Свойства альфа-лучей

Свойства альфа-лучей

Альфа-частицы испускаются почти исключительно ядрами тяжелых элементов. При атомном взрыве источником альфа-лучей является невзо- рвавшаяся часть атомного заряда (уран 235, плуто­ний 239). Энергия альфа-частиц для различных радио­активных элементов лежит в пределах 2—9 Мэв, причем каждым радиоактивным изотопом излучаются альфа-ча­стицы, имеющие вполне определенную постоянную энер­гию. В частности, энергия альфа-частиц, излучаемых ура­ном 235, приблизительно равна 4,5 Мэв. При такой энер­гии альфа-частицы имеют начальную скорость около 15 000 км в секунду. По мере продвижения в веществе их скорость уменьшается и в конце концов на некотором расстоянии становится равной скорости движения атомов и молекул среды. Это расстояние называется длиной про­бега альфа-частицы в веществе. Замедленные альфа-ча­стицы, присоединяя к себе электроны, превращаются в атомы гелия.

Всю свою энергию альфа-частицы затрачивают на ионизацию и возбуждение атомов. Установлено, что аль­фа-излучение обладает наибольшей ионизирующей спо­собностью по сравнению с другими видами радиоактив­ных излучений. В воздухе на лути в 1 см альфа-частица в среднем создает около 30 ООО пар ионов. Общее число пар ионов, образованных альфа-частицей, как и любой другой заряженной частицей, равно величине ее энергии, поделенной на работу ионизации в данном веществе. Как уже отмечалось ранее, работа ионизации для альфа-ча­стиц в воздухе равна 38 эв. Поэтому альфа-частицы, на­пример урана 235, обладая энергией в 4,5 Мэв, будут создавать в воздухе общее число пар ионов, равное = ОО= 120 000.

Удельная ионизация в различных частях пробега альфа-частиц не одинакова. На рис. 4 показана кривая зависимости удельной ионизации от пути, пройденного

альфа-частицей в воздухе, причем пройденный путь от­считывается не от начала пробега, а от его конца. Из этого рисунка видно, что удельная ионизация в начале пробега сохраняет приблизительно постоянное значение, но в конце пробега она возрастает более чем в 2 раза и составляет 6500 пар ионов на 1 мм. Возрастание удель­ной ионизации к концу пробега обусловлено тем, что по

мере замедления альфа-частица более длительное время находится вблизи атома и, следова­тельно, возрастает вероятность иониза­ции все большего и большего числа ато­мов. Большая иони­зирующая способность альфа-частиц

Приводит К тому, что длина их пробега даже в воздухе не превышает нескольких сантиметров.

Пробег альфа-частиц в жидких и твердых телах чрез­вычайно мал, например, в металлах он всегда меньше 0,01 мм. Альфа-частицы полностью поглощаются одеждой человека, даже лист бумаги является для них непреодо­лимой преградой.

Длина пробега альфа-частиц в тканях человеческого организма почти в тысячу раз меньше, чем в воздухе. На­пример, альфа-частицы, испускаемые ураном и плуто­нием, не проникают в ткани человеческого организма глубже чем на 0,05 мм.

Свойства бета-лучей. Бета-распад — наиболее распро­страненный вид искусственной радиоактивности. Боль­шинство из известных в настоящее время радиоактивных изотопов являются бета-активными. Основная часть ра­диоактивных продуктов атомного взрыва также является бета-активной.

При бета-распаде атома из его ядра вылетает одна бета-частица. У атомов одного и того же радиоактивного вещества начальные энергии бета-частиц могут быть раз­личными — от нуля до некоторого максимального значе­ния Emi которое является характерным для каждого ра­диоактивного изотопа. Например, для стронция 89 макси­мальная энергия бета-частиц не превосходит 1,5 Мэв, у кобальта 60 — 0,3 Мэв и т. д. Максимальная энергия бета-частиц, излучаемых основной частью радиоактивных продуктов атомного взрыва, не превышает 3,5 Мэв. В связи с различием в величине энергии отдельных бета-ча­стиц их начальная ско­рость может лежать з пределах от нуля до скоростей, близких к скорости света.

На рис. 5 показано характерное распреде­ление бета-частиц по энергии для одного изотопа. Это распреде­ление принято назы­вать энергетическим спектром бета-частиц.

