Фiзичнi засади радiометричних вимiрювань

7 ФІЗИЧНІ ЗАСАДИ РАДІОМЕТРИЧНИХ ВИМІРЮВАНЬ

Як відому з курсу фізики, майже в усіх відомих хімічних елементів існує декілька ізотопів (ядер з однаковою кількістю протонів та різною кількістю нейтронів). Ядра ізотопів переважно нестабільні і самовільно розпадаються з випромінюванням частинок. Такі ядра називають радіоактивними, а явище самовільного розпаду з випромінюванням певних частинок – радіоактивністю. Загальне число відомих сьогодні радіоактивних ядер становить близько 2000 різновидів, з них приблизно 300 – природні, а решта отримані унаслідок штучних ядерних перетворень.

Явище радіоактивності охоплює низку спонтанних ядерних перетворень, до яких належать α– і β–розпад, а також спонтанний поділ ядер важких елементів з протонним числом понад 90 з виділенням нейтронів і деякі інші види розпаду (наприклад, дво протонний та нейтронний розпад, які, проте, в природних умовах практично не трапляються). Тому під терміном „радіоактивність” зазвичай розуміють найпоширеніші  α– і β–розпад.

Зазначимо, що α–розпад полягає у самовільному розпаді важких ядер (з Z > 83) і супроводжується випусканням α–частинок (ядер гелію); відомо понад 200 α–радіоактивних ядер, значна частина яких – штучні ізотопи;

β–розпад полягає у самовільному випромінені ядром електронів, позитронів, нейтрино та антинейтрино; відомо понад 700 штучних β–активних ізотопів.

Ці види розпаду зазвичай супроводжуються випромінюванням порцій електромагнітного випромінювання – гамма–квантів.

Утворені при розпаді ядер потоки заряджених і незаряджених частинок називають іонізуючим випромінюванням. Це випромінювання при взаємодії з речовиною передає їй енергію, іонізує її і таким способом зумовлює виникнення у ній нових заряджених частинок.

При взаємодії α–частинок з речовиною довжина їхнього пробігу у середовищі залежить від енергії α–частинки і властивостей останнього. Під час руху у середовищі α–частинка інтенсивно гальмується, витрачаючи свою енергію на іонізацію і збудження атомів середовища.

Під час проходження через речовину β–частинки витрачають свою енергію на іонізаційні та випромінювальні (радіаційні) процеси. Іонізаційні втрати зумовлені іонізацією атомів і збудженням електронів речовини, а радіаційні є втратами енергії β–частинок при гальмуванні у середовищі з утворенням рентгенівського випромінювання.

Гамма–випромінюванню, яке виникає при радіоактивних перетвореннях ядер, властива енергія від декількох тисяч до декількох мільйонів електрон–вольт. Іонізуюча дія  γ–випромінювання у сотні разів менша, ніж β–частинок, у тисячі разів менша, ніж у α–частинок, і залежить від енергії кванта. Залежно від енергії γ–квантів основними процесами їхньої взаємодії з речовиною є фотоефект (вибивання електрона з внутрішніх орбіт атома), комптонівське розсіяння (на електронах зовнішніх орбіт атомів) та утворення пар електрон–позитрон (у полі ядерних сил).

При проходженні пучка нейтронів через речовину спостерігають їхнє пружне і не пружне розсіяння на атомних ядрах, радіаційне захоплення, результатом якого є випромінювання високо енергійних гамма–квантів, а також захоплення ядрами з наступним розщепленням останніх, яке зумовлює створення нових ядер (осколків поділу) та випускання нових нейтронів. При великих енергіях нейтронів можливі ядерні перетворення, унаслідок яких з ядер вибиваються нові заряджені і незаряджені частинки та їхні комплекси. Імовірність того чи іншого процесу залежить як від енергії нейтронів, так і від виду ядер, з якими вони взаємодіють.