Учебное пособие по радиационной безопасности

Радиация, как и радиационная безопасность (от латинского слова radio – излучаю) представляет собой раз-личные излучения, распространяющиеся от какого-либо тела. Явления этих из-лучений появились задолго до того, как на Земле возникла живая материя. Ионизирующим называется излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Для характеристики можно использовать и термин «ионизирующая радиация».

Она является частью общего понятия радиация, включающего в себя излучения электромагнитные, тепловые, ультрафиолетовые, инфракрасные. Сегодня особое беспокойство представляют ионизирующие излучения, широко применяемые в промышленности, энергетике, медицине. При этом не-обходимо отметить, что ионизирующие излучения являются одновременно и другом и смертельным врагом человека. Это требует от каждого серьезных знаний об источниках опасности ионизирующей радиации, методах защиты от ее воздействия.

Авария на Чернобыльской АЭС заставила серьезно пересмотреть старые взгляды на проблему радиационной безопасности и в первую очередь безопасности ионизирующих излучений. Именно поэтому важно, чтобы специалисты с высшим образованием во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства республики имели четкое представление о степени радиационной опасности ионизирующих, электромагнитных, ультрафиолетовых излучений, которым мо-гут подвергаться люди. Одной из основных идей данного учебного пособия является осознание то-го, что радиации не надо бояться. Радиофобия, воздействуя серьезно на психи-ку людей, утяжеляет течение заболеваний, вызванных воздействием ионизирующих излучений. Поэтому основным методом защиты от ее воздействия является знание характеристик различных видов излучений, бережное к ним от-ношение. Авторы надеются, что пособие, предлагаемое читателям и в первую очередь студентам технических ВУЗов внесет свой вклад в цело обладания методами и технологиями, применяемыми не только для защиты от воздействия из-лучений, но и проведения более эффективных мероприятий по ликвидации по-следствий самой страшной радиационной аварии – аварии на ЧАЭС. В книге отведено определенное место для рассмотрения вопросов защиты от других видов излучений – излучений видеотерминалов, влияющих на здоровье, излучений ультрафиолета, что позволит комплексно рассмотреть проблему радиационной безопасности.

 Характеристики атомных ядер и энергия их связи Как известно, наименьшей частицей вещества, обладающей всеми химическими свойствами данного химического элемента, является атом. Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов.

