Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема 1. ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИОННОЙ ОПАСНОСТИ ДЛЯ ЧЕЛОВЕКА, ОБЪЕКТОВ И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ

Радиоактивные излучения в природе возникают в результате радиоактивных превращений ядер атомов. Знание механизма этих превращений позволит объективно оценить степень опасности излучений и решать задачи защиты от них.

1.1 РАДИОАКТИВНОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ЯДЕР

1.1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АТОМЕ И АТОМНОМ ЯДРЕ

Напомним некоторые выводы из основ ядерной физики:

Атом наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Каждому химическому элементу соответствует определенный состав атома. Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и в связанном - в составе молекул. Все химические и физические свойства атома определяются особенностями его строения. Атомы имеют размеры порядка 10-10м и массу 10-27кг.

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов.

Модель строения атома была предложена в 1913 году датским физиком Н. Бором, за основу которой была принята планетарная модель Э. Резерфорда. Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого движутся по строго определенным орбитам отрицательно заряженные электроны. Электроны удалены от ядра на расстояние примерно 10-5м. Величина заряда электрона составляет 1,610-19Кл, а масса меньше ядра атома водорода в 1840 раз и составляет 9,110-31 кг. Основная масса атома сосредоточена в ядре, на долю электронов приходится менее 0,05% массы атома. Располагаясь на определенных расстояниях от атомного ядра, электроны образуют электронные слои (электронные оболочки). На каждой оболочке К (номер оболочки) может быть не более 2К2 электронов. Каждая оболочка характеризуется своим энергетическим уровнем. Если электроны заполняют свои орбиты, то атом находится в устойчивом состоянии.

Наша справка. В атоме, в ядре атома, во Вселенной взаимодействие противодействующих сил стремится к динамическому равновесию.

Если орбитальный электрон получает дополнительную энергию извне, то он переходит на более удаленную орбиту (атом становится возбужденным). Стремясь к равновесию, через некоторое время электрон вернется на свою орбиту, при этом будет выделена энергия в виде фотона равная h? (постоянная Планка h = 6,6262 ·10-34Дж/сек., ? - частота гамма-кванта).

Плотность ядерного вещества очень велика и составляет 1,8·1017 кг/м3. Это свидетельствует об огромной внутриядерной энергии. Наибольшая плотность ядерного вещества у элементов расположенных в средней части периодической таблицы Д.И. Менделеева.

Ядро имеет сложную структуру и до конца не изучено, но для понимания природы радиоактивности достаточно рассмотреть только основные его части, основные силы и некоторые основные элементарные частицы.

Элементарные частицы характеризуются массой, электрическим зарядом, спином и рядом других величин. К настоящему времени сложилась определенная классификация элементарных частиц, объединяющая их в три группы: фотоны, лептоны и адроны. К группе фотонов относится одна частица - фотон, который является переносчиком электромагнитной энергии.

К группе лептонов относятся - электрон, мюон, таоон, соответствующие им нейтрино, а также их античастицы. Лептоны являются фермионами, спин им приписывают равным ?. Основную часть элементарных частиц составляют адроны, к которым относятся каоны, -мезоны, нуклоны, гипероны, а также их античастицы. Ведутся работы по поиску новых частиц, которые бы являлись основой для построения всех адронов. Существует гипотеза о существовании кварков, с помощью которых можно построить все известные адроны.

Ядра состоят из нуклонов (протоны и нейтроны) и других частиц. Нуклоны (от лат. nucleus - ядро) - общее наименование для протонов и нейтронов, из которых построены все атомные ядра.

Нуклиды, общее название атомных ядер, отличающихся числом протонов нейтронов. Нуклиды с одинаковым числом в ядре химического элемента протонов и разным количеством нейтронов называются изотопами.

Протон (от греч. protos - ядро) - относительно стабильная элементарная частица с положительным зарядом и массой ? 1836 mе (mе - масса электрона). Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, при этом число протонов в ядре равно атомному номеру данного элемента и, следовательно, определяет место элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Среднее значение жизни протона более 1030 лет.

При определенных условиях (слабом взаимодействии) протон при внутренних ядерных превращениях переходит в нейтрон через бета-распад ядер или в результате электронного захвата с выбросом позитрона и нейтрино.

Позитрон - элементарная частица, которая по массе равна массе электрона, но имеет положительный заряд равный по величине заряду электрона.

Нейтрон - электрически нейтральная элементарная частица с массой ? 1840 mе, незначительно превышающей массу протона. Относится к классу андронов. Среднее время жизни нейтрона ? 15,3 мин. При слабом взаимодействии нейтрон может превратиться в протон через бета-распад с выбросом электрона (условно заряд равен минус единице) и антинейтрино.

