Глава 1. Основы взаимодействия различных видов излучений с веществом

Многообразие и различие видов излучений, химических элемен­тов, входящих в состав металлов, сплавов и т.д., предопределяют значительное количество различных физических процессов и свойств, проявляю­щихся при взаимодействии этих излучений с веществом. Рассмот­рим процессы взаимодействия нейтронов, заряженных частиц (ядер­ное взаимодействие), гамма-излучения, рентгеновского излучения, ультрафиолетового и инфракрасного излучения, излучения видимого спектрального и радиочастотного диапазонов (электромагнитное вза­имодействие) с веществом [20].

1.1. Ядерное взаимодействие

Ядерное взаимодействие - наиболее сильное взаимодействие в природе. Оно может проявляться как в форме непосредственного взаимодействия (рассеяние на ядерных силах, ядерные реакции, т.е. захват одних частиц с образованием других), так и в форме процес­сов распада. Сильные процессы непосредственного взаимодействия характеризуются очень большими сечениями (10³- 10⁶ бар), а распада - очень малым временем (10^-23 - 10^-22).

1.1.1. Взаимодействие нейтронов с веществом

Основным видом взаимодействия нейтронов с веществом является взаимодействие с атомными ядрами. В зависимости от того, попадает нейтрон в ядро или нет, его взаимодействие с ядрами можно разделить на два класса:

Упругое потенциальное рассеяние на ядерных силах без попадания нейтронов в ядро (n,n)_пот;

Ядерные реакции разных типов: (n,g),(n,p),(n,a), реакция деления и др.; неупругое рассеяние (n,n^/); упругое рассеяние с захватом нейтрона в ядро- упругое резонансное рассеяние (n,n)_рез

Характер взаимодействия зависит от ядер вещества и энергии нейтронов. Ядра химических элементов классифицируются на три группы: легкие (А<25), средние (25<А<80) и тяжелые (А<80), а нейтроны по энергии делятся на тепловые (Е до 0,025 эВ), медленные (Е=0,1-10³ эВ), промежуточные (Е=10³-5·10⁵ эВ), и быстрые (Е>5·10⁵ эВ).

Из приведенной классификации следует, что при столкновении нейтрона с ядром происходит либо его захват, либо отклонение от первоначального направления движения. При захвате нейтрона образуется составное ядро, которое за счет выделяющейся при захвате энергии связи нейтрона оказывается в возбужденном состоянии.

Переход ядер из возбужденного состояния в основное более низкое энергетическое состояния происходит путем распада с испусканием либо гамма-квантов (-квантов), либо частиц различной природы, либо совместно тех и других. Распад составного возбужденного ядра может происходить путем (n,)-реакции с испусканием -частиц. На медленных и тепловых нейтронах (n,)- реакция наблюдается у небольшого количества легких ядер, например, эта реакция протекает на ядрах ¹⁰B и ⁶Li [22].

,

.

При распаде возбужденного ядра может также протекать и (n,p)-реакция, но она также как и (n,)-реакция характеризуется низким сечением на большинстве химических элементов.

Одним из самых распространенных видов ядерной реакций под действием нейтронов являются реакции типа (n,)

(A,Z)+n>(A+1,Z)+.

В результате этих реакций образуется ядро (A+1,Z) и испускается -излучение. Так как реакции типа (n,) сводится к захвату нейтрона с последующим испусканием -кванта, то они называются реакциями радиационного захвата нейтрона. Реакции радиационного захвата протекают на любом ядре и с большей вероятностью идут под действием медленных нейтронов.

В ряде случаев образовавшиеся ядро является стабильным изотопом облучаемого ядра, и возникающее гамма-излучение является единственным продуктом ядерной реакции, поэтому интенсивность и энергия гамма- излучения (n, )-реакции являются характерными для каждого элемента свойствами. В большинстве случаев же (n, )-реакция дает не стабильное ядро (A+1,Z) обычно β-радиоактивное, т.е. распадающееся по схеме

(A+1,Z) >(A+1,Z+1)+e^-+v.

Это явление получило название исскуственной радиоактивности, а способов её образования – активацией. Образующиеся в результате (n, )-реакции изотопы отличаются по виду и энергии излучения, периоду полураспада и другим свойствам.

Например, захват индием нейтрона с энергией 1,46 эВ приводит к (n, )-реакции:

.

Образующийся при этом радиоактивный изотоп ₄₉In¹¹⁶ распада­ется с периодом полураспада Т_1/2=54 мин:

.

Наведенную активность I_Т (число распадов в секунду) можно оп­ределить по формуле:

, (1.1.1.1)

где Ф_о - плотность потока нейтронов; - сечение активации эле­мента;— доля изотопа в естественной смеси изотопов;т — масса химического элемента в облучаемом объеме вещества; - посто­янная радиоактивного распада образующегося изотопа;t - время с момента начала облучения; А - атомная масса вещества.

В формуле (1.1.1.1) величины характеризуют активационную способность элемента, и называется сечением активации. Сле­довательно, интенсивность наведенной активности при выбранных условиях облучения и регистрации зависит от сечения активации и содержания определяемого химического элемента в облучаемой массе исследуемого вещества.

При взаимодействии тепловых и медленных нейтронов с веще­ством наряду с радиационным захватом также заметную роль игра­ют процессы неупругого и упругого рассеяния. При неупругом рас­сеянии нейтронов, нейтрон с энергией в несколько сот килоэлектрон­вольт после попадания в ядро может перевести его в возбужденное состояние и снова вылететь из него с меньшей энергией. При упру­гом рассеянии суммарная кинетическая энергия ядра и нейтрона со­храняется и только перераспределяется между ними, а ядро и нейт­рон изменяют направление своего движения. Упругое рассеяние наи­более вероятно при взаимодействии нейтронов с ядрами малой и сред­ней массы.

Таким образом, при облучении вещества потоком тепловых и медленных нейтронов часть тепловых нейтронов частично рассеи­вается и выходит за пределы вещества, а другая часть захватывается ядрами вещества. Медленные нейтроны также могут частично рассеиваться и захватываться ядрами вещества, другая их часть будет замедляться в результате упругих соударений до тепловых энер­гий, а последняя их часть может проходить через вещество. В ре­зультате описанных процессов в веществе будет происходить ослаб­ление первоначального потока нейтронов по закону

, (1.1.1.2)

где Ф_о- плотность первичного потока нейтронов; Ф - плотность по­тока нейтронов после прохождения слоя вещества толщиной х; -полное сечение взаимодействия нейтронов.

Степень ослабления первичного потока нейтронов зависит от ядерных свойств химических элементов и их содержания в облучаемом веществе.