Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

При прохождении ионизирующей частицы (корпускулярной или фотона) через вещество оно может испытать рассеяние, поглощение (захват), деление или пройти вещество без взаимодействия. Вероятность элементарных актов взаимодействия зависит от вида частиц, их энергии и атомного номера (заряда элемента – порядковый номер химического элемента в периодической таблице) материала среды.

Терминология Сечение взаимодействия ионизирующих частиц (сечение взаимодействия) – вероятность взаимодействия ионизирующих частиц с одним атомом, электроном, ядром атома или всеми атомами (электронами, ядрами), находящимися в данном объеме вещества. Примечание. Вероятность взаимодействия характеризуется площадью поперечного сечения такой воображаемой сферы, условно приписываемой бомбардируемой частице (атому, электрону, ядру), проходя через которую бомбардирующие частицы участвуют в реакциях или процессах взаимодействия определенного типа с бомбардируемой частицей. Это сечение взаимодействия часто называют парциальным. Полное сечение взаимодействия - сумма всех сечений взаимодействия о, ионизирующих частиц данного вида, соответствующих различным процессам или реакциям: Ơ =Σ Ơ i. Слой половинного ослабления излучения - толщина слоя вещества, ослабляющего узкий (или широкий) пучок моно направленного излучения в 2 раза: Δ 1/2. Длина релаксации - толщина l слоя вещества, ослабляющего пучок моно направленного излучения в е раз (е - основание натуральных логарифмов): l = Δ 1/2 /0,693.

Виды взаимодействий Прямое (заряженные частицы: β(,), ионы (P(), d(), t( Прямое (заряженные частицы: β(e -, e + ), ионы (P( 1 H), d( 2 H), t( 3 H))). Непрямое (нейтральные частицы: нейтроны, фотоны)

Характер взаимодействий При упругом взаимодействии (аналогичном столкновению бильярдных шаров) природа частиц не изменяется и их суммарная энергия до и после взаимодействия остается постоянной, происходит только перераспределение энергии между взаимодействующими частицами. Возможен и такой случай упругого взаимодействия, когда энергия каждой их взаимодействующих частиц не изменяется, а изменяется только направление их движения. При неупругом взаимодействии природа частиц также не изменяется, но их суммарная кинетическая энергия после взаимодействия оказывается меньше. Часть энергии затрачивается на производство какой-либо работы (нагревание среды, возбуждение или ионизация атомов, излучение и т.д.). В процессе взаимодействия возможно и изменение природы частиц в результате протекания ядерных реакций, рождения и аннигиляции частиц и т.п.

Схема, иллюстрирующая ионизирующую способность и проникновение различных видов излучений в вещество (биологическая ткань, вода) Ионизирующие излучения в виде α- и β- частиц при неупругом взаимодействии с электронными оболочками атомов среды (вещества) сопровождается потерей энергии ионизирующего излучения на ионизацию и возбуждение атомов среды, т.е. оказывает прямое ионизирующее действие на вещество, в котором распространяется. От характера взаимодействия ионизирующего излучения с конкретным веществом зависит проникающая способность ионизирующего излучения. Эта величина имеет важное техническое значение для решения ряда задач: прогностического расчета изменения свойств конструкционных материалов, расчета защиты от ионизирующего излучения, регистрации излучения и др.

Ионизация и возбуждение Энергия излучения, проходящего через вещество, теряется при столкновениях главным образом с электронами. Выбитые электроны и возбужденные молекулы - вот что в первый момент оставляют на своем пути излучения. Этот первый результат действия излучения на молекулу можно символически записать так: М => + е, М =>, понимая под М молекулу, электрон которой удален в результате столкновения с частицей излучения; - ион, получившийся при этом, который называют молекулярным, а - возбужденная молекула, символ =>обозначает действие излучения. Время жизни этих первичных продуктов действия излучения на вещество крайне мало - с. Выбитые электроны и возбужденные молекулы - вот что в первый момент оставляют на своем пути излучения. Этот первый результат действия излучения на молекулу можно символически записать так: М => М + + е, М => М ¤, понимая под М молекулу, электрон которой удален в результате столкновения с частицей излучения; М + - ион, получившийся при этом, который называют молекулярным, а М ¤ - возбужденная молекула, символ =>обозначает действие излучения. Время жизни этих первичных продуктов действия излучения на вещество крайне мало с.

