Типы ионизирующих излучений

Ионизирующими называют различные типы излучений, обладающие способностью вызывать ионизацию атомов, молекул облучаемого вещества. Ионизация обусловлена взаимодействием излучения с электронными оболочками и ядрами атомов, вследствие чего энергия квантов или частиц излучения поглощается электронами. В процессе ионизации нейтральных молекул возникают положительно и отрицательно заряженные ионы. Ионизация обычно происходит путем отрыва электронов внешних орбиталей. Количество энергии, достаточное для отрыва электрона от атома называется ионизационным потенциалом.

Энергия ионизирующих частиц и квантов измеряется в электронвольтах (1 эВ = 1,6 10^-19 Дж; 1 Дж = 6,24 10¹⁸ эВ). 1 электронвольт - эта энергия электрона, которую он приобретает при пролете его между пластинами конденсатора с разностью потенциалов 1 В и расстоянием между ними 1м. В радиобиологии широко используется производные единицы от электронвольта: 1 килоэлектронвольт (кэВ) = 1000 эВ; 1 мегаэлектронвольт (МэВ) = 1000 кэВ). Для ионизации атомов, входящих в состав биологических молекул, достаточно поглощения атомами минимальной энергии 10 –12 эВ.

По физической природе ионизирующие излучения разделяются на два типа: электромагнитные и корпускулярные излучения. Электромагнитные ионизирующие излучения представляют собой электромагнитные волны с определенной частотой и длиной волны, от которых зависит энергия квантов. Электромагнитные ионизирующие излучения могут иметь различное происхождение. Экспериментально показано, что ионизирующим эффектом обладают все электромагнитные излучения с длиной волны меньше 100 нм. Корпускулярные излучения являются потоком элементарных частиц или ядер атомов, обладающих высокими скоростями. Основными физическими характеристиками ионизирующей частицы являются масса покоя, ее электрический заряд и начальная энергия. Рассмотрим подробно электромагнитные и корпускулярные типы излучений.

Электромагнитные ионизирующие излучения, можно разделить на три типа, различающихся по происхождению: рентгеновское излучение,  - излучение, синхротронное (тормозное) излучение.

Рентгеновское излучение представлено электромагнитными волнами с длиной волны в интервале 10^-3 - 10 нм, что соответствует энергии квантов от 1237 кэВ до 0,12 эВ. Длинноволновая часть спектра рентгеновского излучения перекрывается коротким ультрафиолетовым излучением, коротковолновая часть - длинноволновым -излучением. Рентгеновское излучение образуется при торможении получаемых в вакууме быстрых электронов. Наиболее распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка ( рис.1). Основными частями трубки являются электроды, которые располагаются в вакуумной камере. Подогреваемый катод испускает поток электронов, который тормозится на аноде. Анод изготовляется из тугоплавкого металла (вольфрама, молибдена) и имеет наклонную поверхность, для того чтобы направить рентгеновское излучение под углом к оси прибора.

Рис. 1. Схематичное изображение рентгеновской трубки.

В результате торможения электронов в электростатическом поле атомных ядер анода возникает тормозное рентгеновское излучение. При торможении электрона только часть ее энергии расходуется на образование кванта рентгеновского излучения. Остальное количество энергии электрона превращается в тепловую энергию и расходуется на нагревание анода. Соотношение между распределением энергии на нагревание и образование кванта является случайным. Поэтому при торможении на аноде большого количества электронов, появляются кванты с различной энергией, и соответственно, спектр тормозного рентгеновского излучения носит непрерывный (сплошной) характер. Сплошной рентгеновский спектр не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардируемых анод электронов. На рис. 2 показана типичная зависимость энергии квантов от длины волны рентгеновского излучения при разных значениях напряжения между электродами.

В каждом спектре наиболее коротковолновое излучение возникает, когда энергия, приобретенная электроном в электрическом поле, полностью переходит в энергию кванта.

_min = hc/(eU)

Для практических целей используется более удобная формула

_min = 12,37 /U

где _min – длина волны, нм; U – напряжение между электродами, кВ; h – постоянная Планка (4,13 10^-15 эВ с^-1); с – скорость света в ваккуме ( 3 10¹⁰ смс^-1); е – масса электрона.

