ХАРАКТЕРИСТИКА АЛЬФА, БЕТА-ЧАСТИЦ И ГАММА-ЛУЧЕЙ. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ (лекция)
ХАРАКТЕРИСТИКА АЛЬФА, БЕТА-ЧАСТИЦ И ΓАММА-ЛУЧЕЙ.
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ.
3.1. Характеристика α-, бета-частиц и γ-лучей.
Радиоактивное излучение невидимо, но обнаруживается рядом объективных
явлений. Наиболее характерными из них являются: фотохимические действие,
возбуждение, люминесценции и ионизации вещества, в котором излучение
поглощается.
Было обнаружено, что радиоактивное излучение в поперечном магнитном поле
разделяется обычно на три пучка. Один из них в магнитном поле не отклоняется и,
следовательно, не имеет электрического заряда, два других в магнитном поле
отклоняются в противоположные стороны, следовательно, они состоят из электрически
заряженных частиц различного знака. Лучи, отклоняющиеся к
(-) заряженной
пластинке, условно были названы альфа — лучами, отклоняющиеся к положительно
заряженной пластинке - бета-лучами, а лучи, которые совсем не отклонялись были
названы гамма-лучами (истинные).
Альфа-излучение
- поток положительно заряженных частиц
(ядер атомов
гелия), движущихся со скоростью 20000 км/с. Альфа - частицы имеют большую массу
и обладают значительной энергией, но их проникающая способность не велика - их
пробег в твердых и жидких средах составляет сотые доли мм. Они вызывают сильно
выраженные эффекты, ионизации и флуоресценции. Потому вся энергия альфа - частиц
(на 1 см пути альфа- частицы образуют 100-250 тыс. пар ионов) передаются клеткам
организма - нанося вред.
Вследствие малой проникающей способности альфа частицы могут быть
полностью задержаны листом плотной бумаги, одеждой, слоем резины и
хирургических перчаток, эпидермисом.
Альфа- частицы - ядро, состоящее из 2-х протонов и 2-х нейтронов.
Альфа - излучение - поток ядер атомов гелия (альфа-частиц).
Бета-излучение
- поток отрицательно заряженных частиц
(электронов). В
электрическом поле они отклоняются к положительному полюсу. Их скорость
приближается к скорости, света. Бета- частицы имеют небольшую массу (они в 1840
раз легче протонов), но отличаются большой проникающей способностью — в воздухе
они могут пробегать путь длинной, измеряемой десятками сантиметров и даже
несколькими метрами (в мягких тканях максимальный пробег бета — частиц достигает
нескольких сантиметров).
Бета — частицы средних энергий задерживаются оконным стеклом, подошвой
обувью и т.п., но бета — частицы с энергией 0,07 МэВ (электронвольт) уже могут
пробить эпидермис. Поэтому даже при работе с мягкими (бета - излучателями руки
должны быть защищены перчатками, а от жестких (бета - частиц с энергией 0,5 МэВ и
выше) следует защищаться экраном.
Гамма-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное
излучение.
Гамма - лучи не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном поле. По
21
свойствам это излучение близко к рентгеновскому, но обладает значительно большей
скоростью и энергией. Оно распространяется со скоростью света. Характерная
особенность гамма-излучения - исключительно высокая проникающая способность .
Пробег гамма - квантов в воздухе может достигать 100 м, в мягки тканях —
десятки сантиметров.
Гамма - излучение в поглотителе тем сильнее, чем меньше энергия квантов и
больше масса, т.е. объем, плотность и порядковый номер поглотителя. По воздуху γ-
кванты свободно пролетают 100 м. При этом слой полуослабления ( 1/2) для квантов с
энергией 2,5 МэВ составляет в воздухе 200 м, в свинце только — 1,8 см, в бетоне-10 см,
а в дереве - 25 см.
Слой свинца толщиной 40 см ослабляет энергию таких γ -квантов в 107раз.
С целью противорадиационной защиты должны проводиться мероприятия по
предупреждению попадания и резобции радионуклеидов и ускорение их выведения из
организма. С этой целью используется большое количество химических веществ,
сорбирующих радионуклиды или переводящие их в прочные комплексы.
