Ионизирующие излучения. 
Фундаментальная радиохимия

Рассмотрим теперь основные свойства ионизирующих излучений и обсудим процессы их взаимодействия с веществом.

Начнем с определения некоторых понятий.

Альфа-излучение — корпускулярное излучение, состоящее из а-частиц (ядер⁴Не), испускаемых при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях, превращениях.

Аннигиляционное излучение — фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, при взаимодействии (5-электрона и р⁺-позитрона).

Бета-излучение — корпускулярное излучение с непрерывным энергетическим спектром, состоящее из отрицательно заряженных электронов (р~-частицы) или положительно заряженных позитронов (Р*-частицы) и возникающее при радиоактивном р-распаде ядер или нестабильных элементарных частиц. Характеризуется граничной (максимальной) энергией электронов (протонов).

Гамма-излучение — фотонное излучение, возникающее при ядерных превращениях или аннигиляции частиц (диапазон энергий от десятков кэВ до нескольких МэВ).

Ионизирующее излучение (радиация) — вид излучения, который изменяет физическое состояние атомов или атомных ядер, превращая их в электрически заряженные ионы или продукты ядерных реакций (видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующим излучениям).

Нейтронное излучение — поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов.

Протонное излучение — пучок протонов на выходе из ионного ускорителя.

Рентгеновское излучение — фотонное излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения.

Занимает спектральную область между уи ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн 1−10 ³—100 нм (110 ¹²—1 • 10^-5 см). Энергетический диапазон 100 эВ —0,1 МэВ.

Тормозное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при ее рассеянии (торможении) в электрическом поле, характеризуется непрерывным энергетическим спектром.

Фотонное излучение — электромагнитное, косвенно ионизирующее излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц.

Характеристическое излучение — фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома.

К ионизирующим излучениям относят фотоны электромагнитного излучения (уи рентгеновское излучение с длиной волны менее 20 нм) и корпускулярные излучения. Фотонное излучение с энергией от 50 до 500 эВ называют рентгеновским излучением, а при более высоких энергиях — у-излучением.

Энергия электромагнитного излучения (эВ):

где h = 6,626−10-³⁴ Дж-с = 4,135−10 ¹⁵ эВ-e; с = 3- 10^s м/с — скорость света.

К корпускулярному ионизирующему излучению относят a-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения.

Электронное излучение — обычно пучок электронов на выходе из электронного ускорителя. Оно характеризуется дискретным энергетическим спектром, средней энергией излучения и дисперсией (разбросом), а также шириной пучка. Специальными мерами можно получить моноэнергетический узкий пучок высокоэпергетических электронов.

Бета-излучение сопровождает (3-распад. Это — поток электронов или позитронов с непрерывным энергетическим спектром. В отличие от электронного излучения, (3-излучение сопровождается потоком нейтрино (антинейтрино для электронов и нейтрино для позитронов). Позитронное излучение сопровождается еще и аннигиляционным у-излучением (с энергией 0,51 и (или) 1,02 МэВ).

Корпускулярное и электромагнитное излучения взаимодействуют преимущественно с электронами атомов, вызывая их возбуждение и ионизацию.

Сечение взаимодействия ионизирующих частиц — вероятность взаимодействия ионизирующих частиц с одним атомом, электроном, ядром атома или всеми атомами {электронами, ядрами), находящимися в данном объеме вещества.

Размерность — [см²], единица измерения эффективного сечения — барн (1 барн = 10 ²⁴ см² = 10 ²⁸ м²).

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 остается неизменным.

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

Количественно ионизирующее действие излучения характеризуют удельной ионизацией. Удельная ионизация, создаваемая у-излучением, в 5 • 10¹ раз меньше удельной ионизации а-частицами и в 50 раз меньше удельной ионизации (3-частицами такой же энергии.

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).

Удельная ионизация — число пар разноименных носителей заряда (ионов), образуемых в веществе при прохождении заряженной частицы на единице длины пути.

Возбуждение атома и молекулы — квантовый переход атома или молекулы с более низкого (например, основного) уровня энергии на более высокий при поглощении ими фотонов или при столкновениях с электронами и другими частицами.

При попадании излучения на вещество часть излучения отражается от вещества (альбедо), а часть поглощается (рассеивается) в самом веществе.

Взаимодействие ускоренных до высоких энергий положительно заряженных частиц (протонов, дейтронов, а-частиц) с веществом зависит от их типа, заряда, массы и энергии. Здесь доминирует взаимодействие с электронами атомов. Энергия налетающей частицы теряется в каждом соударении. Обычно частица в одном соударении с электроном теряет 1/500 от своей первоначальной энергии. Каждое из этих столкновений приводит к образованию пары ионов. Удельная потеря энергии заряженной частицы не зависит от массы этой частицы, а зависит от концентрации электронов в среде и квадратично зависит от заряда частицы, причем является функцией ее скорости.

