Взаємодія нейтронів з речовиною
Внаслідок того, що нейтрони не мають заряду, а маса їх багато більше маси електронів, вони володіють великою проникаючою здатністю і втрачають свою енергію практично тільки при со ¬ наголосі з ядрами атомів. При цьому можливо пружне і непружне розсіяння нейтронів на ядрах.
Нейтронне випромінювання небезпечно внаслідок своєї високої проникаючої здатності і можливості викликати в живих організмах наведену радіоактивність.
В залежності від енергії розрізняють надшвидкі, швидкі, проміжні, повільні й теплові нейтрони.
Рис. 0.4. Розподіл ядра.
Надшвидкі нейтрони. Такі нейтрони отримують в ядерних реакторах або вони виникають при ядерних вибухах. Енергія їх становить 10 50 МеВ. При взаємодії з важкими елементами надшвидкі нейтрони викликають поділ їх ядер (Мал. 0.4). При цьому обра ¬ зуются сильно збуджені ядра. В результаті порушення співвідношення протонів і нейтронів в ядрах зменшуються сили ядерного зчеплення, і нуклони під дією сил відштовхування розходяться до протилежних полюсів. Ядро деформується, в центрі обра ¬ зуется перетяжка, і воно розщеплюється на два-три осколка. Під час кожного акта розподілу вивільняється колосальна енергія (близько 200 МеВ) і вилітає два-три вільні нейтрони, які здатні викликати розподіл інших ядер. Так виникає ланцюгової процес розподілу ядер. 
З великого числа ядерних осколків та їх дочірніх продуктів інтерес для радіоекології представляють у перші місяці після ядерного вибуху 131J, Ва140, 89Sr, а в подальшому 90Sr, 137Cs.
Швидкі нейтрони. Такі нейтрони також утворюються в результаті ядерних реакцій поділу або синтезу. Енергія їх перевищує 100 кеВ. При зіткненні з ядрами атомів швидкі нейтрони передають їм частину своєї енергії, утворюючи бистролетящіе ядра (ядра віддачі). Ядра віддачі, як і всі заряджені частинки, витрачають свою енергію на іонізацію середовища. Частка переданої ядру енергії зростає зі зменшенням маси ядра. Так, при зіткненні нейтронів з ядрами водню, т. е. з протонами, їм передається в середньому до 60% енергії нейтрона, так як маси цих часток практично рівні. Тому швидкі нейтрони добре сповільнюються легкими речовинами, що містять багато атомів водню, такими, як вода, парафін, тканина, і вільно прохо ¬ дять через великі товщини важких речовин (свинець та ін.) При взаємодії з ядрами нейтрони поступово сповільнюються аж до теплових швидкостей, т. е. до швидкостей руху молекул середовища.
Проміжні нейтрони. Енергія таких нейтронів 1 100 кеВ. Вони частіше взаємодіють з речовиною за типом пружного рас ¬ сіяння.
Повільні і теплові нейтрони. Енергія повільних нейтронів не перевищує 1 кеВ. На відміну від швидких нейтронів повільні захоплюються ядрами атомів, в результаті чого утворюються нові стабільні або радіоактивні ізотопи. В водень містять речовини ядра водню захоплюють повільні нейтрони і перетворюються в ядра важкого водню - дейтерію. Радіаційний захоплення нейтронів супроводжується випусканням жорстких гамма-квантів з енергією, що дорівнює 2,18 МеВ.
Енергія теплових нейтронів досягає 0025 еВ. Теплові ній ¬ трони, так само як і повільні, захоплюються поглинаючої середовищем.
Для захисту від нейтронів з низькою енергією необхідно викорис ¬ зовать крім поглинача (вода, бор або кадмій) і екран з важко ¬ го матеріалу (свинець, барій) для ослаблення гамма-випромінювання.
Взаємодія гамма-випромінювання з речовиною
При радіоактивному розпаді ядра випускають гамма-кванти з енергією в межах від декількох кілоелектронвольт до несколь ¬ ких мегаелектронвольт. Проходячи через речовину, гамма-кванти ті ¬ ряют енергію в результаті прояву практично трьох ефектів: фотоелектричного поглинання (фотоефект), комптонівського розсіяння (комптонеффект), освіти електронно-позитронного пар. Відносна величина кожного з цих ефектів за ¬ висить від атомного номера поглинаючого матеріалу та енергії фо ¬ тони.
