Основы радиохимии и радиоэкологии (стр. 14 из 63)
Путь, который проходит α – частица до полной потери энергии, называется длиной пробега, является константой, характеризующей α – излучение и, обозначаетсяR. Понятием R пользуются для оценки проникающей способности α – частиц. Пробег R измеряется в см или в массовой толщине (d) (г/см2) поглотителя.
Длина пробега в воздухе и энергия α – частицы взаимосвязаны эмпирическим соотношением:
, (5.4)
где K – постоянная, равная 0,318, а Е – энергия альфа – частицы, МэВ;
Пробег α – частиц в воздухе для всех α – частиц колеблется от 2,5 до 8,5 см.
Поэтому α – частицы даже самой большой энергии поглощаются даже листом бумаги.
Из всех известных частиц, испускаемых радиоактивными атомами, альфа – частицы обладают наибольшей ионизационной способностью. В воздухе при нормальных условиях α – частица образует 150-250 тысяч пар ионов на 1 см пути.
Независимо от того, по какому пути идет взаимодействие альфа-частиц с веществом, заторможенные до обычных молекулярных скоростей, они последовательно присоединяют два электрона и превращаются сначала в одноименно заряженные ионы, а затем в атомы гелия.
Таблица 5.1 Пробеги альфа-частиц в воздухе, биологической ткани, алюминии.
Энергия  -частиц, МэВ | 4 | 6 | 8 | 10 |
| воздух, см | 2.5 | 4.6 | 7.4 | 10.6 |
| Биологическая ткань, мкм | 31 | 56 | 96 | 130 |
| алюминий, мкм | 16 | 30 | 48 | 69 |
За счет энергии, выделяющейся при торможении альфа- частиц в веществе, в нем возможны различного рода изменения. Например, люминисценция некоторых веществ или тепловой эффект. Кроме того, под воздействием альфа-излучения различной энергии могут в веществе могут присходить химические превращения (разложение воды с образование различных радикалов и молекул, разложение или полимеризация органических молекул).
Альфа-лучи обладают физиологическим действием. На коже вызывает ожоги и воспалительные процессы. Попадание альфа-радиоактивных веществ внутрь организма может привести к смертельному исходу, так как в этом случае вся энергия частиц передается ткани организма, в результате чего в ней возникают необратимые процессы.
5.2 Взаимодействие электронов с веществом
Поглощение потоков электронов высокой энергии средой протекает в результате взаимодействия с орбитальными электронами и электромагнитным полем ядра атома (рис. 5. 1). Чтобы отличить электроны, генерируемые ускорителями и образующиеся при β – распаде, от орбитальных, будем обозначать их как β – частицы. β – частицы теряют свою энергию по такому же механизму, что и α – частицы, однако имеется несколько важных отличий.
Бета-частица в виду малой массы, заряда и большой первоначальной скорости, обладают значительно меньшей ионизирующей способностью по сравнению с альфа-частицами. Бета-частица с энергией 1 Мэв создает на пути своего движения в воздухе около 30 000 пар ионов.
Рис. 5. 1. Схематическое описание пяти процессов поглощения b-частиц
В отличие от тяжелых частиц из-за равенства масс летящего и орбитального электронов, в одном столкновении может быть передана значительная доля энергии. При таких взаимодействиях β – частицы отклоняются от своего первоначального пути на разные углы и по мере пробега рассеиваются. Поэтому треки β – частиц в веществе сильно отличаются от прямолинейных, а их энергия не является однозначной функцией пробега Вторичные электроны, вылетающие из атомов при ионизации, имеют достаточно высокие энергии, чтобы вызвать интенсивную вторичную ионизацию, которая составляет 70 - 80% полной ионизации в процессах поглощения β – частицы.
Если первоначально все электроны имели строго одинаковые энергии, то по мере углубления в вещество возникает и быстро увеличивается разброс электронов по энергиям. Средняя энергия электронов при этом уменьшается.
Приблизительно одна половина полной энергии β – частицы расходуется на ионизацию, а другая – на возбуждение.
