Энергетические характеристики взаимодействия излучений с веществом

Величиной, определяющей энергетическую сторону процесса ионизации, служит так называемая работа (потенциал) ионизации - средняя работа, затрачиваемая на образование одной пары ионов. В воздушной среде этот показатель составляет в среднем для α-частиц 35 эВ и для β-частиц 34 эВ. Если известна энергия заряженной частицы, то легко можно посчитать полную ионизацию, т. е. количество пар ионов, образованных на всем пути частицы:

I = E/W,

где Е - энергия частицы;

W - средняя энергия, затраченная на образование одной пары ионов.

Заряженные частицы, различные по природе, но с одинаковой энергией, образуют практически одинаковое число пар ионов (одинаковая полная ионизация). Однако плотность ионизации, или удель­ная ионизация, т. е. число пар ионов на единицу пути частицы в ве­ществе, будет различная. Плотность ионизации возрастает с увеличением заряда частицы и с уменьшением ее скорости. Это обусловлено тем, что частицы с большим зарядом сильнее взаимодействуют с электронами, а частицы, обладающие меньшей скоростью, большее время находятся вблизи электронов, и их взаимодействие с ними также оказывается более сильным. Удельная ионизация у альфа-частиц самая большая из всех ядерных излучений. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует несколько десятков тысяч пар ионов, в то время как бета-частица - 50...100 пар ионов.

Пробег в воздухе

Рис. 2.4. Изменение удельной ионизации Рис. 2.5. Типичные кривыепоглощения

альфа-частицы (линейная потеря энергии параллельного пучка альфа- (1) и

- ЛПЭ) вдоль пробега (кривая Брегга) бета-частиц (2) в веществе.

Проходя через вещество, заряженные частицы постепенно теряют энергию и скорость, поэтому плотность ионизации вдоль пути частицы возрастает и достигает наибольшей величины в конце пути (рис. 2.4.). Процесс ионизации будет происходить до тех пор, пока энергия альфа- и бета-частиц будет способна производить ионизацию. В конце пробега альфа-частица присоединяет к себе два электрона и превращается в атом гелия, а бета-частица (электрон) может включиться в один из атомов среды или на какое-то время остается свободным электроном.

Путь, проходимый альфа- или бета-частицей в веществе, на протяжении которого она производит ионизацию, называют пробегом частицы. Пробег альфа-частиц в воздухе может достигать 10 см, а в мягкой биологической ткани - нескольких десятков микрометров. Пробег бета-частиц в воздухе достигает 25 м, а в биологической ткани - до 1 см.

Распространяются альфа-частицы в веществе прямолинейно и изменяют направление движения только при соударениях с ядрами встречных атомов. Бета-частицы, имея малую массу (в 7320 раз легче альфа-частицы), большую скорость и отрицательный заряд, значительно отклоняются от первоначального направления в результате соударения с орбитальными электронами и ядрами встречных атомов (эффект рассеяния). Претерпевая многократное рассеяние, бета-частицы могут даже двигаться в обратном направлении - обратное рассеяние.

Следует отметить еще одно различие в прохождении альфа- и бета-частиц через вещество. Поскольку все альфа-частицы, испускаемые данным радиоактивным изотопом, обладают относительно равной энергией и движутся в веществе прямолинейно, то число альфа-частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности поглотителя, резко падает до нуля лишь в конце про­бега. Спектр бета-частиц непрерывен, поэтому с увеличением толщины поглотителя А число бета-частиц в параллельном пучке, про­ходящем через единицу поверхности, уменьшается постепенно (рис. 2.5.), так как бета-частицы различной энергии будут поглощаться раз­личными слоями поглотителя.

Ослабление интенсивности потока бета-частиц в веществе приближенно подчиняется экспоненциальной зависимости:

N= N₀ е^{-μ d},

где N - число бета-частиц, прошедших через слой поглотителя толщиной d (см);

N₀ - число бета-частиц, поступающих за 1 с на поверхность поглотителя площадью 1 см²;

е - основание натуральных логарифмов, е = 2,72;

μ - линейный коэффициент ос­лабления излучения, характеризующий относительное ослабление интенсивности потока бета-частиц после прохождения слоя поглотителя толщиной 1 см.

Обычно толщину слоя поглотителя выражают не в единицах дли­ны (см или мм), а в г/см² или мг/см², т. е. указывают массу поглоти­теля, приходящуюся на 1 см² его поверхности.