ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ Лекция 3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ Лекция № 3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ 1. ОСЛАБЛЕНИЕ И. И. ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ВЕЩЕСТВОМ. 1. ПЕРВИЧНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И. И. С ВЕЩЕСТВОМ. 1. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАЗНЫХ ВИДОВ И. И. С ВЕЩЕСТВОМ.

1. ОСЛАБЛЕНИЕ И. И. ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ С ВЕЩЕСТВОМ ЗАКОН ОСЛАБЛЕНИЯ: Ф = Ф 0 e- x. Здесь Ф 0 – падающий поток излучения, Ф – поток излучения, прошедшего через слой вещества толщиной «х» , - линейный коэффициент ослабления. ПОТОК ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ВЕЩЕСТВА УМЕНЬШАЕТСЯ ПО ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОМУ ЗАКОНУ. (Ф = d. Eизл/dt, [Вт])

ЗАКОН ОСЛАБЛЕНИЯ Вывод закона ослабления Исходное уравнение: d. Ф = - Фdx. d. Ф / Ф = - dx Ф х ∫ d. Ф / Ф = - ∫ dx Ф 0 По аналогичному закону меняется интенсивность излучения: I = I 0 e - x. 0 ln Ф Ф Ф 0 = - x х 0 ln Ф/Ф 0 = - x Ф = Ф 0 e- x (I = d. Ф/d. S, [Вт/м 2])

ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДАННОГО ВИДА ИЗЛУЧЕНИЯ С ДАННЫМ ВЕЩЕСТВОМ: • линейный коэффициент ослабления • слой половинного ослабления d 1/2 [м -1] ОБРАТЕН ТОЛЩИНЕ СЛОЯ ВЕЩЕСТВА, ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ КОТОРОГО ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ УМЕНЬШАЕТСЯ В "е" РАЗ. ЗАВИСИТ ОТ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА: БОЛЬШЕ АТОМОВ НА ПУТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЗНАЧИТЕЛЬНЕЕ ОСЛАБЛЕНИЕ.

Массовый коэффициент ослабления m Пояснение к физическому смыслу Пусть при x = d Ф = Ф 0 / е; Ф = Ф 0 е -1; Ф 0 е -1 = Ф 0 е - d; d = 1; = 1/d. МАССОВЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ ОСЛАБЛЕНИЯ m = / [ м 2 / кг ] НЕ ЗАВИСИТ ОТ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА.

СЛОЙ ПОЛОВИННОГО ОСЛАБЛЕНИЯ d 1/2 – РАССТОЯНИЕ В ВЕЩЕСТВЕ, ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ КОТОРОГО ПОТОК ИЗЛУЧЕНИЯ УМЕНЬШАЕТСЯ ВДВОЕ. СВЯЗЬ и d 1/2 Пусть x = d 1/2 Ф = Ф 0 / 2; Ф 0 / 2 = Ф 0 / e d 2 = e d ln 2 = d 1/2 = ln 2 / ЧЕМ БОЛЬШЕ , ТЕМ МЕНЬШЕ d 1/2.

2. ПЕРВИЧНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И. И. С ВЕЩЕСТВОМ РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ТРИ ПЕРВИЧНЫХ ЭФФЕКТА: • КОГЕРЕНТНОЕ РАССЕЯНИЕ • НЕКОГЕРЕНТНОЕ РАССЕЯНИЕ • ФОТОЭФФЕКТ Тот или иной эффект – в зависимости от соотношения энергии рентгеновского фотона ε и энергии ионизации (работы выхода электрона) Аи. Энергия ионизации – энергия, необходимая для удаления электрона за пределы атома.

КОГЕРЕНТНОЕ (КЛАССИЧЕСКОЕ) РАССЕЯНИЕ Это ИЗМЕНЕНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПУЧКА ИЗЛУЧЕНИЯ (РАССЕЯНИЕ ПО ВСЕВОЗМОЖНЫМ НАПРАВЛЕНИЯМ). ЭНЕРГИЯ ФОТОНОВ НЕ ИЗМЕНЯЕТСЯ РАССЕЯНИЕ БЕЗ ИЗМЕНЕНИЯ ДЛИНЫ ВОЛНЫ. ЭНЕРГИЯ АТОМОВ ВЕЩЕСТВА НЕ ИЗМЕНЯЕТСЯ НЕТ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО БИОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА. ХАРАКТЕРНО ДЛЯ МЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ: ЭНЕРГИЯ ФОТОНОВ МЕНЬШЕ ЭНЕРГИИ ИОНИЗАЦИИ - < Aи.