Действие ИИ на воду гидроксильный радикал гидроксильный радикал пероксид водорода пероксид водорода Образ Образовавшийся гидроксильный радикал мгновенно реагирует с любой окисляемой молекулой в ближайшем окружении. Из наиболее биологически важных компонентов клетки гидроксильный радикал способен окислять углеводы, нуклеиновые кислоты (что может привести к мутации или повреждению генов), липиды (вызывая перекисное окисление липидов) и аминокислоты.углеводы нуклеиновые кислоты мутации генов липиды перекисное окисление липидов аминокислоты Перекись водорода относится к реактивным формам кислорода и при повышенном образовании в клетке вызывает оксидативный стресс(процесс повреждения клетки в результате окисления). Перекись водорода относится к реактивным формам кислорода и при повышенном образовании в клетке вызывает оксидативный стресс(процесс повреждения клетки в результате окисления).реактивным формам кислородаклеткеоксидативный стресс клетки окисленияреактивным формам кислородаклеткеоксидативный стресс клетки окисления

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц (протоны, альфа-частицы, мезоны и др.) с веществом Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют главным образом с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов. Максимальная энергия, которая может быть передана в одном акте взаимодействия тяжелой частицей, движущейся со скоростью v << с, неподвижному электрону, равна Е макс =2m e v 2. Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных потерь dE/dx. Удельные ионизационные потери представляют собой отношение энергии ΔЕ заряженной частицы, теряемой на ионизацию среды при прохождении отрезка х, к длине этого отрезка. Удельные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы и особенно резко перед ее остановкой в веществе (пик Брэгга). Тяжелые заряженные частицы взаимодействуют главным образом с электронами атомных оболочек, вызывая ионизацию атомов. Максимальная энергия, которая может быть передана в одном акте взаимодействия тяжелой частицей, движущейся со скоростью v << с, неподвижному электрону, равна Е макс =2m e v 2. Проходя через вещество, заряженная частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Тормозная способность вещества может быть охарактеризована величиной удельных потерь dE/dx. Удельные ионизационные потери представляют собой отношение энергии ΔЕ заряженной частицы, теряемой на ионизацию среды при прохождении отрезка х, к длине этого отрезка. Удельные потери энергии возрастают с уменьшением энергии частицы и особенно резко перед ее остановкой в веществе (пик Брэгга). Соударения с электронами практически не изменяют траекторию движения тяжелой a-частицы (масса равна 4 а.е.м.), поэтому можно считать, что она движется практически прямолинейно. Соударения с электронами практически не изменяют траекторию движения тяжелой a-частицы (масса равна 4 а.е.м.), поэтому можно считать, что она движется практически прямолинейно. Поток a-частиц - это сильно ионизирующее излучение. Поток a-частиц - это сильно ионизирующее излучение.

Взаимодействие с веществом b- излучения В зависимости от энергии b-частиц различают: мягкое b-излучение (нескольких десятков кэВ); мягкое b-излучение (нескольких десятков кэВ); жесткое b-излучение (до нескольких единиц МэВ). Вероятность взаимодействия b-частиц с веществом меньше, чем для a-частиц, так как b-частицы имеют в два раза меньший заряд и приблизительно в 7300 раз меньшую массу. жесткое b-излучение (до нескольких единиц МэВ). Вероятность взаимодействия b-частиц с веществом меньше, чем для a-частиц, так как b-частицы имеют в два раза меньший заряд и приблизительно в 7300 раз меньшую массу. Удельная ионизация для b-частицы составляет пар ионов на 1 мм пути, т.е. пробег b-частиц намного больше пробега a-частиц с той же энергией. Максимальные пробеги b- частиц с энергией 1 МэВ составляет в воздухе около 4 м, в воде - 4,4 м, в алюминии - 2 мм. При взаимодействии b-частиц с электронами атомов массы соударяемых частиц можно считать одинаковыми, поэтому b-частицы при столкновении отклоняются гораздо сильнее, в результате чего при торможении траектория движения b-частиц имеет вид ломаной линии. Скорость b-частиц сравнима со скоростью света. Взаимодействие электронов и позитронов с веществом качественно одинаково и складывается из трех основных процессов: упругого рассеяния на атомных ядрах; упругого рассеяния на атомных ядрах; рассеяния на орбитальных электронах; рассеяния на орбитальных электронах; неупругих столкновений с атомным ядром. неупругих столкновений с атомным ядром.

