Виды ионизирующего излучения

Все ионизирующие излучения по своей природе подразделяются на корпускулярные (альфа- частицы, бета-частицы, нейтроны, протоны (ядра водорода, дейтроны (ядра тяжелого водорода - дейтерия, тяжелые ионы (ядра других элементов)) и электромагнитные (гамма-, рентгеновское).

Альфа-частицы представляют собой поток ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов, испускаемых веществом при радиоактивном распаде или при ядерных реакциях. Альфа - частицы вылетают из радииоактивного ядра со скоростью 14 000...20 000 км/с. Энергия этих частиц не превышает нескольких МэВ, в среднем 4...5,5 МэВ (1эВ=1,6*10 ¹⁹ Дж). Альфа-излучение обладает высокой ионизирующей способностью (в воздухе на 1 см пути образует несколько десятков тысяч пар ионов) и малой проникающей способностью. Например, пробег альфа - частиц достигает в воздухе 8...9 см, в живой ткани - несколько десятков микрометров. Альфа частицы поглощаются листом бумаги.

Бета-частицы - электроны или позитроны, вылетающие из ядра при радиоактивном распаде со скоростью близкой к скорости света (250000...270000 км/с).

Энергия бета - частиц не превышает нескольких МэВ. Они имеют проникающую способность в сотни раз большую, чем альфа - частицы, так как обладают значительно меньшей массой и при одинаковой с альфа - частицами энергии меньшим зарядом. Ионизирующая способность бета - частиц значительно меньше (примерно на два порядка), чем у альфа - частиц.

Типичными процессами взаимодействия альфа -, и бета - частиц с веществом являются отрыв электрона от атома (ионизация) или перевод электрона с более глубокой, т.е. ближе расположенной к ядру оболочки, на более удаленную (возбуждение атома). Примерно половина энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, в процессе взаимодействия расходуется на ионизацию, а половина - на возбуждение.

Альфа - и бета - частицы, проходя через вещество, взаимодействуют преимущественно с электронами атомов и молекул среды (прежде всего посредством кулоновских сил, отталкивая или притягивая электроны атомов или молекул в зависимости от их заряда). Вероятность взаимодействия с ядром существенно меньше, поскольку поперечные размеры ядра примерно в 10... 100 тысяч раз меньше поперечного размера атома.

Для ионизации атому необходимо сообщить энергию, превышающую силы электростатического притяжения электрона к ядру. Для атомов различных химических элементов она варьируется от 4 до 25 эВ (для электронов, находящихся на внешней орбите, эта энергия минимальна). Например, энергия фотонов источников видимого излучения составляет 2,0-2,5 эВ, т.е. существенно ниже потенциала ионизации атома любого химического элемента.

Энергия излучений, испускаемых при ядерных превращениях, варьируется в пределах от десятков тысяч до миллионов электрон-вольт. Вследствие чего, проходя через вещество , альфа - и бета - частицы способны создать сотни тысяч ионизированных и возбужденных атомов. Этим обстоятельством и обусловлен особый характер воздействия ионизирующих излучений на биологические объекты.

Гамма - излучение - это коротковолновое электромагнитное излучение

(длина волны менее 10 м), испускаемое ядром во время перехода от высокоэнергетического состояния на более низкое, при этом количество протонов и нейтронов в ядре неизменно.

Ядро может оказаться в высоком энергетическом состоянии, например, после альфа - или бета-распада (т.е. гамма- лучи не являются самостоятельным видом радиоактивности, а сопровождают альфа - и бета- распады). Гамма-излучение также образуется при присоединении нейтрона и жестком столкновении нейтронов с ядром частиц. Наиболее энергетически сильные гамма-лучи наблюдаются в космических частицах.

Гамма - излучение называют также фотонным излучением. Его скорость равна 300 000 км/с.

Энергия гамма - излучения, как правило, находится в пределах 0,01...3 МэВ. Оно обладает наибольшей проникающей способностью (например, проходит сквозь слой свинца толщиной 5 см) и относительно слабой ионизирующей способностью.

Рентгеновское излучение (X лучи) - электромагнитное излучение, занимающее область спектра между гамма - и УФ - излучением в пределах длин волн от 10 до 10 см.

