Виды радиоактивных излучений, основные процессы взаимодействия гамма-квантов с веществом

Радиоактивность – самопроизвольное превращение ядер изотопов в ядра других элементов. Превращение ядра обычно происходит путем излучения альфа- или бета-частицы (α- и β-распад), реже наблюдается захват ядром одного из электронов оболочки атома (К-захват). Каждый вид распада сопровождается испусканием гамма-квантов.

α- и β-лучи – соответственно поток ядер гелия (₂⁴He) и быстрых электронов. Они замедляются при проходе через вещество, затрачивая энергию на ионизацию атомов. Пробег бета-частиц - не более нескольких миллиметров. Пробег альфа-частиц - в несколько сот раз меньше. Гамма-лучи представляют поток «частиц» (квантов) высокочастотного электромагнитного излучения наподобие света, но с гораздо меньшей длиной волны, т. е. с большей энергией кванта. Пробег гамма-квантов в веществе - в несколько десятков раз больше пробега для бета-частиц той же энергии.

Энергию гамма-квантов и других ядерных частиц принято выражать в электрон-вольтах (эВ): 1эВ=1,602·10^-19Дж. Энергия α- и β-частиц и гамма-квантов изменяется от долей до 3 МэВ.

Число ядер радиоактивного элемента уменьшается по закону: , где N₀ — число ядер радиоактивного элемента в начальный момент времени, Т_1/2— период полураспада. Количественная характеристика радиоактивности вещества - число распадов за единицу времени. Для данного радиоактивного изотопа количество распадов А за 1 с прямо пропорционально числу его атомов N: A = λN, где λ - постоянная распада (λ = 0,693 / T_1/2). Чем меньше T_1/2, тем больше радиоактивность препарата.

Абсолютная радиоактивность (активность) вещества - число распадов в 1 с (расп./с). Активность в 1 расп./с носит название беккерель (Бк). Существует внесистемная единица Кюри (Ки), равная активности 1г ²²⁶Ra (1Ки = 3,7·10¹⁰ Бк). Энергия и количество гамма-квантов на 1 распад различны для различных изотопов - поэтому величина радиоактивности в беккерелях недостаточна для суждения о гамма-активности вещества. Для ее характеристики еще недавно использовали специальную единицу — миллиграмм-эквивалент радия (мг·экв. Ra). Вещество имеет активность в 1 мг·экв. Ra, если его гамма-излучение обладает такой же ионизирующей способностью, что и излучение 1 мг радия после прохождения через платиновый фильтр толщиной 0,5 мм.

З акономерности прохождения гамма-квантов через вещество. Для тех энергий, которые встречаются при радиометрии скважин (до 10 МэВ), существенны три типа взаимодействия (рисунок слева: а – фотоэффект, б – образование пар, в – Комптон-эффект; 1 – ядро, 2 – электрон, 3 – гамма-квант до взаимодействия, 4 – рассеянный гамма-квант, 5 – электрон или позитрон):

1. Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение) - γ-квант исчезает вследствие передачи всей его энергии одному из электронов атома.

2. Эффект образования пар - исчезновение кванта с образованием пары частиц — электрона и позитрона.

3. Эффект Комптона (Комптоновское рассеяние) - происходит в результате соударения кванта с одним из электронов. γ-квант передает часть своей энергии электрону и изменяет направление своего движения.

Вероятность взаимодействия гамма-кванта с атомом какого-либо элемента пропорциональна числу таких атомов в единице объема вещества и поперечному сечению (зависит от номера элемента, типа взаимодействия, энергии кванта)атома.

Вероятность того, что гамма-квант на единице длины пути испытывает взаимодействие с каким-нибудь атомом элемента, определяется произведением концентрации n_i атомов этого элемента на сечение σ_i элемента для данного типа взаимодействия. Общая вероятность взаимодействия гамма-кванта с каким-либо из атомов на длине пути в 1 м равна сумме таких произведений для всех элементов - эта сумма называется макроскопическим сечением взаимодействия для рассматриваемого вещества или линейным коэффициентом ослабления и обозначается μ. Величина 1/μ - средний пути, проходимый частицей до взаимодействия с атомом вещества. Значения суммарного макроскопического сечения взаимодействия гамма-квантов (в результате всех трех типов взаимодействия) в типичных горных породах составляют примерно 40, 15 и 6 м^-1 при энергии гамма-квантов 0,1; 1 и 6 МэВ соответственно.

В породах из легких элементов (например, осадочные породы), сечение фотоэффекта становится пренебрежимо малым уже при энергии кванта 0,2-0,3 МэВ. Для тяжелых элементов фотоэффектом нельзя пренебречь даже при энергии в несколько мегаэлектрон-вольт. В интервале энергии 0,1-10 МэВ для легких и 0,5-5 МэВ для тяжелых элементов преобладающим процессом взаимодействия является комптон-эффект. Макроскопическое сечение комптоновского рассеяния пропорционально количеству электронов в единице объема (электронной плотности вещества) и несколько убывает с ростом энергии кванта. Для большинства горных пород, состоящих преимущественно из легких элементов, число электронов в единице объема, а, следовательно, и макроскопическое сечение комптоновского рассеяния (а при энергии 0,2–0,5 МэВ и полное сечение) оказывается пропорциональным плотности среды. Поперечное сечение эффекта образования пар увеличивается с ростом атомного номера пропорционально Z². При энергии кванта менее 1,02 МэВ этот процесс не происходит, а при большей энергии его сечение растет с увеличением энергии. Для большинства горных пород он становится существенным лишь при энергии гамма-кванта более 5 МэВ. Часто им можно пренебречь.

Закон ослабления плотности потока гамма-излучения от точечного источника выражается: , где Ф — плотность потока гамма-квантов на расстоянии r; Q — общее число квантов, испускаемых источником; μ — суммарное макроскопическое сечение среды для всех процессов взаимодействия гамма-излучения с веществом.

Воздействие гамма-квантов на вещество зависит от их ионизирующей способности. Учитывая это, интенсивность гамма-излучения в данной точке пространства принято характеризовать величиной, называемой доза. Единица дозы - кулон на килограмм (Кл/кг). Доза равна 1 Кл/кг, если в результате ионизации излучением в 1 кг абсолютно сухого воздуха образуются заряды в 1 Кл (каждого знака). Доза, создаваемая в единицу времени, называется мощностью дозы. Ее единица 1 А/кг. Внесистемная единица дозы — рентген (1P = 2,58·10^-4 Кл/кг) и единица мощности дозы — микрорентген в час (1 мкР/ч = 71,7•10^-15 А/кг). Для примера, радиевый источник активности 1 мКи на расстоянии 1 м от него создает в воздухе мощность дозы 850 мкР/ч. Вторым видом ядерных частиц, имеющим важнейшее значение при исследовании скважин, являются нейтроны.