Ионизация среды альфа-частицами

Альфа-частица с зарядом (2 е) создает при своем движении электромагнитное поле, которое взаимодействует со слабо связанными с ядром внешними электронами атомов, ускоряет их и переводит на более высокий энергетический уровень, вызывая возбуждение атомов и молекул. Часть электронов в результате ионизации оказываются за пределами атомов. Теряя свою энергию при каждом акте взаимодействия, a-частица затормаживается и, теряя скорость, в течение большего времени находится вблизи того или иного атома. Ее взаимодействие с этим атомом становится более продолжительным, а вероятность ионизации атома возрастает. Если средняя линейная плотность ионизации воздуха a-частицами составляет 30000 пар ионов на 1 см пути, то за несколько миллиметров до конца пробега ее ионизирующая способность достигает максимальной величины – приблизительно 65000 пар ионов на 1 см пути.

Характер линейной плотности ионизации воздуха при движении a- частицы иллюстрируется кривой, приведенной на рис.2.

Ионизирующие способности a-частиц различных энергий E одинаковы, но сдвинуты по длине пути частицы. Имея одинаковые энергии, а значит и одинаковые скорости, a-частицы обладают равными ионизирующими способностями по разным длинам пробега. Величина линейной плотности ионизации максимальна при энергии частиц 370 кэВ, что соответствует их скорости, равной 4,2∙10³ км/с достигаемой за 3 - 4 мм до конца пробега частицы в воздухе. Затрачивая на каждый акт ионизации 34 эВ (средняя энергия ионообразования в воздухе) и обладая энергиями в пределах 4 - 9 МэВ, a-частицы на пути движения в воздухе до полного торможения образуют 100-300 тыс. пар ионов.

Ионизирующая способность a-частиц прямо пропорциональна плотности среды и обратно пропорциональна средней энергии ионообразования в среде, с которой она взаимодействует. Ионизационная способность a-частиц зависит также от концентрации электронов в среде и возрастает с ее увеличением.

Обладая большой массой, a-частицы при взаимодействии со встречными атомами практически не меняют направления своего движения, а создаваемая ими ионизация носит колонный характер, образуя сплошные столбики близких друг к другу ионов противоположных знаков, что способствует их рекомбинации.

Выбиваемым при взаимодействии из атомов среды электронам a- частицы сообщают значительную энергию (в среднем 200 – 300 эВ, максимально 4 кэВ). Эти электроны, называемые дельта-электронами, двигаясь в среде, производят дополнительную вторичную ионизацию. 60-80% ионизации вызываемой a-частицей в газе обусловлено образованием ионов вторичными электронами, длина пробега которых в газе составляет несколько миллиметров.

Ионизация среды производится и ядрами, выбиваемыми a-частицами из атомов взаимодействующей среды и называемыми ядрами отдачи. Когда a-частица окончательно израсходует весь свой запас кинетической энергии, она присоединяет к себе два электрона и превращается в нейтральный атом гелия.

В воздухе длина пробега a-частиц в зависимости от их энергии составляет в среднем 2,5 - 8,6 см, наибольший пробег – 11,5 см. В жидких и твердых телах пробег a-частиц значительно меньше и тем меньше, чем больше плотность вещества. Пробег a-частиц в живых тканях не превышает 70 мкм.

2.3. Потери энергии альфа-частиц за счет ядерных реакций

Альфа-частицы с энергией 8 МэВ и больше могут проникать в ядра легких элементов и вызывать ядерные реакции типа А(a,р)В и А(a,n)В. Примером реакции первого типа может служить реакция Резерфорда

N + a ® F ® O + p.

К реакциям типа A(a,n)B относится реакция Чедвика, происходящая в радиево-бериллиевом источнике,

Ве + a ® C ® C + n.

Напомним также реакции, используемые для получения искусственных радиоактивных изотопов:

В + a ® N ® N + n; Mg + a ® Si ® Si + n.