Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf

162 Г л . 6. Радиолиз воды

ние). Процессы рассеяния будут упругими, если в результате

и молекул. В результате упругого рассеяния электронов при взаимодействии с электрическим зарядом атомов среды суммар­ ная кинетическая энергия электрона и атома не меняется. Из­ меняется лишь направление движения электронов. Наибольшее отклонение электронов наблюдается при прохождении вблизи атомного ядра.

При неупругих соударениях энергия электрона теряется в результате взаимодействия его с электронами атома. При этом наблюдается возбуждение и ионизация атомов и молекул. С увеличением начальной энергии электрона вероятность воз­ буждения атомов возрастает. В случае передачи энергии воз­ бужденного атома валентному электрону последний может быть выбит со своего энергетического уровня и покинуть атом. В этом случае выбитый электрон способен произвести ионизацию н образовать вторичную траекторию с более сильной ионизацией, чем у исходного более быстрого электрона. Число вторичных электронов, образующихся на единицу длины траектории, возра­ стает с уменьшением энергии первичного электрона. При воз­ буждении атома последний не теряет электронов. Происходит лишь переход части его электронов на более высокие энергети­ ческие уровни. Обычно расход энергии электронов на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды называют ионизацион­ ными потерями. Полный расход энергии электронов будет равен сумме ионизационных потерь и потерь на тормозное излучение (радиальных потерь). Постепенное торможение электронов в поглощающей среде зависит главным образом от их взаимо­ действия о электронами атомов.

Проникающая способность электронов зависит прежде всего от их начальной энергии. Толщина слоя полного поглощения электронов средой определяется числом неупругих соударений, которые испытывает электрон с электронами атомов в единице объема, т. е. электронной плотностью вещества. Поглощение электронов описывается экспоненциальной зависимостью

I = Le-u-d 1 1ос »

где /о — интенсивность в отсутствие поглотителя; / — интенсив­ ность после прохождения излучения через слой поглотителя толщиной d см; ц — общий коэффициент поглощения, сыт1.

Коэффициент поглощения показывает, какая часть электро­ нов поглощается на единице длины пути в данной среде. Зна­ чение коэффициента поглощения пропорционально плотности р поглощающей среды. Отношение ц/р, называемое массовым

164 Г а . 6. Радиолиз воды ■

трона и у-кванта. Фотоэлектрон рассеивает свою энергию за счет процессов ионизации и тормозного излучения.

Если у-кванты имеют достаточную энергию, то в основном

Фотоэлектрическое поглощение заметно возрастает, если энер­ гия у-кванта становится больше энергии связи электронов на /(-оболочке. Поскольку при фотоэффекте должны выполняться законы сохранения энергии и момента количества движения, то атом, из оболочки которого вырван электрон, также получает некоторый импульс (атомы отдачи). Таким образом, фотоэф­ фект невозможен для свободных электронов.

При эфсректе Комптона у-квант может взаимодействовать как с орбитальным, так и со свободны.м электроном. Комптонэффект наблюдается при энергии у-кванта >0,01 Мэе. Гаммаквант отдает часть своей энергии электрону, в результате чего последний выбрасывается из атома и приобретает кинети­ ческую энергию Е, равную разности энергий первоначального и рассеянного у-квантов (см. рис. 6.2). Гамма-квант изменяет

у-квант с меньшей энергией. Рассеянные у-кванты, взаимодей­ ствуя с электронами атомов, продолжают уменьшать свою энергию в процессе прохождения через среду, и в конце их по­ глощения происходит обычно фотоэлектрический эффект.

Комптоновские электроны характеризуются непрерывным спектром энергии от ничтожно малых значений до максималь­ ных величии, получающихся в том случае, когда вылет элек­ тронов происходит в направлении первичного у-кванта. Таким образом, потеря энергии в результате комптон-эффекта, которая происходит при прохождении у-излучения через вещество, равна энергии, уносимой электронами, и рассеянной энергии вторич­ ных у-кваитов. Для энергии первичных у-квантов 1,6 Мэв эти величины приблизительно равны. При более высоких уров­ нях энергии у-кваитов потеря энергии, уносимой электронами, больше потери энергии за счет рассеяния. В воде эффект Комп­ тона является наиболее важным механизмом поглощения при энергии первоначальных у-квантов 0,03—20 Мэв.

