История открытия и изучения - частиц связана с именем Резерфорда.

 При помощи - частиц Резерфорд производил исследования большинства атомных ядер.

- частицы это атомы гелия, потерявшие 2 электрона, т.е. ядра атома гелия

.

В настоящее время известно более 200 альфа-активных ядер, главным образом тяжелых (А>200, Z>82), исключение составляют редкоземельные элементы (А=140-160).

Примером альфа-распада может служить распад изотопа урана:

Скорости, с которыми - частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики и колеблются для различных ядер в пределах от 1,4•10⁷ до 2•10⁷ м/с, что соответствует кинетическим энергиям этих частиц в 4 - 8,8 Мэв.

p.s. Электрон вольт (эв) – единица энергии в ядерно-физической шкале. 1 эв. соответствует энергии, которую приобретает электрон в поле с разностью потенциалов в 1 вольт. 1 кэв = 10³ эв; 1 Мэв = 10⁶ эв.

-частицы в состав ядра не входят , и по современным представлениям они образуются в момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра 2-х протонов и 2-х нейтронов.

Пролетая через вещество, - частицы постепенно теряют свою энергию, затрачивая ее на ионизацию .Происходит это так: - частицы встречаются с атомами вещества, при этом атомы вещества возбуждаются, т.е. электроны атома переходят с более близкой к ядру орбиты на более далекую, а некоторые даже отщепляются от атома. В этом случае атом превращается в положительно заряженный ион. Оторванный от атома электрон может присоединиться к внешней оболочке другого атома, который в свою очередь превращается в отрицательно заряженный ион.

 Для характеристики ионизирующей способности - частиц и других излучений вводится понятие удельной ионизации.

 Удельная ионизация - это количество пар ионов, которые возникают в 1 см пути пробега - частицы. - частицы имеют большую ионизирующую способность: на пути пробега в воздухе образуется от 100000 до 300000 пар ионов.

Под пробегом частицы в веществе понимается толщина слоя этого веще­ства, которую может пройти эта частица до полной остановки.

Пробег - частиц зависит как от энергии частиц, так и от плотности вещества, в котором они движутся.   Длина пробега - частицы в воздухе составляет примерно 2-9 см и не более 0,06 мм в биологической ткани. Поэтому для защиты хватает листа бумаги толщиной около 0,1 мм и обычная одежда поглощает - частицы. Однако при работе с радиоактивными веществами, которые являются источниками - частиц необходимо надевать резиновые перчатки, т.к. попав на кожу - частицы могут изменить ее структуру и вызвать «ожог».

 Взаимодействие - излучения с веществом.

Бета излучение состоит из - частиц (электронов и позитронов), которые испускаются при - распаде радиоактивных изотопов.

При электронном - распаде происходит превращение нейтрона в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино.      n ¹ ₀ → p ¹ ₁ + β ^‾ + ‾ע⁰ ₀

 При этом заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу (z +1). Электронный распад характерен для ядер с избыточным числом нейтронов. Примером электронного - распада может служить распад стронция:

Sr ₃₈ ⁹⁰ → Y ₃₉ ⁹⁰ + β ^-  + ^- ע ₀ ⁰

При позитронном бета-распаде происходит превращение протона в нейтрон с образованием и выбросом из ядра позитрона и нейтрино .

p ¹ ₁ → n ¹ ₀ + β ⁺ + ע⁰ ₀

 Заряд и порядковый номер ядра уменьшаются на единицу (z-1). Позитронный β -распад наблюдается для неустойчивых ядер с избыточным числом протонов.    Примеры позитронного бета-распада радионуклидов:

К бета-распаду относится также электронный захват ( или К-захват), т.е. захват атомным ядром одного из электронов своего атома. При этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и испускается нейтрино. Заряд и порядковый номер ядра уменьшаются на единицу (z-1).

p¹ ₁ + e⁰ _-1 → n¹ ₀ + ע⁰ ₀

 Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя в основное состояние, оно испускает - фотон. Место в электронной оболочке освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате возникает рентгеновское излучение. Примером электронного захвата могут служить следующие превращения:

β - частицы, испускаемые при бета-распаде, имеют различную энергию, поэтому и пробег их в веществе не одинаков. Путь, проходимый β - частицей в веществе представляет собой не прямую линию, как у - частиц, а ломаную.

Ионизирующая способность бета-частиц много меньше, а длина пробега много больше, чем у - частиц. В биологической ткани они проникают на глубину 0,3 – 0,5 см max до 2 см, в воздухе – от нескольких сантиметров до 3 метров. На своем пути пробега - частицы образуют от 1000 до 50000 пар ионов. Скорость бета-частицы 270000 км/с.

Существует довольно большая опасность со стороны проникающих потоков - частиц для глаз человека. В сравнении с кожей хрусталик обладает повышенной радиоактивной чувствительностью. При работе с источником - излучения рекомендуются защитные очки - толщиной стекла 6 мм., защитные перчатки и дистанционный инструмент

Взаимодействие - излучения с веществом.

В литературе часто встречается термины радиоактивных излучений: рентгеновские или - лучи, или общее название - электромагнитные волны с короткими длинами волн (длина волны 10^-10-10^{-14 м)}, которые обладают большой проникающей способностью в веществе. Различные названия - рентгеновские или - лучи - связаны не с различными физическими свойствами этих лучей, а со способами их получения. Наиболее часто употребляемое гамма-излучение, не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает альфа - и бета-распады. Оно возникает при ядерных реакциях при торможении заряженных частиц и т.д.

