V.3.1. Interacțiunea radiațiilor nucleare cu substanța. Legea de atenuare a fotonilor.

În funcție de modul de interacțiune a radiației nucleare cu atomii substanței pe care o străbate avem următoarele tipuri de reacții nucleare provocate:

- Difuzie elastică, când particula incidentă (a) lovește nucleul fără pierdere de energie, schimbându-și doar direcția:
X(a,a)X

- Difuzie neelastică, când particula pierde o parte din energie în momentul interacțiunii, iar nucleul țintă trece într-o stare excitată de unde revine în starea fundamentală prin emisia unei cuante γ:
X(a,aγ)X

- Captură simplă, când proiectilul nuclear este absorbit de nucleu, rezultând un alt nucleu, care emite una sau mai multe cuante γ, de exemplu:

- Dezintegrare, când particula incidentă este absorbită de nucleu, rezultând un nou nucleu și o altă particulă, de exemplu:

- Fotodezintegrare, când dezintegrarea este produsă de fotoni cu o energie foarte mare (radiație X sau radiație gamma), de exemplu:

Principalul proces de interacțiune a radiațiilor ionizante cu substanța este ionizarea atomului, adică smulgerea unui electron din atom. Atomul rămas fără electron devine încărcat electric pozitiv (ion pozitiv). Electronul smuls din atom, care preia energia cedată de radiație, poate la rândul său să ionizeze alți atomi sau molecule.

Există cazuri în care la interacțiunea radiației cu atomul, electronul nu este smuls din atom ci, preluând o cantitate de energie, trece pe un nivel energetic superior. Acest proces se numeşte excitarea atomului. Prin dezexcitare, atomul emite surplusul de energie sub formă de radiație și revine la starea stabilă.

Energia necesară excitării unui atom este mai mică decât energia necesară pentru ionizarea lui (E_excitare < E_ionizare).

Ionizarea substanței poate fi directă în cazul particulelor încărcate electric (radiația alfa, beta) şi indirectă în cazul radiațiilor gamma, razelor X şi neutroni.

Trecerea fotonilor X și γ printr-o substanță este însoțită de două fenomene: efectul fotoelectric și efectul Compton, cu scoaterea electronilor rapizi din substanța respectivă. Acești electroni pot produce la rândul lor alte procese de ionizare.

La trecerea printr-o substanță a fotonilor dintr-un fascicul cu o direcție bine definită are loc o atenuare a acestora, deoarece aceștia sunt absorbiți sau împrăștiați, fiind scoși din fascicul.

Legea de atenuare a fotonilor:

I (x) = I (0) ∙ e^-μx,

x este grosimea stratului de substanță prin care trece fasciculul de fotoni
I (x) este intensitatea fasciculului la ieșirea din stratul x
I (0) este intensitatea fasciculului la intrarea în stratul x
μ este coeficientul de atenuare liniară care reprezintă probabilitatea de interacțiune a fotonilor cu atomii de substanță pe unitatea de drum liniar străbătut în mediu. Acest coeficient depinde de natura substanței.

🔦 Observație

În vid fasciculul de fotoni nu se atenuează.

Interacțiunea radiațiilor ionizante cu substanța pe care o străbate interesează din două puncte de vedere:

- detectarea radiațiilor ionizante;

- efectele biologice pe care le produc radiațiile.