§ 89. Бета- и гамма-лучи

В отличие от -частиц, испускаемых с определенными, характерными для каждого радиоактивного вещества энергиями, -электроны в основном испускаются с различными начальными энергиями, распределенными по статистическому закону от самых малых значений до некоторого максимального (для одних веществ это максимальное значение имеет порядок нескольких десятых мегаэлектроновольта, для других и в отдельных случаях еще больше). Например, максимальная энергия электронов, излучаемых , составляет 0,65 Мэв, а у равна (при такой энергии электроны имеют скорость, равную 99,8% скорости света; средняя энергия электронов в излучении близка к что соответствует скорости

Следует отметить, что наряду с непрерывным спектром -элек-тронов (типичный вид которого показан на рис. 355, стр. 462) для многих радиоактивных веществ отклонение -лучей, пропущенных через узкую щель, под действием магнитного поля выявляет группы электронов, обладающих одинаковыми начальными энергиями (магнитноспектральные линии); этот дискретный спектр -лучей налагается на непрерывный спектр, к которому принадлежит большая часть электронов. Причины такого строения спектра -лучей рассмотрены в § 93.

В некоторых случаях (например, для каждого из изомеров непрерывный спектр -излучения является сложным, а именно представляет собой сочетание двух статистических распределений с резко различающимися значениями максимальной энергии.

При движении в веществе -электроны теряют свою энергию подобно -частицам постепенно —во многих последовательных столкновениях, часть из которых приводит к ионизации атомов. В соответствии с общей закономерностью, поясненной в предыдущем параграфе, потеря энергии на ионизацию возрастает по мере уменьшения скорости электрона: при энергии, превышающей электрон на 1 см пути в воздухе нормальной плотности, испытывая около 8000 столкновений с молекулами, образует около 50 пар ионов, при при ; при энергии порядка уже более половины столкновений электрона с молекулами сопровождается ионизацией. Некоторые столкновения приводят к резким изломам прямолинейной траектории электрона.

Для различных поглощающих веществ потеря энергии -электронами на ионизацию почти пропорциональна числу электронов в среды, т. е. произведению где число атомов в 1 см атомный номер. Поскольку где плотность и А — атомный вес, и отношение для большинства веществ близко к у, то получается, что потери на ионизацию для -электронов приблизительно пропорциональны плотности среды.

Вследствие статистического распределения начальных энергий электронов поглощение -лучей (при их простом спектре) приближенно определяется экспоненциальным законом

здесь -интенсивность лучей, измеренная по эффекту ионизации до поглощения, интенсивность после прохождения слоя толщины коэффициент поглощения. Часто вместо коэффициента поглощения указывают толщину слоя половинного поглощения лучей или толщину слоя, в котором происходит десятикратное

ослабление первоначальной интенсивности лучей. Так как формула (11) математически идентична формуле (4), то связь между величинами такая же, как и между величинами

Вместо термина «коэффициент поглощения» величину часто называют (по причине, поясненной в § 117) макроскопическим сечением поглощения.

Так как спектр -лучей ограничен некоторым максимально возможным значением энергии и по мере торможения -электронов ионизация, производимая ими, сильно возрастает, то интенсивность -лучей при в действительности спадает круче, чем это определяет формула

Поскольку ионизация, производимая -электронами, в среднем по порядку величины в 100 раз меньше ионизации, производимой -частицами, то приблизительно во столько же раз пробег -лучей больше пробега -частиц. Бета-излучение при максимальной энергии электронов практически полностью задерживается слоем воздуха (нормальной плотности) воды — 1 см, алюминия — или свинца Для других значений максимальной энергии электронов (но не меньших чем изменение их проникающей способности происходит приблизительно пропорционально этой энергии.

Приблизительный пробег электронов в алюминии и в воздухе нормальной плотности

(см. скан)

Гамма-лучи, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, состоят из одной или нескольких групп фотонов с одинаковыми энергиями, характерными для данного вещества. При распространении у-лучей в поглощающем веществе их распределение по однородным энергетическим группам нарушается вследствие

комптоновского рассеяния. Различают жесткое у-излучение, испускаемое ядрами при переходах из возбужденного состояния в основное, и мягкое, которое испускается при перестройке электронных оболочек атома после особого вида радиоактивного превращения, так называемого -захвата (§ 92), и ничем не отличается от рентгеновых лучей -серии. Фотоны жесткого у-излучения имеют энергию от сотен тысяч электроновольт до нескольких мегаэлектроновольт. В ряде случаев ядро из возбужденного состояния переходит в основное не сразу, а путем последовательных переходов в промежуточные состояния. Это приводит к тому, что излучаются несколько фотонов с суммарной энергией, равной разности уровней возбужденного и основного состояний. Поглощение у-лучей в среде в основном вызвано тремя процессами: фотоэффектом, комптоновским рассеянием и явлением образования электронно-позитронных пар, которое будет рассмотрено ниже.

При энергиях фотонов порядка поглощение у-лучей в веществе происходит в основном вследствие фотоэффекта, причем электрон выбрасывается из глубинных слоев атома (К или после чего происходит заполнение освободившегося места с испусканием характеристического рентгенова излучения.