Фотоефект. При фотоелектричному поглинанні гамма-квант, стикаючись з міцно пов'язаних електроном (частіше електронами К-шару) в атомах речовини, що опромінюється, повністю передає йому свою енергію, сам зникає, а електрон набуває кінетичну енергію, що дорівнює енергії гамма-кванта мінус енергія зв'язку електрона в атомі (Мал. 5). Таким чином, при фотоефекті вся енергія первинного гамма-кванта перетворюється в кінетичну енергію фотоелектронів, які іонізують атоми і молекули. На звільнене місце в орбіті К-шару перескакує електрон L-шару, на L-шар - електрон М-шару і т. д. з висвічуванням квантів характеристичного рентгенівського випромінювання.
Рис. 5. Вибивання електрона з внутрішньої електронної оболонки (фотоефект).
Фотоелектричне поглинання переважає тоді, коли енергія гамма-кванта не перевищує 0,05 МеВ, а поглинач являє собою речовину з великим атомним номером (наприклад, свинець).
Фотоефект неможливий на слабосвязанних і вільних електронах (не пов'язаних з атомом), так як вони не можуть поглинати гамма-кванти. В повітрі, воді та біологічних тканинах фотоелектричне поглинання складає 50% при енергії гамма-квантів близько 60 кеВ. При Еγ = 120 кеВ частка фотоелектричного поглинання складає близько 10%, а починаючи з 200 кеВ цим процесом можна знехтувати. В цьому випадку гамма-випромінювання послаблюється за рахунок комптонівського розсіювання.
Комптонеффект. Цей ефект полягає в тому, що гамма-кванти, стикаючись з електронами, передають їм не всю свою енергію, а тільки частинe її і після зіткнення змінюють напрямок свого руху, тобто розсіюються (Мал. 0.6). Внаслідок зіткнення з гамма-квантами електрони (електрони віддачі) набувають значну кінетичну енергію і витрачають її на іонізацію речовини (вторинна іонізація).
Рис. 6. Розсіювання гамма-квантів на вільних електронах.
На відміну від процесу фотоелектричного поглинання при комптонеффекте гамма-кванти взаємодіють із зовнішніми, валентними електронами, енергія зв'язку яких мінімальна. Комптонівське розсіювання можливо на вільних електронах. Таким чином, в результаті комптонеффекта інтенсивність гамма-випромінювання послаблюється внаслідок того, що гамма-кванти, взаємодіють з електронами середовища, розсіюються в різних напрямках і йдуть за межі первинного пучка, а також в результаті передачі електронам частини своєї енергії.
Утворення електронно-позитронного пар. Деякі гамма-кванти з енергією не нижче 1,022 МеВ, проходячи через речовину, перетворюються під дією сильного електричного поля поблизу ядра атома в пару «електрон-позитрон» (Мал. 0.7). В даному випадку одна форма матерії - гамма-випромінювання перетвориться в іншу - в частинки речовини!
Утворення такої пари частинок можливе тільки при енергіях гамма-квантів, не менших, ніж енергія, еквівалентна масі обох часток - електрона і позитрона. Оскільки маси електрону і позитрона однакові, то для утворення їх (без надання їм додаткової кінетичної енергії), енергія гамма-кванту повинна задовольняти співвідношенню взаємозв'язку маси та енергії:
Еγ = hv ≥ 2mec2 ≈ 1,022 МэВ.
Якщо енергія гамма-квантів більше 1022 МеВ, то надлишок її віддається часткам. Тоді кінетична енергія утворюються часток Ек дорівнює різниці між енергією фотона Еγ, і подвоєною енергією спокою електрона:
Ек = Еγ – 2mec2 = hv – 1,022 МэВ
Рис. 0.7. Утворення електрон-позитронного пар.
