Типы взаимодействия излучения с веществом

Следствием прохождения ионизирующего излучения, несущего большой запас энергии через вещество, является изменение структуры вещества.

Ионизирующее излучение — поток частиц или квантов электромагнитного излучения, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации и возбуждению его атомов и молекул. К ионизирующему излучению относят потоки электронов, позитронов, протонов, дейтронов, а-частиц и др. заряженных частиц, а также потоки нейтронов, рентгеновское и гамма-излучение.

При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами, из которых оно состоит, т. е. электронами и атомными ядрами (или нуклонами ядер). Характер взаимодействия излучения с веществом зависит от его вида, энергии, плотности потока, а также от физических и химических свойств самого вещества. Ядерные реакции с веществом активно происходят при взаимодействии с нейтронным излучением. Вероятность заметного протекание ядерных реакций на ядрах атомов вещества появляется при значительных потоках аи p-частиц, у-квантах больших энергий (более 1,02 МэВ), при наличии в веществе ядер с большими сечениями конкретных ядерных реакций (например, фотоядерных). В большинстве же случаев энергия ионизирующего излучения расходуется на взаимодействие с электронными оболочками всех атомов вещества.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом бывает двух типов: упругое и неупругое.

Упругое рассеяние частиц — процесс столкновения частиц, в результате которого меняются только их импульсы, а внутреннее состояние остаётся неизменным.

Неупругое рассеяние частиц — столкновение частиц, приводящее к изменению их внутреннего состояния, превращению в другие частицы или дополнительному возникновению новых частиц.

При неупругом взаимодействии ионизирующего излучения в виде а- и (3-частиц с электронными оболочками атомов среды его энергия затрачивается на ионизацию и возбуждение атомов среды, т. е. излучение оказывает прямое ионизирующее действие на вещество, в котором распространяется. Взаимодействие у-излучения с электронными оболочками атомов вещества называют косвенноионизирующим излучением.

Количественно ионизирующее действие излучения характеризуют удельной ионизацией. Удельная ионизация, создаваемая у-излучением, в 5−104 раз меньше удельной ионизации а-частицами и в 50 раз меньше удельной ионизации (3-частицами такой же энергии. Для количественной характеристики энергии ионизирующего излучения, поглощенной в единице массы облучаемого вещества, введена величина поглощенной дозы ионизирующего излучения. Структура вещества нарушается пропорционально этой дозе. От характера взаимодействия ионизирующего излучения с конкретным веществом зависит проникающая способность ионизирующего излучения. Эта величина важна для предсказания радиационной стойкости конструкционных материалов, расчёта защиты от ионизирующего излучения, регистрации излучения и др.

Первыми результатами действия излучения на вещество являются ионизация и возбуждение.

Ионизация — образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Термином «ионизация» обозначают как элементарный акт (ионизация атома, молекулы), так и совокупность множества таких актов (ионизация газа, жидкости).

Ионизации также могут подвергаться положительные ионы, что приводит к увеличению кратности их заряда. Энергия, необходимая для отрыва электрона, называется энергией ионизации. Ионизация происходит при поглощении электромагнитного излучения, при нагревании газа, при воздействии электрического поля, при столкновении частиц с электронами, ионами, атомами и др. Нейтральные атомы и молекулы могут в некоторых случаях присоединять электроны, образуч отрицательные ионы.

Возбуждённые состояния — энергетические состояния атомов и молекул и других квантовых систем, характеризующиеся избыточной энергией по сравнению с основным состоянием. Согласно принципам квантовой механики атомы и молекулы устойчивы лишь в некоторых стационарных состояниях, которым отвечают определённые значения энергии. Состояние с наинизшей энергией называется основным, остальные — возбуждёнными. Изменение энергии атома при переходе из одного стационарного состояния в другое связано с изменением строения его электронной оболочки.

Энергия излучения, проходящего через вещество, теряется при столкновениях главным образом с электронами. Электрон в атоме движется и удерживается на том или ином расстоянии от ядра благодаря действию двух равных, но противоположных сил: силы притяжения между отрицательно заряженным электроном и положительным ядром и центробежной силой отталкивания, возникающей в результате движения вокруг ядра. Если электрон при столкновении с частицей излучения получил значительное ускорение, он может преодолеть силу притяжения к ядру и покинуть атом и молекулу. Молекула при этом превращается в положительный ион. Если же ускорение недостаточно для ионизации, результатом столкновения явится изменение «орбиты» такого электрона, увеличение расстояния электрона от ядра, т. е. увеличение потенциальной энергии электрона, «возбуждение» атома или молекулы. Такой процесс может вызывать не только ионизирующее излучение, но и оптическое.

При своём движении по веществу, излучения оставляют на своем пути ионы, выбитые электроны и возбужденные молекулы. Начальный результат действия излучения на отдельную молекулу можно представить в виде: М—>М⁺+е, М—>М*, где М — молекула, электрон которой удалён в результате столкновения с частицей излучения; М⁺ — образовавшийся под действием излучения молекулярный ион, а М* — возбужденная молекула. Время жизни этих первичных продуктов действия излучения на вещество крайне мало: io¹²4-io ⁶ с.

Доказательством образования заряженных частиц (ионов и электронов) является тот факт, что диэлектрики (воздух, стекло, пластики) в поле излучения становятся проводниками электричества, и тем в большей степени, чем больше интенсивность излучения. После прекращения облучения проводимость резко падает.