Гамма-излучение испускается дочерним ядром. Дочернее ядро в момент своего образования оказывается возбужденным, а затем за время 10~¹³-10~¹⁴с оно переходит в основное состояние с испусканием - излучения. Возвращаясь в основное состояние, ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому - излучение может содержать несколько групп - квантов отличающихся значениями энергии.

γ-кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, они или поглощаются или рассеиваются. Гамма-излучение не имеет заряда и тем самым не испытывает влияния кулоновских сил. При прохождении пучка - квантов через вещество его интенсивность уменьшается согласно закону:

 ,

где J и J ₀ - интенсивности - излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества, толщиной х,

 - коэффициент поглощения, он зависит от свойств вещества и энергии - квантов.

Для справки: В практических расчетах удобно пользоваться и такой табличной величиной, как «толщина слоя половинного ослабления».

Толщина слоя половинного ослабленияd - это такая толщина слоя материала, проходя которую интенсивность излучения гамма-квантов уменьшается в 2 раза.

 d = 0,693/µ, тогда формула (1) примет вид:

                  l=I₀e^-0.693x/d                                      (2)                                    

Толщина слоя половинного ослабления d берется из таблиц (таблица 2), но если они отсутствуют, то эта величина может быть вычислена приближенно по плотности материала р:

                            d = 23/p,                                    (3)

где 23 см - слой воды, ослабляющий гамма-излучение в 2 раза;     р - плотность материала, г/см³.

Таблица 2–Ослабление в два раза проникающей радиации различными материалами

На практике часто применяется коэффициент ослабления гамма-излучения К_осл проходящего через преграду толщиной х и значением слоя половинного ослабления для данного материала d .

К_осл = I _о /I = exp (0,693x/d),                  (4)

При грубой оценке выражение (4) можно упростить, полагая, что основание натурального логарифма е =2,71828...≈ 2, а 0.693=1, получим:  К_осл ≈ 2 ^x/d.

Основными процессами, сопровождающими прохождение гамма-излучения через вещество, является фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффектом называется процесс, при котором атом полностью поглощает - квант с энергией hv и испускает электрон с кинетической энергией Eh , равной:

Eh = hv - J, (Е≤ 100 – 200 кэв)

где J - энергия ионизации соответствующей атомной оболочки (см. рис. 3 )
.                                                

Рис 3 - процесс фотоэффекта

Если энергия hv достаточна для вырывания электрона из любой атомной оболочки (hv>J_max), то наиболее вероятным будет испускание сильно связанных, т.е. глубинных атомных электронов. Увеличение порядкового номера Z поглотителя приводит к увеличению вероятности фотоэффекта, поскольку ослабляется связь электронов с атомным остатком и возрастает число электронов в атоме. С ростом энергии hv вероятность фотоэффекта понижается.

Комптоновским рассеянием называется такой процесс, при котором -квант, взаимодействуя со слабо связанным электроном, передает ему часть своей энергии hv и рассеивается под углом q к первоначальному направлению, а электрон покидает атом, обладая кинетической энергией Е_к (см. рис4).

Рис 4 - эффект Комптона

1. Е_к колеблется от 200 кэВ до 100 МэВ.

2. Увеличение энергии - квантов приводит к монотонному убыванию ве­роятности эффекта Комптона.

Рождение электронно-позитронной пары - процесс, при котором - квант превращается в пару частиц - электрон и позитрон, в результате взаимодействия с электрическим полем ядра или электрона. Процесс рождения пары частиц в поле ядра возможен при энергиях - квантов, превышающих 1,022 МэВ. Для возникновения такого же процесса в поле электрона энергия - квантов должна достичь порогового значения в 2,04 МэВ (см. рис 5).

Механизм поглощения - излучения зависит от его энергии. Если энергия кванта < 100-200 КэВ, то наиболее вероятным механизмом поглощения является фотоэффект. Образовавшийся при фотоэффекте электрон способен вызвать ионизацию среды в которой он движется.

При энергиях, больших 200 КэВ и вплоть до 100 МэВ, основным механизмом поглощения энергии - квантов является Комптон-эффект. Начиная с энергии - кванта 1,022 МэВ появляется вероятность образования электронно-позитронных пар. Энергия кванта, равная 1,022 МэВ, расходуется на образование пары, а избыток энергии кванта переходит в кинетическую энергию образующихся частиц, которые теряют эту энергию при столкновении с электронами. Наряду с процессом образования пар происходит их аннигиляция с образованием 2-х - квантов.

-излучение распространяется со скоростью света в вакууме (300000 км/с). Путь пробега в воздухе превышает 100м. Это излучение проходит сквозь тело человека.

Для защиты от - излучения применяют бетонные стены толщиной 1,5-2,0 м или преграды из металлов со значительным поглощением (свинец). Для двукратного ослабления - излучения с энергий 0,1 МэВ и 2 МэВ необходим слой свинца толщиной соответственно 0,12мм и 1,4мм. (Путь пробега - кванта с Е = 1 Мэв в воздухе составляет 122м, в биологической ткани 14 см).