Взаимодействие заряженных частиц с атомами и ядрами

Заряженные частицы могут взаимодействовать как с ядрами атомов, так и с электронами вещества (рис. 6.3).

Поглощение частицы ядром невелико. Мала и вероятность рассеяния заряженной частицы в поле ядерных сил.

В поле кулоновских сил может происходить как упругое, так и неупругое рассеяние заряженных частиц.

Взаимодействуя с электронами вещества, заряженные частицы могут вызвать ионизацию или возбуждение атома либо испытать упругое соударение. При прохождении через вещество тяжѐлых (по массе сопоставимых с массой атома) заряженных частиц (α–частиц, протонов и т. п.) с энергией в несколько МэВ преобладают процессы ионизации (выбивания электрона с внешней оболочки с образованием свободного электрона и ионизированного атома) и

возбуждения (выбивания электрона с внутренней оболочки на внешнюю) атомов.

Энергия α–частиц тратится на взаимодействие с электронными оболочками атомов веществ. С уменьшением скорости α–частицы увеличивается вероятность захвата ими электронов, благодаря которому она превращается в нейтральный атом гелия.

Рис. 6.3. Схема взаимодействия заряженных частиц с веществом на ядерном и атомном уровнях

Взаимодействие α–частиц с ядрами атомов в виде упругого или неупругого рассеяния имеет значительно меньшую вероятность и потому не влияет на характер прохождения α–частиц через вещество.

Каждый α–активный изотоп испускает моноэнергетические характерные именно для него группы α–частиц. Поэтому потоки α–частиц используют обычно для возбуждения ядерных реакций типа (α, n), (α, β), для возбуждения характеристического рентгеновского излучения при анализе лѐгких элементов рентгенорадиометрическим методом.

Реакцию (α, n) часто используют для получения потока нейтронов. Проникающая способность α–частиц невелика, большая часть энергии

теряется у поверхности вещества.

Протоны (p) вызывают ядерные реакции (p, α); (p, n); (p, p); (p, γ).

Для получения больших потоков протонов, нейтронов и ионов различных элементов используют генераторы и ускорители заряженных частиц. С их помощью можно получить интенсивные потоки γ–излучения и нейтронов по реакциям (p, γ), (d, n). Здесь d – дейтрон.

Прямое использование α–частиц для определения состава вещества в информационных методах обогащения не нашло применения.

Бета-излучение в большинстве случаев представляет собой поток отрицательно заряженных частиц – электронов. При взаимодействии с орбитальными электронами или ядрами атомов вещества электрон испытывает большое количество актов упругого или неупругого рассеяния. При неупругом рассеянии электрона его энергия тратится на ионизацию и возбуждение атомов и на радиационное (тормозное) излучение. Вследствие упругого рассеяния электрон не теряет энергию, а лишь изменяет направление своего движения.

Следует отметить, что проникающая способность бета-излучения невелика, в минералах и горных породах она обычно не превышает долей миллиметра.

Основными последствиями взаимодействия электронов при их энергиях до нескольких мегаэлектронвольт являются возбуждение и ионизация атомов. При ионизации атома выбивается один из электронов, который в соответствии с переданной ему энергией может производить также ионизацию атомов среды. В большинстве случаев энергия выбитых электронов оказывается небольшой, и поэтому число актов ионизации, вызываемых ими, как правило, невелико.

Возбуждение атома происходит вследствие выбивания бета-частицей электрона с более глубоких электронных оболочек атома. Переход атома из возбуждѐнного состояния в нормальное сопровождается испусканием фотонов характеристического рентгеновского излучения, как и при возбуждении гамма-излучением. Однако бета-флуоресценция меньше зависит от колебаний вещественного состава исследуемого образца по сравнению с гамма-флуоресценцией.

При торможении электрона в кулоновском поле ядра возникает электромагнитное излучение с энергией, зависящей от ускорения электрона. Поскольку отдельные электроны испытывают различное ускорение, тормозное излучение имеет непрерывный энергетический спектр. Максимальную энергию фотоны тормозного излучения приобретают в том случае, когда электрон полностью теряет свою энергию в кулоновском поле ядра атома; энергия фотона равна при этом кинетической энергии электрона. Потери энергии электронов на тормозное излучение на единице пути (dE/dx) зависят от порядкового номера элемента и энергии электронов E и определяются выражением

(dE/dx)≈EZ ²n,

где n – число атомов в 1 см³ вещества.

С увеличением энергии электронов и атомного номера элемента потери энергии на тормозное излучение возрастают и являются существенными лишь для высоких значений энергии электронов и для элементов с большими порядковыми номерами.

Метод измерения, основанный на возбуждении атомов потоком бета-частиц, называется бета-флуоресцентным. Он может применяться в анализе руд, содержащих тяжѐлые элементы с атомным номером Z≥35, например, молибденовых, свинцовых, оловянных, вольфрамовых.

Упругое рассеяние электронов может происходить как на орбитальных электронах, так и на ядрах атомов вещества. Однако вероятность рассеяния электрона ядрами атомов значительно больше вероятности рассеяния орбитальными электронами. Сечение упругого рассеяния на орбитальных

электронах приблизительно пропорционально порядковому номеру Z и соответственно Z ² – на ядрах атомов. В результате упругого рассеяния большая часть электронов отклоняется на малые углы. Вероятность отклонения электрона на больший угол увеличивается для элементов с большими Z и при небольших энергиях электронов.

Плотность потока рассеянных в обратном направлении бета-частиц зависит от толщины слоя и порядкового номера элемента, входящего в состав вещества, подвергаемого облучению. Увеличение толщины рассеивающего слоя приводит к возрастанию плотности потока обратно рассеянного излучения. Однако это происходит до определѐнного предела. Минимальная толщина образца, начиная с которой плотность рассеянного излучения не возрастает, является слоем насыщения.

Изменение плотности потока обратно рассеянного излучения в зависимости от порядкового номера элемента объясняется различным вкладом упругого рассеяния бета-частиц в общий процесс рассеяния данным веществом. Порядковый номер элемента определяет и характер энергетического распределения обратно рассеянного бета-излучения.

С увеличением порядкового номера максимум интенсивности рассеянного излучения смещается в сторону больших значений энергии.

Метод измерения, основанный на измерении плотности потока обратно рассеянного бета-излучения, называется бета-отражательным. Он может применяться для руд, содержащих тяжѐлые элементы.

В информационных методах обогащения взаимодействие бета-излучения с веществом для идентификации состава практически не используется.