Удельные ионизационные потери энергии — отношение энергии заряженной частицы, теряемой на ионизацию среды при прохождении некоторого расстояния, к длине этого отрезка пути. Эти потери возрастают с уменьшением энергии частицы (а-частицы или протона) и особенно резко перед ее остановкой в веществе (пик Брега, рис. 1.10).

Рис. 1.10. Удельная ионизация а-частиц ^2ИРо в воздухе (кривая Брега) (ионизационный пик — 7,69 МэВ) По сравнению с a-излучением ионизирующее действие ускоренных электронов и Рчастиц на единицу длины пройденного пути в веществе (удельная ионизация) меньше, а их проникающая способность больше.

Удельные потери энергии электронов с кинетической энергией? складываются из суммы ионизационных и радиационных потерь.

Высокоэнергетические электроны в основном теряют свою энергию в результате соударения с электронами атома. Небольшая часть налетающих электронов замещают собой электроны атома, что сопровождается выделением теплоты (инфракрасного излучения). Большая часть начальных электронов выбивает электроны из атома, в результате чего атом ионизируется и генерируются 8-лучи (электроны с еще достаточно большими энергиями, чтобы осуществлять ионизацию других атомов среды). Радиационные потери приводят к генерации характеристического и тормозного рентгеновского излучения.

Скорость, с которой электрон передает энергию материалу, определяется линейной передачей энергии (ЛПЭ) и выражается в терминах количества энергии, переданного веществу на единице пути. В конкретном материале ЛПЭ обратно пропорционально связана со скоростью электрона. По мере того как электрон теряет энергию, его скорость уменьшается, а значение ЛЭП увеличивается.

Линейная передача энергии (ЛПЭ) — характеристика качества ионизирующего излучения; величина ионизационных потерь энергии на единице пути в веществе.

ЛПЭ определяется как отношение полной энергии dЕ, переданной веществу частицей вследствие столкновений на пути d/, к длине этого пути: L = d?/d/. Измеряют в эВ/нм. Значения ЛПЭ варьируются от 0,2 для высокоэнергетических фотонов до 10* эВ/нм для осколков деления ядер урана.

Ослабление (3-излучения с непрерывным энергетическим спектром описывается законом, представляющим собой суперпозицию, возникающую при сложении множества линейных кривых ослабления, соответствующих моноэнергетическим электронам со всевозможными энергиями от нулевой до максимальной энергии ?_тах данного спектра [3-излучения. Однако начальный участок кривой поглощения (при толщинах менее 0,3R_max) довольно хорошо описывается экспоненциальной зависимостью:

где,/ и J₀ — интенсивности в присутствии поглотителя с толщиной d ив отсутствие его; р — линейный коэффициент ослабления излучения.

Помимо линейного, часто используется массовый коэффициент ослабления излучения р", = р/р (см²/г).

При взаимодействии у-излучения с веществом возможны следующие процессы: рэлеевское (упругое) рассеяние, комптоновское рассеяние, фотоэффект, образование электронпозитронных пар и фотоядсрные реакции.

Рэлеевское рассеяние (у, у) — когерентное рассеяние электромагнитного излучения без изменения длины волны (называемое также упругим рассеянием) на частицах, неоднородностях или других объектах, когда частота рассеиваемого излучения существенно меньше собственной частоты рассеивающего объекта или системы.

Комптоновское рассеяние (у, у', е) — упругое рассеяние фотона на свободном электроне.

Энергия связи внешних электронов настолько меньше энергии у-квантов, что ею можно пренебречь и считать электроны свободными. Рассеяние фотона на покоящемся электроне сопровождается уменьшением энергии фотона и передачей ее электрону. При рассеянии на электроне у-квант передает электрону часть своей энергии и изменяет направление движения. Рассеяние низкочастотных фотонов на ультрарелятивистских электронах приводит к увеличению энергии фотонов — обратный комптон-эффект.

Фотоэффект — поглощение у-квантов электроном, при котором вся энергия у-кванта передается электрону.

Такой процесс для свободного электрона невозможен изза нарушения закона сохранения импульса. Фотоэффект происходит на связанных атомных электронах, причем вероятность процесса тем выше, чем сильнее связан электрон. Наибольшую вероятность имеет фотоэффект на самой внутренней /(-оболочке.

Рождение пар (у, е⁺, е) — обратный аннигиляции процесс, в котором возникают пары частица — античастица (например, электрон и позитрон).

При высокой энергии (> 1,02 МэВ) у-квант в веществе может образовать электрон-нозитронную пару, передав ей всю свою энергию. Образование пары происходит в поле ядра.

Фотоядерные реакции — ядерные реакции, происходящие при поглощении у-квантов ядрами атомов: (у, п), (у, р), (у, а) и др.

