§ 77. Свойства ионизирующих излучений

Определения и обозначения

Ионизирующее излучение — излучение, способное выбивать электроны из атомов и молекул и образовывать ионы. Ион — заряженная частица, появившаяся после потери или присоединения электронов. Такое определение помогает понять, почему излучение меняет свойства вещества и может воздействовать на живые ткани.

α-излучение — поток ядер атомов гелия, обладающий положительным зарядом и большой ионизирующей способностью. Ядро гелия содержит два протона и два нейтрона, поэтому его заряд равен +2e. Знание состава и заряда позволяет предсказывать, как α-частицы будут вести себя в полях и веществе.

β-излучение — поток быстрых электронов или позитронов, возникающий при радиоактивных превращениях. Электрон имеет заряд −e, позитрон — +e, а массы этих частиц одинаковы и намного меньше массы ядра гелия. Это различие важно при сравнении отклонения β-частиц в полях с отклонением α-частиц.

γ-излучение — электромагнитное излучение высокой энергии, испускаемое при переходах возбужденных атомных ядер. Его кванты не имеют электрического заряда и массы покоя. Поэтому γ-излучение не отклоняется электрическим и магнитным полями, хотя способно передавать энергию веществу.

Как это устроено

При радиоактивном превращении нестабильное ядро изменяет свой состав или переходит в состояние с меньшей энергией. Если из ядра вылетает ядро гелия, возникает α-излучение; при превращениях с испусканием электрона или позитрона появляется β-излучение. Возбуждённое после такого перехода ядро может испустить γ-квант, избавляясь от избытка энергии без изменения числа протонов и нейтронов.

Электрическое поле действует на частицу с зарядом силой, направление которой зависит от знака заряда; магнитное поле тоже действует на движущийся заряд. Поэтому α-частицы и β-частицы отклоняются, причём электрон и позитрон — в противоположные стороны. γ-квант электрического заряда не имеет, и силы, меняющей направление его движения в этих полях, на него не действует.

Заряженная частица ионизирует вещество, передавая электроны атомам или выбивая их из атомов. α-частица имеет сравнительно большой заряд и сильнее взаимодействует с электронами вещества, поэтому создаёт много ионов на коротком пути и быстро теряет энергию. β-частицы и γ-кванты обычно оставляют меньше энергии на единице пути, поэтому проходят в веществе дальше; так объясняется, почему высокая ионизирующая способность не означает большую проникающую способность.

При прохождении через вещество излучение может не только ионизировать атомы, но и возбуждать их: переводить электроны на более высокие энергетические уровни. При последующих взаимодействиях энергия передаётся другим частицам и постепенно поглощается, а часть излучения может пройти сквозь материал. Вероятность и характер таких взаимодействий зависят от вида и энергии излучения, а также от состава и толщины вещества.

Биологическое действие связано с передачей энергии тканям и повреждением клеточных молекул; оно зависит от поглощённой дозы, вида излучения, времени и места воздействия. Для обнаружения применяют приборы, в которых излучение вызывает измеримый эффект: например, ионизацию газа, световые вспышки в сцинтилляторе или изменение показаний полупроводникового детектора. Защиту выбирают по виду и энергии излучения, а также по условиям работы: используют подходящий экран, увеличивают расстояние до источника и сокращают время воздействия.

Сравнительные свойства α-, β- и γ-излучений

Сравнивайте свойства в связке: заряд объясняет отклонение в полях, а взаимодействие с веществом — ионизацию и проникновение. Значения в таблице качественные: реальная проникающая способность зависит также от энергии излучения и материала экрана.

Разбор задач

Задача 1. Излучение не отклоняется в электрическом и магнитном полях и обладает наибольшей проникающей способностью. Определите его вид. Сопоставьте оба признака, а не опирайтесь только на один из них.

1. Отсутствие отклонения показывает, что излучение не состоит из электрически заряженных частиц.
2. Среди α-, β- и γ-излучений таким свойством обладает γ-излучение: это электромагнитные кванты без заряда.
3. Наибольшая проникающая способность также характерна для γ-излучения, поэтому оба признака согласуются.