В поглощении у-лучей с энергиями фотона порядка существенную роль начинает играть эффект Комптона. Электроны, вырванные из атомов в результате фотоэффекта, а также электроны, получившие энергию при комптоновском рассеянии на них у-квантов, в дальнейшем могут сами производить ионизацию атомов среды.

Поглощение у-лучей, вызванное фотоэффектом, быстро убывает с ростом энергии ефотона (быстрее, чем поглощение, связанное с эффектом Комптона, при тоже уменьшается, но значительно медленнее (приблизительно как В связи с этим у-фотон с энергией образует в воздухе нормальной плотности в среднем только две пары ионов на пути 1 см, т. е. приблизительно в 25 раз меньше, чем -электронной же энергии. Такое ничтожное ионизирующее действие соответствует потере энергии фотона на 1 см, т. е. около в слое воздуха толщиной

Одно время предполагали, что поглощение веществом у-лучей, как и рентгеновых лучей, обусловлены только процессами, происходящими в электронной оболочке атомов: фотоэффектом и эффектом Комптона. Но исследования, выполненные в 1934 г. и последующих годах, показали, что у-фотоны с энергией в несколько мегаэлектроновольт могут поглощаться ядрами, переводя их в возбужденные состояния, переходы из которых в основное могут сопровождаться выбросом внутриядерной частицы — нейтрона или

протона. Об этом «ядерном фотоэффекте» или, что то же, «фоторасщеплении ядер» сказано в § 92.

Поглощение у-лучей при прохождении их через вещество можно также описывать экспоненциальным законом (11), но коэффициент поглощения в этом случае имеет величину в 50—100 раз меньшую, чем для -лучей, соответственно меньшему ионизирующему действию улучей. Так, например, при поглощении улучей с энергией фотонов в воздухе нормальной плотности и поэтому согласно толщина слоя десятикратного ослабления равна что в 100 раз превышает проникающую способность -лучей той же энергии. При поглощении фотонов той же энергии свинцом и тогда как электроны с энергией как уже упоминалось, полностью задерживаются слоем свинца

При меньшей энергии фотонов производимая ими ионизация и коэффициент поглощения у-лучей существенно возрастают, что можно видеть из приведенной ниже таблицы. Две первые строки этой таблицы относятся к фотонам очень большой энергии; такие фотоны наблюдаются в космических лучах и получаются в лабораторных условиях при торможении электронов, которым предварительно была сообщена большая энергия в ускоряющем электрическом поле.

Коэффициент поглощения для -излучения в зависимости от энергии фотонов и свойств среды (воздух нормальной плотности, вода и свинец)

(см. скан)

По мере проникновения у-лучей в глубь поглощающего слоя средняя энергия фотонов из-за комптоновского рассеяния несколько уменьшается и соответственно возрастает коэффициент поглощения. Пользуясь при расчетах формулой обычно подставляют в нее некоторое среднее значение

Поглощение у-лучей определенной энергии в различных веществах, как и поглощение -лучей, приблизительно пропорционально их плотности: отношение более или менее одинаково для большинства веществ (что видно из приведенной здесь таблицы).

Коэффициенты поглощения у-лучей в различных веществах

(см. скан)

Величину называют массовым коэффициентом поглощения (или «эффективным макроскопическим сечением поглощения для вещества»). Дифференцируя (11), нетрудно убедиться, что величина определяет относительную потерю энергии в слое т. е. относительную удельную ионизацию (§ 88):

Исследуя биологическое действие радиоактивных излучений, поглощаемую веществом энергию измеряют в тех же единицах, которые применяют для рентгеновых лучей, — в рентгенах. Рентген представляет собой такую объемную плотность поглощенной энергии (или, как говорят, дозу поглощенной энергии), при которой в сухого воздуха (при нормальном давлении) общий заряд образующихся ионов одного знака равняется одной абсолютной электростатической единице заряда.

Доза облучения в 1 рентген создается в течение часа лучами, испускаемыми радия на расстоянии от источника. Рентгенова трубка при напряжении и токе на расстоянии в течение 1 минуты создает дозу облучения в 30 рентген.

Так как на образование одной пары ионов расходуется приблизительно а число ионов с суммарным зарядом, равным одной электростатической единице заряда, обратно величине заряда

электрона, то

Для оценки биологического действия облучения важна, однако, плотность ионизации в тканях организма, а не в воздухе. Считают, что ионизация в ткани приблизительно таая же, как в воздуха. Поскольку 1 рентген воздуха при нормальных условиях занимает объем см то

Мощность излучения, поглощаемую ткани организма, характеризуют дозой, полученной в единицу времени (числом рентген в час, сутки, неделю).

Наибольшее действие у-лучи оказывают на лимфатические ткани и клетки костного мозга. Большие дозы облучения (порядка 100 рентген) приводят к патологическому уменьшению в крови числа эритроцитов и лимфоцитов.

Облучение всего человеческого тела дозой в 200—800 рентген (полученных в течение нескольких часов) вызывает тяжелую «лучевую болезнь», которая часто имеет смертельный исход.

Допустимая доза общего, облучения тела (при условии длительного отдыха тканей после облучения) составляет 20—30 рент-, ген за сутки. При облучении небольших участков тела многократно увеличенные дозы в большинстве случаев не представляют опасности. Для лечения злокачественных опухолей применяют узко локализованное облучение с дозами 3000—7000 рентген.