25 Источники бета-излучения. Взаимодействие электронов с веществом.

Источниками бета-излучения являются ядра, претерпевающие бета-распад.

Бета-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра, при котором его заряд (Z) меняется на единицу, а массовое число (A) остается неизменным.

Различают три вида бета-распада:

1. β−-распад, при котором в ядре происходит превращение нейтрона в протон и из ядра испускаются электрон (e⁻) и анти-нейтрино ():

AZ → A(Z + 1) + e⁻+. (5.1)

При β−-распаде ∆Z = +1.

2. β+-распад, при котором в ядре происходит превращение протона в нейтрон и из ядра испускаются позитрон (e⁺) и нейтрино ():

AZ → A(Z − 1) + e⁺+ νe.

Электроны, проходя через вещество, испытывают упругое и неупругое рассеяние. При упругом рассеянии часть кинетической энергии падающего электрона передается ядру, которое можно считать неподвижным. В результате многократного упругого рассеяния узкий пучок моноэнергетических электронов, проходя через толстый слой вещества, постепенно расширяется. При неупругом рассеянии электроны расходуют свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов поглотителя. Эти процессы обладают равной по порядку величины вероятностью и обычно объединяются под общим названием ионизационных потерь энергии. Согласно теории Бора и Бете, средняя ионизационная потеря на единице пути при взаимодействии электронов с веществом (при b =v/c*0,5) определяется соотношением:

(2.10)

где e— заряд электрона;Z— порядковый номер атомов вещества;m_e— масса электрона;v_e— скорость электрона;— средняя энергия ионизации атома вещества; — число атомов в единице объема вещества;M— молярная масса вещества.

Величина изменяется относительно мало, поэтому величиназависит в основном от плотности тормозящего вещества и энергии электронов.

Некоторые вторичные электроны, возникающие на пути первичного электрона, могут обладать достаточной энергией, чтобы производить ионизацию. Полная плотность ионизации равна сумме пар ионов, производимых как первичными, так и вторичными электронами на пути первичной частицы.

Кроме потерь энергии на возбуждение и ионизацию, электроны теряют энергию вследствие испускания тормозного излучения, возникающего при ускорении электронов в кулоновском поле ядра. Эти потери энергии называются радиационными. Согласно теории Бете и Гайтлера, средние радиационные потери энергии электроном на единице пути равны

(2.11)

где — классический радиус электрона.

Следовательно, радиационные потери возрастают пропорционально Z², в то время как потери на ионизацию пропорциональныZ.

Полные потери энергии электронов в веществе складываются из ионизационных и радиационных потерь.

26 Взаимодействие нейтронов с веществом.

Нейтроны (n), не имеющие электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. Нейтроны, проходя через вещество, непосредственно не ионизируют атомы и молекулы, как заряженные частицы. Поэтомуnобнаруживают по вторичным эффектам, возникающим при взаимодействии их с ядрами. При столкновениях с атомными ядрами они могут выбивать из них заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды. В результате соударения нейтронов с ядрами вещества природа последних не изменяется, а самиnрассеиваются на атомных ядрах. При этом следует рассматривать упругое и неупругое рассеяния. При втором виде взаимодействия изменяется природа соударяющихся частиц. Происходят ядерные реакции типа (n, α), (n, p), (n, γy), (n, 2n) и т.д., и наблюдается деление тяжелых ядер.

Явления, происходящие при взаимодействии nс ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов.

В зависимости от энергии нейтронов, их подразделяют на следующие группы:

- ультрахолодные нейтроны- нейтроны с энергией менее 10-⁷эв.

- холодные нейтроны- < 5*10^-3эв.

Ультрахолодные и холодные отличаются аномально большой проникающей способностью при прохождении через поликристаллические вещества.

- тепловые нейтроны(<0.1 эВ) - нейтроны, находящиеся в термодинамическом равновесии с рассеивающими атомами окружающей среды. При диффузии через относительно слабо поглощающие среды их скорости стремятся к максвелловскому распределению.

- надтепловые нейтроны(от 0.1 эв до 0.5 кэв) - При прохождении надтепловыхnчерез поглощающие и рассеивающие среды сечение взаимодействия подчиняется в основном закону 1/v, где v скорость нейтрона.

- нейтроны промежуточных энергий– (0.5 кэв до 0.2 Мэв) - типичным процессом взаимодействия с веществом является упругое рассеяние.

- быстрые нейтроны(0.2 Мэв - 20 Мэв) - Характеризуются как упругим, так и неупругим рассеянием и возникновением пороговых ядерных реакций.

- сверхбыстрые нейтроны(> 20 Мэв) - Они отличаются ядерными реакциями с вылетом большого числа частиц. При энергии > 300 Мэв наблюдается слабое взаимодействиеnс ядром (прозрачность ядер для сверхбыстрых нейтронов) и появление "реакции скалывания", в результате которой бомбардируемое ядро испускает несколько осколков

В связи с отсутствием у nэлектрического заряда они проходят в веществе без взаимодействий сравнительно большие расстояния, измеряемые сантиметрами. Эффективные сечения взаимодействия нейтронов с электронами атома малы (σ≈10-22 см2) по сравнению с сечением взаимодействия заряженной частицы с атомом (σ≈10-16 см2).

Вероятность прохождения той или иной реакции определяется микроскопическим сечением реакции (сечение сферы, описанной вокруг ядра). Пересекая сферу, нейтрон может вступить в реакцию с ядром. Вне сферы радиусом r = σ /π взаимодействия не происходят.

Быстрые nпередают энергию главным образом в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Энергия, переданная отnядру (Еядра), зависит от массы ядра и угла рассеяния.

В среде из легких ядер nмогут передавать практически всю свою энергию в результате одного столкновения, если столкновение лобовое. Для быстрыхnнаиболее важным результатом взаимодействия являются упругие (n,n) и неупругие (n,n') столкновения с атомными ядрами.

Для медленных nнаблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определенных значениях энергий нейтронов Еn, характерных для данного вещества. Основные процессы - рассеяние и замедление нейтронов до тепловых скоростей.

Наиболее характерными реакциями при взаимодействии тепловых нейтронов с веществом являются реакции радиационного захвата (n, γ).

В области тяжелых ядер начинают проявлять себя реакции деления (n,f). Однако для живой материи, состоящей преимущественно из легких элементов, эти реакции несущественны.