20. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

20. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Ионизация

Типом излучения, который представляет первостепенный интерес в этом курсе дистанционного обучения, является ионизирующее излучение. Как Вы уже знаете из Модуля 1.3 «Ионизирующее излучение и радиоактивный распад», ионизирующее излучение определяется как поток частиц или излучение с определенной энергией, достаточной для выбивания электронов из атомов или молекул. Однако, для полного понимания взаимодействия ионизирующего излучения с веществом важно понимать сам процесс ионизации.

Как Вы уже знаете из Модуля 1.1 «Структура материи», атомы состоят из ядра, которое включает в себя положительно заряженные частицы (протоны) и не имеющие заряда частицы (нейтроны). Отрицательно заряженные частицы (электроны) вращаются вокруг ядра. Атом электрически нейтрален, имеет равное количество отрицательных и положительных зарядов и, таким образом, равное количество электронов и протонов. Когда ионизирующее излучение взаимодействует с атомами, орбитальные электроны приобретают дополнительную энергию. Эта дополнительная энергия даст возможность некоторым из них преодолеть притяжение ядра, сойти со своих орбит и покинуть атом (смотрите Рисунок 1).

Рисунок 1

Процесс ионизации

Поскольку число отрицательно заряженных электронов, оставшихся в атоме, теперь меньше количества положительно заряженных протонов, то атом в целом имеет суммарный положительный заряд и называется положительным ионом. Электрон, который покинул атом, называется отрицательным ионом, а эти противоположно заряженные ионы называются ионной парой. Процесс, при котором образуются ионы, называется ионизацией, и излучения, который вызывает этот процесс, называется ионизирующим излучением. Как Вы помните из Модуля 1.3 «Ионизирующее излучение и радиоактивный распад», альфа и бета частицы, гемма-излучение, рентгеновское излучение и нейтроны вызывают ионизацию и, следовательно, классифицируются как ионизирующие излучения.

Важно отметить, что первоначальное излучение (которое вызвало первичную ионизацию) также теряет энергию при взаимодействии. Если произойдет достаточное количество взаимодействий, энергия ионизирующего излучения будет в конечном счете поглощена в веществе, через которое оно проходит.

1.1                  Непосредственная и косвенная ионизация

Любой вид ионизирующего излучения, который несет электрический заряд, способен оказывать воздействие на орбитальные электроны атомов вещества, через которое оно проходит. Например, альфа-частицы, несущие положительный заряд, могут оттягивать отрицательно заряженные электроны атомов, вызывая ионизацию. В случае бета-частиц сила, которая воздействует на орбитальные электроны, так же может быть достаточной для того, чтобы вытолкнуть их из атома. В каждом из этих случаев, электроны удаляются из атома путем прямого взаимодействия ионизирующего излучения с атомами. Поэтому, виды ионизирующего излучения, которые несут электрический заряд (такие как альфа или бета частицы) относят к типу непосредственно ионизирующих излучений.

Виды излучений, которые не несут электрического заряда, такие как рентгеновское и гамма излучения, нейтроны относят к типу косвенно ионизирующих излучений. Косвенно ионизирующие излучения проходит через поглотитель, не оказывая какого-либо воздействия на орбитальные электроны до тех пор, пока не произойдет непосредственного столкновения. Эти взаимодействия более подробно описаны далее в этом модуле.

1.2                  Высокая, средняя и низкая ионизационная способность

Термин высокая ионизирующая способность относится к излучениям при взаимодействии которых с веществом наблюдается высокая плотность образования ионов вдоль траектории. Альфа-частицы и другие относительно тяжелые заряженные частицы относят к излучениям с высокой ионизирующей способностью. Бета-частицы вызывают меньшую ионизации вдоль траектории движения, чем альфа-частицы, поэтому их относят к излучениям со средней ионизационной способностью.

Рентгеновское и гамма излучения производят наименьшее количество ионов по мере движения через поглотитель и поэтому их относят к излучениям с низкой ионизационной способностью. Нейтроны являются отдельным случаем, так как они не вызывают непосредственную ионизацию. Однако, продукты их взаимодействия с веществом могут обладать высокой, средней или низкой ионизационной способностью.

2.    Возбуждение

Когда излучения взаимодействуют с атомом, возможно, что энергии, которую они передают атому, недостаточно, чтоб вызвать ионизацию. Электрон внутренней электронной оболочки атома может получить энергию, достаточную только для его перехода в возбужденное состояние на более высокий энергетический уровень, но недостаточную, чтобы покинуть атом. В этом случае происходит возбуждение (смотрите Рисунок 2).

Рисунок 2

Процесс возбуждения

Когда электрон возвратиться на свой первоначальный энергетический уровень энергия, приобретенная атомами поглотителя при возбуждении, будет испущена в виде электромагнитного излучения. Когда мы будем рассматривать некоторые методы контроля ионизирующего излучения в последующих модулях, важно знать, что мы понимаем под возбуждением.