Взаимодействие заряженных частиц с атомами вещества

Взаимодействие заряженных частиц с атомами вещества

Альфа- и бета-частицы, а также быстрые элек­троны, выбитые гамма-квантами в результате взаимо­действия их с атомами вещества, являются электриче­ски заряженными частицами. Поэтому все эти частицы взаимодействуют с электронами атомов и их ядрами с помощью кулоновских сил.

В результате ряда актов взаимодействия движущаяся заряженная частица постепенно теряет свою энергию. Эта энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов, а также на тормозное излучение.

Сущность явления ионизации (возбуждения) атома за­ряженной частицей состоит в следующем. Если заряжен­ная частица проходит рядом с электронной оболочкой атома или войдет внутрь нее, то между частицей и элект­ронами атома возникнут силы электрического взаимодей­ствия.

Для положительно заряженных ионизирующих частиц эти силы будут силами взаимного притяжения, для отри­цательно заряженных частиц — силами отталкивания. Ко­гда энергия взаимодействия превысит энергию связи элек­трона а атомом, электрон будет выброшен из атома. В процессе такого взаимодействия ионизирующая частица потеряет часть своей кинетической энергии и изменит на­правление движения.

Однако отклонение от первоначального направления движения для альфа-частиц, имеющих массу в несколько тысяч раз больше массы электрона атома, будет практи­чески незаметно. Для электронов путь будет представлять сложную ломаную линию.

Результатом подобного взаимодействия может быть не только ионизация, но и возбуждение атома, то есть пере­ход электрона на более удаленную «разрешенную» ор­биту.

Тормозное излучение появляется при взаимодействии заряженной частицы с электрическим полем ядра атома. Проходя вблизи ядра, такая частица тормозится под воз­действием электрических сил. Из курса физики известно, что всякое замедление движения электрического заряда должно сопровождаться испусканием электромагнитного излучения. Это излучение испускается заряженной части­цей в виде кванта рентгеновского излучения. Потери энер­гии на тормозное излучение сравнимы с потерями энер­гии на ионизацию и возбуждение атомов при энергиях электронов более 10 Мэв. Так как энергия бета-частиц, испускаемых радиоактивными ядрами, не превышает 3— 4 Мэв, то практически всю свою энергию эти частицы при прохождении через вещество затрачивают на возбужде­ние и ионизацию атомов среды. Тем более это справед­ливо для альфа-частиц.

Ионизирующую способность заряженных частиц при­нято характеризовать удельной ионизацией, то есть чис­лом пар ионов (положительный ион + электрон), созда­ваемых частицей на пути в 1 см. Ионизирующая способ­ность частиц растет с увеличением их электрического за­ряда, уменьшением скорости частицы, а также зависит от плотности и рода вещества.

Средняя энергия, затрачиваемая радиоактивным из­лучением на образование одной пары ионов, называется «работой ионизации». Величина потенциала ионизации значительно меньше работы ионизации, так как энергия излучения расходуется не только на процесс ионизации, но и на возбуждение атомов. Кроме того, атом может быть ионизирован в результате отрыва электронов из внутренних слоев оболочки, которые связаны с ядром более прочно, чем валентные электроны.

Работа ионизации зависит от рода ионизируемой среды. Для данной рреды в широком диапазоне энергий альфа- и бета-частиц, а также электронов, возникающих при прохождении гамма-излучения через вещество, ра­бота ионизации почти постоянна. В воздухе величину ра­боты ионизации для бета-частиц и электронов можно при­нять равной 34 эв, а для альфа-частиц — 38 эв.