Файл: Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие.pdf

или в пределе при Д^-э-0 (мощность дозы в данный момент)

Как доза излучения, так и мощность дозы излучения в об­ щем случае являются функциями координат пространства и времени:

D = D(x, у, z, t) и Р — Р (х, у, z, t).

Пространственно-временное распределение дозы и мощности дозы излучения в рассматриваемой среде называется дозньш полем излучения.

Если заданная среда (объект) подвергается облучению, то в ней устанавливается некоторое неравновесное или равновес­ ное поле излучения (пространственно-временное распределение самого излучения) и дозное поле излучения (пространственновременное распределение поглощаемой энергии излучения).

Между плотностью потока частиц, интенсивностью излуче­ ния и дозой излучения существует прямая пропорциональная зависимость.

Интенсивность излучения численно равна произведению плотности потока частиц на энергию частиц излучения:

где k — коэффициент пропорциональности, рассчитываемый или определяемый эмпирически для конкретных условий (вида из­ лучения и его энергии, состава среды и т. д.).

Измерением плотности потока излучения и его интенсив­ ности занимается прикладная наука радиометрия излучений, а измерением дозы излучения — дозиметрия излучений.

Радиометрия и дозиметрия излучений, составляющие физи­ ческую основу использования изотопов и излучений в биологии, сельском хозяйстве, имеют прямое отношение к вопросам ра­ диационной безопасности при работе с радиоактивными веще­ ствами и излучениями.

В дальнейшем по ходу изложения мы будем вводить и дру­ гие понятия, характеризующие свойства излучений.

Прежде чем перейти к рассмотрению взаимодействия кон­ кретных видов излучений с веществом, выясним некоторые об­ щие вопросы теории атомных столкновений (так называется статистическая теория взаимодействия потоков частиц с атома­ ми и атомными ядрами).

10

Пусть на слой вещества толщиной х перпендикулярно к пло­ скости поверхности слоя падает узкий пучок моноэнергетических частиц с плотностью потока / 0 (рис. 1.1). При взаимодей­ ствии частиц с атомами среды из потока, распространяющегося в среде в перпендикулярном направлении, выбывают частицы вследствие их полного поглощения или рассеяния на других

По [с.и~3]. В общем случае можно рассматривать все взаимодействия независимо от их природы,

приводящие к ослаблению потока по нормали. Число возмож­ ных центров взаимодействия (атомов, электронов, ядер) в бес­ конечно малом слое будет n0dx [см~2]. Число актов взаимо­ действия в расчете на 1 см2 в слое dx определяется следующей статистической закономерностью:

т. е. число актов взаимодействия пропорционально плотности потока частиц I и числу центров взаимодействия riodx в слое dx. Коэффициент пропорциональности о — средняя эффективная константа для процессов взаимодействия, приводящих к осла­ блению параллельного потока частиц. Величина а имеет раз­ мерность площади и носит название площади микроскопическо­ го эффективного сечения взаимодействия. Эту величину можно рассматривать как меру вероятности процесса (или процессов) взаимодействия с одним центром. Площадь микроскопическо­ го эффективного сечения взаимодействия измеряется в особых единицах площади — барнах: 1 барн= 10-24 см2. Кроме вели­ чины площади микроскопического эффективного сечения ис­ пользуют величину площади макроскопического эффективного сечения взаимодействия Ъ = ап0— суммарную площадь эффек­ тивных сечений всех центров в единице объема среды. Уравне­ ние (1.15)— основное в теории атомных столкновений.

11

Приведем несколько примеров использования этого урав­ нения.

1. Число актов взаимодействия dN приводит к убыли плот­

Из (1.16) можно получить интегральную форму закона ослаб­ ления потока частиц:

откуда после интегрирования определяем общее число взаимо­ действий в слое толщиной х:

3. Формула (1.18) выражает закон ослабления плотности потока частиц. Определим общее число взаимодействий, кото­ рые испытывают частицы при прохождении слоя толщиной х.

При x->-oo N-+I0, т. е. провзаимодействуют все частицы потока. 4. Полученные в приведенных примерах результаты спра­ ведливы при условии, что рассматриваются только те взаимо­ действия, которые испытывают частицы данного потока, рас­ пространяясь по избранному нормальному направлению, и что энергия всех частиц до момента их взаимодействия остается постоянной. Только в этом случае а = const. Если энергия ча­ стиц по пути прохождения через слой вещества изменяется, то вследствие зависимости ст от энергии частиц величина о будет функцией координаты х. Тогда дифференциальная форма зако­

на ослабления потока частиц (1.15) будет иметь вид

12

После разделения переменных и интегрирования получим

Естественно, что более сложным в этом случае становится и расчет общего числа взаимодействий частиц с веществом.

§ 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ

Под термином «тяжелые заряженные частицы» будем пони­ мать любые заряженные частицы, масса покоя которых значи­ тельно больше массы электрона. Это заряженные мюоны, пио­ ны, каоны, протоны, заряженные гипероны, атомные ядра.

Рассмотрим, какие явления происходят в среде при прохож­ дении через нее тяжелой заряженной частицы.

Взаимодействие заряженной частицы с атомами среды су­ щественно зависит от того, на каком расстоянии пролетает за­ ряженная частица от атома в целом или от атомного ядра. Пусть заряженная частица пролетает на таком расстоянии от атомного ядра, при котором ядерное и электростатическое взаимодействия между заряженной частицей и атомным ядром настолько малы, что ими можно пренебречь. Однако пусть это расстояние достаточно для того, чтобы заряженная части­ ца могла взаимодействовать с каким-либо атомным электро­ ном. В этом случае тяжелая заряженная частица посредством электромагнитного взаимодействия передает часть своей кине­ тической энергии атомному электрону.

Непосредственный акт взаимодейстия тяжелой заряженной частицы с атомным электроном имеет характер упругого столк­ новения— происходит передача кинетической энергии от ча­ стицы к частице — электрону.

Однако если рассматривать это взаимодействие не как взаи­ модействие с отдельным атомным электроном, а как взаимо­ действие тяжелой частицы с атомом в целом, то такое взаимо­ действие будет иметь характер неупругого столкновения. Это объясняется тем, что атомный электрон связан с атомным яд­ ром кулоновскими силами притяжения и переданная электрону кинетическая энергия расходуется полностью или частично (в зависимости от переданной энергии) на возбуждение атома или молекулы и на их ионизацию. При этом произойдет увеличение внутренней энергии атома. Итак, взаимодействие тяжелой за-

13