Гамма-кванты — высвечиваемое излучение, испускаемое при радиоактивном
распаде ядрами с избытком энергией, не захваченной альфа и бета - частицами.
3.2. Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом.
Обнаружение и регистрация всех видов ядерных излучений (α и бета-частицы, γ-
кванты, нейтроны и т.д.) выбор материала для защиты, оценка биологического
действия излучения основаны на эффектах, которые возникают при взаимодействии
излучений с веществом.. Для понимания принципов этих явлений необходимо знать,
каким образом различные по природе излучения взаимодействуют с веществом.
Взаимодействие альфа и бета - частиц
Заряженные частицы, проходя через вещество, постепенно теряют энергию в
основном в результате взаимодействия с электронами атомов, а также с электрическим
полем ядра.
В процессе взаимодействия с электронами атомов кинетическая энергия альфа и
бета — частиц растрачивается на ионизацию, т.е. на отрыв электронов от атомов и на
возбуждение атомов и молекул (ионизационные потери энергии) .Взаимодействуя с
электрическим полем ядра, заряженная частица тормозится и меняет направление
своего движения, при этом происходит испускание излучения, которая по своей
характеристике близко к рентгеновскому и называется тормозным рентгеновым
излучением.
Уменьшение кинетической энергии заряженных частиц в электрическом поле
ядра составляет радиационные потери, которые будут тем значительнее, чем больше
порядковый номер атомов среды (плотность вещества) и энергия частиц. Следует
отметить, что радиационные потери и тормозное излучение характерно для бета-
частиц.
Исходя из этого в практической работе для защиты от бета
- излучения
целесообразно использовать материалы малой плотности
(плексиглас, стекло,
полимеры и т.п.).
Величиной, определяющей энергетическую сторону процесса ионизации служит
так называемая работа ионизации - средняя работа, затрачиваемая на образование
одной пары ионов. Для воздуха этот показатель составляет в среднем 35 эВ для альфа и
34 эВ для бета - частиц. Если известна энергия заряженной частицы, легко можно
22
подсчитать полную ионизацию, т.е. количество пар ионов, образованных на всем пути
частицы: J
= Е/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 полярная 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 1см пути альфа - частица образует
несколько десятков тысяч пар ионов, в то время как бета-частицы- 50-100 пар ионов.
Проходя через вещество заряженные частицы, постепенно теряют энергию и скорость,
поэтому плотность ионизации вдоль пути частицы возрастает и достигает наибольшей
величины в конце пути.
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
2 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, называется пробегом частицы.
Пробег альфа-частиц в воздухе может достигать
10 см, а в мягкой
биологической ткани — несколько 10 микрон.
Пробег бета-частиц в воздухе достигает 25 см, а в биологической ткани до 1см.
Распространяются альфа-частицы в веществе прямолинейно и изменяют
направления движения только при соударениях с ядрами встречных атомов.
Бета-частицы, имея малую массу (в 7000 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 направление - обратное рассеяние. Эффект обратного рассеяния наблюдается
при радиометрии исследуемых препаратов, если пробу наносить на подложку из
материала большей плотности. Скорость счета в таких случаях иногда возрастает до
50% от активности измеряемого препарата.
Вследствие значительного рассеяния бета-частиц в веществе истинная длина
пути в 1,5-4 раза больше их пробега.
Таким образом, путь и пробег при характеристике бета-излучения имеет разное
понятие, путь бета-частиц всегда больше чем, пробег. Пробег выражается в единицах
длины (мк, мм, см и т.п.) или поверхности плотности (г/см2, мг/см2). Следует отметить
еще одно различие прохождения альфа и бета-частиц через вещество.
1. 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
23
поглотителя, резко падает до нуля лишь в конце пробега.
2. Спектр бета- частиц непрерывен, поэтому с увеличением толщины поглотителя
число бета- частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности
уменьшается постепенно, так как бета-частицы различной энергии будут поглощаться
различными слоями поглотителя.
Ослабление интенсивности потока бета- частиц в веществе приблизительно
подчиняется экспоненциальной зависимости.