5. Прочность ядру придают нейтроны и пи-мезоны, как частицы «ядерного клея». Если протон обладает стягивающими и отталкивающими свойствами, то нейтроны - только стягивающими свойствами. Внутри ядрапротоны и нейтроны обмениваются другс другом пи-мезоном (сгустком электромагнитной энергии измезонного облака), что придает прочность ядру. Пи-мезон в 7 раз легче протона и в 270 раз тяжелее электрона.

6. Прочность ядра зависит от соотношения полей в ядре: электрического, гравитационного, ядерного, электромагнитного, слабого. Радиус действия ядерных сил равен радиусу нуклона (порядка 1,5·10-13 м). Ядерное поле самое сильное.

7. Количество электронов (отрицательный заряд) на орбитах атома равно числу протонов (положительный заряд) в ядре. В этом состоянии атом относительно устойчив и электрически нейтрален.

8. Экспериментально показано, что масса ядра меньше суммы масс входящих нуклонов. Это явление называют дефектом массы.

Масса атома, ядра и его составных частей измеряется в атомных единицах массы (АЕМ). 1 АЕМ равна 1/12 массы атома углерода-12, что составляет 1,6610-27кг. Однако если просуммировать массы протонов и нейтронов в атомном ядре (масса протона - 1,007277 АЕМ, нейтрона - 1,086652 АЕМ), то получается некоторое расхождение с величинами массы ядра, найденным экспериментальным путем, т.е. образуется дефект массы.

Поясним, что это означает. Согласно теории относительности А. Энштейна энергия частиц подчиняется закону Е = mС2 (где m - масса частицы, С - скорость света). Из уравнения следует, что каждому изменению массы частицы должно отвечать соответствующее изменение энергии. Энергия, которую необходимо затратить для разрушения ядра и разделения его на свободные нуклоны, названа энергией связи ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны между собой в данном ядре, тем большую работу нужно совершить для его разрушения. При обратном процессе - процессе образования ядра из свободных нуклонов - ядерные силы совершают работу, поэтому и в этом случае также выделяется энергия. Однако, прочность ядра определяет не полная энергия связи, а энергия связи, приходящаяся на один нуклон, т.е. удельная энергия связи. Прочность различных ядер неодинакова. Наиболее прочными являюися ядра с числом нуклонов около 60. Свойство дефекта массы используется для выделения внутриядерной энергии в реакциях деления и синтеза ядер атомов.

радиация излучение

1.1.2 ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

Впервые способность ядер тяжелых элементов самопроизвольно распадаться была обнаружена Беккерелем в 1896 году. Позднее Резерфорд и супруги Кюри показали, что ядра некоторых веществ испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные ряды, где каждый член ряда возникает из предыдущего, причем никакими внешними физическими воздействиями (температура, электрические и магнитные поля, давление) нельзя повлиять на характеристики распада.

Способность некоторых неустойчивых атомных ядер самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием различных видов радиационных излучений называют радиоактивностью, а изотопы, ядра которых способны самопроизвольно распадаться - радионуклидами.

Имеются радионуклиды средней части таблицы Д.И. Менделеева и три радиоактивных семейства тяжелых радионуклидов.

Количество ядерных превращений тяжелых радионуклидов может быть различным, но последним элементом, ядра которого не распадаются, является свинец. Радиоактивный распад описывается при помощи уравнений на основе равенства сумм зарядов и массовых чисел:

M1 M2 M3

X ---------------? Y + частица (1.1)

Z1 Z2 Z3

Здесь М - массовое число, равное сумме протонов и нейтронов в ядре;

M = Z+n, (1.2)

где:Z - число протонов в ядре; n - количество нейтронов в ядре.

Выполнение закона сохранения массового числа:

М1 = М2 + М3 (1.3)

Выполнение закона сохранения электрического заряда:

Z1 = Z2 + Z3 (1.4)

Известны 4 типа радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад, спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад), протонная радиоактивность (протонный синтез).

В более тяжелых элементах больше нейтронов. Начиная с номера 82 таблицы Д.И. Менделеева ядра изотопов химических элементов нестабильны и распадаются несмотря на избыток нейтронов. Рассмотрим примеры альфа- и бета-распадов, как наиболее часто встречающиеся.

Альфа-распад - характерен для ядер тяжелых элементов. Пример:

239 235 4

Pu -----> U + ? (1.5)

94 92 2

При альфа-распаде ядро атома испускает два протона и два нейтрона, связанные в ядро атома гелия 42Н, т.е. альфа-частица по массе и заряду аналогична ядру атома гелия. Таким образом, в результате альфа-распада образуется атом элемента, смещенный на два места от исходного радиоактивного элемента к началу периодической системы И.Д. Менделеева. Энергия альфа-частиц может быть в пределах 1-10 МэВ.

