2 Типы ионизирующего излучение и его взаимодействие с веществом

Ионизирующее излучение – это поток заряженных или нейтральных частиц, а также квантов электромагнитного излучения, которые проходя через вещество, способны вызывать возбуждение или ионизацию атомов или молекул среды. Все излучения делят на фотонные или корпускулярные. В фотонных – энергию переносят кванты электромагнитного излучения. К нему относят γ-излучение, рентгеновское излучение и некоторые другие. В корпускулярном излучении энергию переносят заряженные или нейтральные частицы. К этому типу излучений относят α-излучение, β-излучение, нейтронное излучение (Рис.2).

Рисунок 2. Виды ионизирующих излучений (116)

Заряженные частицы с достаточно высокой энергией способны вызывать непосредственную ионизацию атомов при столкновении, поэтому такие излучения относят к классу непосредственно ионизирующих излучений. Нейтральные частицы и кванты излучений сами не способны вызвать ионизацию и в процессе продвижения через среду могут высвобождать электроны, которые способны вызвать ионизацию атомов среды. Такие излучения относят к косвенно ионизирующим.

Различные типы атомных излучений, при прохождении через вещество передают ему энергию различными путями. Относительно крупная α–частица имеет большую вероятность столкнуться с электронами атомов. Поэтому она неглубоко проникает в вещество, быстро теряет энергию, оставляет в поверхностном слое сгусток ионов и относится к плотноионизирующей радиации. Такой тип ионизирующего излучения задерживается поверхностными слоями кожи или одеждой, но может представлять угрозу при воздействии на поверхность легких или внутренних органов при инкорпорированном воздействии. γ-кванты обладают высокой энергией и очень малой длиной волны, поэтому они редко взаимодействуют с электронами атомов, т.е. одна ионизация будет образовываться на значительном расстоянии от другой, поэтому γ- излучение относится к редкоинизирующему. Такое излучение очень незначительно рассеивается в веществе и поэтому обладает большой проникающей способностью и легко пронизывает любой организм, независимо от его размеров ( 38).

β-излучение занимает промежуточное положение. Чем выше энергия β–частиц, тем глубже они проникают в вещество и тем меньше плотность ионизации. В конце движения, когда значительная часть энергии уже потеряна, они дают большую плотность ионизации.

К α-излучателям относят около 160 природных и искусственных радионуклидов, расположенных в конце периодической системы и имеющих атомный номер более 82. β-излучателей значительно больше, около 700. Как было сказано выше, и α-, и β- распад сопровождается γ- излучением.

При взаимодействии с атомами твердого тела ионизирующее излучение вызывает смещение атомов из устойчивых положений в решетке, ионизацию и, в некоторых слу­чаях, появление в решетке примесей за счет деления и ядерных реакций. Облучение вы­зывает более или менее устойчивые изме­нения свойств твердого тела — радиацион­ное повреждение, характер которого зависит от типа связей в об­лучаемом теле, вида и условий облучения (37).

При взаимодействии с веществом любой частицы ионизирующего излучения возможны упругое и неупругое рассеяние. Упругое рассеяние происходит по правилам ньютоновской (классической) механики, т.е. суммарная кинетическая энергии частиц до и после столкновения одинакова, но частицы изменяют направление движения. При неупругом рассеянии часть кинетической энергии налетающей частицы расходуется на ионизацию, возбуждение атомов среды и тормозное излучение.

Передача энергии заряженной частицей вещест­ву осуществляется в основном, посредством возбуждения и ионизации атомов. Однако, чтобы осуществить ионизацию, квант или частица должны непосредственно столкнуться, попасть в ядро или электрон атома. Если мы примем во внима­ние ничтожно малую длину волны или размер ионизи­рующей частицы, то такое попадание будет очень ред­ким явлением. Наименьшей проникающей способностью обладает α-частица, однако при прохождении ее через вещество образуется цепочка ионов с максимумом в конце пути. Кроме того, тяжелая α-частица, способна вызывать смещение атомов из узлов кристаллической решетки. Эти смещенные атомы обладают значительной энергией, чтобы также вызывать ионизацию. Таким образом, α-частица будет неглубоко проникать в вещество, но при этом вызывать в поверхностном слое массированное радиационное повреждение (19).

При прохождении через вещество γ- излучения возможны три типа взаимодействия с атомами: фотоэлектричес­кий эффект (фотоэффект), эффект Комптона и образование электрон-позитронных пар.

Фотоэффект процесс взаимодействия фотона с электроном, связанным с атомом, при ко­тором электрону передается вся энергия фо­тона. При этом электрон выбрасывается за пределы атома (рис.3). Фотоэффект на свободном электроне невозможен.

Рисунок 3 Фотоэффект (117)

Эффект Комптона представляет собой рассеяние фотона. Фотон при этом не поглощается, а лишь теряет часть энергии и изменяет направление движения. Избыток его энергии передается комптоновскому электро-ну. При комптоновском рассеянии угол между направлением движения пер­вичного и рассеянного фотонов может из­меняться от нуля до180°.

Рисунок 4. Эффект Комптнона (117)

Образование электрон-позитронной па­ры — третий вид взаимодействия фотонов с веществом, который может происходить при достаточно высокой энергии фотонов в поле атомного ядра. Образованные электрон и позит­рон производят ионизацию среды.

Рисунок 5. Образование электрон-позитронной пары (117)