Взаимодействие заряженных частиц с веществом

Для того, чтобы понять как происходит прямая ионизация атомов и молекул вещества любыми заряженными частицами, обратимся к модели атома.

В нормальном, невозбужденном состоянии электроны движутся вокруг ядра по стационарным орбитам. Если орбиту изобразить окружностью, то это будет выглядеть, как показано на рис. 2.5. Когда атом получает дополнительную энергию, например, при взаимодействии с заряженной частицей, этому новому возбужденному состоянию соответствует переход электрона с его стационарной орбиты на более «высокую», т.е. более удаленную от ядра.

Рис. 2.5. Схема переходов электрона на различные уровни при поглощении и излучении квантов электромагнитного излучения

Чем ближе электрон к ядру, тем сильнее он связан с ядром и, наоборот, чем он удаленнее от ядра, тем слабее сила связи. Как только полученная электроном энергия возбуждения превысит энергию связи, он вылетает из электронного облака атома. В результате атом, лишившись одного электрона, приобретает положительный заряд и становится ионом. В более тяжелых атомах с большим количеством электронов в электронном облаке картина усложняется, но главная часть процесса неизменна – в результате поглощения энергии атом теряет один или несколько электронов и становится положительным ионом. Возможна и полная ионизация, когда ядро остается «голым», многозарядным ионом. Подобные процессы происходят и в молекулах как в системах связанных атомов, хотя процессы возбуждения для молекул значительно сложнее, чем для атомов.

Энергия однократной ионизации внешней оболочки изменяется в широких пределах и составляет, например, для атомов цезия 3.9 эВ, для атомов гелия 24.6 эВ. Для воздуха эта энергия равна 34 эВ.

Не всегда энергия заряженных частиц передается электронам внешних оболочек атома. При достаточной величине энергии возможна ее передача и электронам внутренних оболочек. Электроны, выбитые из внутренних электронных оболочек атомов, дают начало излучению каскада фотонов, набор энергий которых характерен для каждого химического элемента. Такое излучение называется характеристическим, и его энергия может превышать 100 кэВ для атомов тяжелых элементов.

Для легких элементов вместо каскада фотонов могут излучаться электроны. Энергия, соответствующая разности энергий связи электронов на различных оболочках и выделяющаяся при переходе с более высокой оболочки на более низкую, сообщается электрону какой-либо оболочки самого атома, и он вылетает из атома. Такой электрон называют электроном Оже. При этом заряд иона увеличивается на единицу. Этот процесс тоже каскадный и кратность ионизации за счет процессов Оже может быть достаточно большой. Например, для атомов кислорода и азота кратность ионизации может достигать четырех, а для кальция – пяти.

Прямая ионизация является главным процессом взаимодействия заряженных частиц с веществом. Вероятность такого взаимодействия на единице длины пути заряженных частиц велика, поэтому они быстро теряют свою энергию и останавливаются, передавая энергию веществу в непосредственной близости от точки своего рождения в результате ядерного превращения или взаимодействия нейтрона или g-кванта с веществом.

Вместе с тем в ряде случаев важное значение могут иметь процессы взаимодействия заряженных частиц с веществом, отличные от ионизации и возбуждения.

К таким эффектам следует отнести возникновение тормозного излучения, сопровождающего прохождение быстрых электронов сквозь среду с большими значениями Z. Тормозное излучение состоит из фотонов, имеющих непрерывный спектр энергий. Среднее значение энергии фотонов этого спектра равно примерно 27% энергии тормозящегося электрона, а число фотонов, возникающих при торможении электрона, пропорционально квадрату Z тормозящего вещества. Тормозное излучение следует принимать во внимание в тех случаях, когда b-излучающие радионуклиды с высокой граничной энергией, например, ⁹⁰Sr или ¹⁰⁶Ru, распределены в металлических предметах.

Еще одним эффектом взаимодействия заряженных частиц с веществом является (α,n)-реакция рождения нейтронов в результате взаимодействия a-частиц с легкими ядрами. Это явление используется для создания источников нейтронов. Спектр нейтронов в (a,n)-источниках сплошной, с максимальной энергией, близкой к сумме энергии a-частицы и энергии реакции. В качестве мишени наиболее часто используется изотоп или другие легкие элементы. В качестве источника a-частиц используют изотопы плутония. В таких Pu-Be-источниках нейтронов (a,n)-реакция протекает по схеме

.

(2.11)

Возможность рождения нейтронов в (a,n)-реакции на кислороде следует учитывать при обращении с большими массами необлученного ядерного топлива – диоксида урана, обогащенного ²³⁵U.