Бета-распад (?-распад) - это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон с выбросом бета-частиц (соответственно позитрона или электрона). Бета-распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений:

Выбрасывание электрона и антинейтрино - -?-распад (электронный распад).

Выбрасывание электрона и антинейтрино - +?-распад (позитронный распад).

Поглощение одним из протонов ядра атома электрона с ближайшей орбиты. При этом заряд ядра уменьшится на единицу.

Как предполагают физики, для равновесия в ядре должно быть определенное сочетание количества протонов и нейтронов. При этом нейтронов для придания устойчивости ядру должно быть больше по мере роста порядкового номера химического элемента. Однако, если имеет место чрезмерный избыток нейтронов, то ядро становится неустойчивым, что вызывает превращение нейтрона в протон. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу больше, а материнское ядро испускает электрон и антинейтрино. Если в ядре избыток протонов по сравнению с нейтронами, то протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино. При этом образуется химический элемент с порядковым номером на единицу меньше материнского. Приведем примеры таких распадов.

Электронный распад:

40 40

К -------> Са + е- (электрон) + (антинейтрино) (1.6)

19 20 (нейтрон > протон)Позитронный распад:

22 22

Nа ------> Nе + е+(позитрон) + (нейтрино) (1.7)

11 10 (протон > нейтрон)

Энергия бета-частиц изменяется в больших пределах и может достигать 13,5 МэВ. Бета-частицы распространяются в среде со скоростью 0,29-0,99 скорости света.

Примечание. Так как массы выбрасываемых электрона, позитрона, нейтрино и антинейтрино крайне малы по сравнению с массой протонов и нейтронов, то массовое число атома можно считать неизменным.

Иногда радиоактивный распад сопровождается выбросом не только бета- или альфа-частиц, но и гамма-квантов. Гамма-кванты - это электромагнитное излучение с частотой до1020 с-1, с энергией до 10 МэВ. Это происходит в том случае, если при распаде не вся энергия передается выбрасываемому электрону, позитрону или альфа-частице. Например:

24 24

Nа ------> Мg + ? + 2? (1.8)

11 12

Примечание. Как самостоятельный вид гамма-распада не существует.

Радиоактивные превращения ядер могут происходить и при захвате ядром орбитального электрона (К-захват):

64 64

Сu + е- --------> Ni (1.9)

29 28

Наша справка. Позитронный распад и К-захват являются конкурирующими процессами, т.е. если возможен позитронный распад, то и К-захват тоже. К-захват характерен для нейтронно дефицитных ядер. Поглотив орбитальный электрон, протон превращается в нейтрон. При этом на освободившееся место на орбите, электрон переходит с более высокого энергетического уровня, а атом испускает характеристическое рентгеновское излучение, по которому обычно и фиксируется К-захват.

Спонтанное деление атомных ядер (нейтронный распад) - это самопроизвольное деление некоторых тяжелых ядер (уран-238, 235, калифорний-240, 248, 249, 250; кюрий-244, 248 и др.). Вероятность самопроизвольного деления ядер незначительна по сравнению с альфа-распадом. Процесс самопроизвольного деления ядер происходит из-за того, что ядра сами по себе нестабильны. При этом происходит расщепление ядра на два осколка (ядра), близких по массе (рис.1.1.). При самопроизвольном делении имеет место неравентство mЯД m1 + m2.

Здесь mяд - масса ядра, m1 и m2 - массы ядер-осколков, образующиеся в результате -распада ядра. Кинетическая энергия ядер-осколков во много раз больше энергии альфа частиц. Кроме того, выбрасывается некоторое количество нейтронов, обычно 2-3 на акт деления. Другой отличительной особенностью деления является огромное энерговыделение (в миллионы раз больше, чем при сжигании органического топлива). И наконец, продукты деления являются радиоактивными. Ядра-осколки перегружены нейтронами и поэтому испускают нейтроны, бета-частицы и гамма-кванты. То есть, при делении тяжелых ядер появляются различного рода ионизирующие излучения.



Рис.1.1. Схема одного из вариантов спонтанного деления ядра урана-238

Протонная радиоактивность. Как известно, космическое излучение представляет собой поток протонов (90%), альфа-частиц (9%), остальные - это ядра легких элементов и другие элементарные частицы. Протонную радиоактивность лучше всего проиллюстрировать протеканием термоядерных реакций на Солнце.

