Взаимодействие бета-частиц с веществом
Курсовая работа на тему:
Взаимодействие бета-частиц с веществом
Для того чтобы уметь регистрировать ядерное излучение и для того чтобы уметь от него защищаться (если это нужно), необходимо знать, за счет каких процессов теряет свою энергию частица, проходя через вещество; какова проникающая способность частиц; как зависят вероятности различных процессов взаимодействия от параметров частицы (заряда, массы, энергии) и от свойств вещества (заряда ядер, плотности, ионизационного потенциала).
Перечислим основные процессы взаимодействия заряженных частиц и Y-квантов с веществом (вопрос о взаимодействии нейтронов будет рассмотрен отдельно в главе, посвященной физике нейтронов).
Взаимодействие заряженных частиц со средой.
1. Основной причиной потерь энергии заряженной частицей при прохождении через вещество являются столкновения ее с атомами этого вещества. Ввиду того, что масса ядра всегда велика по сравнению с массой электронов атома, можно достаточно четко провести различие между «электронными столкновениями», при которых энергия падающей частицы передается одному из электронов атома, в результате чего происходит возбуждение или ионизация атома (неупругое столкновение), и «ядерными Столкновениями», при которых импульс и кинетическая энергия частицы частично переходят в поступательное движение атома как целого (упругое столкновение). Повторяясь, эти ядерные столкновения приводят к многократному рассеянию частиц в веществе.
2. Существенную роль в потерях энергии легких заряженных частиц (электронов) играет также радиационное торможение. Сущность этого процесса заключается в том, что при рассеянии заряженной частицы кулоновским полем ядра или электрона эта частица получает ускорение, что в соответствии с законами электродинамики всегда приводит к электромагнитному излучению. Возникает непрерывный спектр -лучей — тормозное излучение.
3. В случае тяжелой частицы (протон, - частица и др.), когда ее энергия достаточно велика для преодоления кулоновского барьера ядра, может произойти также процесс потенциального рассеяния на ядрах или же ядерная реакция, сопровождающаяся вылетом из ядра различных частиц, испусканием - квантов, делением ядра и др.
4. При движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света в этой среде , где п — показатель преломления среды, возникает специфическое свечение, названное излучением Вавилова—Черенкова.
Взаимодействие -излучения со средой.
-лучи, проходя через вещество, теряют свою энергию главным образом за счет следующих явлений.
1. Комптон-эффект, или рассеяние - квантов на электронах, при котором фотоны передают часть своей энергии электронам атома.
2. Фотоэффект, или поглощение - кванта атомом, когда вся энергия фотона передается электрону, вылетающему в результате этого из атома.
3. Образование электрон-позитронных пар — процесс, который может происходить в поле ядра или другой частицы при энергиях -квантов
4. Ядерные реакции, возникающие обычно при энергиях -квантов, превышающих 10 МэВ.
Во многих физических экспериментах применяются пучки электронов, причем энергия электронов может быть самой разной — от долей электронвольта до миллионов электронвольт. В ядерной физике используются как пучки электронов, полученные на ускорителе, так и пучки электронов, возникающих при бета-распаде радиоактивных ядер - "бета-частицы". В обоих случаях могут быть получены сведения о свойствах атомных ядер и строении вещества. Знание энергии бета-излучения необходимо для многих научных и практических целей.
В отличие от альфа-частиц бета-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, имеют непрерывный, энергетический спектр, в котором представлены бета-частицы, имеющие все значения кинетической энергии от нуля до некоторого максимального значения.
Бета-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра, при котором его заряд (Z) меняется на единицу, а массовое число (А) остается неизменным.
Различают три вида бета-распада:
1. -распад, при котором из ядра испускается электрон и антинейтрино :
(1)
При - распаде , т. е. число протонов в ядре увеличивается на единицу, а число нейтронов уменьшается на единицу.
2. -распад, при котором из ядра испускается позитрон и нейтрино :
. (2)
-распад может происходить только в случае, если масса исходного атома превышает массу конечного атома на величину . При -распаде.
3. Электронный захват, при котором один из электронов атомной оболочки (например, электрон К-оболочки) захватывается ядром и при этом испускается нейтрино :
(3)
Если энергия распада больше энергии связи К-электронов (самых близких к ядру), то происходит преимущественно К-захват. При электронном захвате .
Бета-процессы обусловлены слабым взаимодействием - одним из четырех видов известных фундаментальных взаимодействий. Однако вероятность бета-распада в отличие от "слабого" распада элементарных частиц, зависит от структуры ядра. Исследования бета-процессов привели к крупным открытиям в физике: обнаружению новой элементарной частицы — нейтрино и открытию несохранения четности при слабых взаимодействиях. Экспериментальное изучение бета-распада приносит много новых данных о структуре ядер.