N - число бета- частиц прошедших через слой поглотителя d см; N0 -число бета-
частиц, поступивших за 1 с на площадку поглотителя равную 1 см2; е - основание
натуральных логарифмов (2,72); μ (ми, мю) - линейный коэффициент ослабления
излучения, характеризующий относительное ослабление интенсивности потока бета-
частиц после прохождения поглотителя толщиной 1 см.
Обычно толщину поглотителя выражают не в единицах длины (см, мм), а в г/см2
мг/см2 , т.е. указывают массу поглотителя, приходящуюся на 1 см2 его поверхности.
Взаимодействие гамма - частиц.
При радиоактивном распаде ядра испускают гамма - кванты с энергией в
пределах от нескольких КэВ (килоэлектроновольт) до нескольких МэВ (мега).
Гамма - кванты при прохождении через вещество теряют энергию в результате
проявления практически трех эффектов:
1. Фотоэлектрического поглощения (фотоэффект),
2. Комптоновского рассеяния (комптоноэффект)
3. Образование электронно-позитронных пар (образование пар).
Относительная величина каждых из этих электронов зависит от атомного
номера, поглощающего материала и энергии фотона.
Фотоэффект. При фотоэлектрическом поглощении γ - квант, сталкиваясь с
прочно связанным электроном (чаще с электронами К-слоя) в атомах излучаемого
вещества, полностью передает ему свою энергию сам исчезает, а электрон приобретает
кинетическую энергию, равную энергии γ - кванта минус энергия связи электрона в
атоме. Таким образом, при фотоэффекте вся энергия первичного γ
- кванта
преобразуется в кинетическую энергию фотоэлектронов, которые ионизируют атомы и
молекулы. На освободившееся место в орбите К-слоя перескакивает электрон l-слоя, на
l-слой
- электрон М-слоя и т.д. с высвечиванием квантом характеристического
рентгенового излучения.
Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда энергия γ - кванта не
превышает 0,05 МэВ, а поглотитель представляет собой вещество с большим атомным
номером (например свинец).
Процесс фотоэффекта не возможен на слабосвязанных и свободных электронах
(не связанных с атомом), так как они не могут поглощать γ - кванты.
В воздухе, воде и биологических тканях фотоэлектрическое поглощение
составляет 50% при энергии γ - квантов порядка 60 кЭВ.
При Е γ (энергия) - 120кЭВ для фотоэлектрического поглощения составляет
около 10%, а начиная с 200кЭэВ, этим процессом логично пренебречь. В этом случае γ
-излучение ослабляется за счет комптоновского рассеяния.
Комптонэффект. При комптоновском эффекте γ
- кванты сталкиваясь с
электронами, передают им не всю свою энергию, а только часть ее и после соударения
изменяют направление своего движения, т.е. рассеиваются. Образовавшиеся в
следствии соударения с γ
-квантами электроны
(электроны отдачи) приобретают
значительную кинетическую энергию и растрачивают ее на ионизацию вещества
(вторичная ионизация).
В отличии от процессов фотоэлектрического поглощения при комптонэффекте γ
-кванты взаимодействуют с внешними, валентными электронами, энергия связи
которых минимальная. Комптоновское рассеивание возможно на свободных
электронах.
Таким образом в результате комптонэффекта интенсивность γ
-излучение
ослабляется за счет того что γ
- кванты, взаимодействуя с электронами среды
рассеиваются в различных направления, и выходят за пределы первичного пучка, а
также за счет передачи электронам части своей энергии.
Образование электронно-позитронных пар.
Некоторые γ - кванты с энергией не ниже 1,02 МэВ, проходя через вещество,
превращаются под давлением сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару
«электрон-позитрон»
(позитрон- элементарная частица подобная электрону но с
положительным зарядом).
В данном случае происходит преобразование одной формы материи γ
-
излучения в другую - в частицы вещества.
Образование такой пары возможна только при энергиях, γ -квантов, не меньших
чем энергия, эквивалентная массе обеих частиц — электрона и позитрона. Поскольку
масса электрона и позитрона одинаковы, то для образования их без сообщения им
дополнительной кинетической энергии, энергия γ
-кванта должна удовлетворять
отношению взаимосвязи массы и энергии:
Образовавшаяся электронно-протонная пара в дальнейшем исчезает
превращаясь в два вторичных гамма - кванта с энергией, равному энергетическому
эквиваленту массы покоя частиц( - 0,511 МэВ позитронный распад).
