Первинні механізми дії радіоактивного випромінювання і потоків частинок на речовину

Як зазначалося в 10.2, дія заряджених a - і b -частинок радіоактивного випромінювання на речовину зводиться головним чином до збудження і іонізації атомів, тобто переходу електронів атома на більш високі енергетичні рівні і відриву електронів від атома. При цьому, якщо енергія a - і b -частинок є достатньо великою, то вони можуть вибити електрони з глибоких енергетичних рівнів, що призводить до виникнення характеристичного рентге­нівсь­кого випромінювання.

Щодо g -випромінювання, то первинні механізми його дії на речовину здебільшого подібні до дії рентгенівського випромінювання, а саме зводяться до фотоефекту і ефекту Комптона. Крім того, для g -випромінювання великих енер­гій характерним стає процес утворення електронно-позит­рон­них пар. Оскільки енергії спокою електрона і позитрона майже однакові (маси їх спокою відрізняються на 0.007%)

w ₀ = m ₀ c ² = 0.51 МеВ,

то для утворення електроно-позитронної пари і надання цим частинці та античастинці кінетичної енергії треба, щоб енергія g -фотона була більшою, ніж 2 w ₀ = 1.02 МеВ.

Таким чином, послаблення пучка g -випромінювання, як і рентгенівського випромінювання, описується законом Бугера (10.35), в якому лінійний коефіцієнт послаблення m складається з суми трьох доданків

m = m_ф + m_к + m_п, (10.38)

де перший доданок характеризує послаблення за рахунок явища фотоефекту, другий – комптон-ефекту, а третій – утворення електронно-позитронних пар.

У речовинах з високим атомним номером (наприклад, у свинцю) при енергіях фотонів менших, ніж 1 МеВ, голов­ним чином відбувається фотоефект, при середніх енергіях (2¸5 МеВ) – комптон-ефект, а при великих енергіях значен­ня набуває утворення пар. В результаті загальний коефі­цієнт послаблення із зростанням енергії фотонів спочатку падає внаслідок зниження фотоефекту, а потім збільшується за рахунок утворення пар.

Для речовин з невисоким атомним номером (наприклад, для води) при енергії g -фотонів w < 100 кеВ переважає фото­ефект, при w» 1 МеВ – ефект Комптона, а при w > 10 МеВ – процес утворення електронно-позитронних пар.

Для повітря фотоефект має значення тільки при енергії фотонів до 0.01 МеВ, потім відбувається головним чином комптон-ефект, утворення пар можливе тільки при енергії порядку 30¸40 МеВ.

Важливо зазначити, що іонізуюча здатність зростає в ряду g -, b -, a -випромінювання, а проникна здатність у зворотному ряду a-, b-, g -випромінювання (мал. 10.11).

Мал. 10.13. Відносна іонізуюча та поглинаюча здатність радіоактивного випромінювання.

Для більш детальної характеристики взаємодії радіо­актив­ного випромінювання з речовиною вводять такі вели­чини:

1) питома іонізація – число пар іонів, які утворюються на 1 см шляху частинки в речовині,

2) іонізаційні втрати – зміна енергії частинки на 1 см її шляху в речовині,

3) повний пробіг – відстань R, яку проходить частинка в речовині доти, доки її енергія не стає рівною тепловій енергії (w_част» кТ» 4×10^–21 Дж» 2.5×10^–2 еВ).

Звичайно, ці величини не є постійними і залежать від типу випромінювання та його енергії. Так, для a -частинок з енергією 8 МеВ максимальне значення питомої іонізації в повітрі складає приблизно 8×10⁴ пар іонів на 1 см шляху, причому це значення досягається не відразу при попаданні a -частинки в повітря, а після того, як вона пройшла шлях приблизно 6 см. За цих умов швидкість a-частинки зменшу­ється настільки, що її іонізуюча здатність стає максималь­ною, а іонізаційні втрати досягають значення 2.7 МеВ/см.