В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер имеют поря-док 10...10 м, в то время как линейные размеры атомов порядка 10 м. 10−15−10− Массу частиц в ядерной физике принято выражать либо в атомных едини-цах массы (а.е.м.), либо в единицах энергии покоя частицы-мегаэлектронвольтах (МэВ). Энергия покоя находится в соответствии с формулой взаимосвязи массы (m) и энергии (E) E=m⋅c2, (1.1) где с – скорость света в вакууме. Формула (1.1) записана в системе единиц СИ, а эквивалентное, соотноше-ние, записанное во внесистемных единицах, в котором масса выражается в а.е.м., а энергия – в МэВ, имеет вид Е=931,5⋅m. (1.2) В формуле (1.2) для удобства вычисления с2 и коэффициент перевода еди-ниц измерения объединены в одно число 931,5 , которое находится из следую-щих соображений. По определению 1 а.е.м.=1,661⋅10-27 кг, а из дисциплины электричества известно, что 1 эВ=1,602⋅10-19 Дж. Учитывая это, получаем 5,9311010602,110661,1)10998,2(6192728=⋅⋅⋅⋅⋅−−. Соотношение различных единиц массы можно представить равенством 1 а.е.м. = 1,661⋅10-27 кг = 931,5 МэВ. Ядра состоят из двух элементарных частиц - протонов и нейтронов. Про-тон представляет собой ядро простейшего атома-водорода. Он имеет положи-тельный заряд, численно равный заряду электрона e = 1,6⋅10Кл, и массу по-коя mр19− = 1,6726⋅10кг = 1836mе, где mе – масса покоя электрона. Масса по-коя – это масса частицы (тела), измеренная в той системе координат, где части-ца неподвижна. Число протонов в ядре называется атомным номером и обозна-чается буквой Z. Оно совпадает с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева. Очевидно, что заряд ядра равен Z⋅e, поэтому число Z на-зывают также зарядовым числом ядра. Нейтрон электрически нейтрален, а его масса покоя почти совпадает с массой покоя протона: mn = 1,6794⋅10= =1839me. Протоны и нейтроны объединяют общим названием - нуклоны. Об-щее число нуклонов в ядре называют массовым числом Am: 27−27− Am = Z+ ne, где ne – количество нейтронов в ядре. Чтобы охарактеризовать химический элемент, используют его символ Х и указывают атомный номер и массовое число ядра: 6 XAmZ. Например, плутоний-239 означает ядро атома плутония, содержа-щее 94 протона и 145 нейтронов. Pu23994 В ядрах атомов одного и того же химического элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов постоянное. Ядра, содержащие оди-наковое число протонов, но различное число нейтронов, называют изотопами. Например, , ,..., – изотопы углерода. Термин "изотопы" применяет-ся только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента. Если подразумеваются атомы разных химических элементов, то используется термин «изобары». Ядра, имеющие одно и то же массовое число Аm при раз-ных Z, называются изобарами. Например, сера-36 и серебро-36 при Z = 16 и Z = 18 соответственно. C116C126C166 На сегодняшний день известно около 300 устойчивых и свыше 1000 неус-тойчивых (радиоактивных) изотопов. Это в то время, как в периодической таб-лице Д. И. Менделеева содержится 110 химических элементов. Ядра не имеют резко выраженной границы. Поэтому радиус ядра имеет условный смысл. Эмпирическая формула для вычисления радиуса ядра: 31m0ARR⋅=, (1.3) где R = (1,3...1,7) ⋅10м, 15− Аm – массовое число ядра. Формула (1.3) показывает, что размер чрезвычайно мал даже для ядра с большим числом нуклонов. Он примерно в 105 раз меньше размера атома. Зная, что объем шара V пропорционален кубу радиуса, с учетом формулы (1.3) имеем mA~V. Следовательно, объем ядра пропорционален числу нуклонов в нем. Плот-ность ядерного вещества () постоянна для всех ядер, ее значение δ 31410смгδ≅или 38смт10.

