Взаимодействие ионизирующих излучений  излучений с веществом

Лекция 3 РЭ. Механизмы взаимодействия ионизирующих излучений с облучаемым веществом.

 

Закон радиоактивного распада

Как было отмечено в предыдущих лекциях, ионизирующмие излучения возникают в результате радиоактивного распада или создаются исскуственным путем. Рассмотрим коротко закономерности радиаоактвного распада.

Распад ядер изотопов происходит самопроизвольно, непрерывно и является статистическим процессом. Количество ядер атомов исходного изотопа непрерывно уменьшается, а количество продуктов распада непрерывно накапливается. При радиоактивном распаде проявляется некоторая общая закономерность, которая заключается в том, что количество атомов данного радиоактивного изотопа, распадающихся в единицу времени, всегда составляет определенную, характерную для данного изотопа долю от полного числа еще не распавшихся атомов. Это связано с тем, что вероятность распада отдельного атома за промежуток времени Dt не зависит от условий, в которых находился и находится этот атом, а зависит только от времени. Поэтому число атомов DN, распавшихся за время Dt, пропорционально общему числу не распавшихся атомов. Этот закон математически можно выразить так:

- D N = l N D t

 где DN - число распавшихся ядер за промежуток времени Dt, N - число не распавшихся ядер, l - величина, пропорциональная вероятности распада одного ядра, называется постоянной распада и является константой, характерной для данного изотопа. Закон радиоактивного распада записывается в виде дифференциальных уравнений

-dN/dt = l Ndt/dt = l N  [1]

Величина -dN/dt есть абсолютная скорость распада ядер радиоактивного изотопа, называется активностью изотопа (А).

При регистрации ионизирующих излучений определяют число распадов в единицу времени. Как было отмечено, мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени называется активностью этого вещества и обозначается А.

A = - dN/dt =lN

 Единицей измерения активности в системе СИ является 1 распад/с = 1 Беккерель (Бк). Широко используются внесистемная единица измерения активности - Кюри (Ки). 1 Ки = 3,7×10¹⁰ Бк. В практической работе применяют единицы измерения активности милликюри (мКи), микрокюри (мкКи) и т.д

 

 

Взаимодействие ионизирующих излучений  излучений с веществом

Электромагнитные излучения.

Частицы и кванты ионизирующих излучений, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами атомов, в результате чего изменяется состояние, как облучаемого вещества, так и самих частиц, квантов. При этом кинетическая энергия ионизирующих частиц и квантов расходуется на ионизацию и возбуждение атомов.

Ионизация атомов и молекул при облучении веществ ионизирующими излучениями электромагнитной природы может протекать по 3 основным механизмам.

1. Фотоэлектрический эффект, при котором энергия кванта полностью расходуется на разрыв связи электрона с ядром и придание электрону кинетической энергии (Рис. 1а). В облучаемом веществе появляются свободные электроны, обладающие определенной кинетической энергией, которые, соединяясь с нейтральными атомами, образуют отрицательные ионы Энергетические характеристики образовавшихся при фотоэффекте электронов существенно не различаются. Вероятность фотоэлектрического эффекта тем выше, чем ближе значение энергии кванта к значению энергии связи и чем больше число электронов в атоме. Если энергия кванта недостаточна для ионизации, то происходит возбуждение атома. Фотоэффект и возбуждение атомов происходят в основном при облучении мягким рентгеновским излучением. С повышением энергии квантов электромагнитного излучения, вероятность фотоэффекта уменьшается. При облучении квантами с высокими энергиями, превышающими энергию внутриатомных связей (>1 МэВ), вклад фотоэффекта в ионизацию атомов незначителен. Большая часть ионов в этом случае образуется по другому механизму размена энергии - эффекту Комтона.

