Тяжелые заряженные частицы

Тяжелые заряженные частицы – протоны, дейтроны, альфа-частицы, осколки деления, аналогично электронам, затрачивают большую часть своей энергии на ионизацию, возбуждение атомов, а также на взаимодействие с кулоновским полем ядра и электронов (тормозное излучение). В значительной степени эти процессы вызваны электронами, которые образовались в процессе первичной ионизации.

Отличительной чертой тяжелых частиц, в сравнении с быстрыми электронами той же энергии, является их более медленное движение из-за большой массы. При энергии в несколько МэВ ионизационные потери для альфа-частиц в 1000 раз большие, чем для электронов. В результате этого путь электронов в веществе (глубина проникновения) значительно больше, чем путь альфа-частиц.

Как известно, величина энергии, которая излучается какой-либо частицей, прямо пропорциональна квадрату ее ускорения и обратно пропорциональна массе частицы. Из этого вытекает, что радиационные потери тяжелых заряженных частиц (т.е. потери на тормозное излучение) небольшие.

Столкновение тяжелой частицы с легким электроном не может вызвать значительного отклонения ее от первоначального направления движения, поэтому их путь в веществе прямолинейный.

Тяжелые частицы, как и электроны, передают энергию порциями. Максимальная энергия вторичных электронов определяется энергией падающих частиц. Так, при столкновении альфа-частицы энергией в 5 МэВ с электроном, последний приобретает энергию около 2700эВ. Этой энергии достаточно для осуществления вторичной ионизации (ведь потенциал ионизации в воздухе равен 34 эВ).

Основными результатами взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом являются следующие:

1. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество сопровождается образованием ионов, возбуждением атомов.

2. Ионизационные потери намного большие, чем при облучении электронами, соответственно пробег тяжелых частиц в веществе намного меньше пробега электронов.

3. Траектория движения из-за большой массы частицы мало отличается от линейной. Скорость тяжелых заряженных частиц существенно меньше скорости движения электронов.

4. Потери энергии частиц на тормозное излучение незначительно.

5. Максимальная энергия передается веществу вблизи конца пробега частицы.

Взаимодействие атомов деления с веществом

 Осколки деления представляют собой многозарядные (заряд достигает 20) ионы с массовым числом 72-166, которые возникают при делении ядер тяжелых изотопов: 235U, 238U, 239Рu.

В процессе деления возникает около 80 первичных продуктов деления, из них только шесть стабильные. Массовые числа осколков легких изотопов находятся в области А=72-116, (Br, Kr, Zn, Y, Mo, Ru), тяжелых изотопов – в области А=117-166 (Te, J, Xe, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sb).

Энергия осколков составляет от 40 до 120 МэВ. Эта энергия в основном затрагивается на ионизацию и возбуждение атомов и молекул. Важную роль играют также столкновения осколков с ядрами.

Отличительной чертой процесса замедления осколков в веществе – постепенное уменьшение заряда по всей длине пробега. В противоположность ионизационному эффекту, вызываемому альфа-частицами, плотность ионизации понижается к концу трека. С уменьшением заряда уменьшаются потери на ионизацию и возбуждение и увеличиваются потери на упругое столкновение с ядрами.

Взаимодействие нейтронов с веществом. Характер взаимодействия нейтронов с веществом зависит от их энергии. В отличие от заряженных частиц нейтроны не несут электрического заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать в глубь атомов. Сверхбыстрые нейтроны с энергией в 10-50 МэВ при взаимодействии с тяжелыми элементами вызывают деление их ядер (ядро делится на 2-3 осколка). При этом высвобождается колоссальная энергия (около 200 МэВ), и вылетают 2-3 свободных нейтрона, которые способны вызвать деление других ядер. Так возникает цепной процесс деления ядер. Наибольшее значение имеют быстрые нейтроны. Достигая ядер, они либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них. Т.е. основным видом взаимодействия нейтронов с веществом является взаимодействие с атомными ядрами. В этих взаимодействиях нейтроны могут претерпевать упругое и неупругое рассеивание, порождать заряженные частицы и гамма-кванты, вызывать деление некоторых ядер и т.д. Достигая ядер вещества, быстрые нейтроны тратят энергию крупными порциями, расходуя ее на возбуждение ядер или их расщепление. В результате одного или нескольких столкновений с ядрами энергия нейтрона становится меньше минимальной энергии возбуждения (от десятков кэВ до нескольких МэВ). После этого рассеяние нейтрона ядром становится упругим. При упругом рассеивании нейтрон передает часть своей энергии ядру, с которым он столкнулся. При этом он замедляется и изменяет направление движения. После ряда столкновений замедленный нейтрон захватывается ядром. При упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, нейтрон теряет лишь 10-15% энергии, а при столкновении с почти равными с ним по массе ядрами водорода – протонами, энергия нейтронов уменьшается в среднем вдвое, передаваясь протону отдачи (при этом образуется нейтрон с меньшей энергией). Поэтому вещества, содержащие большое количество атомов водорода (вода, бериллий, графит, парафин), используются для защиты от нейтронного излучения: в них нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются. В результате упругого рассеяния нейтронов образуются сильноионизирующие протоны.

Ядро, захватившее нейтрон, становится возбужденным. Переход из возбужденного в основное состояние возможно разными путями: ядро может излучить нейтрон меньшей энергии и один или несколько гамма-квантов, заряд ядра не меняется; в процессе распада могут образовываться ядра меньшего или большего заряда и излучаться заряженные частицы – электрон, позитрон, альфа-частица, протон и др.; захват нейтрона может сопровождаться делением некоторых ядер. Образовавшиеся гамма-кванты и частицы также способны производить ионизацию. При таких ядерных реакциях могут образовываться радиоактивные изотопы элементов и возникать наведенная радиоактивность, в свою очередь тоже вызывающая ионизацию. Ионизируют вещество, наконец, и сами ядра отдачи, возникающие при ядерных превращениях.