γ- лучи ионизируют вещество, теряя энергию, передавая ее электронам атомов вещества. Они обладают широким диапазоном длин пробега в веществе и могут пройти даже через тело человека. Для защиты от γ-лучей, в зависимости от их энергии, требуется толстый экран, сделанный из тяжелого вещества, например, свинца. γ-лучи передают энергию электронам в ходе трех процессов:
a). Фотоэлектрический эффект проявляется, если γ-лучи обладают сравнительно небольшой энергией, а также при взаимодействии с веществом рентгеновских лучей. Фотон γ-луча поглощается атомом, в результате чего освобождается электрон. Этот процесс наиболее вероятен для атомов с большими зарядовыми числами.
б). Если энергия фотонов γ-лучей больше, чем энергия ионизации атомов вещества, то доминирует эффект Комптона. Фотон передает некоторую (но не всю) энергию электрону атома и может ионизировать еще некоторое число атомов.
c). Создание пары электрон-позитрон. Если энергия γ-фотона больше, чем в вышеуказанных процессах, она поглощается атомным ядром, и образуется пара частиц (электрон и позитрон).
Вероятность поглощения γ-лучей уменьшается при нарастании их энергии, поскольку при увеличении энергии γ-лучей они становятся более проникающими.
Нейтроны
Нейтроны являются незаряженными частицами и производят ионизацию косвенно, взаимодействуя первоначально с атомными ядрами, а не с электронами. Они обладают широким диапазоном длины пробега в веществе. Нейтроны содержатся в ядрах всех атомов, кроме водорода. Свободные нейтроны получают в ядерных реакциях. Они вылетают из атомного ядра с различными скоростями и энергией. Нейтроны замедляются при столкновениях с ядрами атомов вещества, при этом происходит передача энергии. Возбужденное ядро вещества испускает протон и γ-лучи. Когда энергия нейтрона уменьшается, он захватывается атомным ядром.
Обнаружение и измерение излучений
Существует много типов приборов, которые используются для обнаружения ионизирующих излучений. Наиболее часто применяют счетчики, которые являются очень чувствительными детекторами α-частиц, но меньше - для γ - лучей. Типичный счетчик представляет собой цилиндр из металла, стенки которого используются как анод. Тонкий провод вдоль оси цилиндра служит катодом. Цилиндр заполнен инертным газом аргоном.
Если аргон находится в молекулярном состоянии, между анодом и катодом электрический ток не проходит. Под действием излучений происходит ионизация атомов аргона и проходит кратковременный электрический ток. Если напряжение между анодом и катодом достаточно велико, каждый электрон, образованный действием на газ излучения, производит несколько второстепенных электронов, которые, в свою очередь, производят другие. В результате электрические импульсы усиливаются и могут быть визуализированы или записаны. Такой детектор называется счетчиком Гейгера-Мюллера. Он компактен и удобен в использовании.
Есть также другие типы счетчиков излучения, например - сцинтилляционный счетчик. Такие счетчики имеют сравнительно высокую эффективность обнаружения излучения. Они наиболее широко используются в решении биомедицинских задач. Сцинтилляционный счетчик состоит из кристалла, который искрится, то есть выдает вспышки видимого света, когда на его атомы попадает ионизирующее излучение.
Вспышки света считают с помощью фотоэлектрического множителя чувствительного устройства. Фотоны видимого света, входя в это устройство, вызывают в нем генерирование электрических импульсов, которые подвергаются очень сильному усилению. Общее число импульсов пропорционально суммарному излучению. Сцинтилляционные счетчики не только измеряют интенсивность излучения, но помогают также идентифицировать его природу.