Образование пар, т. е. превращение у-излучения в позитро­ ны и электроны, происходит в непосредственной близости от атомного ядра под влиянием его поля. В процессе образования пар у-квант исчезает и появляются электрон и позитрон. Энер­ гия у-кванта частично переходит в массу покоя этих двух частиц (2т0с2) и частично в кинетическую энергию позитрона и элек­ трона. Образование пар не может происходить при энергии у-кванта менее 2mnc2=l,02 Мэв. Образовавшийся позитрон замедляется как обычный электрон или взаимодействует с элек­ троном (при этом обе частицы аннигилируют), давая два у- кванта с энергией по 0,51 Мэв.

Взаимодействие нейтронов с веществом. Нейтроны, не имея заряда, непосредственно не ионизируют вещество и взаимодей­ ствуют только с атомными ядрами. Ионизировать среду могут продукты взаимодействия нейтрона с ядром: протоны, тяжелые ионы, у-пзлучеине. Основными процессами взаимодействия ней­ тронов с ядрами атомов являются: упругое и неупругое рас­ сеяние, радиационный захват, ядерные реакции с испусканием заряженных частиц (протонов, cs-частиц и т. д.), деление ядра. Характер взаимодействия, в первую очередь зависит от энергии

14 Мэв, сверхбыстрые— >14 Мэв. Следует заметить, что клас­ сификация нейтронов по их энергии не является строго опреде­ ленной. Упругое рассеяние — наиболее вероятный процесс для быстрых нейтронов. Он также имеет значение п для взаимодей­ ствия с веществом промежуточных нейтронов. При столкнове­

нии с ядрами энергия нейтронов распределяется согласно зако­ нам сохранения энергии и момента количества движения между рассеянными нейтронами и ядрами отдачи. Максимальная энер­ гия, которая может быть передана нейтроном ядру с атомным весом А, может быть определена из соотношения

отдачи ионизирует и возбуждает молекулы рассеивающего ве­ щества, например. воды. При неупругом рассеянии нейтрон поглощается ядром, затем вновь испускается, но уже с более низкой энергией. Ядро находится некоторое время в возбуж­ денном состоянии и переходит в основное состояние с высвечи­ ванием одного или нескольких у-квантов. Неупругое рассеяние не наблюдается, если энергия нейтронов ниже наименьшей энергии возбужденного состояния ядра, которая обычно порядка 100 кэв. Вероятность этого процесса быстро возрастает с уве­ личением энергий нейтронов. При энергии порядка 10 Мэв равновероятно как упругое, так и неупругое рассеяние.

Ядерный захват характерен для медленных нейтронов. Этот процесс приводит к возникновению неустойчивого ядра, претер­ певающего превращение с испусканием у-квантов или заряжен­ ных частиц. Примером таких реакций могут быть: Н(я, у) D, 160(/г, y )17N, 10B(n, a )7Li. Реакции деления наблюдаются в слу­ чае тяжелых элементов. Продукты деления обладают высокой энергией и способны вызвать ионизацию и возбуждение среды.

Ионизация и возбуждение молекул происходят вдоль пути частицы высокой энергии. Возбужденное состояние возникает, когда связанные электроны в атомах и молекулах получают дополнительную энергию и переходят на более высокие уровни. При ионизации атомы и молекулы теряют электроны, получив энергию большую, чем в случае возбуждения.

В результате поглощения любого вида излучения образуются

треки возбужденных и ионизированных частиц. Продукты взаимодействия излучения с данным веществом в основном не зависят от вида и энергии излучения. Все виды ионизирующего излучения дают качественно одинаковый химический эффект. Однако излучения различных видов и энергий с разной ско­ ростью теряют свою энергию в веществе и плотность первичных продуктов взаимодействия излучения с веществом в треках за­ висит от вида излучения. Химический эффект зависит от плот­ ности первичных продуктов в треках, особенно в жидкостях,