2. Эффектом Комтона называется механизм ионизации, при котором только часть энергии ионизирующего кванта передается вылетающему электрону (Рис. 1б). При этом рассеянный квант изменяет направление движения и может выбить другой электрон. один и тот же квант может ионизировать вещество до тех пор, пока его энергия не уменьшится до значенийэнергии внутримолекулярных связейи не произойдет фотоэлектрический эффект. В отличие от фотоэлектронов, энергия электронов образующихся при эффекте Комтона, изменяется в широком интервале (от нуля до некоторго максимального значения).

 

Рис. 1. Схематичное изображение различных способов размена энергии квантов электромагнитного ионизирующего излучения при взаимодействии с веществом

а) фотоэлектрический эффект

б) эффект Комтона

в) образование электрон-позитронных пар

 

 

3. При столкновении квантов с ядрами атомов происходит образование электрон-позитронных пар и фотоядерные реакции (рис. 1в). Для образования электрон-позитронных пар необходимо, чтобы энергия квантов была выше суммарной энергии покоя позитрона и электрона (1,02 МэВ). Образовавшаяся электрон-позитронная пара может аннигилировать с образованием двух g-квантов с энергией каждого кванта не меньше 511 КэВ, в этом случае возникает вторичное g-излучение.

Фотоядерными реакциями называют расщепление атомных ядер при взаимодействии с γ-квантами. Для инициации фотоядерных реакций необходимы кванты с очень высокими значенями энергии, значительно превышающими энергию связи нуклона.

Как видно, электрон-позитронные пары и фотоядерные реакции в веществе возникают только при облучении g-лучами высоких энергий.

 

Корпускулярные излучения.

 При прохождении ионизирующей частицы через вещество ионизация атомов и молекул может происходить за счет упругого и неупругого взаимодействия (рассеяния) этой частицы с ядрами и электронными оболочками атомов.

При упругом взаимодействии кинетическая энергия ионизирующей частицы изменяется незначительно. При этом происходит изменение направления движения частицы.

При неупругом взаимодействии часть кинетической энергии ионизирующей частицы расходуется на ионизацию и возбуждение атомов, на возбуждение ядер, расщепление ядер, тормозное излучение.

Основным механизмом потери энергии ионизирующей частицы при прохождении через вещество является ионизационное торможение вследствие неупрогого взаимодействия. Траектории движения различных частиц в веществе сильно различаются в зависимости от массы и заряда.  Чем больше масса ионизирующей частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления движения.

 Тяжелые ядра, a-частицы и протоны в веществе имеют прямолинейную траекторию и взаймодействуют по обоим механизмам. Неупругое взаимодействие этих заряженных частиц имеет место при прохождении вблизи орбитальных электронов. При этом происходит ионизация и возбуждение атомов. Упругое рассеяние положительно заряженных частиц происходит на атомных ядрах из-за наличия кулоновских сил отталкивания. Неупрогое взаймодействие этих частиц с ядрами происходить, если энергия ионизирующей частицы достатачна для преодоления сил отталкивания. В этом случае частица проникает в ядро и образуется промежуточное ядро, которое распадается с испусканием заряженных частиц, нейтронов или гамма-квантов. При взаймодействии тяжелых частиц с высокой энергией с легкими ядрами возникают так называемые ядра отдачи, которые становятся ионизирующими частицами.

Бетта-излучение. Траектории электронов в облучаемом веществе сильно изломаны вследствие их упругого рассеяния на орбитальных электронах и неупругого торможения на ядрах атомов. Взаимодействии b^--частиц с электронной оболочкой приводит к изменению направления движения с незначительной потерей энергии. При прохождении электрона с высокой энергией вблизи ядра, скорость электрона снижается и часть его энергии испускается в виде фотона тормозного излучения. Таким образом, при прохождении через вещество b^--излучения с высокой энергией происходит образование электромагнитного излучения вторичного происхождения. При позитронном излучении наблюдается упругое рассеяние на ядрах атомов, а неупругое – на электронных орбиталях.

Вследствие значительного рассеяния бета-частиц в веществе истинная длина пути этих частиц в 1,5 – 4 раза больше глубины прохождения их в вещество.

