Лекция 2 Физико-дозиметрические основы действия излучений.

«Ионизирующие» излучения получили свое название по способности непосредственно или косвенно вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе.

Если энергия, передаваемая веществу меньше потенциала ионизации, происходит лишь возбуждение атомов или молекул.

Типы ионизирующих излучений.

Все ионизирующие излучения делят на электромагнитные и корпускулярные. К электромагнитным относят рентгеновские лучи, гамма лучи радиоактивных элементов и тормозное излучение, возникающее при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц. Все остальные виды ионизирующей радиации имеют корпускулярную природу, представляя собой элементарные ядерные частицы или сами ядра (корпускулы): 1) заряженные корпускулы (большинство) -β-частицы (электроны и позитроны); отрицательно заряженные π-мезоны; протоны (ядра водорода); дейтроны (ядра тяжелого водорода, дейтерия); α-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы – ядра других элементов, ускоренных до больших энергий в специальных ускорителях; 2) к незаряженным корпускулам относятся нейтроны (ядерные частицы не имеющие заряда).

Заряженные частицы с кинетической энергией, достаточной для производства акта ионизации относятся к непосредственно ионизирующим излучениям.

К косвенно ионизирующим излучениям относятся нейтроны и R- и γ -лучи (фотоны), которые могут создавать непосредственно ионизирующие частицы в результате процессов взаимодействия с веществом.

Виды радиоактивных превращений, являющиеся источником

ионизирующих излучений.

Различают несколько видов радиоактивных превращений, сопровождающихся α-, β- и γ-излучением; внутреннюю конверсию и захват электронов.

Радиоактивный распад - самопроизвольное превращение ядер атомов одних элементов в другие с испусканием ионизирующих излучений:

1) Альфа-распад. Характерен для естественных радиоактивных элементов с большими порядковыми номерами (т.е. для элементов с малыми энергиями связи). Реакция этого вида превращения может быть показана на примере распада ядра урана ( U²³⁸ ):

₉₂U²³⁸→ ₉₀Th²³⁴ + ₂ He⁴

E_a=4,18 MэВ

Ядра атома гелия, испускаемые данным радиоактивным элементов, по своей энергии или однородны, или разделяются на небольшое число групп (Еα=4-9МэВ).

2) Электронный β-распад. Характерен как для естественных, так и для искусственных радиоактивных элементов. Этот вид распада может быть показан на следующем примере:

₁₉К⁴⁰→ e^-1 + ₂₀Ca⁴⁰ + ν,

т.е. ядро испускает электрон и возникает при этом ядро нового элемента при неизменном массовом числе. Энергетический спектр β-частиц непрерывный. При испускании β-частиц ядра атомов могут находиться в возбужденном состоянии. Переход их в невозбужденное состояние сопровождается испусканием гамма квантов. Выход из возбужденного состояния ядра может происходить и иначе - путем внутренней конверсии, при которой энергия гамма квантов передается одному из внутренних орбитальных электронов. Эмиссия этих электронов называется эмиссией оже-электронов.

После внутренней конверсии будет испускаться характеристическое рентгеновское излучение, т.к. орбитальные электроны перестраиваются (перераспределяются), чтобы заполнить пустоты, оставленные конвертированными электронами.

3) Позитронный β-распад. Наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов. Например:

₁₅Р³⁰ → е⁺¹ + ₁₄Si³⁰ + v.

4) К-захват. Это захват орбитального электрона ядром в нуклидах, где отношение нейтронов к протонам слишком низко для стабильности ядра. При этом процессе ядро захватывает электрон с К-оболочки и имеет такое же превращение, как и при позитронном распаде:

₂₉Cu⁶⁴ + e^-1 → ₂₈Ni⁶⁴ + v.

Позитронный распад и К-захват являются конкурирующими процессами. При К-захвате возникает характеристическое рентгеновское излучение.

5) Самопроизвольное деление ядер. Этот процесс наблюдается у радиоактивных элементов с большим атомным номером (например, U²³⁵, Pu²³⁹ и др.) при захвате их ядрами медленных нейтронов:

₉₂U²³⁵ + _on¹ → ₃₆Kr⁹⁰ + ₅₆Ba¹⁴⁰ + 5 _on¹.

В результате деления тяжелых ядер образуются осколки с избыточным количеством нейтронов. Эти осколки часто претерпевают несколько последовательных β-распадов, например:

₃₆Kr⁹⁰ → ₃₇Rb⁹⁰ → ₃₈Sr⁹⁰ → ₃₉Y⁹⁰ → ₄₀Zr⁹⁰.

6) Термоядерные реакции. Это искусственный на нашей планете вид превращения ядер. Такие реакции возможны лишь при температурах, достигающих нескольких миллионов градусов. В этих условиях ядра легких элементов двигаясь с большими кинетическими энергиями, будут сближаться на малые расстояния и объединяться в ядра более тяжелых элементов, например:

₁D² + ₁T³ → ₂He⁴ + ₀n¹ + E(17,57 MэB)

₃Li⁶ + ₀n¹ → ₁T³ + ₂He⁴ и т.д.