При - и -распаде из ядра испускаются две частицы. В каждом единичном акте распада энергия перехода делится между бета-частицей и нейтрино (энергией отдачи ядра можно пренебречь), так что кинетическая энергия электрона (или позитрона) может принимать любые значения от нуля до максимально возможной величины . При электронном захвате энергия делится только между нейтрино и ядром отдачи, при этом нейтрино уносит практически всю энергию распада. Для большого количества одинаковых ядер в результате статистического усреднения получается вполне определенное распределение электронов (позитронов) по энергиям. Это распределение называется бета-спектром, а величина - граничной энергией бета-спектра. Значения для бета-распада для различных радиоактивных веществ могут сильно различаться. Например, радиоактивный нуклид (тритий) испускает бета-частицы с =18,60 кэВ, в случае же граничная энергия спектра равна 16,6 МэВ. Большая часть значений лежит в интервале 10—5000 кэВ. Максимальная энергия бета-частиц определяет энергию распада и является важной физической величиной.
Рис. 1. Бета-спектр и схема распада 32Р
Рис. 2. Бета-спектр с линиями электронов внутренней конверсии
Типичный бета-спектр показан на рис. 1. Бета-распад 32Р происходит на основное состояние 32S и не сопровождается -излучением (см. схему распада). Во многих случаях бета-распад происходит на возбужденные уровни ядра-продукта. В этих случаях бета-и:злучение сопровождается -излучением. При этом возбужденное ядро может передать энергию электронам атомных оболочек, в результате чего образуются моноэнергетические группы электронов с энергией , где hv — энергия -излучения, Есв — энергия связи на одной из атомных оболочек. Это явление называется эффектом внутренней конверсии -излучения. Электроны внутренней конверсии могут затруднять измерения бета-спектров. Участок бета-спектра с линиями электронов внутренней конверсии при распаде показан на рис. 2.
Взаимодействие электронов с веществом
Электроны, движущиеся в веществе, взаимодействуют с его атомами, в результате чего теряют свою энергию и отклоняются от первоначального направления, т. е. рассеиваются. Рассеяние называется упругим, если сохраняется сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц. Всякое иное рассеяние называется неупругим. Следует различать взаимодействие электронов с атомными электронами и атомными ядрами, хотя оба вида взаимодействия всегда происходят одновременно.
Взаимодействие -частиц с атомными электронами приводит к передаче атомному электрону некоторой энергии, следствием чего является либо ионизация, либо возбуждение атома. Оба вида передачи энергии имеют примерно равную вероятность и объединяются под общим названием "ионизационные потери энергии". Теория ионизационных потерь электронов была разработана Бором, а также Бете и Блохом, которые получили формулу для потери энергии на ионизацию на единице пути
(4)
где и Е — скорость и кинетическая энергия падающего электрона; и е масса покоя и заряд электрона; Z заряд ядра; п — число атомов в 1 см3 среды (, где А — атомный номер вещества); — средняя энергия возбуждения атома; — член, учитывающий поляризацию среды.
Л. Д. Ландау показал, что средние потери энергии монохроматическими электронами при прохождении слоя вещества с атомным номером А и зарядовым числом Z составляют:
(5)
где — плотность вещества, г/см3, — толщина слоя вещества, см.
Так как отношение Z/A для разных веществ приблизительно постоянно, то величина (dE/dx) в формуле (5.5) практически зависит лишь от плотности вещества . Очень слабая зависимость от Z проявляется только в средней энергии возбуждения , которая стоит под знаком логарифма. Следовательно, пробег электронов с данной первоначальной энергией Е в различных веществах с одинаковой плотностью будет приблизительно одинаковым. Поэтому за меру толщины вещества, взаимодействующего с электронами, берут произведение линейной толщины и плотности вещества и выражают пробег в единицах г /см2 или мг/см2.
При взаимодействии-частиц с ядрами происходят процессы упругого рассеяния электронов в кулоновском поле ядра и неупругого рассеяния, сопровождаемого испусканием электромагнитного излучения.
Упругое рассеяние электронов в кулоновском поле ядра может быть условно разделено на четыре класса: однократное рассеяние, кратное рассеяние, многократное рассеяние и диффузия. Если толщина слоя мала, , где — эффективное сечение процесса), то происходит только однократное рассеяние, т. е. почти все рассеяние обусловлено только одним ядром. Для больших толщин () получается кратное рассеяние, т. е. угол рассеяния обязан нескольким последовательным однократным актам рассеяния. При многократном рассеянии (среднее число актов рассеяния больше 20) угловое распределение рассеянных электронов является приблизительно гауссовым до тех пор, пока средний угол рассеяния меньше 20°. Для еще больших толщин ()угловое распределение рассеянных электронов принимает вид . Средний угол рассеяния достигает максимальной величины =33° и остается постоянным при дальнейшем увеличении толщины. Это случай полной диффузии. Электроны выходят из слоя также и со стороны падающего пучка— это так называемое обратное рассеяние электронов.