Долгое время остава­лось неясным, почему ядра одного и того же изотопа испускают бета-частицы различной энергии; куда исчезает энергия, если бета-ча­стица вылетает из ядра с меньшей энергией, чем Ет.

Энергия ядра до испускания бета-частицы и после этого может быть точно вычислена. Разность энергий равна Ет% По закону сохранения энергии вылетевшая бета-частица должна обладать энергией, в точности раз­ной разности энергий ядра до испускания и после него. Однако эксперимент, как уже отмечалось, показывал, что бета-частицы чаще всего обладают энергией меньше вели­чины Ет. Так как энергия не может исчезать бесследно, была высказана гипотеза, что бета-распад связан с суще­ствованием частицы нового типа — нейтрино, которая и уносит этот остаток энергии. Таким образом, сумма энер­гий нейтрино и бета-частицы всегда равна Ет.

Экспериментальное обнаружение нейтрино чрезвы­чайно затруднено, так как вследствие ничтожной массы и отсутствия заряда эта частица практически не взаимодей­ствует с веществом. В настоящее время принято считать, что масса покоя нейтрино, как и гамма-кванта, равна

нулю, а максимальное значение массы составляет не­сколько процентов от массы электрона. Несмотря на зна­чительные трудности обнаружения нейтрино, уже имеется экспериментальное подтверждение реальности существо­вания этой частицы.

Поток бета-частиц, проходя через какую-либо среду, взаимодействует с атомами вещества среды. Наиболее ха­рактерным результатом взаимодействия бета-частиц со средой, так же как и альфа-частиц, является ионизация атомов. Электрон, выбитый из атома бета-частицей, сам может ионизировать атомы, встретившиеся ему по пути. Ионизация этими электронами, как уже указывалось, на­зывается вторичной ионизацией. В результате первичной и вторичной ионизации бета-частица на своем пути может создать тысячи ионов.

Бета-частицы обладают значительно меньшей ионизи­рующей способностью, чем альфа-частицы. Это объяс­няется тем, что бета-частицы, имея ничтожно малую массу по сравнению с альфа-частицами, при одной и той же энергии обладают значительно большими скоростями. Поэтому бета-частицы пролетают через атом слишком быстро, часто не успевая вырвать электрон, который мог бы быть вырван относительно медленно двигающейся альфа-частицей. Кроме того, величина электрического за­ряда альфа-частицы в 2 раза* больше, чем у бета-ча­стицы, в результате чего на одних и тех же расстояниях сила электрического взаимодействия вырываемого элек­трона и альфа-частицы в 2 раза больше, чем у бета-ча­стицы.

Средняя удельная ионизация воздуха (3-частицей пар ионов равна 100 , в  то время как для а-частиц она составляла несколько десятков тысяч пар ионов на том же отрезке пути.

Ионизирующая способность бета-частиц пропорцио­нальна плотности вещества, в которой они производят ионизацию. Например, в алюминии (плотность 2,7 г/см[1]) удельная ионизация в 2000 раз больше, чем в воздухе (плотность 0,00129 г/см3). Удельная ионизация бета-ча­стицы на первом участке пробега сохраняет примерно по­стоянное значение, затем резко возрастает, как и у альфа-частиц.

Бета-частица по мере прохождения в глубь вещества постепенно теряет свою энергию, и в конце концов на не­котором расстоянии ее энергия уменьшается до уровня средней энергии частиц, составляющих среду. При одной и той же начальной энергии бета-частица имеет длину пробега во много раз больше, чем альфа-частица. Сле­дует также заметить, что длина пробега бета-частицы на­много меньше ее истинной длины пути в веществе, так как эта частица при столкновении с электронами атомов без труда отклоняется от своего первоначального направления движения.

Чем больше начальная энергия бета-частицы, тем больше ее пробег в данном веществе. Так как началь­ная энергия бета-частиц одного и того же радиоактивного изотопа различна, то в отличие от альфа-частиц они имеют разнообразные пробеги. Поэтому ослабление пучка бета-частиц, испускаемых данным радиоактивным изото­пом, происходит не сразу, а постепенно.

Расстояние, на котором бета-частицы нацело погло­щаются слоем вещества, называется максимальным про­бегом бета-частиц.

Величина максимального пробега этих частиц зависит от их максимальной энергии Е т и плотности вещества.

Характерной особенностью распространения бета-частиц является также то, что их максимальный пробег мало зависит от рода вещества, то есть от атомного номера Z и атомного веса А элементов, входящих в его состав.

