Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Биологическое действие ионизирующих излучений

Раздел 4.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.

Общие вопросы взаимодействия излучения с веществом. Взаимодействие заряженных частиц с веществом и их пробег. Процессы взаимодействия фотонного излучения с веществом. Коэффициенты передачи и поглощения энергии. Эффективный атомный номер. Взаимодействие нейтронов различных энергетических групп с веществом.

Для рассмотрения физических основ дозиметрии и защиты от ИИ достаточно проанализировать два вида взаимодействий излучения с веществом: сильное и электромагнитное, из известных четырех видов взаимодействия (сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное).

Сильное взаимодействие наиболее интенсивное и короткодействующее. Переносчиками сильного взаимодействия являются p-мезоны. При прохождении частиц через вещество, сильное взаимодействие проявляется как в процессах непосредственного взаимодействия (захват одних частиц ядром и образованием других), так и в процессах распада ядер и частиц. Для него характерно большое сечение взаимодействия 10^-24 ÷ 10^-27 см². Сильное взаимодействие со средой происходит при прохождении через нее адронов (p, n, атомных ядер).

Электромагнитное взаимодействие – второе по интенсивности. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны. Оно определяет взаимодействие заряженных частиц и фотонов (рентгеновского и γ-диапазоне) с атомами среды. Сечение взаимодействия с атомными ядрами существенно ниже, чем у сильного. Дальнодействующий характер взаимодействия в большей степени определяет доминирующую роль взаимодействия с атомами.

По механизму прохождения через вещество частицы условно делятся на четыре группы:

• Тяжелые заряженные частицы (α, p, d, ионы)
• Легкие заряженные частицы (е^-, е⁺, µ^±, π^±)
• Рентгеновское и γ-излучение
• Нейтроны

Для описания движения отдельной частицы в веществе, необходимо знать ее массу  , заряд z, энергию Е, импульс р. К основным характеристикам вещества относятся его плотность ρ, средний потенциал ионизации , атомный номер А и заряд Z образующих вещество элементов.

Взаимодействие ионизирующей частицы с атомами и ядрами вещества может быть упругим и неупругим.

Упругое рассеяние – процесс взаимодействия частиц, при котором сохраняется полная кинетическая энергия всех взаимодействующих частиц, но происходит ее перераспределение между частицами.

Неупругое – процесс взаимодействия частиц, при котором часть полной энергии расходуется на возбуждение внутренних степеней свободы атома или ядра, энергию излучения или образующихся частиц: Е_нач = Е_кон + Е_возб

Закон ослабления. Все виды излучения при прохождении через среду экспоненциально ослабляются. В геометрии узкого пучка:

где S - макроскопическое сечение процесса - доля частиц, которая прошла элемент пути Dx:

где  - средняя длина пробега частиц. На данной толщине излучение ослабляется в е раз.

Микроскопическое сечение.

где s - микроскопическое сечение;N - число всех взаимодействующих частиц в 1 см² тонкой мишени; F - флюенс частиц; n - концентрация частиц – мишеней в единице объема мишени.

Электронные и атомные сечения.

где σ_а – микроскопическое сечение, рассчитанное на один атом,  r - плотность; А - массовое число, N_A – число Авогадро.

Массовое сечение:

Единица измерения – [см² / г].

Связь между этими коэффициентами определяется соотношением:

Взаимодействие заряженных частиц с веществом

Заряженная частица – это прямо ионизирующая частица, которая, двигаясь в веществе, теряет энергию на:

n возбуждение;

n ионизацию;

n торможение в кулоновском поле (ядра);

n упругое взаимодействие.

Заряженные частицы, проходя через вещество, взаимодействуют преимущественно с атомами и молекулами среды. Вероятность взаимодействия с ядром существенно меньше, поскольку поперечные размеры ядра на 4-5 порядков меньше поперечного размера атома.

Особенности данных типов взаимодействия:

Упругое взаимодействие - т.е. взаимодействие, при котором сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц до взаимодействия и после сохраняется неизменной - в дозиметрии не учитывается в виду малого его вклада (1-2%).

Возбуждение - взаимодействие, вызывающее переход электронов атома