Ответ: γ-излучение.

Задача 2. Расположите α-, β- и γ-излучения по возрастанию проникающей способности и подберите экраны. Начните с того, насколько сильно излучение взаимодействует с веществом: чем быстрее оно теряет энергию, тем меньший путь проходит.

1. α-частицы интенсивно ионизируют вещество и имеют наименьшую проникающую способность; их задерживают бумагой или наружным слоем кожи.
2. β-частицы проходят дальше α-частиц, но обычно задерживаются пластиком или тонким листом алюминия.
3. γ-кванты проникают глубже остальных, поэтому для их ослабления используют толстые слои свинца или бетона.

Ответ: α, β, γ; примеры экранов — бумага, пластик или алюминий, толстый свинец или бетон соответственно. Экран ослабляет излучение, а не обязательно полностью прекращает его.

Задача 3. Пучок заряженных частиц проходит через однородное магнитное поле: одна часть пучка отклоняется сильнее другой. Определите возможные виды частиц и объясните различие радиусов траекторий. Одного факта о величине отклонения недостаточно, если неизвестны скорости и направление движения.

1. На заряженную частицу действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно её скорости и магнитному полю. В случае движения поперёк поля траектория искривляется, а радиус равен r = mv/(|q|B).
2. При одинаковых скоростях частица с меньшим отношением массы к модулю заряда отклоняется сильнее и движется по траектории меньшего радиуса. Поэтому возможны, например, α-частицы и β-частицы: масса α-частицы намного больше, а заряд β-частицы меньше по модулю.
3. Знак заряда определяет направление отклонения, а масса, заряд и скорость вместе — его величину. Если условия о скоростях не даны, по одному радиусу нельзя однозначно назвать частицы.

Ответ: возможна пара α- и β-частиц; при одинаковой скорости β-частицы отклоняются сильнее и имеют меньший радиус. Чтобы установить вид частиц точно, нужны дополнительные данные о направлении отклонения и их скорости.

Типичные ошибки

Считать γ-излучение потоком заряженных частиц — ошибка: его кванты не имеют заряда, поэтому не отклоняются в электрическом и магнитном полях. Так путают способность излучения взаимодействовать с веществом с наличием электрического заряда. Проверьте себя вопросом: может ли на γ-квант действовать сила, зависящая от заряда?

Путать ионизирующую способность с проникающей — значит считать, что чем больше ионов создаёт частица, тем глубже она проходит. На деле интенсивное взаимодействие быстро отнимает у неё энергию, поэтому α-излучение сильно ионизирует, но слабо проникает. Сверьте отдельно порядок ионизации и порядок проникновения.

Утверждать, что тонкий слой свинца полностью задерживает любое излучение, неверно: нужная защита зависит от вида и энергии излучения, а также от толщины экрана. Ошибку допускают, запоминая один материал вместо связи «излучение — взаимодействие — экран». Уточните, какое именно излучение нужно ослабить, и не называйте экран абсолютной гарантией.

Считать радиоактивное излучение безопасным при кратком воздействии — опасное упрощение. Риск зависит не только от времени, но и от интенсивности, расстояния, вида излучения и поглощённой дозы. Проверяйте оценку риска по совокупности этих факторов, а не по длительности одной лишь экспозиции.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и ядра, электрическом заряде и действии электрического и магнитного полей на заряженные частицы. Эти представления помогают объяснить происхождение излучений и движение α- и β-частиц. Далее свойства излучений понадобятся при изучении радиоактивности, ядерных реакций, дозиметрии и радиационной безопасности. Их используют в медицине, радиографии, радиотерапии, ядерной энергетике и научных исследованиях.

Что запомнить

• Ионизирующее излучение вызывает образование ионов в веществе.
• α-излучение — поток ядер гелия.
• β-излучение — поток электронов или позитронов.
• γ-излучение — электромагнитное излучение высокой энергии.
• Чем сильнее излучение ионизирует вещество, тем обычно меньше его проникающая способность.
• Заряженные α- и β-частицы отклоняются в электрическом и магнитном полях, γ-излучение — нет.