Различают тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Тормозное излучение - это электромагнитное излучение с непрерывным спектром, испускаемое быстрыми заряженными частицами в результате их торможения в электрическом поле. Наиболее распространенным источником рентгеновского (тормозного) излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическую мишень из тяжелых металлов, например, вольфрама или платины), испытывая на нем резкое торможение.

Характеристическое рентгеновское излучение - это электромагнитное излучение с линейчатым спектром, возникающее после ионизации атома с выбрасыванием электрона с одной из его внутренних оболочек, при столкновениях атома с быстрой заряженной частицей или при поглощении им кванта электромагнитного излучения. Например, при выбивании электрона гамма - квантом из одной из внутренних оболочек атома, освободившее место заполняется электронами из вышележащих оболочек, что сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Характеристическое излучение испускается также и анодом в рентгеновской трубке при достаточно большой энергии бомбардирующих анод электронов.

В отличие от гамма- лучей, происходящих из атомных ядер, X - лучи возникают из взаимодействия электронов.

Рентгеновское излучение обладает малой ионизирующей и большой проникающей способностью.

Гамма - и рентгеновское излучения, представляющие собой поток фотонов, относятся к классу косвенно ионизирующего излучения. Фотон, как известно, не обладает зарядом, поэтому непосредственно ионизации не производит. В процессе прохождения через вещество он взаимодействует в основном с электронами атома, передавая им часть или всю свою энергию. Образованные, так называемые вторичные электроны в последующих процессах взаимодействия производят ионизацию. Таким образом, ионизация происходит не в первичных актах взаимодействия фотонов с веществом, а как результат передачи энергии веществу вторичными заряженными частицами.

Фотоны рентгеновских и гамма - лучей взаимодействуют с веществом и вызывают ионизацию, по меньшей мере, 4-мя различными способами:

1.Фотоэлектрический эффект (наиболее вероятный тип взаимодействия с веществом фотонов низких энергий).

2.Эффект Комптона (присущий, прежде всего, фотонам средних энергий).

3.Возникновение электронно-позитронной пары частиц (возможно только для фотонов с энергией, превышающей 1,02 МэВ).

4.Ядерный фотоэффект - выброс из ядра одного из нуклонов, чаще всего нейтрона (возможен только в том случае, если энергия фотона превышает энергию связи нуклонов в ядре (7...8 МэВ)).

Нейтроны - нейтральные частицы, входящие в состав всех атомных ядер. Образование свободных нейтронов возможно только в результате ядерных реакций (например, при бомбардировке атомных ядер бериллия, лития, бора и др. альфа - частицами, при расщеплении урана).

Нейтроны, являясь электрически нейтральными частицами, не испытывают кулоновского отталкивания и поэтому могут легко проникать через электронные оболочки атомов в ядра, вызывая разнообразные ядерные превращения.

Характер ядерных реакций под действием нейтронов, их проникающая способность, зависит от их энергии и состава атомов вещества, с которым они взаимодействуют.

Нейтроны любых энергий взаимодействуют с ядрами атомов среды, напоминая столкновение бильярдных шаров. Ядра атомов, получившие и в результате такого взаимодействия часть кинетической энергии нейтрона (ядра отдачи) выскакивают из электронной оболочки, и, будучи положительно заряженными, при своем движении в веществе производят ионизацию. Ядра отдачи - это лишь один из результатов взаимодействия нейтронов с веществом, который присущ, в первую очередь, нейтронам, обладающим большой энергией (больше 200 кэВ), так называемым быстрым нейтронам. Корме того, при взаимодействии нейтронов с веществом возможны ядерные реакции, сопровождаемые вылетом заряженных частиц различного типа и фотоном, производящих в дальнейшем ионизацию, возможно также деление ядра. При расщеплении тяжелое ядро поглощает нейтрон и распадается на два более легких ядра, почти всегда радиоактивных.

Открытие явления деления ядра урана под воздействием нейтронов позволило осуществить неконтролируемую (ядерная бомба) и контролируемую (ядерный реактор) ядерные реакции, что обусловило возможность практического использования атомной энергии.