Сторінка
2

Іонізуючі випромінювання

Бета-частинки по своїй фізичній природі не відрізняються від електронів, що знаходяться на оболонках атомів та їх античастинок – позитронів. Маса бета-частинок, як і електронів у спокої складає 1/1 840 маси ядра водню. Бета-частинки подібно електронам і позитронам мають елементарний негативний або позитивний заряди. Вони виникають у ядрах атомів в процесі радіоактивного розпаду і негайно ж випромінюються відтіля. Наприклад, так розпадається радіоактивний фосфор, перетворюючись у сірку. Цю реакцію можна записати в такий спосіб:

(число ліворуч знизу – атомний чи порядковий номер у таблиці періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва, число ліворуч зверху – масове число, тобто атомна маса, виражені в цілих числах). Бета-частинки, що вилітають з ядер атомів, мають різну швидкість. Однак максимальна швидкість бета-частинок для конкретного виду радіоактивних атомів – величина цілком визначена. Наприклад, для радіоактивного фосфору () вона не набагато менша швидкості світла. Енергія над швидких бета-частинок дорівнює 1,7 МеВ. Середня енергія бета-частинок дорівнює однієї третини цієї величини. В результаті вильоту з ядра бета-частинки, що несе елементарний негативний заряд, вихідний радіоактивний атом перетворюється в атом іншого елемента, що стоїть в періодичній системі елементів праворуч (зрушення праворуч). Виліт позитрона супроводжується зрушенням ліворуч, тобто перетворенням в атом елемента, що має на одиницю менший атомний номер, ніж у вихідного .радіоактивного атома.

Бета-частинки (електрони, позитрони), на відміну від електромагнітних випромінювань (рентгенівських і гамма-променів), відхиляються від свого шляху в електричному і магнітному полях.

До важких ядерних часток відносяться альфа-частинки.

Альфа-частинка в 7 300 разів важкіша за бета-частинку. По своїй фізичній природі альфа-частинки є ядрами атома гелію з атомною масою 4,003 (). Альфа-частинка несе два елементарних позитивних електричних заряди. Ці частинки випромінюються при радіоактивному розпаді деяких елементів. Таким шляхом розпадається, наприклад, радій

.

Швидкість альфа-частинок, що випромінюються радієм, дорівнює приблизно 17 000 км/с. У результаті вильоту альфа-частинки атомний номер зменшується на дві одиниці, а атомна маса на чотири одиниці.

Альфа-частинки складають близько 6% загального числа частинок у космічних променях біля землі.

Відомо близько 30 різних природних радіоактивних речовин, при розпаді яких вилітають альфа-частинки. Зараз штучно отриманий ряд нових альфа-випромінювачів, що не зустрічаються в природі. Це так називані трансуранові елементи з атомним номером більше 92 (93…109).

Протони і дейтрони – це ядра легкого і важкого водню з одним елементарним позитивним зарядом. Маса протона майже в чотири рази, а дейтрона в два рази менша маси альфа-частинки. При деяких ядерних реакціях протони випромінюються з атомних ядер. Протони, які мають колосальну енергією, приходять на Землю зі світового простору в складі космічних променів. Вони переважають над іншими частинками у внутрішньому радіаційному поясі Землі (600…1 000 км і вище й у місцях магнітних аномалій нижче 600 км).

В результаті ядерних реакцій при поглинанні енергії протонів в атмосфері виникає радіоактивний вуглець ().

До іонізуючого випромінюванням потрібно віднести і нейтральні, не несучі електричного заряду частинки – нейтрони. Ці частинки вилітають з ядер атомів при деяких ядерних реакціях, зокрема при реакціях ділення ядер урану та плутонію. Маса нейтрона майже дорівнює масі протона. Нейтрони характеризуються різною швидкістю. Швидкі нейтрони мають енергію порядку 1 МеВ і вище, повільні – від одиниць до декількох електрон-вольт. Розрізняють також нейтрони проміжної енергії.

Ядра елементів більш важких, ніж водень і гелій, розігнані до великих швидкостей, також варто віднести до іонізуючого випромінювання. Дія важких іонів на живі організми вивчено ще мало, але майбутнім космонавтам прийдеться вважатися з тим, що такі частинки є поза земною атмосферою в складі первинного космічного випромінювання. Ядра більш важких, ніж гелій, елементів складають у Землі близько 1% усього числа частинок у космічних променях, що мають галактичне походження.

Ефект іонізації. Швидко рухаючись ядерні частинки, поширюючись у будь-якому середовищі, будуть зіштовхуватися (взаємодіяти) з молекулами й атомами речовини, розтрачуючи при цьому свою енергію.

Механізм поглинання енергії різних за своїй фізичній природі випромінювань (рентгенівських і гамма-квантів, заряджених частинок, нейтронів) неоднаковий, але в кінцевому рахунку він зводиться до виникнення іонів і збуджених атомів і молекул. Ефект іонізації, властивий усім цим випромінюванням, дозволяє віднести їх до однієї категорії – іонізуючих промінів.

Ефект іонізації полягає в тім, що заряджена частинка електрично взаємодіє з електроном на зовнішній оболонці атома чи молекули речовини, через яку вона пролітає. Це приводить до розриву зв'язку цього електрона з відповідним атомом або молекулою, в наслідок чого атом або молекула стає позитивно зарядженим іоном. Позитивний іон разом з електроном, що відірвався, утворює пару іонів. Електрон, зірваний з оболонки атома при первинному зіткненні з іонізуючою частинкою, може у свою чергу іонізувати молекули й атоми середовища, що зустрічаються на його шляху, поки не вичерпає свою кінетичну енергію і не приєднається до нейтральної молекули з утворенням негативного іона. На утворення пари іонів витрачається тільки частина енергії іонізуючої частинки. Повна ж передача її енергії супроводжується утворенням у поглинаючому середовищі багатьох пар іонів. На кожну пару іонів виникає, крім того, два-три збуджених атома чи молекули. Перескок електрона з ближньої до ядра атома оболонки на більш далеку (на що також витрачається енергія) «збуджує» атом. При зворотному перескоку електрона на ближню оболонку надлишок енергії випромінюється у виді фотонів видимого, ультрафіолетового світла чи рентгенівських променів. Спалахи світла, які виникають у деяких речовинах (сцинтиляторах), при поглинанні випромінювання можуть бути зареєстровані за допомогою фото примножувача й електронного пристрою. Це один зі способів виявлення і виміру параметрів іонізуючих випромінювань.