Физика

за сваког по нешто

Интеракција радиоактивног зрачења са супстанцом

Преузми Word документ

Када честице високих енергија напусте извор, оне се крећу кроз материју и у њој изазивају различите ефекте. На основу проучавања интеракције зрачења са материјом долази се до запажања која су значајна приликом:

  • детекције честица зрачења и описивања њихових особина;
  • примене ових појава;
  • заштите од ових зрачења.

Узајамно деловање зрачења и материје кроз коју оно пролази зависи од врсте зрачења (алфа, бета, гама, неутрони, итд.) и од енергије сваког од тих зрачења. Пошто су све то високоенергетска зрачења сва она спадају у групу јонизујућих зрачења.

На врло високим енергијама (мале таласне дужине) интеракције се своде на директне интеракције између елементарних честица.

 

 

Интеракција \alpha-зрачења и супстанце

При проласку \alpha-честица кроз неку средину, дешавају се следећи ефекти:

  • ексцитација атома;
  • јонизација атома.

На свом путу кроз материју \alpha-честице јонизују и побуђују атоме. Том приликом  долази до појаве слободних електрона и позитивних јона. Јонизовани атом се врло брзо рекомбинује, односно захвати електрон из средине при чему се емитује електромагнетно зрачење (фотон). Побуђени (ексцитовани) атоми након кратког времена прелазе у основно стање уз емисију фотона одговарајуће енергије.

Алфа честица има велику јонизациону моћ – производи велики број јонских парова (електрон-јон). Пошто енергија \alpha-зрачења износи од 4 до 9 MeV, а за једну јонизацију потребно око десетак eV, то значи \alpha-честица сву своју енергију изгуби на јонизацију неколико стотина хиљада атома. Пошто у чврстим материјалима по једном центиметру има око 108 атома, \alpha-честица тих неколико стотина хиљада сретне на веома малом путу, не дужем од десетог дела милиметра. Домет \alpha-честица у ваздуху отприлике износи онолико центиметара колика им је енергија изражена у MeV. На десетак центиметара од извора алфа зрачења, a\alpha-честица више нема.

Мање продорна зрачења производе више ефеката по јединици пута од оних продорнијих, која и стижу даље зато што им је густина губитака енергије мања.

 

Интеракција β-зрачења и супстанце

При проласку β-честица кроз неку средину, дешавају се следећи ефекти:

  • ексцитација атома;
  • јонизација атома;
  • емитовање закочног зрачења.

Бета зрачење (електрони високих енергија) прати низ ефеката својствених објектима који се крећу великим брзинама. Поред тога, честице бета зрачења су идентичне са честицама са којима интерагују, са електронима средине кроз коју се крећу. Због ове идентичности немогуће је пратити њихово кретање кроз средину, већ се може пратити само онај електрон који је из дате интеракције однео већу енергију.

Домет β зрачења у чврстим материјалима је реда неколико милиметара, а у гасовима реда неколико метара.

То што су електрони лаки, лако убрзавају, а свако наелектрисање при убрзању емитује електромагнетно зрачење. Пошто се електрони пролазећи кроз средине коче (имају негативна убрзања) то зрачење се назива закочно зрачење. Поред јонизације и ексцитације атома и молекула средине то је још један процес којим електрони губе енергију. Ова процес је доминантан на врло високим енергијама електрона.

 

Интеракција \gamma-зрачења и супстанце

Гама зрачење, односно фотони високих енергија, интерагују са материјом потпуно другачије од наелектрисаних честица. У зависности од енергије фотона и редног броја средине доминира један од следећа три процеса:

У материјалима високог редног броја и на ниским енергијама фотона доминира фотоефект, процес у коме фотон сву своју енергију преда једном од атомских електрона који тада напушта свој атом.

На вишим енергијама главни процес у коме фотони учествују је Комптонов ефекат, процес расејања фотона на слободном или слабо везаном електрону. Тада фотон скреће са упадног правца под неким углом, а електрон на коме се расејао под неким другим, притом фотон са енергијом смањеном за онај износ који је примио електрон.

На још вишим енергијама фотона од преко 10MeV, почиње да доминира производња парова. У овом процесу фотон који се нађе у јаком пољу неког језгра може да нестане, а да место његовог нестанка напусти реални пар електрон-позитрон.

 

У свим процесима фотони високих енергија своју енергију предају електронима. Ови електрони даље јонизују и ексцитирају атоме средине, па за гама зрачење може да се каже да је индиректно јонизујуће зрачење.

Интензитет снопа гама зрачења опада са проласком кроз различите дебљине материјала.  При проласку кроз неку средину, интензитет снопа g-зрачења експоненцијално опада са дебљином материјала:

I=I_{0}e^{-\mu d}

I_{0} – интензитет зрачења на улазу у средину

I – интензитет зрачења по преласку растојања d

\mu – линеарни коефицијент апсорпције

d – дебљина слоја кроз који пролази зрачење

Дебљина слоја олова од  10cm смањи интензитет оваквог гама зрачења око 1000 пута. Гама зрачења ниже енергије су знатно мање продорна.

 

Интеракција неутрона и супстанце

У еластичним сударима са језгрима неутрони се прво успоре па онда, дифундујући кроз материјал, а пре него што се распадну, највероватније буду захваћени од стране неког језгра. За разлику од осталих честица зрачења емитованих из радиоактивних распада, које занемарљиво интерагују са језгрима атома средине, неутрони могу у значајној мери да активирају средину, односно да у њој производе одговарајуће радиоактивне изотопе.

По проласку алфа, бета и гама зрачења средина уз евентуалне хемијске промене остаје неактивна, док по проласку неутрона додатно постаје и радиоактивна.

 

 

 

 

Закон радиоактивног распада и активност радиоактивног извора Детекција радиоактивног зрачења