Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

 

Возникающие в процессе радиоактивного распада излучения, проходя через вещество, взаимодействуют с атомами и молекулами среды,  передавая им свою энергию [2]. a- и b-излучения, представляющие собой  поток заряженных частиц, проходя через вещество, в основном взаимодействуют с электронами атомов, передавая им свою энергию, которая расходуется на ионизацию (отрыв электронов от атома) и возбуждение атома (перевод электрона на более удаленную от ядра оболочку). Число ионизированных и возбужденных атомов, образуемых a-частицей на единице длины пути в среде в сотни раз больше, чем  у b-частицы. Это обусловлено тем, что масса  a-частицы  примерно  в 7000  раз больше массы b-частицы (электрона), а скорость значительно меньше, чем у b-частицы при одной и той же энергии, а значит, тем больше вероятность ее взаимодействия с атомами среды.

Нейтроны при прохождении через вещество взаимодействуют с ядрами атомов среды, передавая им часть своей энергии. Ядра, получившие от нейтрона часть кинетической энергии, «вылетают» из электронной оболочки и, будучи положительно заряженными, производят ионизацию атомов среды.  Этот процесс называется упругим рассеянием. Доля энергии, переданная нейтроном в процессе упругого  рассеяния, тем больше, чем меньше  масса атомов среды. Поэтому наиболее эффективными поглотителями энергии нейтронов являются водород, углерод, бор.

Наряду с упругим возможно неупругое рассеяние  нейтронов. В этом случае нейтрон захватывается ядрами атомов среды, происходит перераспределение энергии между частицами во вновь образуемом ядре, и из него вылетает нейтрон с меньшей энергией и фотон. Следовательно, при упругом и неупругом взаимодействиях нейтронов  с веществом образуются либо  заряженные частицы, которые непосредственно производят ионизацию атомов, либо фотонное излучение, ионизирующая способность которого обусловлена вторичными электронами.

Фотоны взаимодействуют с электронами атома и с  электрическим полем ядра. Проходя через вещество, фотонное излучение ослабляется по экспоненциальному закону, т.е. никогда не поглощается полностью. В этом его принципиальное отличие от корпускулярного излучения.

Передача энергии фотонного излучения происходит в процессе фотоэлектрического поглощения, в результате которого фотон исчезает, расходуя всю свою  энергию на отрыв электрона от атома среды (преимущественно с К-оболочки) и сообщая ему кинетическую энергию; при этом чем больше атомный номер атомов среды, тем выше вероятность фотоэффекта.

Другим типом взаимодействия фотона с электронами является комптон-эффект, когда фотон передает электрону только часть своей энергии, в основном электронам высшей оболочки. Сам же фотон меняет направление своего движения, или как говорят, рассеивается.  Чем выше энергия фотона, тем меньше вероятность комптоновского рассеивания, однако она возрастает с увеличением количества электронов на пути фотона, т.е. с повышением атомного номера элемента и плотности вещества.

В результате взаимодействия фотона  с электрическим полем ядра фотон исчезает и образуется пара частиц: электрон и позитрон. Этот процесс возможен, если энергия фотона больше  суммы энергий покоя электрона и позитрона, т.е. больше 1,02 МэВ.

Таким  образом, фотонное излучение непосредственно ионизации не производит, но в процессе взаимодействия с атомами среды передает часть своей энергии или полностью всю энергию электронам, которые затем  производят ионизацию.

Следовательно, и для корпускулярного, и для g-излучения, испускаемого при радиоактивном распаде,  конечным эффектом взаимодействия с веществом является ионизация и возбуждение. Поэтому разные биологические эффекты, наблюдаемые под воздействием a- и b-частиц, нейтронов или g-излучения, обусловлены не их физической природой, а закономерностями пространственного распределения ионизированных и возбужденных атомов в облучаемом объекте.