Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

51.(1). Прохождение заряженных частиц, гамма-квантов и нейтронов через вещество. Защита от радиоактивных излучений.

Изучение процессов, возникающих при прохождении

ядерных частиц через вещество, имеет важное

значение как для самой ядерной физики, так и для ее приложений в других областях науки и техники. Без знания этих процессов нельзя понять методов регистрации ядерных частиц. Нельзя понять при- чины и последствия воздействия излучений на структуру и прочность конструкций и деталей ме- ханизмов. Невозможно понять причины вредного воздействия излучений на живые организмы и рас-

считать параметры защитных сооружений для бе-

зопасной работы с ядерно-техническими установ- ками и источниками радиоактивных излучений.

Прохождение тяжелых заряженных частиц (альфа-частиц и протонов) через вещество

Основным механизмом взаимодействия в этом слу-

чае являются столкновения тяжелой частицы со связанными атомными электронами вещества, че-

рез которое пролетает частица. С ядрами сталки-

ваются только 0.1% от всех частиц. При каждом столкновении происходит ионизация атома, при

этом частица теряет энергию, равную энергии ио-

низации, ее скорость уменьшается, и, потеряв всю энергию, частица останавливается. Кроме потери энергии при столкновении с электроном немного меняется направление движения частицы, но из-за большой разницы масс этим отклонением можно пренебречь, и считать траекторию тяжелой части-

цы прямолинейной до момента остановки.

Таким образом, вплоть до некоторой определенной толщины поглощающего слоя вещества через него проникают практически все частицы пучка. При большей толщине поглощающего слоя отдельные частицы останавливаются, и N(x) начинает умень- шаться. До толщины R0, называемой средней дли- ной пробега, доходит ровно половина частиц в пу- чке. Зависимость числа прошедших через слой ча- стиц от толщины слоя показана на рисунке.

Скорость, с которой энергия тяжелой частицы теря- ется при столкновениях с электронами вещества,

была вычислена в классической теории Н.Бором:

Вдальнейшем релятивистские поправки в эту фор- мулу внесли Бете и Блох. Окончательная формула Бора-Бете-Блоха имеет вид:

где dT - кинетическая энергия, теряемая частицей на

длине dx; Ze и v - заряд и скорость этой частицы; ne и

Iion - число электронов в единице объема и потенци- ал ионизации атома тормозящего вещества; me и e -

масса и заряд электрона.

Вэксперименте измеряют массу поглотителя M и

площадь поперечного сечения мишени S, поэтому

при анализе экспериментов толщину поглотителя обычно измеряют не в единицах длины, а в "мас- совой толщине", т.е. виде произведения ρx - произ- ведения плотности вещества поглотителя на его толщину, которое получается в результате деле-

ния M на S. Эту величину удобно выражать в г/см2 или в мг/см2.

Втаблицах и на графиках обычно приводят значе-

ния так называемых удельных потерь энергии:

На рисунке пока-

зана зависимость

удельных потерь энергии протонов

в водороде и в

свинце от началь- ной кинетической

энергии протонов,

рассчитанная по формуле (51.2).

Удельные потери энергии пропорциональны числу электронов поглотителя и квадрату заряда частицы.

При некоторой энергии (для протонов это ок. 1ГэВ)

наблюдается ионизационный минимум, ниже которо- го удельные потери пропорциональны 1/v2.

При энергиях выше ионизационного минимума поте-

ри растут, но незначительно, поэтому приближен-

но их можно считать постоянными, одинаковыми для любого вещества и равными

Из формулы (51.2) следует, что удельные потери энергии не зависят от массы проходящей через ве- щество частицы (при условии, что эта частица зна- чительно тяжелее электрона), но существенно зави- сят от заряда и скорости частицы. Поэтому графики потерь на предыдущем слайде можно использовать не только для протонов, но и для других тяжелых за- ряженных частиц при соответствующем изменении масштаба энергии.

Экспериментально установлено, что независимо от

сорта и энергии частицы в одном акте ионизации

эта частица теряет примерно 35 эВ своей энергии. Например, если начальная энергия альфа-части- цы равна 7 МэВ, то она полностью затормозится после того, как ионизирует 2·105 атомов.

Выражение для длины пробега частицы в данном веществе можно получить, проинтегрировав фор-

где T0 - начальное значение кинетической энергии

частицы.

Расчетным путем и последующей эксперименталь-

ной проверкой получены следующие формулы для

пробега альфа-частиц от обычных лабораторных источников:

Пробег альфа-частиц в воздухе при нормальных ус-

ловиях:

R возд = 0.318 (Т )3/2 (см); 4 < Т < 7 МэВ, (51.6)

где Т - кинетическая энергия альфа-частиц (в МэВ).

Пробег альфа-частиц в веществе можно вычислить

где Т - кинетическая энергия альфа-частиц (в МэВ), A - массовое число тормозящего вещества.