Упругое рассеяние b-частиц происходит в основном на ядрах, но могут также происходить и на атомных оболочках. Вследствие малой массы, b-частицы могут отклоняться на большие углы. Чем меньше энергия b-частиц, тем больше (в среднем) отклонение, которое она испытывает. Поэтому при радиометрических измерениях необходимо учитывать эффект обратного рассеяния, который может привести к увеличению счета. Рассеяние b-частиц на орбитальных электронах среды является наиболее важным процессом для регистрации b-частиц. Потерянная при столкновении энергия b-частицы передается орбитальному электрону, что ведет к возбуждению или ионизации атома. Упругое рассеяние b-частиц происходит в основном на ядрах, но могут также происходить и на атомных оболочках. Вследствие малой массы, b-частицы могут отклоняться на большие углы. Чем меньше энергия b-частиц, тем больше (в среднем) отклонение, которое она испытывает. Поэтому при радиометрических измерениях необходимо учитывать эффект обратного рассеяния, который может привести к увеличению счета. Рассеяние b-частиц на орбитальных электронах среды является наиболее важным процессом для регистрации b-частиц. Потерянная при столкновении энергия b-частицы передается орбитальному электрону, что ведет к возбуждению или ионизации атома. При ионизации b-частицы выбивают орбитальные электроны, которые могут производить вторичную ионизацию. Полная ионизация равна сумме первичной и вторичной ионизации. На 1 мкм пути в веществе b-частица создает несколько сотен пар ионов. При ионизации b-частицы выбивают орбитальные электроны, которые могут производить вторичную ионизацию. Полная ионизация равна сумме первичной и вторичной ионизации. На 1 мкм пути в веществе b-частица создает несколько сотен пар ионов. При неупругом столкновении электронов с ядрами атомов происходит торможение электронов в поле ядра. Уменьшение энергии электронов в результате торможения приводит к испусканию тормозного рентгеновского излучения. При неупругом столкновении электронов с ядрами атомов происходит торможение электронов в поле ядра. Уменьшение энергии электронов в результате торможения приводит к испусканию тормозного рентгеновского излучения. Потери энергии тем больше, чем больше энергия b-частицы и атомный номер элемента поглотителя. Поэтому для снижения тормозного излучения защиту для b- источников выполняют из материалов с малым атомным номером - алюминий, органическое стекло и др. В случае применения тяжелых материалов возникает тормозное (вторичное) излучение, которое является рентгеновским и обладает большой проникающей способностью.

Взаимодействие с веществом g- излучение Взаимодействие g-квантов с веществом существенно отличается от взаимодействия a- и b-частиц. В то время как заряженные частицы передают свою энергию электронам атомов при многократных процессах соударения, g-кванты отдают всю или, по крайней мере, большую часть своей энергии при однократном взаимодействии. Однако вероятность этого взаимодействие очень низка, поэтому g-кванты обладают гораздо большей проникающей способностью, чем заряженные частицы. Проникающая способность излучения характеризуется чаще всего толщиной слоя поглотителя (в г/см 2 ), при которой интенсивность излучения уменьшается наполовину. Эту величину называют толщиной слоя полупоглощения. При семикратной (по отношению к указанной выше величине) толщине слоя интенсивность уменьшается до 1% от первоначального значения; при десятикратной - до 0,1%. Поглощение g-квантов вызывается тремя независимыми друг от друга процессами с различной физической природой: фотоэффектом; фотоэффектом; эффектом Комптона; эффектом Комптона; образованием электрон-позитронных пар, образованием электрон-позитронных пар,

Фотоэффект состоит во взаимодействии гамма-кванта со связанным электроном атома. При этом вся энергия падающего фотона поглощается атомом, из которого выбиваеся электрон с энергией: Фотоэффект состоит во взаимодействии гамма-кванта со связанным электроном атома. При этом вся энергия падающего фотона поглощается атомом, из которого выбиваеся электрон с энергией: E = hν – E c где Е c - энергия связи выбиваемого электрона в атоме. Появляющийся свободный уровень заполняется одним из наружных электронов. Избыток энергии освобождается в виде вторичного мягкого характеристического излучения или электронов.