Если( из Пикаева стр.18-19)
Возбуждение атома происходит тогда, когда первичное излучение передает энергию недостаточную для ионизации. При этом электрон занимает более высокий уровень энергии возбуждения атома. Возбужденные атомы быстро возвращаются на более низкие энергетические уровни путем эмиссии электромагнитного излучения, напримеррентгеновского или видимого света.
5.2.1 ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ
Потери энергии электронов, связанные с возбуждением и ионизацией атомов и молекул среды, называются ионизационными потерями и описываются теорией Блоха и Бете.
Согласно этой теории, для электронов относительно малых первоначальных энергий (Еβ< 0,5 МэВ), средняя потеря на ионизацию на единице длины пути, определяется уравнением, которое аналогично по форме уравнению для средних потерь энергии α – частиц:
, ( 5. 5)где me – масса покоя электрона;
v – скорость электрона;
nA – число атомов поглотителя а 1 см3 поглотителя;
,w – средняя энергия возбуждения для атомных электронов;
, нерелятивистская энергия электронов;После замены в формуле (5.4) nA на N0·ρ/A и объединения постоянных в К , где N0 – число Авогадро, ρ – плотность, г/см3 поглотителя, А – атомная масса поглотителя, получаем:
(5. 6)Так как
изменяется относительно мало, 
зависит в основном от плотности тормозящего вещества.5.2.2 ТОРМОЗНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ (РАДИАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ)
В отличие от заряженных частиц с большой массой, при движении b-частиц через поглощающую среду, существенную роль наряду с ионизационными потерями играют потери на излучение, возникающее при торможении электронов в кулоновском поле ядер. При пролете β – частицы рядом с ядром, он притягивается его положительным полем. Скорость β – частицы сильно изменяется, она приобретает некоторое ускорение, что согласно классической электродинамике, сопровождается электромагнитным излучением. При этом энергия β – частицы уменьшается на ∆Е и передается, возникающему кванту электромагнитного излучения. Возникшее электромагнитное излучение, называется тормозным, а потери энергии– радиационными. Средние радиационные потери энергии электронов на единицу длины пути составляют:
, (5. 6)где Z – атомный номер поглотителя;
Е – энергия электрона;
Ф – функция радиационных потерь.
Как видно из формул (5.5) и ( 5.6), радиационные потери возрастают пропорционально Z2, а ионизационные - пропорционально Z.
При малых энергиях электронов преобладают ионизационные потери, при больших – радиационные. Полная потеря энергии электронов в поглотителе складывается из ионизационных и радиационных потерь:
(5.7)Энергия электронов, при которой ионизационные потери в данном веществе сравниваются с радиационными, называется критической энергией.
(5.8)Для свинца критическая энергия приблизительно равно 10 МэВ:
Однко для значений энергий, наблюдаемых при радиоактивном распаде, тормозное излучение обычно весьма невелико, особенно в поглотителях с низкой атомной массой.
5.2.3 ИЗЛУЧЕНИЕ ВАВИЛОВА – ЧЕРЕНКОВА
Скорость света в веществе с΄ зависит от показателя преломления n:
с΄= сn-1(5.9)
Если β – частицы движутся в прозрачной среде (воде) со скоростью превышающей скорость света (Еβ>0,6 МэВ) то в среде при прохождении частицы когерентно испускается электромагнитное излучение в конусе, ось которого совпадает с направлением движения частицы (рис.5.1.). Такое излучение называется излучением Вавилова – Черенкова. Излучение Вавилова – Черенкова представляет собой голубоватое свечение, наблюдаемое в высокоактивных растворах и вокруг тепловыделяющих сборок реактора, погруженных в воду. Возникновение излучения Вавилова - Черенкова характерно только для высокоэнергетичных β – частиц с энергий >0,6 МэВ. Для быстрых электронов потери энергии на излучение Вавилова – Черенкова составляют менее 0,1% потерь энергии на все другие процессы.
5.2.4 ЭЛЕКТРОННО–ПОЗИТРОННАЯ АННИГИЛЯЦИЯ
Позитроны взаимодействуют с веществом в результате ионизации, возбуждения, испускания тормозного излучения и излучения Вавилова