Рис.2. Тормозные спектры рентгеновского излучения при различных значениях напряжения между электродами

Коротковолновое (жесткое) рентгеновское излучение обладает более высокой энергией квантов и большей проникающей способностью, чем длинноволновое (мягкое) излучение. Регулируя напряжение между электродами, можно изменять спектральный состав рентгеновского излучения, увеличивать или снижать его жесткость.

При изменении температуры накала катода, изменяется интенсивность эмиссии электронов. Так, повышение температуры катода приводит к увеличению количества испускаемых с него электронов в единицу времени, и соответственно, повышению силы тока. На рисунке 3 показан спектр рентгеновского излучения при разных значениях силы тока накала катода (I₁  I₂) .

Когда энергия бомбардирующих анод электронов оказывается достаточной для выбивания электронов с внутренних оболочек атомов анода, то на фоне сплошного спектра появляются отдельные пики. Возникает так называемый линейчатый, дискретный спектр (рис. 3). Линейчатый спектр рентгеновского излучения определяется составом атомов, входящих в материал анода и поэтому называется характеристическим рентгеновским спектром. Характеристический спектр атома не зависит от химического его окружения, т.е. от состава молекулы. Например, рентгеновский спектр атома кислорода одинаков и для O, O₂, H₂O. Таким образом, спектр излучения рентгеновской трубки представляет собой наложение тормозного и характеристического рентгеновских спектров.

Рис.3. Спектр рентгеновского излучения при различных значениях силы тока на катоде энергии

Гамма- излучение - электромагнитное излучение при радиоактивном распаде ядер радиоактивных элементов. Оно сопровождает - и -распады, а также возника­ет при ядерных реакциях, при торможении заряженных ча­стиц, их распаде. Гамма- излучение не отклоняется электрическим и магнит­ным полями, обладает очень высокой проникающей способностью в веществе; при прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Это излучение облада­ет чрезвычайно малой длиной волны ( = 10^-3 - 10^-6 нм) и вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. является потоком частиц – (гамма- квантов) с энергией

E₀ = h = hc/

где  - частота волны, Гц;  - длина волны, нм; h –постоянная Планка.

Спектры  - излучения являются дискретными (линейчатыми), т.е. излучению с определенной длиной волны соответствует кванты с соответствующей энергией (Рис.4). Излучение испускается не материнским, а дочерним ядром в момент ее образования. При радиоактивных распадах естественных радионуклидов -кванты обладают энергией от 10 кэВ до 6 Мэв. При -излучении масса и заряд дочернего ядра не изменяются. Гамма-излучение редко характеризуется монохроматическим (моноэнергетическим) спектром. В большинстве случаев, -излучение конкретного радионуклида состоит из нескольких квантов различной длины волны, и сооответственно, различной энергии. Так, линейчатый спектр излучения обнаруживается при распаде изотопа I¹³¹, когда излучаются 5 типов квантов с энергиями 80, 163, 364, 722 кэВ. Радиоактивный бром Br⁸² излучает 11 типов квантов с энергиями от 0,248 до 1,453 МэВ, а кадмий Cd¹¹⁵ излучает 13 типов квантов с энергиями от 0,335 до 1,280 МэВ. Примером монохроматического излучения является гамма-излучение с энергией квантов 611 Кэв, которое обнаруживается при распаде Cs¹³⁷.

Гамма излучение характеризуется слабым ионизирующим эффектом, но обладает высокой проникающей способностью. Длина пути пробега гамма-квантов в воздухе может достигать до 150 м (более подробно см на стр.).

Рис. 4. Спектр  - излучения при распаде ядер атомов

Синхротронное (тормозное) излучение представлено электромагнитными волнами, возникающими при торможении электронов и других заряженных частиц в веществе. Характеризуется непрерывным спектром излучения с длинами волн от 10^-3 до 100 нм. Впервые этот тип излучения был обнаружен при ускорении ядер и элементарных частиц в искусственных условиях (в синхрофазотронах), и поэтому получил название синхротронного излучения. Впоследствии такое излучение было обнаружено и при других условиях: при работе рентгеновских и электронно-лучевых трубок, при торможении -частиц радиоактивных элементов и т.д. Тормозное излучение обладает теми физическими характеристиками, что и рентгеновское и гамма излучение.