Как уже отмечалось ранее, протон - относительно стабильная частица и является ядром самого распространенного изотопа водорода - протия. Протон участвует во всех процессах взаимодействия элементарных частиц. Солнце содержит много водорода (примерно 50% массы Солнца, остальную часть составляют углерод, азот, кислород). Температура центральной части Солнца находится в пределах 1,2107К-1,5107К. При такой температуре все легкие элементы полностью ионизированы, так что вещество представляет собой плазму - смесь протонов (ядер водорода), электронов, легких ядер (альфа-частицы) и незначительное количество средних и тяжелых ядер. В этих условиях основной источник энергии связан с превращением водорода в гелий. При “низких” температурах около 107К доминируют реакции, при которых происходит непосредственный захват протонов протонами. При температуре около 2107К основную роль играет реакция, при которой синтез гелия реализуется с помощью ядер углерода и азота. В отличие от первой реакции вторая реакция протекает очень быстро, так как количество ядер тяжелого водорода (21Н) в звездах неизмеримо мало. Далее, из всех возможных наиболее вероятна следующая реакция:

3 3 4 1

Не + Не ---------- Не (альфа-частица) + 2 Н(р)

2 2 2 1

Энергия альфа-частицы ? 12,8 МэВ. Известно, что при температурах 2107К превращение протона в альфа частицу (гелий) идет с помощью ядер-катализаторов - углерода и азота. Термоядерные реакции возможны и в земных условиях и реализованы в термоядерных боеприпасах.

1.1.3 ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА РАДИОНУКЛИДА

В результате всех видов радиоактивных превращений количество ядер данного изотопа постепенно уменьшается. Убывание количества распадающихся ядер происходит по экспоненте и записывается в следующем виде:

N=N0е-t (1.10)

где N0 - количество ядер радионуклида в момент начала отсчета времени

(t =0); - постоянная распада, которая для различных радионуклидов разная; N - количество ядер радионуклида спустя время t; е - основание натурального логарифма (е = 2,713….). Это и есть основной закон радиоактивного распада.

Вывод формулы (1.10.). Естественный радиоактивный распад ядер протекает самопроизвольно, без всякого воздействия извне. Этот процесс статистический и для отдельно взятого ядра можнолишь указать вероятность распада за определенное время. Поэтому скорость распада можно характеризовать временем t. Пусть имеется число N атомов радионуклида. Тогда, число распадающихся атомов dN за время dt пропорционально числу атомов N и промежутку времени dt:

dN = - ?Ndt (1.11)

Знак минус показывает, что число N исходных атомов уменьшается во времени. Экспериментально показано, что свойства ядер со временем не меняются. Отсюда следует, что ? есть величина постоянная и носит название - постоянная распада. Из 1.11. следует, что ? = - dN/N = const, при dt = 1, т.е. постоянная ? равна вероятности распада одного радионуклида за единицу времени.

В уравнении (1.11.) поделим правую и левую части на N и проинтегрируем:

dN/N = - ?dt (1.12)

N t

?dN/N = - ?? dt (1.13)

N0 0

Получим: ln N/N0 = - ?t и N = N0 е- ?t , (1.14)

где N0 есть начальное число распадающихся атомов (N при t =0).

В практических расчетах для оценки характеристик радиационного излучения используется понятие период полураспада Т (иногда в литературе обозначается Т1/2). Периодом полураспада называется промежуток времени в течении которого исходное число радиоактивных ядер уменьшается вдвое, а число распадающихся ядер за время Т остается постоянным (? = const)

В уравнении (1.10.) правую и левую часть поделим на N, и приведем к виду:

N0/N = еt (1.15)

Полагая, что N0/N = 2, при t = T, получим ln2 = Т, откуда

ln2 = 0,693 = 0,693/T (1.16)

Подставив выражение (1.16) в (1.10) получим

N = N0е-0.693t/T (1.17)

На графике (рис.1.2.) показана зависимость числа распадающихся атомов от времени распада. Теоретически кривая экспонента никогда не может слиться с осью абсцисс, но на практике можно считать, что примерно через 10-20 периодов полураспада радиоактивное вещество распадается полностью.

На практике формулой 1.17 пользуются редко, а используют основную характеристику источника излучения - активность.

· Активность - это физическая величина, характеризующая число радиоактивных распадов в единицу времени или это отношение числа спонтанных (вероятных) ядерных переходов dN еделенного ядерно-энергетического состояния радионуклида за интервал времени dt:

А = dN/dt (1.18)

Исходя из определения активности следует, что она характеризует скорость ядерных переходов в единицу времени. С другой стороны, количество ядерных переходов зависит от постоянной распада ?. Можно показать, что:

A = A0е-0,693t/T (1.19)

Вывод формулы (1.19.). Активность радионуклида характеризует число распадов в единицу времени (в секунду) и равна производной по времени от уравнения (1.14.) :

А = dN/dt = ?N0е--t = ?N (1.20)

Соответственно начальная активность в момент времени t = 0 равна:

Аo = ?No (1.21)

Исходя из уравнения (1.20) и с учетом (1.21) получим:

А = Аoе-t или А = А0е- 0,693t/T (1.22)

Единицей активности в системе СИ принят 1 распад/с = 1 Бк (назван Беккерелем в честь французского ученого (1852-1908 г), открывшего в 1896 году естественную радиоактивность солей урана). Используют также кратные единицы: 1 ГБк = 109 Бк - гигабеккерель, 1 МБк = 106 Бк - мегабеккерель, 1 кБк = 103 Бк - килобеккерель и др.