Плотностью вещества называют массу, приходящуюся на единицу объема. Как известно, одноименно заряженные частицы отталкиваются. Поэтому наличие в ядре нескольких положительно заряженных протонов свидетельству-ет о существовании специфических ядерных сил притяжения, которые преоб-ладают над электрическим отталкиванием протонов. Эти силы обеспечивают стабильность ядер. Поэтому ядерными силами называются силы, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре. Ядерные силы не сводятся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных, электромагнит-ных). Они имеют ряд специфических свойств. Важнейшей особенностью ядер-ных сил является их короткодействие: ядерные силы велики, если расстояние между нуклонами порядка 10м, и практически равны нулю, если расстояние между нуклонами превышает 10м. Ядерные силы достигают величины, в 100-1000 раз превышающей силу взаимодействия электрических зарядов. Они отличаются зарядовой независимостью, т.е. притяжение между двумя нуклона-51−31− 7 ми одинаково и не зависит от их зарядового состояния, протонного или ней-тронного. Ядерные силы обладают свойством насыщения. Это свойство означает, что с увеличением числа нуклонов в ядре ядерные силы возрастают только для са-мых легких ядер (изотопов водорода и гелия). А после гелия, они примерно одинаковы для всех других ядер. Свойство насыщения вытекает из короткодей-ствия ядерных сил. Благодаря этому каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщенностью ядерных сил объясняется пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов. Таким образом, ядерные силы являются силами притяжения и проявляют-ся между нуклонами на расстоянии, сравнимом с размерами самих нуклонов. Измерения ядерных масс показали, что масса ядра М всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов: nmpmZ)(AmZM⋅−+⋅200, естественная радиоактивность есть универсальное явление. Они обра-зуют радиоактивные семейства, называемые по наиболее живущему (с наи-большим A1/2) «родоначальнику» семейства, например, семейство урана (от ). U23892 В настоящее время известно 10 элементов с Z > 92, называемых трансура- 11 новыми. К трансурановым элементам относятся: нептуний (), плутоний (), америций (), кюрий (), бериллий (), калифорний (), эйнштейний (), фермий (), менделевий () и нобе-лий (). U23793Pu24494Am24395Cm24896Be24896tC24998Es25499Fm253100Md256101No253102 Элементы, расположенные в таблице Менделеева за ураном, имеющим Z = = 92, в природе не встречаются. Они были получены искусственным путем. Всем трансурановым элементам присуща радиоактивность с периодом по-лураспада, быстро уменьшающимся при возрастании Z. Основными видами ра-диоактивного превращения трансурановых элементов являются альфа-распад и бета-распад. Цепочку радиоактивных превращений принято называть радиоак-тивным рядом. Совокупность химических элементов, образующих радиоактив-ный ряд, называется радиоактивным семейством. Первичный элемент семейства урана , распадаясь, испускает альфа-частицу и превращается в торий . Торий тоже радиоактивен и, испуская бета-частицу, превращается в протактиний . Протактиний тоже радиоак-тивен, т.е. цепочка радиоактивных превращений продолжается. Процесс радио-активного распада ядра урана-238 показан на схеме 1.1, на которой указаны ви-ды распада ядер и периоды их полураспада U23892Th23490Pa2349121T. Вся цепочка состоит из 14 радиоактивных превращений и заканчивается радиоактивный ряд урана устойчивым изотопом свинца . Из 14 радиоак-тивных превращений 7 являются альфа-превращениями и 7 бета-превращениями. Pb20682 Все природные радиоактивные элементы, расположенные в последних ря-дах таблицы Менделеева, являются членами трех радиоактивных семейств. Другим радиоактивным семейством (после семейства урана ) является семейст-во тория , третьим – семейство актиния . Радиоактивное семейство искусственных радиоактивных изотопов начинается трансурановым элементом-нептунием. Схема радиоактивного распада ядра урана-238 приведена ниже. Th23290Ac22789 ()стабильныйPbсутРосутгодасминминминРодняRnлетRaлетThминсутлетU20682210841-210831-210824-214841-214831-214822188422286226884230905-123492-123491-1234909238924,13801,5Bi3,22Pb101,6Po7,19Bi8,26Pb05,382,31600100,81048,2U17,1Pa1,24Th1047,4→→→→⋅→→→→→→⋅→⋅→→→⋅αββαββααααβββα

 Альфа-распады, бета-распады и гамма-излучения радиоактивных ядер Альфа-распадом называется самопроизвольное испускание радиоактивным ядром альфа-частиц, представляющих ядра атома гелия. Распад протекает по схеме HeYX424Am2ZAmZ+→−−. (1.13) В выражении (1.13) буквой Х обозначен химический символ распадающе-гося (материнского) ядра, буквой Y – химический символ образующегося (до-чернего) ядра. Как видно из схемы (1.13), атомный номер дочернего ядра на две, а массового числа – на четыре единицы меньше, чем у исходного ядра. Заряд альфа-частицы положительный. Альфа-частицы характеризуют дву-мя основными параметрами: длиной пробега (в воздухе до 9 см, в биологиче-ской ткани до 10-3 см) и кинетической энергией в пределах 2…9 МэВ. Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер с Аm>200 и зарядовым числом Z >82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных час-тиц из двух протонов и двух нейтронов. Обособлению этой группы нуклонов способствует насыщение ядерных сил, так что сформировавшаяся альфа-частица подвержена меньшему действию ядерных сил притяжения, чем отдель-ные нуклоны. Одновременно альфа-частица испытывает большее действие ку-лоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Этим объясняется вылет из ядра альфа-частиц, а не отдельных нуклонов. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп альфа-частиц близкой, но различной энергии, т.е. группы имеют спектр энергии. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникнуть не только в основном, но и в возбужденных состояниях с различными энергетическими уровнями