Вероятность рэлеевского (упругого) рассеяния мала и резко уменьшается с увеличением энергии излучения. Вероятность потери энергии в процессе фотоэффекта и комптоновского рассеяния снижается с ростом энергии у-излучения, а вероятность образования электрон-позитронпых пар растет, начиная с энергии 1,02 МэВ. Вероятность потери энергии у-квантов с ростом параметра Z пропорциональна Z — для комптоновского рассеяния, Z² — для процессов образования электрон-позитрониых пар и Z⁴ — для процессов фотоэффекта. С ростом параметра Z и энергии у-излучения вероятность процессов увеличивается в ряду: фотоэффект — комптоновское рассеяние — возникновение электрон-позитронпых пар.

Поглощение параллельного пучка фотонов при его прохождении через тонкую пластину толщиной х подчиняется уравнению (дифференциальная форма закона поглощения):

В интегральной форме закон поглощения у-квантов имеет вид:

где р — полный линейный коэффициент ослабления излучения (он имеет размерность см" ¹ и численно равен доле моноэнергетичсских у-квантов, выбывающих из параллельного пучка на единице пути излучения в веществе); х — толщина экрана.

Линейный коэффициент ослабления — полное макроскопическое сечение взаимодействия косвенно ионизирующих частиц-.

где п — концентрация атомов поглотителя в единице объема; а — полное эффективное сечение ослабления излучения; А — атомный вес вещества-поглотителя; р — его плотность; N_A — число Авогадро. Размерность [см^-1].

Линейный коэффициент ослабления р зависит от максимальной энергии излучения Е_тах и свойств вещества-поглотителя (в первую очередь от числа электронов в единице объема вещества-поглотителя):

где К — коэффициент пропорциональности; Z — средний заряд ядер атомов среды.

Нейтроны, нс имеющие электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. Проходя через вещество, они непосредственно не ионизируют ни атомы, ни молекулы. При столкновениях нейтронов с атомными ядрами может происходить упругое или неупругое рассеяние.

Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. В зависимости от энергии нейтронов их подразделяют па следующие группы:

• • ультрахолодные нейтроны — нейтроны с энергией менее 1 -10 ⁷ эВ;
• • холодные нейтроны — нейтроны с энергией меньше 5 -10 ³ эВ;
• • тепловые нейтроны — нейтроны, находящиеся в термодинамическом равновесии с рассеивающими атомами окружающей среды. Их скорости характеризуются энергией Е₀ = kT, соответствующей максимуму максвелловского распределения, где Т — абсолютная температура среды, сквозь которую диффундируют нейтроны; k — постоянная Больцмана;
• • надтепловые нейтроны — нейтроны с энергией от 0,1 эВ до 0,5 кэВ. При прохождении надтепловых нейтронов через среду сечение взаимодействия в основном подчиняется закону 1 /v, где v — скорость нейтрона. При определенных значениях энергии нейтронов возникают реакции радиационного захвата — («, у)-реакции;
• • нейтроны промежуточных энергий — нейтроны с энергией от 0,5 кэВ до 0,2 МэВ. Для нейтронов этих энергий наиболее типичным процессом взаимодействия с веществом является упругое рассеяние;
• • быстрые нейтроны — нейтроны с энергией от 0,2 до 20 МэВ. Характеризуются как упругим, так и неупругим рассеянием и возникновением пороговых ядерных реакций;
• • сверхбыстрые (релятивистские) нейтроны — нейтроны, обладающие энергией свыше 20 МэВ. Они отличаются ядерными реакциями с вылетом большого числа частиц. При энергии нейтронов выше 300 МэВ имеют место «реакции скалывания», в результате которых бомбардируемое ядро испускает несколько осколков.

Вероятность прохождения той или иной реакции определяется микроскопическим сечением реакции о (п, a),), а (и, у), а (/2, 2п) и т. д.

Макроскопическое сечение данного вещества для данной реакции:

где N — число ядер в 1 см³ поглощающего вещества. Так как N= N₀p/А, где N₀ — число Авогадро, то.

Для быстрых нейтронов наиболее важным результатом взаимодействия являются упругие (п, п) и неупругие (п, п') столкновения с атомными ядрами. Для медленных нейтронов наблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определенных значениях энергий нейтронов Е_п, характерных для данного вещества.

Неупругое рассеяние быстрых нейтронов (п, п') осуществляется по схеме:

где In! — вылетающий из ядра нейтрон (вторичный нейтрон), имеющий энергию, меньшую, чем первичный п; ?Х* — возбужденное ядро, переход которого в основное состояние сопровождается испусканием у-кванта.

Рассеяние (п, 2п!) происходит па тяжелых ядрах при энергии нейтронов порядка нескольких МэВ. Примером этого взаимодействия может быть рассеяние нейтронов ядром урана:

Ослабление узкого коллимированного пучка нейтронов тонким слоем вещества происходит по экспоненциальному закону:

где /₀ и 1(х) — значения плотности потока нейтронов до и после прохождения слоя вещества х; N — число ядер в единице объема вещества; а — полное сечение взаимодействия нейтронов с веществом.

Величина X = Ng имеет размерность обратной длины (см^-1) и называется «линейный коэффициент ослабления потока нейтронов в веществе».

Величина Х_а = 1/Х имеет размерность длины и называется «длина свободного пробега нейтрона в веществе».