Взаимодействие электромагнитных ионизирующих излучений с веществом

Частицы и кванты ионизирующих излучений, распространяясь в веществе, взаимодействуют с электронами и ядрами атомов, в результате чего изменяется состояние, как облучаемого вещества, так и самих частиц, квантов. При этом кинетическая энергия ионизирующих частиц и квантов расходуется на ионизацию и возбуждение атомов.

Ионизация атомов и молекул при облучении веществ ионизирующими излучениями электромагнитной природы может протекать по 3 основным механизмам.

1. Фотоэлектрический эффект, при котором энергия кванта полностью расходуется на разрыв связи электрона с ядром и придание электрону кинетической энергии (Рис. 1а). В облучаемом веществе появляются свободные электроны, обладающие определенной кинетической энергией, которые, соединяясь с нейтральными атомами, образуют отрицательные ионы Энергетические характеристики образовавшихся при фотоэффекте электронов существенно не различаются. Вероятность фотоэлектрического эффекта тем выше, чем ближе значение энергии кванта к значению энергии связи и чем больше число электронов в атоме. Если энергия кванта недостаточна для ионизации, то происходит возбуждение атома. Фотоэффект и возбуждение атомов происходят в основном при облучении мягким рентгеновским излучением. С повышением энергии квантов электромагнитного излучения, вероятность фотоэффекта уменьшается. При облучении квантами с высокими энергиями, превышающими энергию внутриатомных связей (1 МэВ), вклад фотоэффекта в ионизацию атомов незначителен. Большая часть ионов в этом случае образуется по другому механизму размена энергии - эффекту Комтона.

2. Эффектом Комтона называется механизм ионизации, при котором только часть энергии ионизирующего кванта передается вылетающему электрону (Рис. 1б). При этом рассеянный квант изменяет направление движения и может выбить другой электрон. один и тот же квант может ионизировать вещество до тех пор, пока его энергия не уменьшится до значений энергии внутримолекулярных связей и не произойдет фотоэлектрический эффект. В отличие от фотоэлектронов, энергия электронов образующихся при эффекте Комтона, изменяется в широком интервале (от нуля до некоторго максимального значения).

Рис. 1. Схематичное изображение различных способов размена энергии квантов электромагнитного ионизирующего излучения при взаимодействии с веществом

а) фотоэлектрический эффект

б) эффект Комтона

в) образование электрон-позитронных пар

3. При столкновении квантов с ядрами атомов происходит образование электрон-позитронных пар и фотоядерные реакции (рис. 1в). Для образования электрон-позитронных пар необходимо, чтобы энергия квантов была выше суммарной энергии покоя позитрона и электрона (1,02 МэВ). Образовавшаяся электрон-позитронная пара может аннигилировать с образованием двух -квантов с энергией каждого кванта не меньше 511 КэВ, в этом случае возникает вторичное -излучение.

Фотоядерными реакциями называют расщепление атомных ядер при взаимодействии с γ-квантами. Для инициации фотоядерных реакций необходимы кванты с очень высокими значенями энергии, значительно превышающими энергию связи нуклона.

Как видно, электрон-позитронные пары и фотоядерные реакции в веществе возникают только при облучении -лучами высоких энергий.