Законы теплового излучения Фотоэффект Квантовый гармонический осциллятор Операторы энергий Ядерная  модель атома Спин  электрона Квантовые  генераторы Бозоны  и фермионы Зонная  теория твёрдых тел Электропроводимость  металлов


Курс лекций по физике

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

В веществе быстрые заряженные частицы взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов.

А). Электрон, получив дополнительную энергию, переходит на один из удалённых энергетических уровней или совсем покидает атом. Происходит возбуждение или ионизация атома.

Б). При прохождении вблизи атомного ядра быстрая заряженная частица испытывает торможение в его электрическом поле, которое сопровождается испусканием квантов тормозного рентгеновского излучения.

В). Возможно упругое и неупругое соударение заряженных частиц с атомными ядрами.

Длина пробега частицы зависит от:

 – её заряда;

 – массы;

 – начальной энергии;

 – свойств среды.

Пробег увеличивается с возрастанием начальной энергии, уменьшением плотности среды, с уменьшением скорости частицы (при одинаковых энергиях массивные частицы имеют меньшую скорость и более эффективно взаимодействуют с атомами среды).

Проникающую способность β-частиц обычно характеризуют толщиной слоя вещества, полностью поглощающего все β-частицы. Пластина алюминия толщиной 3,5 мм полностью защищает от β-частиц с энергией Емакс = 2 МэВ.

α-частицы имеют малый пробег в веществе: ~ 2,5 см в воздухе и сотые доли мм в мягких тканях человека.

α- и β-излучения не представляют большой опасности при внешнем облучении, но могут причинить серьёзный вред здоровью при попадании внутрь человека с пищей, водой и воздухом или при загрязнении радиоактивными веществами поверхности тела.

Нейтроны при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов, но при столкновении с атомными ядрами они могут выбивать из них заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды.

γ-кванты  взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам (явление фотоэффекта, эффекта Комптона или рождение электрон-позитронных пар). Возникающие быстрые электроны производят ионизацию атомов среды.

Пробег γ-квантов и нейтронов в воздухе измеряется сотнями метров, а в твёрдом веществе от десятков см до нескольких метров.

Потоки γ-квантов и нейтронов  представляют наибольшую опасность для человека при внешнем облучении.

Энергия

 γ-квантов, МэВ

Толщина слоя вещества, ослабляющая поток γ-излучения в десять раз, см

вода

бетон

свинец

0,5

24

12

1,3

5,0

76

36

4,7

Детектирование  различных излучений

Так как все виды элементарных частиц в конечном итоге приводят к ионизации атомов среды то приборы для регистрации этих частиц основаны на выявлении актов ионизации.

Первая группа приборов – устройства, регестрирующие факт пролёта частицы – ионизационные камеры, газоразрядные, сцинтилляционные, полупроводниковые и черенковские счётчики.

В сцинтилляционном счётчике заряженная частица вызывает возбуждение атомов, которые переходя в основное состояние дают заметную вспышку (сцинтилляцию). Счётчик состоит из датчика, светопровода и фотоумножителя. Импульсы с фотоумножителя подвергаются счёту.

Полупроводниковый счётчик – полупроводниковый диод. В нормальном состоянии диод заперт. При прохождении через переходный р-п-слой быстрая заряженная частица порождает электроны и дырки открывающие диод.

Счётчики части объединяют в группы, чтобы зарегистрировать только такие события, которые отмечаются одновременно несколькими приборами.

Вторая группа приборов – трековые устройства – камеры Вильсона, диффузионные, пузырьковые, искровые и эмульсионные камеры.

В камере Вильсона дорожка из ионов становится видимой потому, что на ионах происходит конденсация пересыщенных паров какой либо жидкости (обычно пары спирта в инертном газе). Прибор работает циклами (0,1 с через 100 с) так как пересыщение достигается быстрым адиабатическим расширением рабочей смеси.

В диффузионной камере пересыщение достигается в результате диффузии паров спирта от тёплой (t = 10oC) крышки камеры к охлаждаемому (t = – 70оС) дну. В отличие от камеры Вильсона диффузионная камера работает непрерывно.

В пузырьковой камере пересыщенные пары заменены прозрачной перегретой жидкостью (давление жидкости ниже давления насыщенного пара).

Эмульсионная камера состоит из толстой пачки тонких фотопластин. После облучения пачка разбирается на слои, каждый из которых проявляется и просматривается под микроскопом. Перед разборкой пачки на все слои наносится с помощью рентгеновских лучей одинаковая координатная сетка.

Искровая камера состоит из системы плоских параллельных друг другу металлических электродов, которые соединены через один с заземлением. Если в момент подачи на незаземлённые электроды высоковольтного импульса через камеру пролетает ионизирующая частица, то её путь будет тмечен цепочкой искр.


Собственная и примесная  проводимость полупроводников