Время жизни возбужденных состояний для большинства ядер лежит в пре-делах от 10 до 10с. За это время дочернее ядро переходит в основное или более низкое возбужденное состояние, испуская гамма-квант соответствующей энергии, равной разности энергии предыдущего и последующего состояний. Возбужденное ядро может испустить также какую-либо частицу: протон, ней-трон, электрон или альфа-частицу. Оно может и отдать избыток энергии одно-му из окружающих ядро электронов внутреннего слоя. Передача энергии от яд-ра к самому близкому электрону К-слоя происходит без испускания гамма-кванта. Получивший энергию электрон вылетает из атома. Этот процесс назы-вается внутренней конверсией. Образовавшееся вакантное место заполняется электронами с вышележащих энергетических уровней. Электронные переходы во внутренних слоях атома приводят к испусканию рентгеновских лучей, имеющих дискретный энергетический спектр (характеристических рентгенов-ских лучей). Всего известно около 25 естественных и около 100 искусственных альфа-радиоактивных изотопов. 8−15− 13 Бета-распад объединяет три вида ядерных превращений: электронный (−β) и позитронный () распады, а также электронный захват или К-захват. Пер-вые два вида превращений состоят в том, что ядро испускает электрон и анти-нейтрино (при – распаде) или позитрон и нейтрино (при – распаде). Элек-трон (позитрон) и антинейтрино (нейтрино) не существуют в атомных ядрах. Эти процессы происходят путем превращения одного вида нуклона в ядре в другой – нейтрона в протон или протона в нейтрон. Результатом указанных превращений являются -распады, схемы которых имеют вид: +β−β+ββ 0001Am1ZAmZν~eYX++→−+ (−β – распад), (1.14) 0001Am1ZAmZνeYX++→+− (+β – распад), (1.15) где и – обозначение электрона и позитрона, 01e−01e+ и – обозначение нейтрино и антинейтрино. 00ν00ν~ При отрицательном бета-распаде зарядовое число радионуклида увеличи-вается на единицу, а при положительном бета-распаде – уменьшается на еди-ницу. Электронный распад (– распад) могут испытывать как естественные, так и искусственные радионуклиды. Именно этот вид распада характерен для по-давляющего числа экологически наиболее опасных радионуклидов, попавших в окружающую среду в результате Чернобыльской аварии. В их числе и др. −βI,Sr,Cs,Cs1315390381375513455 Позитронный распад (– распад) свойственен преимущественно искусст-венным радионуклидам. +β Поскольку при -распаде из ядра вылетают две частицы, а распределение между ними общей энергии происходит статистически, то спектр энергии элек-тронов (позитронов) является непрерывным от нуля до максимальной величины Emax называемой верхней границей бета-спектра. Для бета-радиоактивных ядер величина Emax заключена в области энергии от 15 кэВ до 15 МэВ. Длина пробега бета-частицы в воздухе до 20 м, а в биологической ткани до 1,5 см. β Бета-распад обычно сопровождается испусканием гамма-лучей. Причина их возникновения та же, что и в случае альфа-распада: дочернее ядро возникает не только в основном (стабильном), но и в возбужденном состоянии. Переходя затем в состояние меньшей энергии, ядро испускает гамма-фотон.

При электронном захвате происходит превращение одного из протонов яд-ра в нейтрон: 00100111νnep+→+−. При таком превращении исчезает один из ближайших к ядру электронов (электрон К-слоя атома). Протон, превращаясь в нейтрон, как бы «захватывает» электрон. Отсюда произошел термин «электронный захват». Особенностью 14 этого вида β-распада является вылет из ядра одной частицы – нейтрино. Схема электронного захвата имеет вид 00Am1Z01AmZYeXν+→+−−. (1.16) Электронный захват в отличие от ±β-распадов всегда сопровождается ха-рактеристическим рентгеновским излучением. Последнее возникает при пере-ходе более удаленного от ядра электрона на появляющееся вакантное место в К-слое. Длина волн рентгеновских лучей в диапазоне от 10 до 10 м. 7−11− Таким образом, при бета-распаде сохраняется массовое число ядра, а его заряд изменяется на единицу. Периоды полураспада бета-радиоактивных ядер лежат в широком интервале времен от 10с до 2⋅1015 лет. 2− К настоящему времени известно около 900 бета-радиоактивных изотопов.

