21. Взаимодействие альфа-излучения с веществом

21. Взаимодействие альфа-излучения с веществом

По сравнению с другими частицами альфа-частицы являются физически и электрически достаточно большими, состоящими из четырех нуклонов и двух положительных зарядов. Во время движения альфа-частиц через поглотитель, они воздействуют электрическими силами на орбитальные электроны атома поглотителя. Орбитальные электроны переводятся на более высокие энергетические оболочки или покидают атом, образуя ионные пары.

Альфа-частицы могут передавать большое количество энергии поглотителю при малой длине пробега и производить большое количество ионных пар. Например, альфа-частица с энергией 3.5 МэВ имеет пробег приблизительно 20 мм и производит около сто тысяч пар ионов в воздухе. Альфа-частица с такой же энергией пройдет в биологической ткани приблизительно 0.03 мм (или 30 мкм).

Альфа-частицы являются наименее проникающим излучением. Пробег альфа-частиц будет важен позднее, когда мы будем рассматривать проблемы, с которыми сталкиваются при мониторинге альфа-излучения, или когда мы будем рассматривать, насколько велика опасность, связанная с альфа-частицами внутри и вне организма человека.

Пробег альфа-частиц в воздухе

Это практическое задание, в котором Вы должны измерить насколько далеко альфа-частицы проникают от данного источника в воздухе. Подробности Вы найдете в ваших рабочих тетрадях. Этот эксперимент имеет большую погрешность, поэтому ваш результат не даст точного значения величины пробега альфа-частиц в воздухе. Однако, он позволяет оценить величину пробега, а так же продемонстрировать факт, что альфа-частицы являются моноэнергетическими (т.е. все они имеют одну энергию). Вы должны связаться со своим преподавателем, чтобы договориться о подходящем времени для выполнения этого практического задания.

4.    Взаимодействие бета-частиц с веществом

4.1         Непосредственная ионизация

По сравнению с альфа-частицами, бета-частицы очень маленькие. Они обладают одним отрицательным элементарным зарядом и практически незначительной массой. На самом деле, они идентичны орбитальным электронам атомов поглотителя и то что их заряды идентичны может вызвать непосредственную ионизацию путем отталкивания орбитальных электронов от атома.

То, что бета-частицы вызовут непосредственную ионизацию вдоль их траектории гораздо менее вероятно, чем при прохождении альфа-частиц, поэтому их проникающая способность больше, чем у альфа-частиц с такой же энергией. Так, бета-частица с энергией 3.5 МэВ пройдет приблизительно 11 м в воздухе и 17 мм в биологической ткани. Однако, пробег низкоэнергетических бета-частиц в воздухе и биологической ткани достаточно мал (например, бета-частица с энергией 0.157 МэВ, испущенная углеродом-14, проходит только 300 мм в воздухе и 0.8 мм в биологической ткани).

4.2         Образование тормозного излучения

Некоторые бета-частицы, особенно с высокой энергией, могут проходить близко от положительно заряженного ядра атомов поглотителя. Эти частицы будут испытывать силу притяжения, которая заставляет их отклоняться, теряя таким образом энергию, которая проявляется в форме рентгеновского излучения. Этот тип излучения называется тормозным излучением. На Рисунке 3 показана бета-частица, отклоняющаяся ядром атома вольфрама (атомный номер 74) и образующееся рентгеновское излучение.

Рисунок 3

Образование тормозного излучения

Образование тормозного излучения, как продукта взаимодействия бета-частиц с веществом, имеет существенное влияние на радиационную защиту. Вы знаете из личного опыта при прохождении медицинских рентгеновских обследований, что рентгеновское излучение обладает высокой проникающей способностью. Это означает, что тормозное излучение, образующееся при поглощении бета-излучения, может представлять большую радиационную проблему, чем исходное бета-излучение. Чтобы ограничить количество образующегося тормозного излучения, нам необходимо понять механизм его образования более детально.

Во-первых установлено, что более тяжелые ядра (с высоким атомным номером и большим положительным зарядом) более эффективны, чем легкие, в образовании тормозного излучения. Потому что сила, действующая на бета-частицу со стороны положительно заряженного тяжелого ядра, намного больше и, следовательно, отклонение бета-частицы намного больше. Во-вторых, во время образования тормозного излучения не вся кинетическая энергия бета-частицы преобразуется в рентгеновское излучение, обычно преобразуется только часть этой энергии. На практике, доля первоначальной энергии бета-излучения, преобразованная в рентгеновское излучение, прямо пропорциональна максимальной энергии бета-частиц и атомному номеру поглотителя. Эта взаимосвязь может быть записана, в виде Соотношения 1.