Нейтронное излучение. В отличие от заряженных частиц, нейтроны не могут электрически взаймодействовать с электронной облочкой и ядрами атомов . Ионизирующий эффект нейтронного излучения проявляется за счет их упругого и неупрого взаймодействия с ядрами атомов. Нейтроны либо поглощаются ядрами, либо рассеиваются (меняют направление движения) на них. При столкновении с большими ядрами, например с ядрами атомов углерода, кислорода, азота, происходит упругое рассеяние нейтронов, при этом электрон теряет лишь 10 – 15 % энергии. При столкновении с ядрами атома водорода (протонами), первоначальная энергия нейтрона снижается в среднем два раза, превращаясь в кинетическую энергию протона отдачи ( рис. 2.). Соответственно, эффективными поглотителями нейтронов являются материалы с относительно большим содержанием атомов водорода ( вода, углеводороды). Поэтому для эффективной защиты от нейтронного излучения используются вода и углеводородные материалы. В процессе упругого рассеяния нейтронов образуются ядра отдачи, в первую очередь протоны, обладающие сильной ионизирующей способностью. Кроме того, стабильные атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми, т.е. радиаоактивными. При распаде таких ядер возникает вторичная, так называемая наведенная радиоактивность.  Распад новых радиоактивных атомов сопровождается a-излучением, g-излучением, протонным излучением. Таким образом, при нейтронном облучении конечный радиобиологический эффект обуславливается и ионизацией вещества, производимого опосредовано вторичными ионизирующими частицами или квантами.

 

 

Рис.2. Взаймодействие быстрого нейтрона с атомом водорода облучаемого вещества

 

 Эффективность ионизации вещества при этом зависит от энергии нейтронов и от состава облучаемого вещества. В зависимости от начальной энергии различают 5 основных вида нейтронов: сверхбыстрые, с начальной энергией от 10 –50 МэВ; быстрые, с энергией 100 кэВ до 10 МэВ, промежуточные с энергией 1-100 кэВ, медленные с энергией меньше 1 кэВ, тепловые , обладающие энергией теплового движения (0,025 эВ). Основной вклад в ионизацию вещества вносят сверхбыстрые, быстрые и промежуточные нейтроны. Нейтроны в большинстве веществ обладают высокой проникающей способностью, и соответственно, низким ионизирующим эффектом. Однако, проникающая способность нейтронов в биологических тканях ( с большим содержанием атомов водорода) невысокая вследствие их взаимодействия с протонами. Поэтому в биологических структурах быстрые нейтроны характеризуются высокой плотностью ионизации, что определяет исключительно высокую поражаемость живых объектов нейтронным облучением.

 Взаймодействие ионизирующих излучений с веществом количественно оценивается такими параметрами как линейная плотность ионизации, линейная передача энергии          ( линейная тормозная способность), и средний линейный пробег частицы.

Линейной плотностью ионизации называют число ионов одного знака (или число пар ионов), образованных на единицу пути пробега частицы или кванта.

Линейная передача энергии (ЛПЭ) называется количество энергии потерянного частицей или квантом в расчете на единицу пути пробега. За единицу ЛПЭ в биологической ткани принимают 1 кэВ/мкм (62 Дж/м). Коэффициент линейной передачи энергии в определенном веществе называют линейной тормозной способностью вещества. Например, типичные значения ЛПЭ для различных видов излучения в воде составляют: для рентгеновского излучения с Е = 250 кэВ/мкм (λ = 20 нм) – 2 кэВ/мкм, a-излучения от ⁶⁰Со – 0,3 кэВ/мкм; нейтронов с энергией 14 МэВ – 12 кэВ/мкм, тяжелых ядер отдачи – от 100 до 2000 кэВ/мкм. В зависимости от значения ЛПЭ ионизирующие излучения разделяют на редкоионизирующие и плотноионизирующие. К редкоионизирующим принято относить все виды излучений с ЛПЭ < 10 кэВ/мкм, к плотноионизирующим – с ЛПЭ > 10 кэВ/мкм.