Из них только около 20 являются естественными, остальные получены искусст-венным путем. Подавляющее большинство этих изотопов испытывают -распад, т.е. с испусканием электронов. −β Все виды радиоактивного распада сопровождаются гамма-излучением. Гамма-лучи – коротковолновое электромагнитное излучение, которое не отно-сится к самостоятельному виду радиоактивности. Экспериментально установ-лено, что гамма-лучи испускаются дочерним ядром при переходах ядер из воз-бужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденное. Энергия гамма-лучей равна разности энергий начального и конечного энерге-тических уровней ядра. Длина волны гамма-лучей не превышает 0,2 нанометра. Процесс гамма-излучения не является самостоятельным типом радиоак-тивности, так как он происходит без изменения Z и Am ядра. Контрольные вопросы: 1. Что понимают под массовым и зарядовым числами в периодической сис-теме Менделеева? 2. Понятие «изотопы» и «изобары». В чем различие этих терминов? 3. Ядерные силы ядра и важнейшие их особенности. 4. Почему масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклидов? 5. Какие вещества называются радиоактивными? 6. Что характеризует и показывает постоянная радиоактивного распада? 7. Дайте определение периода полураспада вещества. 8. Перечислите единицы измерения объемной, поверхностной и удельной активности. 9. Основные виды излучений радиоактивных ядер и их параметры. 15 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ Все виды ядерного излучения могут быть обнаружены только по их взаи-модействию с веществом. Процессы, которые возникают при прохождении ядерного излучения через вещество, имеют важное практическое значение. Знание таких процессов необходимо, во-первых, для понимания принципа ра-боты дозиметрической и радиометрической аппаратуры, а во-вторых, для спо-собов защиты населения от ионизирующих излучений. При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами, из которых оно состоит, т.е. с электронами и атомными ядрами. Причем это взаи-модействие можно разделить на два вида: а) взаимодействие частиц с атомными электронами, в результате которого энергия частицы передается одному из электронов атома, что приводит к воз-буждению или ионизации атома. Этот вид взаимодействия является неупругим столкновением (рассеянием). В неупругом столкновении имеет место выделе-ние или поглощение энергии; б) взаимодействие частиц с ядрами атомов приводит к изменению направ-ления движения заряженных частиц, при этом траектория движения их искрив-ляется. Такое взаимодействие не приводит к изменению внутренней энергии атома, и этот случай взаимодействия является упругим столкновением (рассея-нием). При упругом рассеянии частицы не претерпевают превращения, а изме-яют состояние своего движения.

Все процессы рассеяния и распадов подчиняются законам сохранения энергии, электрического заряда, импульса и др. 2.1. Взаимодействие альфа-частиц с веществом Альфа-частицы, проходя через слой вещества, взаимодействуют с атом-ными ядрами и электронами. Упругое рассеяние альфа-частиц на ядрах атомов вещества маловероятно, так как, во-первых, масса ядра значительно больше массы частицы, во-вторых, ядро и альфа-частицы имеют одинаковый (положительный) электрический за-ряд. В процессе упругого столкновения альфа-частицы с ядром она отклоняется на малый угол. Таким образом, путь альфа-частицы в веществе (среде) практи-чески прямолинеен. При неупругом рассеянии энергия альфа-частицы передается атомным электронам. Получив эту энергию, атомы вещества возбуждаются или ионизи-руются. И в том, и в другом случае потери энергии частицы называются иони-зационными.

