По-видимому, радиохимические изменения играют очень большую роль в структуре земной коры. Особенно важен процесс, связанный с распадением молекулы воды, всюду проникающей земную кору, всю ее твердую материю...
В.И. Вернадский
Прохождение радиоактивного излучения через вещество будет приводить к взаимодействию частиц или фотонов с атомами, входящими в состав вещества. Основную роль в этом взаимодействии играют следующие параметры, характеризующие частицы и вещество: масса, заряд, энергия (для частиц) и атомный номер, плотность, средний ионизационный потенциал (для вещества).
Тяжелые заряженные частицы (α-частицы, протоны, дейтроны и т.д.) при прохождении через вещество тормозятся преимущественно в результате взаимодействия с электронными оболочками атомов вещества. При этом происходят ионизация и возбуждение атомов и молекул. Плотность ионизации увеличивается к концу пробега.
Электроны ионизирующих излучений (β-частицы) теряют свою энергию в результате неупругого рассеяния на электронах и ядрах атомов замедляющего вещества. Это приводит к ионизации атомов и появлению тормозного рентгеновского излучения. Тормозная способность вещества пропорциональна плотности среды, ее эффективному атомному номеру и числу атомов в 1 см3. Для частиц разных типов она прямо пропорциональна квадрату величины заряда ионизирующей частицы и обратно пропорциональна ее кинетической энергии.
След частицы в веществе называется треком. Число ионов на единицу пути в треке тяжелых заряженных частиц значительно больше, чем в треке электрона.
275
Фотоны гамма- и рентгеновского излучения теряют свою энергию в результате фотоэлектрического поглощения и образования пар электрон - позитрон (см. гл. 1). Электроны, возникающие при этом, теряют свою энергию за счет ионизации.
Нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов. При этом происходит их упругое и неупругое рассеяние, ядерные реакции и деление ядер.
Действие излучения на вещество зависит от поглощенной дозы излучения.
Ядра отдачи оказывают очень существенное радиационное воздействие на среду. Ядром отдачи называется остаток атома, возникший в результате радиоактивного распада. Энергия радиоактивного распада частично передается атому отдачи и превращается в кинетическую энергию (Eат).
Энергия отдачи при α-распаде имеет величину десятых долей мегаэлектронвольта (см. гл. 5). Для β-распада кинетическая энергия атома отдачи варьирует в пределах от сотых долей до нескольких десятков электрон-вольт.
При испускании γ-фотона атом отдачи приобретает кинетическую энергию порядка единиц - десятков электрон-вольт.
Энергия связи атомов в молекуле составляет примерно 2 - 5 эВ. Поэтому лишь при α-распаде происходит разрыв химических связей в молекуле, куда входил материнский атом.
В результате свободный атом отдачи с большой скоростью начинает перемещаться в среде, превращаясь в так называемый горячий атом. Для β-распада, К-захвата и изомерного перехода разрыва химических связей не происходит. Такое состояние называется первичным удерживанием.
Горячий атом (с энергией больше тепловой) взаимодействует со средой, вызывая ионизацию и возбуждение молекул. В твердом веществе он проходит путь в 100 - 1000 А, испытывая неупругие атом-атомные соударения. В конце пробега (~ 10 А) происходит взаимодействие по правилу соударения жестких сфер. Энергия атома отдачи затрачивается здесь на создание каскадов смещенных атомов и нагревание образующихся зон нарушения - так называемая горячая зона. Время образования горячей зоны порядка 10-12 с, температура в ее пределах может достигать 105 К.
Охлажденные до тепловых скоростей атомы отдачи могут вступать в обычные химические реакции и реакции изотопного обмена (вторичное удерживание). Область стабилизации атомов отдачи является метастабильной, с повышенным содержанием энергии и дефектов кристаллической решетки. Под действием внешних факторов (нагревание, облучение) будет происходить воссоздание первичных молекул структуры, которое носит название отжига.
276
*
Раздел написан на основе книги А.Н. Несмеянова "Радиохимия" (1978)