Средним линейным пробегом является среднее значение расстояния между началом и концом пробега частицы или кванта в данном веществе. Этот параметр характеризует проникающую способность ионизирующих излучений в веществе. На рис. 4. показана линейная плотность ионизации при прохождении a-частиц в воздухе. Как видно, по мере движения частицы в среде, ее скорость и энергия снижаются, линейная плотность ионизации возрастает. Наибольшее число ионов a-частицы образует «на излете», когда ее скорость и энергия обладают невысокими значениями. Возрастание плотности ионизации при невысоких скоростях объясняется тем, что a-частица больше времени находится вблизи атома и вероятность его ионизации, соответственно, возрастает. Как видно из рисунка 4, линейная плотность ионизации в воздухе естественных изотопов с a-излучением, составляет 2 –8 млн. пар ионов на 1 см. Так как для образования одной пары ионов требуется в среднем около 34 эВ, то значение линейной тормозной способности вещества (воздуха ) находятся в интервале от 70 до 270 МэВ/м.

 

 

Рис. 4. Зависимость линейной плотности ионизации от длины пути пробега при прохождении a-частиц в воздухе

 

 

Средний линейный пробег частиц в веществе зависит от начальной их энергии, линейной передачи энергии и от плотности облучаемого материала. Так, пробег a-частиц различной энергии в воздухе составляет несколько сантиметров, в жидкостях и в тканях живых организмов – 10 –100 мкм. В конце пробега, скорость a-частицы замедляется до скорости молекулярно-теплового движения атомов. При этом она присоединяет два электрона и превращается в атом гелия. Пробег b-частицы в воздухе может достигать 25 м, а в биологических тканях – до 1 см.

Таким образом, проникающая способность ионизирующих излучений зависит от типа излучений, от первоначальной энергии частиц или квантов, от состава и плотности ионизируемого вещества. Высокой проникающей способностью в веществах обладают электромагнитные типы излучений, нейтроны. Заряженные частицы характеризуются невысокой проникающей способностью. Проникающая способность частиц и квантов обратно пропорционально коэффициенту линейной передачи: чем выше ЛПЭ, тем меньше проникающая способность.

По мере прохождения ионизирующего излучения в веществе, происходит ослабление потока излучения результате взаимодействия с атомами и молекулами. Ослабление (поглощение) энергии электромагнитного излучения в веществе описывается уравнением

I _(х) = I₀ e ^{m x}

где I_0,  I _(х) - интенсивности излучения падающего и прошедшего через вещество с толщиной х; m - линейный коэффициент поглощения, который характеризует поглощающую способность вещества; е = 2,71 - основание натуральных логарифмов.    В соответствии с этим законом, интенсивность излучения в веществе уменьшается в 2,71 раза при толщине материала равной 1/m см.

Линейный коэффициент поглощения m зависит от структуры облучаемого вещества и от начальной энергии излучения (табл. 1).

Одни и те же вещества характеризуются различными значениями m для одного вида излучения. Чем выше энергия излучения, теме ниже линейный коэффициент поглощения. Как видно, чем меньше значение m, тем слабее поглощение и тем выше проникающая способность электромагнитного излучения. Например, для ослабления электромагнитного излучения с начальной энергией квантов 250 кэВ в 100 раз необходим 7-сантиметровый слой свинца, обладающего самым высоким коэффициентом ослабления. Поэтому для защиты от рентгеновского и g-излучения используются в основном  свинцовые экраны .

Таблица 1

Значения линейного коэффициента поглощения m и ослабления g-излучения в различных веществах в зависимости от начальной энергии квантов

 

Начальная энергия g- излучения, МэВ	Воздух		Вода, биологические ткани		Железо		Свинец
	m (10-2)	*К100, м	m	К100, м	m	К100, см	m	К100, см
0,1	1,98	20	0,172	2,1	2,81	13	59,9	0,6
0,25	1,46	25	0,126	2,9	0,82	45	6,3	6,8
0,5	1,11	33	0,096	3,8	0,65	56	1,67	22
1,0	0,81	46	0,070	5,3	0,45	82	0,75	50
2,0	0,57	65	0,050	7,4	0,33	111	0,51	72
3,0	0,46	80	0,039	9,5	0,28	131	0,46	77
5,0	0,36	102	0,030	12,3	0,24	153	0,48	80
10,0	0,26	142	0,022	16,7	0,23	160	0,62

