200	0,62–4,8	> 4,8

 

Поглощение и рассеяние гамма-квантов в веществе приводит к снижению интенсивности гамма-излучения, которая оценивается линейным коэффициентом ослабления μ, являющимся основным гамма-лучевым параметром вещества:

                                           ,

где  – интенсивность пучка гамма-излучений при входе в слой вещества; d – толщина слоя (длина пути пробега гамма-лучей в веществе); I – интенсивность пучка при выходе из слоя вещества.

 

Линейный коэффициент ослабления μ пропорционален плотности вещества σ и его атомному номеру в периодической системе элементов Д.И. Менделеева.

В качестве источников гамма-излучения используются естественные и искусственные изотопы натрия (²⁴Na), кобальта (⁵⁷Со, ⁶⁰Со), цинка (⁶⁵Zn), сурьмы (^l24Sb), цезия (¹³⁷Cs) и других элементов, ядерные реакторы, электронные ускорители и т.п.