.

Существует и внесистемная единица Кюри, которая изымается из употребления согласно ГОСТ 8.417-81 и РД 50-454-84. Однако на практике и в литературе она используется. За 1Кu принята активность 1г радия.

1Кu = 3,71010 Бк; 1Бк = 2,710-11Ки. (1.23)

Используют также кратную единицу мегакюри 1 Мки = 1106 Ки и дольные - милликюри, 1 мКи = 10-3 Ки; микрокюри, 1 мкКи = 10-6 Ки.

Радиоактивные вещества могут находиться в различном агрегатном состоянии в том числе аэрозольном, взвешенном состоянии в жидкости или в воздухе. Поэтому в дозиметрической практике часто используют величину удельной, поверхностной или объемной активности или концентрации радиоактивных веществ в воздухе, жидкости и в почве.

Удельную, объемную и поверхностную активность можно записать cоответственно в виде:

Аm = А/m; Аv = А/v; Аs = A/s (1.24)

где: m - масса вещества; v - объем вещества; s - площадь поверхности вещества.

Очевидно, что:

Аm = A/m = A/s?h = Аs/?h = Av/? (1.25)

где: ? - плотность почвы, принимается в Республике Беларусь равной 1000кг/м3; h - корнеобитаемый слой почвы, принимается равным 0,2м; s - площадь радиоактивного заражения, м2.

Тогда: Аm = 510-3 Аs ; Аm = 10-3 Av (1.26)

Аm может быть выражена в Бк/кг или Кu/кг; As может быть выражена в Бк/м2 ,Кu/ м2, Кu/км2; Av может быть выражена в Бк/м3 или Кu/м3.

На практике могут быть использованы как укрупненные, так и дробные единицы измерения. Например: Кu/ км2 , Бк/см2, Бк/г и др.

В нормах радиационной безопасности НРБ-2000 дополнительно введены еще несколько единиц активности, которыми удобно пользоваться при решении задач радиационной безопасности.

Активность минимально значимая (МЗА) - активность открытого источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превышении которой требуется разрешение органов санитарно-эпидемиологической службы Министерства здравоохранения на использование этих источников, если при этом также превышено значение минимально значимой удельной активности.

Активность минимально значимая удельная (МЗУА) - удельная активность открытого источника ионизирующего излучения в помещении или на рабочем месте, при превышении которой требуется разрешение органов санитарно-эпидемиологической службы Министерства здравоохранения на использование этого источника, если при этом также превышено значение минимально значимой активности.

Активность эквивалентная равновесная (ЭРОА) дочерних продуктов изотопов радона 222Rn и 220Rn - взвешенная сумма объемных активностей короткоживущих дочерних продуктов изотопов радона - 218Ро (RaA); 214Pb (RaB); 212Pb (ThB); 212Вi (ThC) соответственно:

(ЭРОА)Rn = 0,10 АRaA + 0,52 АRaB + 0,38 АRaC ;

(ЭРОА)Th = 0,91 АThB + 0,09 АThC ,

где А - объемные активности дочерних продуктов изотопов радона и тория.

Связь между массой радионуклида и его активностью

На практике частонеобходимо определять массу радионуклида по известной активности и наоборот. Определим соотношения.

Известно, что массаодного грамм-моля вещества (радионуклида) численно равна массовому числу М, выраженному в граммах. С другой стороны,число атомов в одном грамм-моле равно числу Авогадро, т.е. NА = 6,023·1023 моль-1. Тогда можно составить пропорцию:

m --------------- М

N --------------- NA

Отсюда следует:

m = MN/ NА = MA/?NА = MAT/0,693 NА; (1.27)

где: А - активность радионуклида; N - число радиоактивных атомов; Т- период полураспада. В формуле (1.27.) учтено, что N = A/ и = 0,693/Т.