На рис. 6 показан график зависимости максимального пробега г в г/см2 от энергии бета-частиц для алюминия. Зависимость, приведенная на рис. 6, приближенно спра­ведлива для любых веществ с малым атомным номером Z. По этому графику можно рассчитать максимальную длину пробега бета-частиц R в сантиметрах для вещества с плотностью р R — — см, Р

где р — плотность вещества в г/см3;

г —длина пробега в алюминии в г/см2 для данной энергии Ет, найденная по графику рис. 6. Мак­симальная длина пробега бета-частиц в различ­ных материалах для трех максимальных энергий 0,5 Мэв, 1 Мэв и 2 Мэв показана на рис. 7.

Из этого рисунка можно сделать вывод, что бета-ча­стицы имеют значительно большую проникающую способ­ность, чем альфа-частицы. Однако проникающая способ­ность бета-излучения также относительно’ невелика; оно полностью поглощается подошвой сапог, оконными или автомобильными стеклами и любыми металлическими эк­ранами толщиной в несколько’ миллиметров. В живых тканях максимальный пробег бета-частиц, испускаемых радиоактивными изотопами, даже при весьма больших энергиях (Ет = 3 Мэв) не превышает 1,5 см.

Виды взаимодействия гамма-квантов с веществом. Как уже отмечалось ранее, гамма-лучи по своим свойствам идентичны рентгеновским лучам. Обычно под термином рентгеновские лучи подразумевают излучения, испуcкаемые электронной оболочкой атома и быстрыми электро­нами при их торможении, а гамма-лучами называют из­лучения, испускаемые ядрами атомов.

Гамма-лучи — одно из наиболее проникающих излу­чений. С увеличением энергии кванта проникающая спо­собность этих лучей возрастает. Энергия гамма-квантов, испускаемых различными радиоактивными изотопами, ле­жит в пределах от сотых долей до нескольких миллионов электронвольт, причем каждым радиоактивным изотопом излучаются гамма-кванты вполне определенных энергий. Например, радиоактивный алюминий 27 при распаде каж­дого атома излучает один гамма-квант с энергией 1,8 Мэв, радиоактивный натрий 24—два гамма-кванта с энерги­ями 1,36 и 2,76 Мэв.

Распределение гамма-квантов по энергии называется энергетическим спектром. У некоторых радиоактивных изотопов энергетический спектр излучения является весьма сложным. Например, радиоактивным Мп56 ис­пускается 5 групп гамма-квантов с энергиями 2,9 Мэв, 2,6 Мэв, 2,1 Мэв, 1,8 Мэв, 0,84 Мэв.

При этом среднее число гамма-квантов, приходящееся на один распад, для каждой из этих групп соответственно равно 0,002; 0,001; 0,148; 0,249; 0,997.

Отсутствие электрического заряда у гамма-квантов приводит к тому, что характер их взаимодействия с веще­ством среды, в которой они распространяются, совер­шенно иной, чем у альфа- и бета-частиц. Известны три основных вида взаимодействия гамма-квантов с атомами среды: фотоэлектрическое поглощение, комптоновское рас­сеяние и процесс образования пар.

При фотоэлектрическом поглощении гамма-квант взаимодействует с электронной оболочкой атома, в результате чего он поглощается атомом. Про­цесс поглощения гамма-кванта сопровождается вырыва­нием из оболочки одного или нескольких электронов (рис. 8). Небольшая часть энергии гамма-кванта идет на преодоление энергии связи электрона в атоме, а остальная часть — на сообщение вырванному электрону кинетиче­ской энергии.

Атом, потерявший электроны, оказывается в возбуж­денном состоянии. Освободившиеся уровни энергии за­полняются электронами с внешних оболочек, при этом атом испускает кванты рентгеновского излучения, энергия которых равна энергии связи электрона, выбитого гамма-квантом из атома. Таким образом, энергия погло­щенного гамма-кванта переходит в кинетическую энер­гию выбитых электронов и в энергию рентгеновского из­лучения, испускаемого возбужденным атомом.

Электроны, удаленные из атома, двигаются преиму­щественно по направлениям, перпендикулярным направ­лению распространения гамма-лучей. Однако по мере увеличения энергии поглощаемых гамма-квантов увели­чивается число электронов, направленных вперед. Всю свою энергию эти электроны расходуют на ионизацию и возбуждение соседних атомов.