F = 3.3 x 10-4ZEmax [1]

где             F – доля энергии бета-частиц, преобразованная в рентгеновское излучение,

Z – атомный номер вещества-полотителя,

Emax – максимальная энергия бета-частиц (в МэВ).

Из этой формулы легко увидеть, что при взаимодействии с материалами с низким Z (такими как вода, пелексиглас или алюминий) образуется меньше всего тормозного излучения, тогда как с материалами с высоким Z (такими как свинец) – более всего. Примером этого является бета-излучение от фосфора-32 (Emax = 1.7 МэВ), проходящее через свинец или плексиглас. В случае свинца (Z = 82), приблизительно 5% энергии преобразуется в рентгеновское излучение. Однако, если поглотителем является плексиглас (эффективный Z = 7), то преобразуется менее 0.5 %. Далее Вы узнаете (в Модуле 2.2 «Защита от внешних радиационных опасностей»), как может быть использована это информация на практике для проектирования подходящей физической защиты (экрана).

1.    Взаимодействие гамма и рентгеновского излучений с веществом

Механизм взаимодействия гамма и рентгеновского излучений с веществом, через которое они проходят, отличается от взаимодействия альфа и бета излучений. Альфа и бета частицы имеют определенные пробеги в веществе, и они теряют энергию непрерывно до тех пор, пока вся энергия не будет передана поглотителю. С другой стороны кванты рентгеновского и гамма излучения проходят большое расстояние между взаимодействиями и поэтому энергия этих излучений не может быть полностью поглощена, а только может быть уменьшена их интенсивность.

Существует три основных механизма взаимодействия гамма и рентгеновского излучения с веществом. Они следующие:

  • Фотоэффект;
  • Комптоновское рассеяние; и
  • Образование пар.

Каждый их них производит к ионизации в поглотителе и это называется первичной ионизацией. Электроны, образующиеся в результате первичной ионизации, затем продолжают ионизировать атомы в поглотителе. Это называется вторичной ионизацией. Отдельный акт первичной ионизации может вызвать большое количество актов вторичной ионизации и возбуждения. Важно помнить, что именно вторичные взаимодействия передают большую часть энергии поглотителю, и то как это будет происходит в органах и биологических тканях тела человека будет определять степень воздействия.

Взаимодействие рентгеновского и гамма излучений с веществом являются результатом корпускулярной природы электромагнитного излучения. Поэтому взаимодействия будем описываться в терминах фотонов или волновых пакетов электромагнитной энергии.

5.1         Фотоэффект

Фотоны относительно низких энергии (менее 1 МэВ) могут передавать всю свою энергию прочносвязанному электрону внутренней оболочки, атома, вызывая выбрасывание электрона из поглощающего атома (смотрите Рисунок 4).

Рисунок 4

Фотоэффект

Испущенный электрон, называемый фотоэлектроном, будет двигаться через поглотитель, вызывая вторичную ионизацию и возбуждение.

Для типичных энергий фотонов самое вероятное происхождение фотоэлектрона – это самая глубокая электронная орбита или К-оболочка. Атом поглотителя остается в возбужденном состоянии с вакансией на одной из внутренних оболочек. Эта вакансия быстро заполняется путем захвата свободного электрона из поглотителя, или путем перестановки электронов из других оболочек атома. В последнем случае электроны переходят с более высоких энергетических оболочек, чтобы заполнить вакансии; поскольку они это делают, энергия испускается в виде характеристического рентгеновского излучения. В некоторых случаях образованное при вышеупомянутых процессах рентгеновское излучение будет взаимодействовать с электронами внешних оболочек и вызывать их выбивание из атома. Такой электрон обладает низкой энергией и называется Оже-электроном. Рисунок 5 показывает образование Оже-электронов.

Рисунок5

Образование Оже-электронов

Отметим, что фотоэффект наиболее вероятен для материалов с высоким атомным номером, поэтому такой материал, как свинец (Z = 82), является хорошим защитным материалом для низкоэнергетических фотонов. Фотоэффект сравнительно незначителен в материалах с низким Z таких, как алюминий.

5.2         Комптоновское рассеяние

Комптоновское рассеяние определяется взаимодействием фотонов с электронами внешней электронной оболочки атомов, при котором только часть энергии фотона передается атому. Электрон выбивается из атома (первичная ионизация) и продолжает двигаться через поглотитель, вызывая вторичную ионизацию и возбуждение. Фотон рассеивается с уменьшением энергии и может также продолжать взаимодействовать с другими атомами. Рисунок 6 показывает падающий, взаимодействующий с атомом фотон, испущенный внешней оболочкой электрон и рассеянный с уменьшением энергии фотон.