Для удобства расчета и учета единиц выражение (1.27) можно записать в виде:

m = a1MTA; m = a2MTA (1.28)

где величина а1 - используется, если активность выражена в беккерелях, а2 - когда активность выражена в кюри, а1 и а2 представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Значения величин а1 и а2

Величины а1 и а2 1 и а2	Период полураспада Т
	с	мин	ч	сут	год
а1	2,410-24	1,4410-22	8,6210-21	2,0710-19	7,5610-17
а2	8,8610-14	5,3210-12	3,1910-10	7,6610-9	2,8010-6

1.1.4 ЗАКОН ИЗМЕНЕНИЯ АКТИВНОСТИ РАДИОНУКЛИДНЫХ РЯДОВ

Представленная на графике (рис.1.2) зависимость определяет скорость распада одного радионуклида. Однако в случае превращения одного радионуклида в другой (дочерний) радионуклид, характер этой зависимости изменится. Большинство естественных радионуклидов имеют длинные цепи превращений одних радионуклидов в другие, так называемые радионуклидные ряды, пока наконец, они не превратятся в стабильный изотоп.

Законы изменения активности связанных радионуклидов качественно другие и зависят от соотношения периодов их полураспада. Эти закономерности могут быть проще уяснены при рассмотрении цепочки распадов из двух изотопов с различными периодами полураспада.

Пусть период полураспада Т1 исходного (материнского) радионуклида, больше периода полураспада конечного (дочернего) радионуклида Т2. В начальный период, когда радионуклид состоит только из материнского, его активность будет убывать с периодом Т1. Одновременно с убыванием материнского радионуклида возникает дочерний и его активность будет возрастать. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока скорость образования дочернего радионуклида не станет равной скорости распада материнского и эти скорости будут находиться в определенном и неизменном соотношении все дальнейшее время. В этом случае говорят, что наступило радиоактивное равновесие.

Так как активность исходного (материнского) радионуклида все время убывает с периодом Т1, то после достижения радиоактивного равновесия активность конечного (дочернего) радионуклида и суммарная активность двух радионуклидов будут убывать с периодом полураспада исходного (материнского) радионуклида Т1. При этом между активностями А1 и А2 устанавливается постоянное соотношение:

А1/А2 = (Т1 - Т2)/Т1 (1.29)

Если периоды полураспада сильно отличаются друг от друга, т.е. Т1>> Т2, то после достижения равновесия активность дочернего радионуклида А2 остается все время практически равной активности материнского радионуклида А1. Радиоактивное равновесие достигается за время t, равное примерно 10 периодам полураспада наиболее долго живущего радионуклида из продуктов распада.

Когда исходный радионуклид обладает меньшим периодом полураспада, чем конечный радионуклид продукт распада, т.е. Т1 < Т2, то равновесие не может быть осуществлено, так как никогда не будет постоянного соотношения между активностями этих двух радионуклидов.

Приведем основные математические соотношения для расчета активности для цепочки радионуклидов. Если в начальный момент времени t = 0 имелся материнский радионуклид, характеризуемый числом радиоактивных атомов N01 и активностью А01, то число Nj дочерних радиоактивных атомов и их активность Njj в цепочке из радиоактивного распада из n последовательно распадающихся радионуклидов с постоянными распада 1, 2, …j …n в зависимости от времени t можно рассчитать по формулам:

N1 = N01 ехр (-1t); A01 = N011; A1 = N1 1 = A01 ехр (-1t); (1.30)

N2 = 1/(2 - ?1)ехр (-1t) - ехр (-2t)N01; (1.31)

Nn = 12 …n-1ехр(-1t)/(2 - 1)(3 - n)…(n-1 - 1) + … +

+ ехр (-nt)/(1 - n) (2 - n) …(n - 1 - n)N01. (1.32)

Индекс j указывает на место дочернего радионуклида в цепочке распада, начиная с материнского нуклида, а (n-1) - число дочерних нуклидов в цепочке распада.

1.1.5 ЗАКОН СПАДА РАДИОАКТИВНОСТИ ПРОДУКТОВ ЯДЕРНОГО ДЕЛЕНИЯ

Продукты деления ядерного горючего образуются при ядерном взрыве и при работе атомного реактора на атомной электростанции. При этом во время ядерного взрыва на разных этапах радиоактивного распада возникает около 300 различных радионуклидов, большинство из которых являются короткоживущими. Суммарная активность смеси продуктов деления для бета-частиц через одну минуту после ядерного взрыва может быть определена по формуле

А? = 108qдел (1.33)

где qдел - тротиловый эквивалени взрыва по делению, т

В течение первых 100 - 160 суток после ядерного взрыва или аварии на АЭС с выбросом радиоактивных веществ изменение радиоактивности на радиоактивно зараженной местности приближенно описывается законом Вэя-Вигнера:

А1/А2 = (t2/t1) n (1.34)

где А1, А2 - активности излучения радионуклидов, соответствующие моментам времени t1, t2 после начала радиоактивного заражения местности;

n - показатель степени, характеризующий величину спада активности излучения во времени, зависящей от изотопного состава радионуклидов. Для аварии на АЭС с выбросом радиоактивных веществ n = 0,4-0,86, для ядерного взрыва n = 1,2.

