Взаимодействие излучения с веществом

Ядерные излучения возникают при распаде естественных или искусственных радиоактивных веществ, при работе ядерных реакторов и ускорителей. Кроме того, источником ядерного излучения являются также космические лучи.

Методы регистрации ядерных излучений основаны на различных видах взаимодействия излучения с веществом. По взаимодействиям все излучения можно разделить на три основные группы: заряженные частицы (a-излучение, b-излучение, потоки протонов и др.); излучения, представляющие поток нейтральных частиц (нейтроны, нейтрино, нейтральные мезоны и др.); электромагнитные излучения (рентгеновское и g-излучение).

Все современные методы регистрации ядерных частиц и излучений делятся на две группы:

– трековые методы, позволяющие воспроизвести трек (след) частицы (камера Вильсона, диффузионная и пузырьковая камеры, фотоэмульсия);

– счётные методы, основанные на применении приборов, при помощи которых подсчитывается число частиц (ионизационные камеры, пропорциональные счётчики, счётчики Гейгера –Мюллера, сцинтилляционные, черенковские, искровые счётчики).

Принципы работы газоразрядных счётчиков, работающих в режимах ионизационных камер, пропорциональных счётчиков и счётчиков Гейгера, основаны на взаимодействии излучения с веществом.

Механизм потери энергии заряженными частицами обусловлен кулоновским взаимодействием полей частиц с полем орбитальных электронов или с полем ядер атомов поглотителя. Первое из них приводит к ионизации и возбуждению атомов среды, второе – к рассеянию частиц и радиационному (тормозному) излучению.

Потеря энергии частицы в основном зависит от скорости частицы V и её заряда Z:

,

где r _e – плотность электронов в тормозящей среде.

С увеличением скорости частицы наблюдается уменьшение потерь энергии в результате уменьшения времени взаимодействия частицы с электронами, поскольку импульс силы пропорционален времени действия силы.

Наибольшей ионизирующей способностью обладают тяжёлые многозарядные осколки, затем a-частицы, наименьшей – электроны. Например, в воздухе a-частицы с энергией в несколько МэВ создадут на пути длиной в 1 см около 30 000 пар ионов, в то время как электроны той же энергии – всего несколько десятков пар ионов.

Длина пробега a-частицы (d) подчиняется закону Гейгера:

d = k × V ₀³,

где k – константа, равная 9, 25·10^–28 сек³/см²; V ₀ – начальная скорость частицы. При этом длина пробега подчиняется и эмпирическому правилу Брэгга – Климена:

,

где d ₀ – длина пробега в воздухе; А – атомный номер элемента, образующего вещество; r – плотность вещества. Таким образом, чем меньше плотность вещества, тем больше длина пробега a‑ частицы.

Для легких заряженных частиц – электронов с относительно малой энергией потери энергии обусловлены в основном ионизацией с возбуждением электроновтормозящего вещества. При больших энергиях наиболее существенным становится другой механизм взаимодействия – испускание электромагнитного тормозящего излучения в электрических полях ядер тормозного вещества (радиационные потери).