Глава 3. Взаимодействие излучений с веществом

При распространении ионизирующих излучений в веществе происходит их взаимодействие с молекулами, атомами или ядрами вещества. Обычно под термином взаимодействие излучения с веществом понимают первичные элементарные акты взаимодействия, которые происходят под действием кулоновских, электромагнитных и ядерных сил на отдельном ядре или атоме. Процессы взаимодействия излучений зависят от многих параметров, как излучений, так и вещества, с которым они взаимодействуют.

Взаимодействие заряженных частиц с веществом в основном обусловлено кулоновскими силами и выражается в потерях энергии частицы на ионизацию и возбуждение атомов вещества. С увеличением энергии частицы электромагнитные взаимодействия приводят к потерям ее энергии на тормозное излучение, причем, чем меньше ее масса, тем существеннее эти потери.

Нейтроны и фотоны непосредственно не ионизируют среду, но в результате столкновений с ядрами и атомами вещества образуют свободные заряженные частицы, которые начинают участвовать в кулоновских и электромагнитных взаимодействиях.

Это свидетельствует о многообразии различных типов взаимодействий в зависимости от вида излучения, его энергии и характеристик вещества.

Типы взаимодействий излучений с веществом.

Процессы взаимодействия излучений при прохождении через вещество можно разделить на два типа: поглощение и рассеяние. При поглощении первичная частица поглощается и исчезает, при рассеянии сохраняется тип частицы после взаимодействия.

Поглощение. 

Процесс поглощения или захвата сопровождается исчезновением налетающей частицы, изменением структуры ядра или атома, их переходом в возбужденное состояние, которое реализуется либо образованием новых частиц (ядерная реакция), либо образованием радиоактивных ядер. В частности, для нейтронов при их поглощении возможен радиационный захват с испусканием гамма-квантов, активация, приводящая к образованию радионуклида, ядерная реакция, приводящая к образованию протонов, дейтонов, альфа-частиц и.т.д., деление.

Ионизация и возбуждение.

Если атомный электрон при столкновении с частицей излучения получил энергию, достаточную для преодоления сил притяжения к ядру и покинул атом и молекулу, то образуется свободный электрон и положительный ион атома. Процесс потери электрона атомом или молекулой называют ионизацией. Если же энергия, приобретенная электроном, недостаточна для ионизации, результатом столкновения явится изменение "орбиты" такого электрона, увеличение расстояния между электроном и ядром, т.е. увеличение потенциальной энергии электрона, приводящее к возбуждению атома или молекулы. Ионизация и возбуждение происходят при поглощении электромагнитного излучения (фотоионизация), при нагревании газа (термическая ионизация), при воздействии электрического поля (полевая ионизация), при столкновении частиц с электронами, ионами, атомами (столкновительная ионизация) и др. Время жизни этих первичных продуктов взаимодействия излучения с веществом крайне мало - 10^-12 - 10^-6 с и лишь в некоторых случаях несколько больше. Впоследствии возбужденные атомы переходят в основное состояние, а ионы рекомбинируют, образуя нейтральные атомы. Эти вторичные процессы сопровождаются испусканием низкоэнергетического фотонного излучения, энергия которого превращается в энергию теплового движения.

Рассеяние.

Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы, то процесс называется рассеянием. При рассеянии происходит только перераспределение энергии и импульса между взаимодействующими объектами. Рассеяние может быть упругим и неупругим.

При упругом рассеянии не изменяются структура ядра и его внутренняя энергия. Оно характеризуется тем, что сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц до и после рассеяния сохраняется.

 В случае неупругого рассеяния изменяется структура ядра и происходит изменение его внутренней энергии. В этом случае не сохраняется сумма кинетических энергий сталкивающихся частиц до и после рассеяния, а их разница, приводящая ядро в возбужденное состояние, реализуется, как правило, в виде испускания электромагнитного излучения.

Ядерные реакции.

Если после столкновениярождаются новые частицы, то процесс называется ядерной реакцией. Наиболее распространенным видом реакции является взаимодействие легкой частицы ^a_zx – бомбардирующая частица с ядром ^A_ZX – ядро-мишень, в результате чего образуется также легкая частица ^b_сy и ядро ^B_СY:

В общем виде это можно представить в форме:

                            ^a_zx + ^A_ZX  ^b_cy + ^B_CY                        (3.1).

Обычно частицы ^a_zx  и ^b_cy представляют: нейтрон (¹₀n), протон (¹₁p), дейтрон (²₁p), α-частицу (α-), γ-квант (γ-). Сокращенная запись процесса: X(x,y)Y, либо (x,y) используется, когда речь идет только о типе ядерной реакции безотносительно к ядру-мишени и образующемуся ядру. Например, (p,n), (α,n), (γ,n) и т.д. Первой в скобках указывают бомбардирующую частицу, а второй – частицу, возникшую в результате реакции. Реакция может иметь несколько конкурирующих между собой выходных каналов.

В настоящее время известно много различных ядерных реакций, которые условно можно разделить на три большие группы, и каждая из которых обладает своими характерными особенностями: реакции, идущие под действием заряженных частиц; реакции под действием γ-квантов (фотоядерные реакции); реакции под действием нейтронов.

 Учитывая случайность процесса взаимодействия, для его количественного описания используется вероятностный подход.

Контрольные вопросы к § 3.1.

1. Назовите основные типы взаимодействия излучений с веществом.

2. В чем разница между упругим и неупругим рассеянием?

3. В чем разница между ионизацией и возбуждением?

4. К упругим или неупругим процессам взаимодействия относятся ионизация и возбуждение?

5. Чем ядерная реакция отличается от рассеяния?