При известной паре отсчетных значений А0 и t0 можно получить зависимость изменения активности от времени:

Аt = А0 (t/t0)- n (1.35)

где А0 и Аt - активность осколков деления ко времени t0 и t после взрыва. По мере увеличения времени, прошедшего после ядерного взрыва, активность осколков деления быстро падает, примерно так: при семикратном увеличении времени активность падает в 10 раз.

При аварии на АЭС с выбросом радионуклидов из активной зоны количество и состав радионуклидов будет другим. Обычно, количество радионуклидов не превышает 40 -50, так как большинство короткоживущих радионуклидов в реакторе уже распалось. Но происходит накопление радионуклидов, период полураспада которых соизмерим со сроком жизни человека и более. Кроме того, количество ядерного горючего в атомном реакторе измеряется тоннами, в то время как масса ядерного взрывчатого вещества боеприпаса исчисляется килограммами. По этой причине количество выброшенных радионуклидов при аварии может быть значительным, а время распада большим. На рис. 1.3. можно сравнить законы спада радиоактивности для ядерного взрыва и после аварии на АЭС с выбросом радиоактивных веществ.

На графике (рис. 1.3.) момент начала выпадения радиоактивных осадков принят за нулевой (t = 0). По прошествии примерно одного часа, в течение которого на землю выпадает основная масса радиоактивных осадков, активность радиации достигает максимума и затем начинается ее снижение.

Рис. 1.3. Зависимость активности зараженности местности от времени, прошедшего с момента начала радиоактивного заражения после аварии на АЭС и ядерного взрыва

Показатель скорости спада активности n на практике определяется после замера в одной и той же точке активности в различные моменты времени не менее двух раз. А величину n находят по формуле, которая получена после логарифмирования выражения (1.34.).:

n = (lq A1 - lq A2)/(lq t2 - lq t1) (1.36)

Примечание. Формулы (1.35.) и (1.36.) справедливы и для случая, когда вместо активности рассматривается мощность дозы (показатель рассматривается в 1.2.3). Поэтому величину n можно вычислить и в случае, если имеется прибор для измерения мощности дозы.

Вопросы для самоконтроля:

Понятие радионуклида.

Явление радиоактивности (примеры альфа-распада и бета-распада).

Особенности спада радиоктивности по основному закону радиоактивного распада.

Особенности спада радиоактивности после ядерного взрыва.

Особенности спада радиоактивности после аварии на АЭС с выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду.

Пересчитать 5 Ки/км2 в Бк/кг и 5 Ки в Бк.

Пересчитать 100 Бк/кг в Ки/м2 .

1.2 ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВЕЩЕСТВОМ

1.2.1 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Ионизирующее излучение (ИИ) - это радиационное излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков. Ионизирующее излучение делят на корпускулярное и фотонное.

Примечание: видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующим излучениям.

Корпускулярное - это поток частиц с массой отличной от нуля (электроны, протоны, нейтроны, альфа-частицы).

Фотонное - это электромагнитное излучение, косвенно ионизирующее излучение (гамма излучение, характеристическое излучение, тормозное излучение, рентгеновское излучение, аннигиляционное излучение).

Альфа-излучение - это поток альфа-частиц (ядер атомов гелия), испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Альфа-частицы обладают сильной ионизирующей способностью и незначительной проникающей способностью. В воздухе они проникают на глубину несколько сантиметров, в биологической ткани - на глубину доли миллиметра, задерживается листом бумаги, тканью одежды. Альфа-излучение особо пасно при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом.

Бета-излучение - это поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при их бета-распаде. Их ионизирующая способность меньше, чем у альфа-частиц, но проникающая способность во много раз больше, и составляет десятки сантиметров. В биологической ткани они проникают на глубину до 2 см, одеждой задерживается только частично. Бета-излучение опасно для здоровья человека, как при внешнем, так и при внутреннем облучении.

Протонное излучение - это поток протонов, составляющих основу космического излучения, а также наблюдаемых при ядерных взрывах. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа и бета-излучением.

Нейтронное излучение - поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах, особенно нейтронных боеприпасов и работе ядерного реактора. Последствия его воздействия на окружающую среду зависят от их начальной энергии нейтрона, которая может меняться в пределах 0,025 -300 МэВ.

Гамма-излучение - электромагнитное излучение (длина волны

10-10-10-14 м) , возникающее в некоторых случаях при альфа и бета-распаде, и аннигиляции частиц. Проникающая способность гамма-излучения значительно больше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Глубина распространения гамма-квантов в воздухе может достигать сотен и тысяч метров. Ионизирующая способность (косвенная) значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Большинство гамма-квантов проходит через биологическую ткань, и только незначительное количество поглощается телом человека.

Тормозное излучение - фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Воздействие на окружающую среду такое как и гамма-излучения.

