ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ

Радиоактивные излучения (альфа-частицы, электроны, позитроны, гамма-фотоны) обнаруживаются по их взаимодействию с веществом. Прежде всего это взаимодействие приводит к ионизации вещества, которая оценивается по числу пар ионов, возникающих на единице длины пробега данной частицы в веществе (это число называется удельной ионизацией).

Альфа-частицы вылетают из ядер с различными скоростями, однако лежащими в сравнительно узких пределах: от 1,4 до что соответствует энергиям от 4 до Энергия альфа-частиц, вылетающих из одинаковых ядер, почти одинакова. В среднем альфа-частица образует в воздухе при нормальных условиях около пар ионов на один сантиметр своего пробега. С уменьшением ее скорости удельная ионизация увеличивается сначала медленно, затем быстро и лишь перед остановкой резко уменьшается до нуля.

На рис. IV. 102, а показана удельная ионизация, производимая альфа-частицей на протяжении ее пробега (расстояние, проходимое частицей в веществе до ее остановки, называется пробегом или проникающей способностью). Заметное увеличение ионизации перед остановкой частицы объясняется тем, что при малой скорости движения увеличивается время взаимодействия между частицей и встречными

молекулами вещества, а следовательно, и вероятность самого процесса ионизации. В связи с этим число альфа-частиц, проходящих через среду, слабо изменяется на первых участках пробега и резко уменьшается, когда В воздухе при нормальных условиях быстрые альфа-частицы имеют средний пробег около 8 см; в более плотных средах пробеги гораздо короче и могут быть порядка сотых долей миллиметра. Поэтому стенки стеклянных ампул, содержащих радиоактивные препараты, почти полностью поглощают их альфа-излучения.

Бета-частицы (электроны), испускаемые радиоактивными веществами, имеют различные скорости — от очень малых до скоростей, близких к скорости света (до 0,988 от этой скорости, что соответствует энергии около 5 МэВ). При прохождении через вещество электроны теряют энергию на:

Рис. IV.102

1) ионизацию атомов вещества. Вследствие малой массы электронов и их большой скорости (и поэтому малой вероятности взаимодействия с атомом) способность электронов вызывать ионизацию слабее, чем у альфа-частиц в 100 раз). Поэтому пробег электронов в веществе значительно больше, чем у альфа-частиц, и достигает в воздухе в свинце —

2) возбуждение рентгеновского излучения при торможении электронов в веществе (см. § 16). Этот процесс протекает интенсивно только в достаточно плотных средах, содержащих тяжелые атомы.

Поглощение потока электронов с одинаковыми скоростями в однородном веществе происходит приблизительно по экспоненциальному закону

где начальное число электронов, число электронов, прошедших слой вещества толщиной коэффициент поглощения. Следует отметить, что для каждого вещества имеется некоторое значение при котором все электроны поглощаются, поэтому формула (4.11) применима только при

Измерение скоростей (энергий) электронов производится приборами (бета-спектрометрами), схема которых показана на рис. IV. 103. Электроны, испускаемые препаратом проходят через щель и поступают внутрь кольца помещенного в магнитное поле, перпендикулярное его плоскости. Это поле искривляет траекторию электронов, но только при условии, когда сила Лоренца будет равна центростремительной силе для окружности радиуса

электроны смогут попасть на приемник Следовательно, подбирая индукцию магнитного поля, приводящего электрон к приемнику, можно вычислить скорость электронов. Если препарат испускает электроны, имеющие различные скорости, то с помощью этого прибора можно определить полный спектр скоростей электронов.

Рис. IV. 103

Рис. IV. 104

Гамма-лучи поглощаются в веществе вследствие двух процессов:

1) фотоэлектрического эффекта; гамма-фотоны, поглощаясь атомами вещества, выбивают из них электроны. Если процесс происходит в газе, то эти электроны, обладая достаточной энергией, вызывают ионизацию;

2) образования «пары частиц»; установлено, что гамма-фотон, обладающий энергией не менее при столкновении с достаточно массивным ядром исчезает и вместо него появляются две частицы: электрон и позитрон. Схема процесса показана на рис. IV. 104. В этом процессе соблюдаются закон сохранения энергии (при этом необходимо учесть ту энергию, которая связана с массами появившихся частиц согласно соотношению Эйнштейна

и закон сохранения импульса

Энергия, приобретаемая в этом процессе массивным ядром незначительна, поэтому энергия гамма-фотона расходуется в основном на «рождение» электрона и позитрона. Так как масса покоя этих частиц

то энергия, необходимая для их появления, тпозс . К этой энергии необходимо добавить кинетическую энергию электрона и. позитрона, разлетающихся с места столкновения, поэтому энергия фотона должна быть несколько больше

Энергия гамма-лучей может передаваться среде также и при упругом столкновении со слабо связанными электронами; рассеянные вследствие комптон-эффекта фотоны имеют меньшую энергию, чем падающие.

Гамма-лучи являются одними из самых проникающих излучений. Если полагать, что их поглощение в веществе происходит по экспоненциальному закону то коэффициент для многих веществ оказывается очень малой величиной. Кроме того, зависит от энергии фотонов; с увеличением этой энергии уменьшаются потери на фотоэффект и комптон-эффект и начиная с резко возрастают потери на образование пар. Толщина слоя вещества, уменьшающая интенсивность гамма-излучения вдвое («толщина половинного поглощения»), равна для свинца 1,6 см, железа — 2,4 см, алюминия — 12 см, земли — около 15 см и более в зависимости от плотности.