ФОТОЭФФЕКТ ПОГЛОЩЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ФОТОНА АТОМОМ ВЕЩЕСТВА, ВЫБИВАНИЕ ОДНОГО ИЗ ВАЛЕНТНЫХ (ВНЕШНИХ) ЭЛЕКТРОНОВ (ионизация); ПРИ МЕНЬШЕЙ ЭНЕРГИИ – ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМА. I – ВНЕШНИЙ, II - ВНУТРЕННИЙ ФЭ. УСЛОВИЕ ВНЕШНЕГО ФЭ: Aи. Описывается УРАВНЕНИЕМ ЭЙНШТЕЙНА: h = Aи + mv 2/2

НЕКОГЕРЕНТНОЕ РАССЕЯНИЕ РЕНТГЕНОВСКИЙ ФОТОН МЕНЯЕТ НАПРАВЛЕНИЕ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ С ЭЛЕКТРОНОМ АТОМА И ВЫБИВАЕТ ИЗ АТОМА ЭТОТ ЭЛЕКТРОН, ЧАСТИЧНО РАСТРАЧИВАЯ СВОЮ ЭНЕРГИЮ ЧАСТОТА ИЗЛУЧЕНИЯ УМЕНЬШАЕТСЯ, ДЛИНА ВОЛНЫ ВОЗРАСТАЕТ. ║ ЭФФЕКТ КОМПТОНА РАССЕЯНИЕ С ИЗМЕНЕНИЕМ ДЛИНЫ ВОЛНЫ. УСЛОВИЕ НЕКОГЕРЕНТНОГО РАССЕЯНИЯ: > А и. ХАРАКТЕРНО ДЛЯ ЖЕСТКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. УРАВНЕНИЕ: h = Aи + mv 2/2 + h ( < )

Таким образом, в общем случае линейный коэффициент ослабления может складываться из трех коэффициентов: ослабления за счет когерентного рассеяния к , фотоэффекта Ф и некогерентного рассеяния нк : = к + Ф + нк.

ПЕРВИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ ТРИ ПЕРВИЧНЫХ ЭФФЕКТА: • ФОТОЭФФЕКТ • НЕКОГЕРЕНТНОЕ РАССЕЯНИЕ • ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОНПОЗИТРОННЫХ ПАР III – ПРИМЕР ПРЕВРАЩЕНИЯ "ЧАСТИЦ" ПОЛЯ В ЧАСТИЦЫ ВЕЩЕСТВА. В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ АТОМНОГО ЯДРА ГАММА-ФОТОН "ПАРА" ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОН, РАЗЛЕТАЮЩИЕСЯ В РАЗНЫЕ СТОРОНЫ.

• ВЫПОЛНЯЮТСЯ ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ И ИМПУЛЬСА. • РОЛЬ ЯДРА - ПРИНЯТИЕ НА СЕБЯ ЧАСТИ ИМПУЛЬСА ФОТОНА. • РЕАКЦИЯ ВОЗМОЖНА ПРИ ЭНЕРГИИ ГАММАФОТОНА, НЕ МЕНЬШЕЙ СУММАРНОЙ ЭНЕРГИИ ПОКОЯ ЧЛЕНОВ ПАРЫ. = Ф + нк + п.

АЛЬФА- И БЕТА- ИЗЛУЧЕНИЕ • ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ АЛЬФА И БЕТА-МИНУС САМИ ПРОИЗВОДЯТ НЕПОСРЕДСТВЕННУЮ ИОНИЗАЦИЮ ВЕЩЕСТВА (КАК ЭЛЕКТРОНЫ, ОБРАЗОВАВШИЕСЯ ПРИ ФОТОЭФФЕКТЕ ИЛИ НЕКОГЕРЕНТНОМ РАССЕЯНИИ). • ПРИ ВСТРЕЧЕ В ВЕЩЕСТВЕ БЕТА-ПЛЮС ЧАСТИЦЫ С ЭЛЕКТРОНОМ АННИГИЛЯЦИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЕ В ДВА ГАММАФОТОНА, РАЗЛЕТАЮЩИЕСЯ С ОДИНАКОВОЙ ПО МОДУЛЮ СКОРОСТЬЮ В РАЗНЫХ НАПРАВЛЕНИЯХ. АННИГИЛЯЦИЯ - ПРОЦЕСС, ОБРАТНЫЙ РОЖДЕНИЮ ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННОЙ ПАРЫ.

3. СРАВНИТЕЛЬНЫЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРИ ХАРАКТЕРИСТИКИ: • ЛИНЕЙНАЯ ПЛОТНОСТЬ ИОНИЗАЦИИ (УДЕЛЬНАЯ ИОНИЗАЦИЯ) • ЛИНЕЙНАЯ ТОРМОЗНАЯ СПОСОБНОСТЬ (УДЕЛЬНЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ) • СРЕДНИЙ ЛИНЕЙНЫЙ ПРОБЕГ (СРЕДНЯЯ ДЛИНА СВОБОДНОГО ПРОБЕГА) УДЕЛЬНАЯ ИОНИЗАЦИЯ i = dn / dx Это ЧИСЛО ПАР ИОНОВ, ОБРАЗОВАННЫХ ЧАСТИЦЕЙ НА ЕДИНИЦЕ ПУТИ В ВЕЩЕСТВЕ.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ УДЕЛЬНЫЕ ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ S = d. E / dx Это ЭНЕРГИЯ, ТЕРЯЕМАЯ ЧАСТИЦЕЙ НА ЕДИНИЦЕ ПУТИ В ВЕЩЕСТВЕ. СРЕДНЯЯ ДЛИНА СВОБОДНОГО ПРОБЕГА R Это РАССТОЯНИЕ, ПРОЙДЕННОЕ ЧАСТИЦЕЙ СО СКОРОСТЬЮ, БОЛЬШЕЙ СКОРОСТИ МОЛЕКУЛЯРНОТЕПЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ.

ЧЕМ БОЛЬШЕ i, ТЕМ БОЛЬШЕ S И ТЕМ МЕНЬШЕ R. i >i >i S > S R < R

ОБЪЯСНЕНИЕ • АЛЬФА-ЧАСТИЦЫ ЗАРЯЖЕННЫЕ, СРАВНИТЕЛЬНО МЕДЛЕННО ДВИЖУЩИЕСЯ. • БЕТА-МИНУС ЧАСТИЦЫ ДВИЖУТСЯ БЫСТРЕЕ. НА ПУТИ - ПЛОТНОЕ СКОПЛЕНИЕ ИОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ. НА ПУТИ - РАЗРЕЖЕННОЕ СКОПЛЕНИЕ ИОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ. НАИБОЛЬШАЯ ИОНИЗАЦИЯ - К КОНЦУ ПУТИ. ГЛУБИНА ПРОНИКНОВЕНИЯ В ВЕЩЕСТВО ОКОЛО 40 МКМ. ГЛУБИНА ПРОНИКНОВЕНИЯ В СРЕДНЕМ НЕСКОЛЬКО ММ.

• ФОТОНОВСКИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ОБРАЗУЮТСЯ ЭЛЕКТРОНЫ С БОЛЬШОЙ ЭНЕРГИЕЙ, ДЕЙСТВУЮТ ПОДОБНО БЕТА -МИНУС ЧАСТИЦАМ. НО ЗАРЯДА У ФОТОНА НЕТ БОЛЬШОЙ ПУТЬ ЕЩЕ ДО ПЕРВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ. ФАКТИЧЕСКИ - В ЛЮБУЮ ТОЧКУ ТЕЛА. ВЫБОР ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВНУТРЕННИЕ ОРГАНЫ: • ВНЕШНИЙ ИСТОЧНИК ОБЛУЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНЕЕ ФОТОНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. • ВВЕДЕНИЕ ИСТОЧНИКА ВНУТРЬ – ЭФФЕКТИВНЕЕ АЛЬФА- ИЛИ БЕТА- ИЗЛУЧЕНИЯ.