Характеристика радиоактивных излучений

Радиоактивное излучение невидимо. Оно обнаруживается с помощью различных явлений, происходящих при его действии на вещество (свечение люминофоров или флуоресцирующих экранов, ионизация вещества, почернение фотоэмульсии после проявления и т. п.). Характер испускаемого радиоактивными веществами излучения изучен как по поглощению его в веществе, так и по отклонению этих лучей в электрическом и магнитном поле. Было обнаружено, что радиоактивное излучение в поперечном магнитном поле разделяется обычно на три пучка. Пока не была выяснена природа этих излучений, лучи, отклоняющиеся к отрицательно заряженной пластинке, условно были названы альфа-лучами, отклоняющиеся к положительно заряженной пластинке – бета-лучами, а лучи, которые совсем не отклонялись, были названы гамма-лучами. Такое разделение радиоактивного излучения в электрическом поле позволило установить, что гамма-лучи представляют собой истинные лучи, так как они даже в сильном электрическом или магнитном поле не отклоняются; альфа- и бета-лучи являются заряженными частицами и способны отклоняться.

Альфа-частицы представляют собой ядра атомов гелия и состоят из двух протонов и двух нейронов; они имеют двойной положительный заряд и относительно большую массу, равную 4,003 а. е. м. Масса этих частиц превышает массу электрона в 7300 раз; энергия их колеблется в пределах 2…11 МэВ. Для каждого данного изотопа энергия альфа-частиц постоянна. В спектре альфа-излучения очень незначительный процент короткопробежных и длиннопробежных частиц, поэтому альфа-излучение считают монохроматическим. Пробег альфа частиц воздухе составляет в зависимости от энергии 2…10 см, в биологических тканях – несколько десятков микрометров. Так альфа-частицы массивны и обладают сравнительно большой энергией, путь их в веществе прямолинеен; они вызывают сильно выраженные эффекты ионизации и флуоресценции. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует 100…250 тыс. пар ионов. Поэтому альфа-излучатели при попадании в организм крайне опасны для человека и животных. Вся энергия альфа-частиц передается клеткам организма, что наносит им вред.

Бета-частицы представляют собой поток частиц (электроны или позитроны) ядерного происхождения. Позитрон – элементарная частица, подобная электрону, но с положительным знака заряда. Физическая характеристика электронов ядерного происхождения (масса, заряд) такая же, как и у электронов атомной оболочки.

В отличие от альфа-частиц одного и того же радиоактивного элемента бета-частицы обладают различным запасом энергии от нуля до некоторого максимального значения). Это объясняется тем, что при бета-распаде из атомного ядра вылетают одновременно с бета-частицей нейтрино.

Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между бета-частицей и нейтрино. Если бета-частица вылетает из ядра с большим запасом энергии, то нейтрино испускается с малым уровнем энергии и наоборот. Поэтому энергетический спектр бета-излучения сплошной или непрерывный.

Поскольку бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента имеют различный запас энергии, то величина их пробега в одной и той же среде будет неодинаковой. Пусть бета-частиц в веществе извилист, так как, имея крайне малую массу, они легко изменяют направление движения под действием электрических полей встречных атомов. Бета-излучение обладает меньшим эффектом ионизации, чем альфа-излучение. Оно образует 50…100 пар ионов на 1 см пути в воздухе и имеет «рассеянный тип ионизации».

Пробег бета-частиц в воздухе может составлять в зависимости от энергии до 25 м, в биологических тканях – до 1 см. Скорость движения бета-частиц в вакууме равна 1 ·10¹º…2.9·10¹º см/с (0,3…0,99 скорости света).

Различные радиоактивные изотопы значительно отличаются друг от друга по уровню энергии бета-частиц. Максимальная энергия бета-частиц различных элементов имеет широкие пределы – от 0,015…0,05 МэВ (мягкое бета-излучение) до 3…12 МэВ (жесткое бета излучение).

Гамма-излучение представляет собой поток электромагнитных волн, так же как радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, рентгеновское излучение.

Различные виды электромагнитного излучения отличаются условиями образования и определенными свойствами (длиной волны, энергией).

Рентгеновское излучение возникает при торможении электронов в электрическом поле ядер атомов вещества (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновское излучение). При различных переходах атомов и молекул из возбужденного состояния в невозбужденное может происходить испускание видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.

Гамма-кванты – это излучение ядерного происхождения. Они испускаются ядрами атомов при альфа- и бета-распаде природных и искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- и бета-частицей). Это избыток мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов.

Гамма-кванты лишены массы покоя. Это значит, что фотоны существуют только в движении. Они не имеют заряда и поэтому в электрическом и магнитном полях не отклоняются. В веществе и вакууме гамма-лучи распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Скорость распространения их в вакууме равняется скорости света(3·10¹º см/с).

Энергия гамма-кванта Eγ пропорциональна частоте колебаний и определяется по формуле

Eγ=һν

Частота колебаний гамма-квантов связана с длинной их волны. Чем больше длина волны, тем меньше частота колебаний, и наоборот, т.е. частота колебаний обратно пропорциональна длине волны. Чем меньше длина волны и больше частота колебаний излучения, тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма-излучения естественных радиоактивных элементов колеблется от нескольких килоэлектронвольт до 2…3 МэВ и редко достигает 5…6 МэВ.

Гамма-излучатели редко имеют однозначную энергию квантов (моноэнергетический или монохроматический спектр). В состав потока гамма-излучения чаще входят кванты различной энергии. Однако «набор» их для каждого изотопа постоянен и образует линейчатый спектр излучения.

Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизирующее действие, но обладают большой проникающей способностью. Путь пробега в воздухе достигает 100…150 м.