32

4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Радиоактивное излучение присутствовало в природе всегда. С развитием техногенной деятельности человека доля его увеличилась. Во многих местностях Белоруссии оно присутствует в большей или меньшей степени после чернобыльских событий.

Радиоактивное излучение влияет на свойства неорганических и органических веществ, биологических систем, поскольку оно переносит энергию, импульс и электрический заряд.

По роду взаимодействия с веществом радиоактивное излучение можно разделить на три группы:

1. Поток заряженных частиц: -излучение, -излучение, протоны,

дейтроны, различные ионы.

2.Поток нейтральных частиц: нейтроны, нейтрино и т.п.

3.Электромагнитное излучение: рентгеновское, -излучение. Ха-

рактер взаимодействия радиоактивного излучения с веществом зависит от природы излучения.

4.1. Взаимодействие заряженных частиц с веществом

Любое вещество состоит из положительно заряженных ядер и отрицательных электронов. При падении на вещество потока заряженных час-

тиц, например, или излучения, между падающим излучением и веществом возникает электромагнитное взаимодействие и происходит потеря энергии излучения. Механизм взаимодействия излучения с веществом различен.

4.1.1. Ионизационное торможение

В этом механизме кинетическая энергия падающей заряженной частицы тратится на возбуждение и ионизацию атомов среды. Величина потерь энергии на единице длины пути падающей частицы выражается формулой

где dE – энергия частицы, которую она теряет при прохождении расстоя-

ния dx; v – скорость падающей частицы; Z – атомный номер частицы; e –

заряд электрона, Za – атомный номер вещества, Na – число атомов в еди-

33

гии, приходящаяся на единицу длины пути, т.е. удельная потеря энергии,

Za Na – электронная плотность поглощающего вещества, B – сложная логарифмическая функция, зависящая от me ,V, а также потенциала иони-

зации атомов поглощающего вещества.

Зависимость удельных потерь энергии от энергии налетающей час-

тицы рассчитывается по формуле (4.1) (рис. 5). Участок АВ – отступление от формулы (4.1), т.к. в этом случае налетающая частица имеет маленькую скорость и, пролетая возле атома вещества, успевает захватить его электрон и сама по этой причине изменяется. Поскольку величина удельных ионизационных потерь зависит от скорости и заряда частицы, то при одной и той же энергии налетающей частицы удельная ионизационная потеря

электрона и -частицы будет резко отличаться. Например, при энергиях порядка нескольких МэВ потери электрона на ионизацию, примерно в 104

раз меньше, чем для -частиц. Зависимость удельных потерь энергий на ионизацию воздуха от энергии разного рода частиц показана на рис. 6.

Иллюстрацией зависимости удельных ионизационных потерь от

веществе). Из рисунка видно, что удельные ионизационные потери при уменьшении скорости -частицы резко возрастают, т.е. -частица в большей степени ионизирует вещество в конце своего пути R.

Резкое возрастание ионизационных потерь в конце своего пути характерно для многих заряженных частиц.

Удельная ионизирующая способность тяжелых многозарядных частиц велика. Так, -частица с энергией несколько МэВ на пути в 1 см в воздухе создает 30000 пар ионов. Электрон такой же энергии – всего несколько десятков пар ионов.

4.1.2. Длина пробега

Длина пробега или просто пробег R – это толщина слоя вещест-

ва, которую может пройти частица до полной остановки, если направление движения частицы было перпендикулярно поверхности вещества.

35

dE

dX ион

0,8

0,6

0,4

0,2

Рис. 7. Зависимость удельных ионизационных потерь от энергии -частиц

Понятия пути и пробега практически совпадают для тяжелых частиц,

траектория которых почти прямая, в отличие от электронов, траектория движения которых есть ломаная сложная линия.

Конкретное аналитическое выражение для длины пробега зависит от многих факторов и может быть сложным. Поэтому, чаще пользуются эм-

пирическими соотношениями. Так, общая формула для пробега заряженных частиц может быть записана в виде

где – постоянная, зависящая от рода вещества, энергии и типа частиц. В табл. 4.1 представлен пробег -частиц для некоторых веществ в

зависимости от энергии. Видно, что пробег в алюминии и биологической ткани для -частиц в 1000 раз меньше, чем в воздухе.

Пробег электронов в некоторых веществах в зависимости от энергии показан в табл. 4.2. Сопоставляя обе таблицы, можно заключить, что про-

бег электронов по сравнению с пробегом -частиц в104 105 раз больше. Например, листа бумаги достаточно, чтобы задержать все падающие-частицы, в то время как толщина листа алюминия, чтобы задержать все

36

падающие в-частицы, должна составлять примерно несколько сантиметров для энергии 7 – 10 МэВ.

Отметим, что на практике и в справочной литературе длину пробега часто выражают в иных единицах измерения – г/см2, смысл чего можно понять из следующего соотношения

где – удельная плотность вещества.