Радиоактивность и ядерные излучения (стр. 3 из 5)
В таблице 1 представлена цепочка семейства урана.
Таблица 1. Семейство урана. | Вид излучения | Нуклид | Период полураспада |
| α | Уран-238 | 4,47 млрд.лет |
| β | Торий-234 | 24,1 суток |
| β | Протактиний-234 | 1,17 минут |
| α | Уран-234 | 245000 лет |
| α | Торий-230 | 8000 лет |
| α | Радий-226 | 1600 лет |
| α | Радон-222 | 3,823 суток |
| α | Полоний-218 | 3,05 минут |
| β | Свинец-214 | 26,8 минут |
| β | Висмут-214 | 19,7 минут |
| α | Полоний-214 | 0,000164 секунды |
| β | Свинец-210 | 22,3 лет |
| β | Висмут-210 | 5,01 суток |
| β | Полоний-210 | 138,4 суток |
| Свинец-206 | стабильный |
4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ
Для регистрации радиоактивности и мер защиты от ядерных излучений, необходимо знать за счет каких процессов теряется энергия излучения, проходя через вещество; какова ионизирующая способность различных видов излучения.
В основном заряженные частицы, проходя через вещество, теряют свою энергию за счет столкновений с атомами этого вещества. Так как масса ядра вещества на много больше по сравнению с массой электронов атома, то наблюдаются существенные различия между столкновениями "электронными" (падающая частица сталкивается с электроном) и "ядерными" столкновениями (падающая частица сталкивается с ядром атома). В первом случае происходит возбуждение или ионизация атома (неупругое столкновение), во втором — частица и атом приходят в движение как единая система (упругое столкновение). Ядерные столкновения происходят в веществе многократно, что приводит к рассеянию частиц. Если в результате взаимодействия появляются новые частицы или исчезают первоначальные, то этот процесс называют реакцией. В частности, если возникают при взаимодействии ядра с новыми свойствами, то реакция называется ядерной.
Процесс радиоактивного превращения элементов всегда сопровождаются выбросом элементарных частиц. Это могут быть заряженные частицы такие, как альфа-, бета-частицы, протоны и другие, нейтральные — нейтроны, нейтрино, так и гамма кванты различных энергий.
Пучки заряженных элементарных частиц, ядра лёгких элементов, ионов оказывают ионизирующее воздействие на вещество, через которые они проходят. Опосредствованное ионизирующее воздействие оказывают и нейтральные частицы, прежде всего нейтроны: в результате взаимодействия этих частиц с ядрами веществ испускаются ядром протон и гамма квант, которые и вызывают ионизацию среды.
Рассмотрим процессы, сопровождающие прохождение ионизирующего излучения через вещество.
4.1 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЬФА-ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ
История открытия и изучения альфа-частиц связана с именем Резерфорда. При помощи альфа-частиц Резерфорд проводил исследования большинства атомных ядер.
Альфа-частицы это атомы гелия, потерявшие два электрона, т.е. ядра атома гелия
Ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов устойчиво, частицы связаны в нем прочно.
В настоящее время известно более 200 альфа активных ядер, главным образом тяжёлых (А > 200, Z > 82 ), исключение составляют редкоземельные элементы (А=140-160). Примером альфа распада может служить распад изотопов урана:
Скорости, с которыми альфа-частицы ,, вылетают из распавшегося ядра, очень велики и колеблются для разных ядер в пределах от 1,4 х 107 до 2,0x10' м/с, что соответствует кинетическим энергиям этих частиц 4—8,8 МэВ. Альфа-частицы в состав ядра не входят, и, по современным представлениям, они образуются в момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра 2-х протонов и 2-х нейтронов.
Пролетая через вещество, альфа-частицы постепенно теряют свою энергию, затрачивая ее на ионизацию газов. Причём в начале пути, когда энергия альфа-частиц велика, удельная ионизация меньше, чем в конце пути.
Под пробегом частицы в веществе понимается толщина слоя этого вещества, которую может пройти эта частица до полной остановки. Пробег частиц в основном определен для тяжелых частиц, т.к. их путь представляет прямую линию с наименьшим рассеянием. Пробег альфа-частиц зависит как от энергии частиц, так и от плотности вещества, в котором они движутся.
По пробегу альфа частицы можно определить ее энергию.
4.2 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БЕТА-ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ
Бета-распад происходит, когда замена в атомном ядре ( нейтрона на протон энергетически выгодна, и образующееся новое ядро имеет большую энергию связи. Бета-излучение состоит из бета-частиц (электронов или позитронов), которые испускаются при бета-распаде радиоактивных изотопов. Электроны не входят в состав ядра и не выбрасываются из оболочки атома, при электроном бета- распаде происходит превращение нейтрона в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино. При этом заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Электронный распад характерен для ядер с избыточным числом нейтронов. Примером электронного бета-распада может служить распад стронция:
При позитронном бета-распаде происходит превращение протона в нейтрон с образованием и выбросом из ядра позитрона. Заряд и порядковый номер ядра уменьшаются на единицу. Позитронный бета-распад наблюдается для неустойчивых ядер с избыточным числом протонов. Примером позитронного бета-распада может служить распад радионуклида натрия:
К бета-распаду относится также электронный захват (е-захват), т.е. захват атомным ядром одного из электронов своего атома. При этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и испускается нейтрино. Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии.
Переходя в основное состояние оно испускает гамма-фотон. Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате возникает рентгеновское излучение.
Примером электронного захвата может служить следующая реакция:
Бета-частицы, испускаемые при бета-распаде, имеют различную энергию, поэтому и пробег их в веществе не одинаков. Путь, проходимый бета-частицей в веществе, представляет собою не прямую линию, как у альфа-частиц, а ломаную. Взаимодействуя с веществом среды, бета-частицы проходят вблизи ядра. В поле положительно заряженного ядра отрицательно заряженная бета-частица резко тормозится и теряет при этом часть своей энергии. Эта энергия излучается в виде тормозного рентгеновского излучения. С увеличением энергии бета-частиц и атомного номера вещества интенсивность рентгеновского излучения возрастает.
Ионизирующая способность бета-частиц много меньше, а длина пробега много больше, чем у альфа-частиц.
4.3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
В литературе часто встречаются термины радиоактивных излучений: рентгеновские или гамма-лучи, или общее название — электромагнитные волны с короткими длинами волн, которые обладают большой проникающей способностью в веществе. Различные названия рентгеновские и гамма лучи — связаны не с различными физическими свойствами этих лучей, а со способом их получения. Наиболее часто употребляется гамма-излучение, которое не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает альфа- и бета- распады. Оно возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц и т.д.
Гамма-излучение испускается дочерним ядром. Дочернее ядро в момент своего образования оказывается возбуждённым, а затем за время
с оно переходит в основное состояние с испусканием гамма-излучения. Возвращаясь в основное состояние, ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому гамма-излучение может содержать несколько групп гамма-квантов, отличающихся значениями энергии.Гамма-кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, они или поглощаются или рассеиваются. Гамма-излучение не имеет заряда и тем самым не испытывает влияния кулоновских сил. При прохождении пучка гамма-квантов через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность, согласно закону
( 
— интенсивности гамма-излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной X, 
— коэффициент поглощения); зависит от свойств вещества и энергии гамма-квантов. 
Основными процессами, сопровождающими прохождение гамма-излучения через вещество является фотоэффект, компто-новское рассеяние и образование электронно-позитронных пар (рис. 1.3).
Фотоэффектом называется процесс, при котором атом полностью поглощает гамма квант с энергией hvи испускает электрон с кинетической энергией Ek, равной