У рідинах типу води та в тілі людини і тварин типові значення повного пробігу a -частинок звичайно суттєво менші за їх значення в повітрі і складають приблизно
R» 0.1–0.01 мм. Пояснення цього факту пов’язане з тим, що біологічні рідини, як і вода, містять багато атомів водню, маса яких по порядку величини близька до маси a -части­нок. Чим ближче маса частинок, які співударяються, тим ефективніше передається кінетична енергія від однієї частинки до іншої. В цьому випадку так званий коефіцієнт акомодації, що визначає такий процес передачі енергії, пря­мує до одиниці. Саме цим визначається швидке сповіль­нен­ня a -частинок в організмі людини і тварин, які на 70–80% складаються з рідин, що за своєю консистенцією набли­жаються до води. Іншим прикладом є використання важкої води D ₂ O для сповільнення нейтронів в ядерному реакторі.

Що стосується b -частинок, то послаблення їх потоку в речовині відбувається наближено теж за законом Бугера , причому внесок в лінійний коефіцієнт по­слаб­лен­ня m_b потоку b -випромінювання дають такі процеси, як іонізація і збудження атомів та молекул, гальмівне рент­ге­нівське випромінювання, розсіяння на електронах атомів і молекул тощо. Слід зазначити, що у випадку позитронного b -випромінювання зустріч електронів та позитронів, тобто частинок і античастинок, призводить до реакції анігіляції

,

внаслідок якої з’являються 2 g -кванти, які через закон збереження імпульсу розлітаються під кутом 180^о один до одного. При середніх значеннях енергії Е_сер = Е_max / 3 b -час­тин­кам в організмі людини і тварин (маються на увазі, зви­чайно, електрони) притаманні значно більші значення пов­ного пробігу R_b, ніж a -частинкам, а саме: R_b» 10–20 мм. Більша проникна здатність b -частинок пояснюється мен­шою їх масою (m_a/m_b» 7345) та суттєво меншими іоніза­ційними втратами і питомою іонізацією (для реляти­вістсь­ких b -частинок, тобто електронів, які рухаються зі швид­кістю, що близька до швидкості світла, питома іонізація складає приблизно 50 пар іонів на 1 см шляху).

Питання про послаблення g -випромінювання обговорю­ва­ло­ся раніше у зв’язку з формулою (10.38). Додаткова увага буде приділена цьому питанню далі в лабораторній роботі “Визначення коефіцієнта лінійного послаблення g -випромінювання”.

До іонізуючого випромінювання відносять також про­то­ни і нейтрони. Швидкість і енергія протонів, що утворю­ються при ядерних реакціях, а також їх проникна та іонізуюча здатності близькі до відповідних величин альфа-частинок. Нейтрони, що викидаються при ядерних реакціях, мають початкову швидкість порядку 3× 10⁷ м/с і енергію до 4¸5 МеВ. У зв’язку з відсутністю заряду первинна іонізуюча здатність у них низька, проникна відповідно досить висока.

Іонізуючий ефект від дії нейтронів на речовину є наслідком головним чином вторинних процесів. При взаємодії нейтронів з ядрами атомів можуть відбуватися пружне розсіяння, непружне розсіяння і захват нейтронів ядрами (радіаційне захоплення). При непружних взаємо­діях, особливо з ядрами легких елементів, нейтрон передає ядру частину кінетичної енергії. За рахунок отриманої енергії ядро, що в даному випадку називається ядром віддачі, викликає вторинну іонізацію, яка через наявність у ядра електричного заряду може бути досить інтенсивною. Оскільки тканини організму містять багато водню, то швидкі нейтрони легко втрачають в них свою енергію і, утворюючи ядра віддачі (протони), викликають значну іонізацію. При суттєвих передачах енергії при непружних взаємодіях ядер з нейтронами відбувається збудження ядра, внаслідок чого воно випромінює один або декілька g -фотонів. Якщо нейтрон поглинається ядром, то відбувається ядерна реакція. Зазвичай, це перетворення ядра в радіо­активний ізотоп з наступним b -розпадом та випроміню­ванням g -фотонів. При цьому в біологічних тканинах часто утворюються дейтерій за рахунок реакції

,

радіоактивні ізотопи натрію за реакцією

,

а також радіовуглець за реакцією (10.20) та інші.

При дії іонізуючих випромінювань може відбуватися також порушення структури молекул речовини. Зокрема, можна відзначити радіоліз води, який полягає в іонізації, а потім розпаді іонізованої молекули води з утворенням ненасичених радикалів Н і ОН, які не несуть електричних зарядів, але мають ненасичені валентності і тому володіють виключно високою хімічною активністю.