Вторичные γ - кванты способны вызвать лишь комптонэффект и в конечном
счете фотоэффект, т.е. терять энергию только при соударениях с электронами.
Вероятность процесса образования пар увеличивается с увеличением энергии гамма -
квантов и плотности поглотителя. γ - лучи высоких энергий (более 8 МэВ) могут
взаимодействовать с ядрами атомов (ядерный эффект). Вероятность такого эффекта
весьма мала, и этот вид взаимодействия практически не ослабляет излучений в
веществе
Закон ослабления гамма-излучений веществом - существенно отличается от
закона ослабления альфа и бета-частиц. Пучок γ - лучей поглощается непрерывно с
увеличением толщины слоя поглотителя его интенсивность не обращается в ноль ни
при каких толщинах слоя поглотителях.
Это значит что какой бы ни была толщина слоя вещества, нельзя полностью
поглотить поток гамма-лучей, а можно только ослабить его интенсивность на любое
заданное число раз. В это существенное различие характера ослабления гамма-лучей от
ослабления альфа и бета-частиц, для которых всегда можно подобрать такой слой
вещества в котором полностью поглощается поток б и бета-частиц.
Закон ослабления пучка γ - λζχει θμεες ρλεδζώωθι βθδ:
Зная слой половинного ослабления можно довольно легко определить какой
нужно взять слой поглотителя, чтобы ослабить излучение в данное число раз.
Основные эффекты взаимодействия нейтронов с веществом.
Быстрые с энергией порядка мэВ, электроны попадая в ткань замедляются за
счет передачи энергии ядрам вещества при непосредственном столкновении с
последним, чем больше передача энергии при таком столкновении тем быстрее
замедляются нейтроны.
Ткани организма животных практически полностью замедляют нейтроны так как
они много содержат водородных атомов и в среднем одно столкновение приходится на
1 см пробега нейтрона в ткани.
Приведем некоторые примеры наиболее частой наведенной активностью в
тканях.
1. При захвате теплового нейтрона ядром водорода последний превращается в
тяжелый водород (дейтерий). При этом выделяется гамма-фатон с энергией 2,18 МэВ.
Вторично ионизирующие частицы, энергия которых расходуется на выбивание
элементарных или сложных компонентов атома и его ядра при непосредственном
столкновении с ними и передается в виде кинетической энергии отрываемой частицы.
Отрываемые частицы, как правило являются заряженными и расходуют свою энергию
на процессы ионизации и возбуждения. К вторичным ионизирующим частицам следует
отнести незаряженные частицы - фотон и нейтрон. Фотон выбивает электроны с
оболочки атома, а нейтрон - протон из ядра. Нейтрон- элементарная частица не
имеющая электрического заряда, обладающая массой покоя 1, 67495 10-27 кг и средним
времени жизни около 1000сек.
В зависимости от энергии различают нейтроны: ультрахолодные, холодные,
надтепловые, промежуточные, быстрые и сверхбыстрые. В практике
— тепловые
(находятся в термодинамическом равновесии с рассеивающими атомами окружающей
среды). Промежуточные - нейтроны с энергией в интервале от энергетической границы
над тепловых нейтронов до 200 кэВ (ув. с пов. t°).
Быстрые нейтроны - нейтроны с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ.
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте характеристику α - частицы и возможная защита от них.
2. Дайте характеристику бета - частицы и возможная защита от них.
3. Дайте характеристику γ - лучей и возможная защита от них.
4. Что понимается под воздействием ядерных излучений с веществом.
5. Перечислите основные эффекты взаимодействия нейтронов с веществом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
а) основная литература (библиотека СГАУ)
1. Ильин Л.А. Актуальная радиобиология [Электронный ресурс] : курс лекций / Л.А. Ильин
[и др.]. — Электрон. текстовые данные. — М. : Издательский дом МЭИ, 2015. — 238 c. — 978-
5-383-00932-1. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/33234.html
27