1.2 Облучение альфа-частицами
Взаимодействие заряженных частиц разделяют на упругие и
неупругие. К упругим относят такие взаимодействия, при которых сумма
кинетических энергий взаимодействующих частиц до взаимодействия и
после сохраняется неизменной. Таким процессом является упругое
рассеяние.
При неупругом взаимодействии часть кинетической энергии
заряженной частицы передается образовавшимся частицам или фотонам;
другая часть кинетической энергии передается атому или ядру на их
возбуждение или перестройку. К таким взаимодействиям относится
неупругое рассеяние, ионизация и возбуждение атомов, образование
тормозного излучения.[3]
Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом рассмотрим
на примере α-частиц. α-частица – это ядро атома гелия, она имеет двойной
положительный заряд и четыре единицы массы. Масса α-частицы равна
4,002777 а.е.м. Распад, в основном, претерпевают радионуклиды тяжелых
искусственными радионуклидами, колеблется в пределах 4,0 – 9,0 МэВ.
Скорость движения α-частиц порядка 109 см/сек. При прохождении через вещество энергия α-частицы, в основном, расходуется на ионизацию и возбуждение атомов поглощающей среды (ионизационные потери), которые при Еα>0,1 МэВ можно выразить:
,
(1.2.1)
где Ea – кинетическая энергия α-частицы; е – заряд электрона; z - заряд α-
частицы; Z – порядковый номер поглотителя; n – число атомов в 1 см3 вещества; В – коэффициент торможения; mо – масса покоя электрона;
V – скорость частицы. Одним из наиболее характерных свойств α-частиц является наличие у них определенного пробега. Средний пробег Ra моноэнергетических α-частиц обычно рассчитывают по эмпирическим формулам. В воздухе при нормальных условиях:
,
(1.2.2)
где
Rα
–
пробег, см;
–
кинетическая энергия α-частиц, МэВ;
n – безразмерный коэффициент, установленный эмпирическим путем. Длина пробега α-частицы в других средах может быть определена по формуле Брегга:
(1.2.3)
где Еα – энергия α-частицы, МэВ; А – атомный вес; Z – порядковый номер;
ρ – плотность вещества поглотителя, г/см3.
К концу пробега энергия α-частицы уменьшается настолько, что она уже не способна производить ионизацию и, присоединив к себе два электрона, превращается в атом гелия. Полная ионизация для α-частиц составляет несколько сот тысяч пар ионов.[3]
Максимального значения удельная ионизация достигает в конце пробега.
Увеличение плотности ионизации в конце пути с последующим резким
уменьшением до нуля объясняется тем, что α-частица, испытывая торможение, по мере движения в веществе теряет свою скорость; следовательно, увеличиваются время прохождения ее через атом в конце пути и, соответственно, вероятность передачи электрону энергии, достаточной для его вырывания из атома. Когда же скорость α-частицы становится сравнимой со скоростью движения атомов вещества, то α-частица захватывает и удерживает сначала один, а затем и второй электрон и превращается в атом гелия – ионизация прекращается. Альфа-частицы с одинаковой энергией (моноэнергетические) в поглотителе проходят практически одно и то же расстояние, т.е. число α-42 частиц почти на всем пути пробега постоянно и резко падает до нуля в конце пробега.
Пробег α-частиц практически прямолинеен из-за их большой массы,
которая препятствует отклонению α-частицы от прямолинейного пути под
действием электрических сил атома. Несмотря на высокие значения энергий
α-частиц, их проникающая способность и пробег крайне малы, например в
воздухе 4·10 см, а в мягких тканях человека, в жидких и твердых веществах
будет составлять несколько микрон.