Если концентрация электронов в веществе равна ne, то потери энергии частицы (ионизационные потери) в результате ее взаимодействия со всеми встречающимися на ее пути электронами будут определяться величиной -(dE/dx)ИОН – уменьшением энергии частицы на единице пути. Ионизационные потери характеризуются величиной средней потери энергии на единице пути. 16 Эти потери пропорциональны энергии частицы Еα, концентрации электронов в веществе nе и обратно пропорциональны скорости движения частицы V, т.е. .VnEdxdE2е2αионα⋅≅⎟⎠⎞⎜⎝⎛− (2.1) Потери энергии сильно зависят от скорости частицы - они тем больше, чем меньше скорость частицы. При очень малых скоростях частицы формула (2.1) дает завышения значения для потерь энергии частицы и кривая потерь уходит в бесконечность. Однако при малых скоростях имеет место захват электронов движущейся частицей. Это приводит к меньшим потерям энергии по сравне-нию с тем, что дает формула (2.1). При этом кривая потерь не уходит в беско-нечность, а достигает максимума, после чего начинает постепенно снижаться. Таким образом, при каждом акте ионизации альфа-частица выбивает из атома один или несколько электронов. Наиболее быстрые из этих электронов способны создавать вторичную ионизацию, в результате которой вторичные электроны можно зарегистрировать с помощью приборов. 2.2. Взаимодействие бета-частиц с веществом По сравнению с альфа-частицами прохождение бета-частиц через вещест-во имеет свои особенности. Основная особенность обусловлена малой массой электрона и позитрона по сравнению с массой альфа-частицы. При взаимодей-ствии бета-частицы с веществом имеют место как ионизационные, так и радиа-ционные потери. Механизм ионизационных потерь для бета-частиц такой же, как и для альфа-частиц. Поэтому потери энергии на ионизацию и в этом случае рассчитываются по той же формуле (2.1). Однако ионизационные потери для бета-частиц во много раз меньше, чем для альфа-частиц, так как масса альфа-частицы значительно больше массы электрона. Именно поэтому у альфа-частиц и бета-частиц различная проникающая способность. При одинаковых энергиях скорость тяжелой частицы (альфа-частицы) меньше скорости легкой частицы (бета-частицы). Альфа-частицы теряют свою первоначальную энергию на меньшем расстоянии при движении в веществе, чем пролетающие в веществе электроны (бета-частицы). В воздухе альфа-частица проходит несколько сан-тиметров, а бета-частица - десятки метров. При движении через вещество бета-частиц в результате взаимодействия одной из них с электроном вещества происходит изменение направления дви-жения бета-частицы. Поэтому траектория движения бета-частицы в веществе представляет собой ломаную линию. При взаимодействии бета-частиц с ядром имеет место перераспределение кинетической энергии между ядром и части-цей. Поэтому такое взаимодействие является упругим столкновением. Потери энергии частицы при взаимодействии с ядрами вещества невелики, так как мас-са частицы меньше массы ядра и число ядер в веществе во много раз меньше числа электронов. Кроме того, за счет заряда протонов ядра вокруг него создается кулонов-ское поле. Кулоновские силы пропорциональны заряду ядра.

Под действием 17 кулоновских сил заряженная бета-частица, имея малую массу, получает уско-рение. Согласно классической электродинамике любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает электромагнитные волны, интенсивность которых пропорциональна квадрату ускорения частицы. Это излучение называ-ется тормозным, а длина его волны соответствует длине волны рентгеновского излучения. Потери на тормозное излучение существенны для легких частиц-электронов. Эти причины приводят к тому, что потери энергии частицы на взаимодей-ствия с ядрами, т.е. радиационные потери -(dE/dx)рад, значительно меньше по-терь энергии частицы на ионизацию и оцениваются выражением 22радmEdxdEββ≅⎟⎠⎞⎜⎝⎛−, (2.2) где Е – энергия бета-частицы; β mβ – масса бета-частицы. Потери на тормозное излучение пропорциональны заряду ядра. Поэтому для тяжелых элементов они более существенны, чем для легких. Отсюда следу-ет, что вклад тормозного излучения в полную потерю энергии бета-частицы возрастает с увеличением ее кинетической энергии в тяжелых веществах.