Рисунок 6

Комптоновское рассеяние

Угол, под которым рассеивается фотон, зависит от первоначальной энергии и энергии, переданной электрону. Низкоэнергетические фотоны передают очень небольшое количество энергии, чтобы выбить электрон, и рассеиваются под большими углами. Однако, высокоэнергетические фотоны (от 10 до 100 МэВ) передают большую часть своей энергии испущенным электронам и имеют малые углы рассеивания.

Комптоновское рассеяние является наиболее существенным механизмом взаимодействия, для энергий фотонов в диапазоне от 0.2 до 5.0 МэВ, и преобладает в поглотителях с высоким значением Z.

5.3         Образование пар

Образование пар имеет место, когда фотон с энергией более 1.02 МэВ взаимодействует с сильным электрическим полем вблизи тяжелого ядра атома-поглотителя и производит две частицы, электрон и позитрон. Величина энергии 1.02 МэВ является энергией, эквивалентной суммарной массе электрон-позитронной пары, и любая энергия фотона сверх этой величины достаточна для обеспечения кинетической энергией электрон-позитронной пары, а также может обеспечить их отражение ядром атома-мишени.

После своего образования электрон и позитрон теряют кинетическую энергию посредством вторичной ионизации. Позитрон не может существовать без кинетической энергии, поэтому, когда он теряет свою энергию, он объединяется с электроном атома-поглотителя в процессе, называемом аннигиляция. В этом процессе две частицы, взаимодействуя, превращаются в два аннигиляционных фотона, каждый с энергией 0.51 МэВ. Эти фотоны испускаются в противоположных направлениях по отношению друг к другу.

Рисунок 4 показывает процесс образования пар и аннигиляции в электрическом поле вокруг ядра атома свинца.

Рисунок 7

Образование пар

Для фотонов с энергией больше пороговой вероятность того, что  произойдет образование пар возрастает с атомным номером поглотителя. Эффект также возрастает с энергией фотона, медленно от 1.02 до 5 МэВ и более быстро при более высоких энергиях. Образование пар является наиболее вероятным взаимодействием для высокоэнергетических фотонов в материалах с высоким атомным номером.

5.4         Резюме по взаимодействию фотонов с веществом

Фактически, когда фотон взаимодействует с поглотителем, имеет место сложная последовательность событий. Может быть тридцать или более взаимодействий перед тем, как вся энергия фотона будет передана поглотителю. В Таблице 1 обобщены данные всем трем механизмам взаимодействия.

Таблица Table 1

Взаимодействие фотонов с веществом

Фотоэффект Комптоновское рассеяние Образование пар
Участвующая часть атома Электрон внутренней оболочки Электрон внешней оболочки Ядро
Энергии фотонов Низкие(< 1 МэВ) Средние(0.2 to 5 МэВ) Высокие(> 1.02 МэВ)
Z поглотителя Возрастает с Z Не зависит от Z Взрастает с Z
Итог Атомом испускается электрон внутренней оболочки (фотоэлектрон).Образуется характеристическое рентгеновское излучение. Атомом испускает электрон внешней оболочки.Фотон испускается с уменьшенной энергией. Образуются электрон -позитронная пара.Позитрон аннигилирует с образованием двух фотонов по 0.51 МэВ.

Рисунок 8 показывает, как вероятность каждого вида взаимодействия фотонов с веществом зависит от энергии падающего фотона и атомного номера поглотителя. Энергия падающего фотона показана (в МэВ) на оси Х в логарифмической шкале. Атомный номер поглотителя, Z, показан на оси У в линейном масштабе. Помните, это только схематическое изображение того, что может произойти. Оно не предсказывает, какой вид взаимодействия произойдет.

Рисунок 8

Относительная вероятность трех основных механизмов взаимодействия фотонов с веществом

Вопросы для Самопроверки 2

Теперь выясните, как много Вы усвоили, отвечая в ваших рабочих тетрадях на следующие вопросы:

1.             а) Назовите три основных механизма взаимодействия фотонов с веществом.

б) Выберите один из механизмов взаимодействия и с помощью схем, опишите процесс подробно.

2.             а) Какой из трех механизмов взаимодействия может иметь место только для фотонов с энергиями больше 1.02 МэВ?

б) Какой из механизмов взаимодействия преобладает для низкоэнергетических фотонов?

в) В каком из механизмов взаимодействия происходит взаимодействие фотона с электроном внешней оболочки?

г) Какой из механизмов взаимодействия сопровождается образованием характеристического рентгеновского излучения?

д) В каком из механизмов взаимодействия образуются аннигиляционные фотоны?

Теперь сверьте свои ответы с правильными ответами в ваших рабочих тетрадях.