Взаємодія іонізуючих випромінювань з речовиною

Первинними механізмами взаємодії іонізуючих випромінювань з речовиною є збудження атома або його іонізація внаслідок передачі енергії випромінювання електрону атома.

Збудження атомів виникає у тих випадках, коли під впливом не дуже великої енергії випромінювання електрон тимчасово на надто короткий час залишає свою орбіталь, а повертаючись на попереднє місце призводить до виникнення низькоенергетичного кванта випромінювання.

Іонізація речовини виникає при відриві електрона від атома внаслідок впливу іонізуючого випромінювання з енергією, здатною відірвати електрон (20-35 еВ). Атом, що втратив електрон, з електронейтрального став позитивно зарядженим іоном. Втрачений атомом електрон приєднується до іншого атома і утворює негативно заряджений іон. Так утворюється пара іонів.

В залежності від величини лінійної передачі енергії (ЛПЕ) всі іонізуючі випромінювання ділять на рідко - і щільноіонізуючі. До рідкоіонізуючих випромінювань відносять всі види випромінювань з ЛПЕ меншою 10 кеВ/мкм — β- та квантові випромінювання, а до щільноіонізуючих — з ЛПЕ вищою 10 кеВ/мкм — нейтрони, протони, ядра важких хімічних елементів.

Різні види випромінювань викликають іонізацію середовища неоднотипно.

Первинноіонізуючі випромінювання передають свою енергію середовищу безпосередньо іонізуючими зарядженими частинки (α-, β-частинки, протони, важкі іони, π-мезони) шляхом відриву від атомів і молекул середовища електронів в результаті взаємодії їх електричних зарядів.

До вторинноіонізуючих відносяться квантові випромінювання (рентгенівське та γ-випромінювання) і нейтрони.

Взаємодія квантового випромінювання з речовиною.

При взаємодії квантового випромінювання з речовиною виникають наступні ефекти:

1. Фотоелектричний ефект (фотоефект) настає внаслідок передачі всієї енергії кванта орбітальному електрону, який вибивається з орбіталі атома речовини і називається фотоелектроном. Атом, який втратив електрон, перетворюється в позитивний іон, а фотоелектрон викликає іонізацію середовища як безпосередньо іонізуюча частинка. В кінці шляху пробігу фотоелектрон губить енергію, приєднується до нейтрального атома середовища і перетворює його в негативно заряджений іон. Фотоефект виникає при енергії кванта 0,1 - 0,3 МеВ.

2. Комптон-ефект (комптонівське розсіювання) полягає в передачі частини енергії γ-кванта електрону середовища і зміні свого попереднього напрямку, а електрон рухається в напрямку, зміненому впливом енергії γ-кванта. Такий електрон називається електроном віддачі і може іонізувати середовище. Комптон-ефект виникає при енергії γ-квантів близькій до 1 МеВ.

3. Утворення електронно-позитронних пар виникає внаслідок зіткнення фотона (з енергією більшою 1 МеВ) з полем ядра речовини, при цьому утворюється пара електрон-позитрон, яка викликає іонізацію середовища. При анігіляції електронно-позитронної пари виникає γ-фотон з енергією 1,02 МеВ. Фотони з енергією більшою 2,2 МеВ можуть вибити з ядра атома нейтрон чи протон. Це явище називається ядерним фотоефектом, в результаті чого часто виникають радіонукліди.

Взаємодія корпускулярного випромінювання з речовиною.

При взаємодії α-частинок з речовиною виникає збудження та іонізація атомів внаслідок непружних[1] зіткнень з орбітальними електронами. При потраплянні α-частинок в ядро атома речовини виникає ядерна реакція з виділенням нейтронів, α-частинок, тощо.

При взаємодії β-частинок з речовиною виникають пружні[2] і непружні взаємодії, внаслідок чого виникає іонізація, збудження атомів та ядер і гальмівне[3] випромінювання.

Крива Брегга. При проникненні заряджених частинок углиб речовини наростає кількість взаємодій випромінювання з атомами і молекулами. При цьому швидкість частинок зменшується, відповідно підвищується ймовірність нових взаємодій, і частота іонізацій збільшується. Із збільшенням пробігу питома іонізація (число іонізацій на одиницю довжини пробігу) зростає, досягає максимуму (пік Брегга), а далі швидко зменшується до нуля.

Взаємодія нейтронів з речовиною.

Особливості взаємодії нейтронів з речовиною залежать від їх енергії. За енергією розрізняють:

1. Повільні нейтрони: а) ультрахолодні — 10 ^-7 еВ; б) холодні — до 5 •10 ^-3 еВ;

в) теплові — до 0,5 еВ; г) надтеплові — до 10 еВ.

2. Резонансні нейтрони — 0,5 кеВ.

3. Проміжні нейтрони — 0,2 МеВ.

4. Швидкі нейтрони — до 20 МеВ.

5. Дуже швидкі нейтрони - до 300 МеВ.

6. Надшвидкі (релятивістські) нейтрони — понад 300 МеВ.

Повільні нейтрони захоплюються ядрами середовища, внаслідок чого може виникати наведена радіоактивність, наприклад:

Резонансні нейтрони захоплюються лише важкими ядрами. Для проміжних і швидких нейтронів типовим є пружне розсіювання і ядерні реакції. При пружному розсіюванні нейтрони виштовхують ядра речовини, а потік ядер призводить до іонізації середовища (непряма іонізація нейтронами). Ці ядра називаються ядрами віддачі.

Для швидких нейтронів характерне як пружне, так і непружне розсіювання.

При цьому випромінюються протони, α-частинки, дейтрони, тощо, які здатні іонізувати середовище (непряма іонізація нейтронами).

Дуже швидкі і релятивістські нейтрони викликають реакцію сколювання при зіткненні із великими ядрами, внаслідок чого утворюється потік π-мезонів, декількох уламків ядра і γ-квантів, яким властивий іонізуючий ефект.