Поглощение электронов в алюминии

В ближайшие годы в Республике Беларусь будет построена атомная электростанция (АЭС). Основным элементом АЭС является ядерный реактор, где происходит реакция деления ядер урана (). Ядро урана при поглощении нейтрона, как правило, делится на два ядра-осколка сравнимых по массе. Ядра-осколки всегда радиоактивны и испускают в процессе радиоактивных превращений γ-кванты и электроны β-распада (β-электроны).

Рассмотрим как взаимодействуют электроны с веществом и как уменьшается интенсивность β-излучения (электронов) при прохождении через мишень.

Электроны, попадая в вещество, взаимодействуют с атомами среды. Электрон может упруго рассеяться на атоме как целом. Этот процесс приводит, в первую очередь, к отклонению частицы от первоначального направления. В результате пучок электронов, проходя через вещество, становится более широким. Упругое рассеяние на атоме также приводит к потере кинетической энергии электрона, однако эти потери не велики вследствие большой массы атома. Основным механизмом потери энергии является неупругое рассеяние электронов на электронах атомов среды. Атомный электрон, получая энергию при рассеянии, переходит в состояние с более высокой энергией (атом возбуждается) или вообще покидает атом (атом ионизируется).

Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов среды называются ионизационными потерями. Именно ионизационные потери являются основными при прохождении через среду электронов с энергиями меньше 10 МэВ. С ростом энергии ионизационные потери уменьшаются, что приводит к увеличению длины пробега электронов в среде.

Электроны могут также терять энергию и тормозиться, излучая фотоны. Потери энегии, связанные с излучением фотонов, называются радиационными потерями, а фотоны, излучаемые частицей при торможении, называются тормозным излучением. Радиационные потери энергии электронов растут с ростом энергии электрона и становятся основными для электронов высоких энергий, например, для электронов, получаемых в ускорителях.

При прохождении пучка электронов через вещество частицы в пучке тормозятся, теряя свою энергию на ионизацию атомов и излучение фотонов. Когда кинетическая энергия электронов становится сравнимой с энергией теплового движения окружающих атомов, электрон может продолжить свое хаотическое движение, отдавая или приобретая энергию, может быть захвачен одним из атомов, образуя отрицательный ион. В результате, число частиц в пучке уменьшается как функция толщины слоя вещества-поглотителя.

Зависимость числа прошедших через вещество-поглотитель электронов от толщины слоя поглотителя x называется кривой ослабления электронов N(x). Толщина слоя вещества, при прохождении которого, число электронов, падающих на мишень N(0), уменьшается в два раза, называется толщиной слоя половинного ослабления т.е.

.

Величина слоя половинного ослабления зависит от энергии электронов, от плотности и атомного номера вещества. Для конкретного вещества длина половинного ослабления тем больше, чем больше энергия электронов.

Источником электронов могут быть ускорители электронов, а также ядра, испытывающие β-распад. Если ускоритель является источником монохроматических электронов, т.е. электронов, имеющих одинаковую энергию, то при β-распаде вылетающие из ядра электроны могут иметь любую энергию от нуля до некоторой максимальной энергии Е_макс, характерной для данного β-распада. В этом случае говорят, что электроны β-распада или просто β-электроны имеют непрерывный спектр энергий (см. рис. 1).

Рис.1 Спектр β-электронов.

Рассмотрим в качестве источника электронов стронций-иттриевый источник, где происходят два последовательных β-распада . Спектр такого источника имеет более сложный вид, так как складывается из двух β-спектров (см. рис.2)

Рис.2 Спектр стронций-иттриевого источника..