Заряджені частинки і g-фотони, поширюючись в речовині, взаємодіють з електронами і ядрами, в результаті чого змінюється стан як речовини, так і часток.
Основним механізмом втрат енергії зарядженої частинки (a і b) при проходженні через речовину є іонізаційні гальмування. При цьому її кінетична енергія витрачається на збудження і іонізацію атомів середовища.
Взаємодія частки з речовиною кількісно оцінюється лінійної щільністю іонізації, лінійної гальмівної здатністю речовини і середнім лінійним пробігом частки.
Під лінійної щільністю іонізації i розуміють відношення числа dn іонів одного знака, утворених зарядженою іонізуючою частинкою на елементарному шляху dl. до цього шляху: i = dn / dl.
Лінійної гальмівної здатністю речовини S називають відношення енергії d Е, що втрачається зарядженою іонізуючою частинкою при проходженні елементарного шляху dl в речовині, до довжини цього шляху: S = dE / dl.
Середнім лінійним пробігом зарядженої іонізуючої частинки R є середнє значення відстані між початком і кінцем пробігу зарядженої іонізуючої частинки в даній речовині.
Графік залежності лінійної щільності іонізації від шляху х, прохідного
a-часткою в середовищі (повітря), показаний на рис. 27.3. У міру просування частки в середовищі зменшуються її енергія і швидкість, лінійна щільність іонізації при цьому зростає і тільки при завершенні пробігу частинки різко зменшується. Зростання i обумовлено тим, що при меншій швидкості
a-частинка більше часу проводить поблизу атома і, таким чином, зростає ймовірність іонізації атома. Як видно з малюнка, лінійна щільність іонізації a-частинок природно-радіоактивних ізотопів в повітрі при нормальному тиску становить i = (2 ¸ 8) • 10 6 пар іонів / м.
Так як для іонізації молекул, що входять до складу повітря, потрібна енергія близько 34 еВ, то значення лінійної гальмівний спо-можності речовини (повітря) S лежать в інтервалі 70-270 МеВ / м.
Середній лінійний пробіг a-частинки залежить від її енергії і від щільності речовини. В повітрі він дорівнює кільком сантиметрам, в рідинах і в живому орга-
низме - 10-100 мкм. Після того як швидкість a-частинки зменшується до швидкості молекулярно-теплового руху, вона, захопивши два електрона в речовині, перетворюється в атом гелію.
Іонізація і збудження є первинними процесами. Вторинними процесами можуть бути збільшення швидкості молекулярно-теплового руху частинок речовини, характеристичне рентгенівське випромінювання, радіолюмінесценція, хімічні процеси.
Взаємодія a-частинок з ядрами - значно більш рідкісний процес, ніж іонізація. При цьому можливі ядерні реакції, а також розсіювання a-частинок.
Бета-випромінювання, так само як і a-випромінювання, викликає іонізацію речовини. В повітрі лінійна щільність іонізації b-частинками може бути обчислена за формулою
де k »4600 пар іонів / м, з - швидкість світла, a u- швидкість b-частинок.
Крім іонізації і збудження b-частинки можуть викликати і інші процеси. Так, наприклад, при гальмуванні електронів виникає гальмівне рентгенівське випромінювання. Бета-частинки розсіюються на електронах речовини, і їх шляху сильно викривляються в ньому. Якщо електрон рухається в середовищі зі швидкістю, що перевищує фазову швидкість поширення світла в цьому середовищі, то виникає характерне черепковское випромінювання (випромінювання Черепкова -Вавілова).
При попаданні b + частинки (позитрона) в речовину з великою ймовірністю відбувається така взаємодія її з електроном, в результаті якого пара електрон - позитрон перетворюється в два g-фотона. Цей процес, схема якого показана на рис. 27.4, називають анігіляцією. Енергія кожного g-фотона, що виникає при анігіляції, виявляється не менше енергії спокою електрона або позитрона, т. Е. Не менше 0,51 МеВ.
Незважаючи на різноманітність процесів, що призводять до ослаблення випромінювання, можна наближено вважати, що інтенсивність його змінюється за експоненціальним законом, подібного (26.8). В якості однієї з характеристик поглинання b-випромінювання речовиною використовують шар половинного ослаблення, при проходженні через який інтенсивність b-частинок зменшується вдвічі.
Можна вважати, що в тканини організму b-частинки проникають на глибину 10-15 мм. Захистом від b-випромінювання служать тонкі алюмінієві, плексигласові і інші екрани. Так, наприклад, шар алюмінію товщиною 0,4 мм або води завтовшки 1,1 мм зменшує вдвічі
b-випромінювання від фосфору.
При попаданні g-випромінювання в речовину поряд з процесами, характерними для рентгенівського випромінювання (когерентне розсіювання, ефект Комптона, фотоефект, див. § 26.3), виникають і такі явища, які неспецифічні для взаємодії рентгенівського випромінювання з речовиною. До цих процесів слід віднести освіту пари електрон - позитрон, що відбувається при енергії g-фотона, неменшою сумарної енергії спокою електрона і позитрона (1,02 МеВ), і Фотоядерні реакції, які виникають при взаємодії
g-фотонів високих енергій з атомними ядрами. Для виникнення Фотоядерні реакції необхідно, щоб енергія g-фотона була не меншою енергії зв'язку, що припадає на нуклон.
В результаті різних процесів під дією g-випромінювання утворюються заряджені частинки; отже, g-випромінювання також є іонізуючим.
Ослаблення пучка g-випромінювання в речовині зазвичай описують експоненціальним законом (26.8). Лінійний (або масовий) коефіцієнт ослаблення можна уявити як суму відповідних коефіцієнтів ослаблення, що враховують три основні процеси взаємодії - фотоефект, Комптон-ефект і освіту електрон-позитронного пар:
Ці основні процеси взаємодії відбуваються з різною ймовірністю, яка залежить від енергії g-фотона (рис. 27.5; крива отримана для свинцю). Як видно з малюнка, при малих енергіях основну роль грає фотоефект, при середніх - Комптон-ефект і при енергіях, великих 10 МеВ, - процес утворення пари електрон - позитрон.
Експонентний закон ослаблення пучка g-фотонів виконується наближено, особливо при високих енергіях. Це обумовлено вторинними процесами, які виникають при взаємодії g-випромінювання з речовиною. Так, наприклад, електрони і позитрони володіють енергією, достатньою для утворення нових g-фотонів в результаті гальмування і анігіляції.
Потік нейтронів теж є іонізуючим випромінюванням, так як в результаті взаємодії нейтронів з ядрами атомів утворюються заряджені частинки і g-випромінювання. Проілюструємо це кількома прикладами:
- ділення ядер при захопленні ними нейтронів: утворення радіоактивних осколків,
g-випромінювання і заряджених частинок;
- освіту a-частинок, наприклад:
- освіту протонів, наприклад:.