Взаимодействие гамма-излучения с веществом Гамма- и рентгеновское излучения представляют собой электромагнитные волны. Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии заряженных частиц с атомами вещества, а гамма-излучение испускается при переходе атом-ных ядер из возбужденных состояний в состояние с меньшей энергией. Длина волны гамма-излучения обычно менее 0,2 нанометров. Для этих видов излуче-ния не существует понятий пробега, потерь энергии на единицу пути. Гамма-лучи, проходя через вещество, взаимодействуют как с электронами, так и с ядрами атомов среды (вещества). В результате взаимодействия интен-сивность лучей уменьшается. Для однородного вещества ослабление лучей происходит по экспоненциальному закону ,eIIμx0−= (2.3) где I – интенсивность лучей (пучка) после прохождения слоя вещества тол-щиной х; I0 – начальная интенсивность лучей; μ – линейный коэффициент ослабления. Линейный коэффициент ослабления энергии излучения – это относитель-ное изменение интенсивности направленного излучения на единицу толщины вещества (среды). Если рассматривается не толщина среды (вещества), а ее масса, то пользуются термином массового коэффициента ослабления излучения , который оценивается выражением mμ 18 ρμ=μm, где ρ – плотность поглотителя. Поглощение гамма-квантов веществом обусловлено в основном тремя про-цессами: фотоэффектом, комптоновским рассеянием и рождением в кулонов-ском поле ядра электрон-позитронных пар. Фотоэффект имеет место в том случае, когда энергия гамма-кванта примерно равна энергии связи электронов с ядром вещества (энергия связи атома ), т.е. . .квE−γ..атсвЕат. св..Е≅−квEγ В этом случае гамма-квант взаимодействует с атомным электроном веще-ства, т.е. энергия гамма-кванта поглощается электроном. Электрон атома, полу-чив энергию кванта, выбивается из атома и атом переходит в состояние иона. Процесс поглощения гамма-кванта атомным электроном, при котором электрон покидает пределы атома, называют фотоэффектом. Наименьшую энергию связи имеют электроны К-оболочки атома. Поэтому К-оболочка дает максимальный фотоэффект. При меньшей энергии гамма-кванта атомные электроны смещаются на другие орбиты и атом переходит в возбужденной состояние. Однако ион или возбужденный атом будет стремиться занять нейтральное (исходное) состояние. При переходе в нейтральное состояние ион или возбуж-денный атом будет излучать электромагнитную энергию на длине волны рент-геновских лучей.

Энергия связи электрона в атоме увеличивается с ростом атомного номера Z, поэтому фотоэффект идет интенсивней в более тяжелых веществах. С увеличением энергии гамма-кванта, когда она становится значительно больше энергии связи электрона в атоме, основным механизмом поглощения энергии излучения веществом является эффект Комптона или комптоновское рассеяние. Этот процесс состоит в том, что гамма-квант отдает часть своей энергии свободному электрону. Весь процесс можно представить как абсолют-но упругий удар гамма-кванта и свободного электрона, который до удара мож-но считать покоящимся. В результате упругого удара гамма-квант изменяет на-правление своего движения – рассеивается. Уменьшение энергии гамма-кванта зависит при этом только от угла рассеяния. Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу свободных электронов в веществе. При энергии гамма-кванта 1,02 и более МэВ наряду с фотоэффектом и комптоновским рассеянием происходит уничтожение гамма-квантов за счет об-разования электронно-позитронных пар (−++ee). Это возможно, если энергия гамма-кванта больше суммы энергий покоя электрона и позитрона, каждая из которых равна 0,511 МэВ. Но свободный гамма-квант, обладая достаточной энергией, не может превратиться в пару электрон-позитрон, так как это проти-воречило бы законам сохранения энергии и импульса. Превращение гамма-кванта в пару электрон-позитрон при условии достаточной энергии гамма-кванта может произойти только в присутствии третьего тела (частицы), кото- 19 рыми могут быть в веществе электрон или ядро. Чаще образование пар происходит в присутствии ядра атома. Схема обра-зования пары электрон-позитрон в кулоновском поле ядра имеет вид XAmZ XeeXAmZAmZ++→+γ+−. При энергии гамма-квантов , в несколько раз превышающей 1,02 МэВ, образование пар электрон-позитрон и комптоновское рассеяние являются преобладающими процессами, приводящими к ослаблению гамма-излучения веществом. При более высоких значениях образование электронно-позитронных пар являются основной причиной поглощения гамма-излучения, особенно для тяжелых металлов. Так в свинце поглощения гамма-квантов за счет образования пар () уже при энергии =5 МэВ становится пре-обладающим. .квE−γ.квE−γ−++ee.квE−γ Вклад фотоэффекта фμ, комптоновского рассеяния кμ и образования электрон-позитронных пар парμ в суммарное поглощение гамма-излучения свинцом. Зависимость суммарного поглощения гамма-излучения от энергии В процессе образования пар энергия гамма-кванта распределяется между электроном и позитроном. Образовавшиеся электрон и позитрон теряют эту энергию на ионизацию атомов вещества. В случае столкновения электрона и позитрона образуются два новых гамма-кванта.

Нажмите "Далее" для продолжения.





Хотите, перезвоним вам за 35 секунд?
ЗАКАЗАТЬ ЗВОНОК
Хотите, перезвоним вам за 35 секунд?
Это абсолютно бесплатно!