Утворила електронно-позитронна пара надалі зникає (анігілює), перетворюючись в два вторинних гамма-кванта з енергією рівній енергетичного еквіваленту маси спокою частинок (0511 МеВ). Вторинні гамма-кванти здатні викликати лише комптонеффект і в кінцевому рахунку фотоефект, т. е. втрачати енер ¬ гію тільки при зіткненнях з електронами. Ймовірність процесу утворення пар збільшується зі зростанням енергії гамма-квантів і щільності поглинача. Гамма-промені високих енергій (більше 8 МеВ) можуть взаємодіяти з ядрами атомів (ядерний ефект). Ймовірність такого ефекту досить мала, і цей вид взаємодії практично не послаблює випромінювань в речовині.
Закон ослаблення гамма-випромінювання речовиною. Він істотно відрізняється від закону ослаблення потоку альфа- і бета-частинок. Пучок гамма-променів поглинається безперервно із збільшенням товщини шару поглинача, його інтенсивність не звертається в нуль ні при яких товщинах шару поглинача. Це означає, що, якою б не була товщина шару речовини, не можна повністю поглинути потік гамма-променів, а можна тільки послабити його інтенсивність в будь-яке число раз (Мал. 19). У цьому істотна відмінність характеру ослаблення гамма-випромінювання від ослаблення потоку альфа-і бета-частинок, де завжди можна підібрати такий шар речовини, в якому повністю поглинається потік альфа-або бета-частинок.
Закон ослаблення пучка гам ма ¬-променів має наступний вигляд:
I = I0e-μd,
де I - інтенсивність пучка гамма-променів, які пройшли через шар поглинача товщиною D, I0 - інтенсивність падаючого пучка гамма-променів, μ - лінійний коефіцієнт ослаблення, рівний відносного зменшення інтенсивності пучка гамма-променів після проходження я поглинача товщиною 1 см.
Лінійний коефіцієнт ослаблення - сумарний коефіцієнти-ент, який враховує ослаблення пучка гамма-променів за рахунок усіх трьох процесів: фотоефекту τф, комптонеффекта τк і освіти пар τп. Таким чином,
μ = τф + τк + τп.
Рис. 19. Крива ослаблення гамма-випромінювання в речовині.
Значення μ залежить від двох параметрів: енергії поглинається пучка гамма-квантів і від матеріалу поглинача, тому його можна виразити через відношення μ / ρ, де ρ - щільність речовини. В цьому випадку ко ¬ коефіцієнт μ, носитиме назву масового коефіцієнта ослаблення.
Закон ослаблення може бути виражений також через шари половинного ослаблення D ½. Товщина поглинача, після проходження якого інтенсивність випромінювання послаблюється вдвічі, називається шаром половинного ослаблення, м ½ вимірюється в одиницях поверхневої густини (мг/см2) і залежить від енергії випромінювання та щільності поглинача. Між лінійним коефіцієнтом ослаблення і шаром половинного ослаблення існує наступна взаємозв'язок:
d½ = 0,693/μ,
или μ = 0,693/d½.
Знаючи шар половинного ослаблення, можна досить легко визначити, який потрібно взяти шар поглинача, щоб послабити випромінювання в дане число раз. Наприклад, один шар зменшує інтенсивність випромінювання в 2 рази, два шари - в 4 рази, три шари - в 8 разів і т. д, п шарів -. в 2n раз. Отже, щоб послабити інтенсивність випромінювання, наприклад в 512 разів, треба взяти стільки шаром половинного ослаблення і, щоб 2n = 512. В даному випадку п = 9, т. е. дев'ять шарів половинного ослаблення зменшують інтенсивність падаючого випромінювання в 512 разів.
Контрольні питання
1. У чому відмінність між пружною і непружною взаємодією?
2. Чи може альфа-випромінювання викликати іонізацію речовини?
3. Чи проникають бета-частинки всередину ядра?
4. Чи відхиляються нейтрони в електричному полі електронних оболонок атомів?
5. У що перетворюються гамма-кванти при поступової втрати своєї енергії?
6. Яка довжина пробігу гамма-квантів у речовині?
7. Чи можливий фотоефект при комптон-ефекту?
Поділіться з Вашими друзьями: |