Эффектом Комптона называют процесс, при котором g-квант отдает электрону только часть своей энергии, т. е. g-квант рассеивается. Это упругое столкновение фотонного излученияс электронами внешней оболочки атома. g-Квант передает часть своей энергии электрону и изменяет направление своего движения. Отраженный g-квант называется вторичным, или рассеянным. Электроны, выбрасываемые в процессе эффекта Комптона, имеют сплошной энергетический спектр. Комптон-эффект является основным процессом взаимодействия с веществом фотонного излучения в диапазоне энергий 0,5-10 МэВ. С ростом энергии фотонов вероятность комптоновского рассеяния убывает. Многократный процесс рассеяния за счет Комптон-эффекта приводит в конечном счете к тому, что рассеянный фотон в результате фотоэффекта поглотится атомом.

Образование электрон-позитронных пар - это такое взаимодействие фотонного излучения с веществом, при котором энергия фотона в поле ядра переходит в энергию массы покоя и кинетическую энергию электрона и позитрона Так как энергия покоя как электрона, так и позитрона равна 0,51 МэВ, то образование пар возможно лишь при энергии фотона большей 1,02 МэВ. Образование пар возможно только в поле ядра. Ядро в соответствии с законом сохранения импульса принимает на себя часть импульса фотона. Часть энергии фотона, превышающая 1,02 МэВ, передается электрону и позитрону в виде кинетической энергии. Позитрон через короткое время аннигилирует с образованием двух вторичных фотонов, каждый из которых имеет энергию 0,51 МэВ и поэтому не может образовывать пары. При превышении энергии гамма-квантов некоторого порогового значения Е p, растет вероятность образования электронно-позитронных пар - одной из простейших ядерных реакций. Фотон исчезает в кулоновском поле ядра ( или электрона ). При этом возникшей паре передается вся энергия падающего фотона за вычетом энергии покоя пары, равной E p = 2 mc 2 = 1, 02 МэВ, т. е. E + + E - = h o - 2 mc 2. где Е + и Е - - энергия позитрона и электрона, соответственно. Возникающие в процессе поглощения гамма-квантов электроны и позитроны теряют свою кинетическую энергию в результате ионизации молекул среды, а при встрече аннигилируют с испусканием двух фотонов с энергией 0, 511 МэВ каждый. В области энергий E γ >10 Мэв основную роль в ослаблении пучка - к квантов играет эффект образования пар. В области энергий E γ >10 Мэв основную роль в ослаблении пучка - к квантов играет эффект образования пар.

Области преобладания фотоэффекта (1), комптоновского рассеяния (2) и образования пар (3) в зависимости от энергии фотонов и атомного номера среды.

Взаимодействие с веществом нейтронного излучение По характеру взаимодействия нейтроны условно разделены на четыре группы: Тепловые нейтроны 0 - 0,5 эВ Промежуточные нейтроны 0, кэВ Быстрые нейтроны 200 кэВ - 20 МэВ Релятивистские нейтроны Свыше 20 МэВ Для быстрых нейтронов доминирующим процессом взаимодействия является упругое рассеяние, хотя, как для всех других групп, возможны (со значительно меньшей вероятностью) и другие процессы взаимодействия (неупругое рассеяние, ядерные реакции, радиационный захват). Для релятивистских нейтронов возрастает роль неупругого рассеяния по сравнению с упругим, существенный вклад дают ядерные реакции. Для промежуточных нейтронов наиболее характерным процессом взаимодействия является неупругое рассеяние, а также радиационный захват. Для тепловых нейтронов наиболее вероятный процесс взаимодействия - радиационный захват. Вероятность этого процесса пропорциональна 1/E 1/2, т.е. возрастает с уменьшением энергии (скорости) нейтронов. Наиболее вероятная скорость движения тепловых нейтронов при температуре 295 К (22 °С) составляет 2200 м/сек, а соответствующая энергия - 0,025 эВ. Радиационный захват нейтрона возможен при любой его энергии и на любых ядрах, но более вероятен на медленных нейтронах и тяжелых ядрах, что следует учитывать при выборе материала защиты. Таким образом, при всех процессах взаимодействия нейтронов с веществом образуются либо заряженные частицы - ядра отдачи, непосредственно производящие ионизацию, либо g- излучение, которое также производит ионизацию в результате вторичных процессов. В процессе ядерных реакций под воздействием нейтронов образуются также другие заряженные частицы (протоны, дейтроны и т.д.).

Спасибо за внимание