^*К₁₀₀ - толщина материала, ослабляющее излучение в 100 раз

 

 Таким образом, все виды ионизирующих излучений вызывают ионизацию и возбуждение атомов, молекул облучаемых объектов, в т.ч. и биологических систем. Однако, при облучении живых объектов различными видами излучений в одинаковых дозах возникают радиобиологические эффекты, различающиеся в количественном и качественном отношениях. Это связано с неодинаковым пространственным распределением энергии квантов или частиц при взаимодействии их с атомами в облучаемом микрообъеме, в первую очередь коэффициента ЛПЭ ионизирующих излучений

Ослабление интенсивности потока β-излучения в веществе также приближенно подчиняется экспоненциальной зависимости

N _(х) = N₀ e ^{m x}

 

где N_0, N _(х)   - число бета-частиц, падающих и прошедших через вещество с толщиной х; m - линейный коэффициент поглощения, который характеризует поглощающую способность вещества.

 

Контрольные вопросы и задания:

 

1. Как Вы представляете процесс ионизации атомов и молекул?

2. В чем сходства и различия процессов, называемых «фотоэлектрическим эффектом», «эффектом Комптона»?

3. Как связаны между собой проникающая способность и линейная передача энергии ионизирующих излучений?

4. Вода в сосуде облучается рентгеновскими лучами с энергией 200 кЭв. По какому механизму будет происходить ионизация молекул?

5.  Может ли возникать вторичное излучение при облучении животных рентгеновскими лучами с энергией 250 кЭв ?

6.  Контролер для выявления скрытых дефектов облучает металлические изделия узконаправленным пучком гамма-излучения с энергией квантов 2 МэВ. Облучается ли в этом случае сам контролер? Объясните.

7. Объясните термины «упругое рассеяние», «неупругое рассеяние» ионизирующих частиц.

8.  При облучении какими типами ионизирующей радиации в облучаемом веществе возникает наведенная радиоактивность.

9. Предложите материалы для построения убежищ , обеспечивающие эффективную защиту а ) от a- излучения, б ) от g-излучения в ) от β-излучения г ) от нейтронного излучения        

10.   Как зависит ионизирующая способность излучения от коэффициента ЛПЭ ?

11. Сформулируйте закон радиоактивного распада.

12.  Можно ли остановить радиационный распад или снизить скорость распада радиоактивного изотопа? Как Вы понимаете термины «управляемая ядерная реакция», «неуправляемая ядерная реакция»?

13.  Как можно определить активность радионуклида?

14.  Зависит ли период полураспада радиоизотопа от его активности? Объясните.

15. Может ли иметь место  наведенная радиоактивность в рентгеновском кабинете, если для получения рентгеновских снимков используются лучи с длинами волн в интервале от 1 до 0,01 нм?

 

 

Задачи  

 

1. На какую глубину проникнут в биологическую ткань a-частицы с начальней энергией Е₀ = 5 МэВ, коэффициент ЛПЭ =100 КэВ/мкм ?

2. Чему равна начальная энергия g-излучения с ЛПЭ = 0,2 КэВ/мкм , если ткань поражается на глубину 1 см?

3. Какую толщину стен убежища из железобетона необходимо построить для защиты от g-излучения с Е₀ = 1,0 МэВ, если m = 0,5. Считать, что эффективная защита достигается при снижении энергии излучения до 1 КэВ.

4. Во сколько раз снизится энергия g-излучения (250 кэВ) при прохождении через слой свинца толщиной 10 см?

5. Какой энергией будут обладать a-частицы на глубине 1 см при облучении воды a-излучением с начальной энергией Е₀ = 2 МэВ и ЛПЭ = 100 кэВ/мкм?