Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Растрачивая энергию на ионизацию атомов, альфа-частицы пробегают сравнительно небольшой путь, после чего, присоединяя к себе по два электрона, они превращаются в обычные атомы гелия. Пробег альфа-частиц в воздухе имеет величину 1–16 см .

Пробег альфа-частицы зависит от ее скорости (энергии). Чем больше скорость, тем больше энергия частицы и тем, следовательно, длиннее будет пробег. В подтверждение сказанного ниже приводятся величины пробега альфа-частиц в воздухе при температуре 15° Ц и нормальном давлении для разных скоростей (соответственно разных энергий).

Все альфа-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, обладают приблизительно одинаковой энергией и вследствие этого имеют практически равную длину пробега.

Пробег альфа-частиц зависит также и от плотности среды,в которой они движутся. В твердых веществах, например, в металлах, бумаге, ткани, стекле и т. п., в которых атомы расположены значительно ближе друг к другу, чем в воздухе, пробег альфа-частиц во много раз короче и составляет несколько тысячных долей сантиметра. Поэтому для полного поглощения всех альфа-частиц с энергией не более 5 Мэв требуется листовой алюминий толщиной всего 0,002 см. Ткань нашей одежды полностью поглощает альфа-частицы любых скоростей.

Вторая часть радиоактивного излучения — бета-лучи — представляет собой поток сверхбыстрых электронов, вылетающих из ядер радиоактивных веществ со скоростями, близкими к скорости света, которая для пустоты равна 300 000 км/сек . Бета-лучи — наиболее распространенное излучение при искусственной радиоактивности.

Ионизирующее действие бета-частиц слабее, чем у альфа-частиц, примерно в 100 раз. Поэтому пробег у них значительно длиннее, как это видно из нижеследующей таблицы, в которой приведен пробег бета-частиц в воздухе при 15° Ц и нормальном давлении, в воде и свинце для разных скоростей соответственно разным энергиям.

Как видим, наиболее быстрые бета-частицы пробегают в воздухе до 2000 см , то есть до 20 м , в воде — до 2,6 см , в свинце — до 0,3 см . Таким образом, проникающая способность у бета-лучей гораздо больше, чем у альфа-лучей.

Бета-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, обладают в отличие от альфа-частиц различными скоростями, то есть различной энергией — от нуля и до некоторого максимального значения, вполне определенного для каждого вещества. Например, у радиоактивного кобальта 60 (то есть кобальта с атомным весом 60) максимальная энергия бета-частиц составляет около 0,3 Мэв , у стронция 89 равна 1,5 Мэв . Вследствие этого бета-частицы любого вещества имеют различные пробеги. Поэтому ослабление пучка бета-частиц при прохождении через вещество происходит постепенно, как это показывает кривая поглощениярис. 5. Толщина слоя вещества, в котором пучок бета-частиц полностью поглощается, как раз равна их максимальному пробегу.

Третья часть радиоактивного излучения — гамма-лучи — представляет собой электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света. По своей природе оно подобно радиоволнам, но имеет очень малую длину волны, измеряемую ничтожными долями миллиметра; гамма-лучи близки по своим свойствам к рентгеновским лучам. Распространение гамма-лучей сопровождается ионизацией частиц среды, правда, в тысячи раз более слабой, чем при прохождении альфа-частиц. Поэтому гамма-лучи обладают наибольшей из всех видов радиоактивного излучения проникающей способностью.

Относительная проникающая способность альфа-, бета- и гамма-лучей показана на рис. 6. Радиоактивный источник, находящийся в свинцовой коробочке, испускает все три сорта радиоактивного излучения. Альфа-лучи поглощаются тонким алюминиевым листком, а бета- и гамма-лучи проходят через него без заметного ослабления. Во втором листке алюминия толщиной 3 мм бета-лучи поглощаются полностью, а гамма-лучи проходят, лишь несколько ослабляясь. Наконец, слой алюминия толщиной 120 см значительно ослабляет гамма-лучи, хотя целиком их и не поглощает.

Ослабление параллельного пучка гамма-лучей при прохождении через вещество происходит постепенно по так называемому экспоненциальному закону, как это показывает кривая ( экспонента) на рис. 7. По вертикальной оси здесь отложена интенсивность гамма-лучей, то есть количество лучистой энергии, проходящей в секунду через квадратный сантиметр площадки, перпендикулярной к лучам; по горизонтальной оси отложена толщина слоя вещества. Интенсивность гамма-лучей, попадающих на поверхность вещества, принята за единицу. Из рисунка видно, что полностью поглотить гамма-лучи может, строго говоря, лишь слой бесконечно большой толщины. Слой вещества, при прохождении которого интенсивность гамма-лучей уменьшается в 2 раза, называется слоем половинного ослабления. Этим слоем, обозначенным на рис. 7 через x ½ , характеризуют обычно поглощающие свойства вещества по отношению к гамма-лучам.

Различные материалы поглощают гамма-лучи по-разному. На рис. 8 приведено ослабление гамма-лучей средней энергии в некоторых материалах. Для ослабления таких лучей в 10 раз необходим слой свинца толщиной 5 см , либо слой бетона в 20–30 см , либо слой земли в 50–60 см . В воздухе подобное ослабление гамма-лучи испытывают, пройдя несколько сот метров.

Гамма-лучи распространяются из радиоактивного вещества во всех направлениях, вследствие чего их интенсивность сильно уменьшается с расстоянием; при увеличении расстояния в 2 раза интенсивность уменьшится в 4 раза, при увеличении расстояния в 5 раз — в 25 раз.