При комптоновском рассеянии гамма- кванты взаимодействуют с внешними, слабо связанными электронами оболочки атома. В результате взаимодейст­вия вместо первичного гамма-кванта появляется гамма- квант с меньшей энергией и вырванный из атома элект­рон, получивший часть его энергии (рис. 8). Таким образом, при комптоновском рассеянии в отличие от фо­тоэлектрического эффекта только часть энергии гамма- кванта поглощается, то есть переходит в кинетическую энергию быстрого электрона.

Рассеянный гамма-квант движется под некоторым слу­чайным углом к направлению движения первоначального гамма-кванта, однако в среднем этот угол тем меньше, чем больше энергия первичного кванта. Поток рассеянных гамма-квантов образует так называемое рассеянное излу­чение, которое в отличие от прямого пучка гамма-квантов не имеет резко выраженной направленности распростране­ния. Следует заметить, что по мере увеличения жесткости излучения (то есть энергии квантов) доля гамма-квантов, рассеянных «вбок» и «назад», довольно быстро убывает. Так, например, при энергии первичных гамма-квантов £т = 2,5 Мэв практически можно считать, что все рассе­янные гамма-кванты двигаются в пределах угла ±60°, от­считываемого от первоначального направления движения квантов.

Свободные электроны, появившиеся в результате комптоновского взаимодействия, принято называть «элек­тронами отдачи», или «комптоновскими электронами». Угол отклонения направления движения электрона отдачи от направления движения первичного гамма-кванта мо­жет лежать з пределах ср = 0ч-90°, причем, чем больше угол отклонения рассеянного кванта, тем меньше угол от­клонения электрона отдачи. Величина энергии, переданной электрону отдачи гамма-квантом, зависит от его энергии и угла рассеяния 0. Так как угол рассеяния является пе­ременным, то и энергия электронов отдачи не является постоянной, она находится в пределах от 0 до некоторого максимального значения, величина которого зависит от энергии первичного гамма-кванта. Это распределение электронов по энергиям принято называть комптонов- ским энергетическим спектром электронов отдачи. У же­сткого гамма-излучения (£т>1 Мэв) максимальная энер­гия электронов отдачи мало отличается от энергии пер­вичных гамма-квантов.

Комптоновское рассеяние гамма-квантов, как правило, происходит многократно и заканчивается в конце концов фотоэлектрическим поглощением.

При энергиях более 1,02 Мэв гамма-кванты в резуль­тате взаимодействия с ядром атома могут превращаться в пару частиц—позитрон-электрон (см. рис. 8). Этот процесс становится преобладающим лишь при очень боль­ших энергиях гамма-квантов и в материалах с большим атомным номером Z.

В табл. 2 приведены значения энергии гамма-квантов, при которых преобладает один из трех процессов взаимо­действия гамма-лучей с различными веществами.

Таблица 2

Преобладающие процессы взаимодействия гамма-квантов в различных веществах в зависимости от их энергии

Вещество Фотоэлектри­ческое погло­щение Комптонов- ское рассеяние Процесс

образования

пар

Воздух

До 0,05 Мэв До 20 Мэв Свыше 20 Мэв

Медь

До 0,15 Мэв До 10 Мэв Свыше 10 Мэв

Свинец

До 0,5 Мэв До 5 Мэв Свыше 5 Мэв

 

В легких средах (воздух, вода, грунт, кожа, стекло, пластмассы, алюминий и т. д.), в состав которых входят элементы с небольшим атомным номером Z, в диапазоне энергии гамма-квантов от десятых долей мегаэлектрон­вольта до 10 Мэв и более преобладающим типом взаимо­действия гамма-квантов с атомами вещества является комптоновский эффект.

Процесс ионизации атомов среды гамма-квантами су­щественно отличается от ионизации, производимой альфа- и бета-частицами. Альфа- и бета-частицы в основном не­посредственно сами ионизируют атомы; ионизация, обус­ловленная вторичными электронами, у этих излучений мала. Ионизация же среды при прохождении через нее гамма-лучей производится главным образом вторичными электронами, которые возникают в результате взаимодей­ствия гамма-квантов с атомами вещества. Ионизирующая способность гамма-квантов в сотни раз меньше, чем у бета-частиц, и в тысячи раз меньше, чем у альфа-частиц. Удельная ионизация гамма-квантов в воздухе составляет несколько пар ионов на пути в I см.