Характеристическое излучение - фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Аннигиляционное излучение - фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, позитрона и электрона). Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Рентгеновское излучение - фотонное излучение (длина волны

10--9-10--12 м), состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, генерируемого рентгеновскими аппаратами, и возникающее при некоторых ядерных реакциях. В отличие от гамма-излучения оно обладает такими свойствами как отражение и преломление.

1.2.2 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ

Альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, протоны обладают значительной энергией, и воздействуя на вещество, с одной стороны производят его ионизацию, а с другой проникают на определенную глубину. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию в основном в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами, отдавая им всю или часть своей энергии, вызывая ионизацию или возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту). Ионизация и проникновение на определенную глубину имеют принципиальное значение для оценки воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань различных видов излучений. Зная свойства различных видов излучений проникать через разные материалы, последние можно использовать как для защиты человека, так и некоторых объектов, приборов и т.д.

Результаты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависят: от массы, заряда потока частиц и их энергий; от вида фотонов и их энергий; от типа и плотности вещества; от значения энергий внутримолекулярных сил облучаемого вещества.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом зависит от соотношения масс и энергий частиц и может носить упругий или неупругий характер.

Упругое взаимодействие аналогично столкновению бильярдных шаров и характерно для нейтральных частиц (нейтронов) и фотонов, не имеющих заряда. При этом нейтрон, взаимодействуя с атомами, может в соответствии с законами классической механики передать часть энергии пропорционально массам соударяющихся частиц. Если это атом тяжелого элемента, то передается только часть энергии. При этом нейтрон замедляется до тепловых энергий, а далее вступает в ядерные реакции. Ударяя в атом, нейтрон может передать такое количество энергии, которого достаточно, чтобы ядро «выскочило» из электронной оболочки. В этом случае образуются заряженные частицы, обладающие значительной скоростью, которые способны осуществлять ионизацию среды. Результатом упругого взаимодействия может быть и смещение атомов с узлов кристаллической решетки.

Аналогичным образом взаимодействуют с веществом и фотоны. Фотон самостоятельно не способен ионизировать среду, но выбивает электроны из атома, которые и производят ионизацию среды. Таким образом, нейтроны и фотоны способны косвенно ионизировать вещество.

Итак, при упругом взаимодействии не изменяется природа частиц, и их суммарная энергия остается постоянной до и после взаимодействия, происходит только перераспределение энергии между взаимодействующими частицами. Возможен и такой случай упругого взаимодействия, когда не изменяется энергия каждой из взаимодействующих частиц, а происходит только изменение направления их движения.

При неупругом взаимодействии часть энергии может затрачиваться на нагревание, возбуждение атомов или молекул, ионизацию и т.д. В процессе взаимодействия может происходить и изменение природы частиц в результате протекания ядерных реакций, рождения и аннигиляции частиц.

Неупругое взаимодействие характерно для заряженных частиц. Они способны ионизировать среду за счет взаимодействия с электрическим полем атома. Попадая в зону действия электрического поля, положительно заряженные частицы тормозятся, и отклоняются от направления своего движения, испуская при этом тормозное излучение. Заряженные частицы могут за счет неупругих взаимодействий передавать атомам среды количество энергии, недостаточное для ионизации. В этом случае образуются атомы в возбужденном состоянии, которые передают эту энергию другим атомам, либо испускают кванты характеристического излучения, либо соударяясь с другими возбужденными атомами, могут получить энергию, достаточную для ионизации атомов.

С учетом выше сказанного можно сделать некоторые выводы:

заряженные частицы, проходящие через вещество, взаимодействуют как с орбитальными электронами атома, так и с его ядром;

при взаимодействии с орбитальными электронами, энергия частиц растрачивается на ионизацию атомов, если она не менее 35 эВ и на возбуждение атомов (перевод электрона с ближней орбиты на более удаленную), если она менее 35 эВ;

в процессе ионизации атома образуются заряженные частицы (свободные электроны), а атомы, потерявшие один или несколько электронов превращаются в положительно заряженные ионы;

при взаимодействии с ядром заряженная частица может или тормозиться электрическим полем ядра и менять свое направление движения или поглощаться ядром. В первом случае происходит испускание тормозного излучения, во втором случае заряженная частица (при достаточно большой энергии) поглощается ядром, при этом выбрасываются элементарные частицы и фотоны. Поглощение частицы ядром обычно происходит, если энергия частицы превышает 1,02 МэВ.

Процесс взаимодействия, при котором исчезают первоначальные и появляются новые частицы, называют ядерной реакцией. Рассмотрим взаимодействие различных видов излучений с веществом.

Гамма-излучение

Взаимодействие гамма-квантов с веществом может сопровождаться фотоэффектом, комптоновским рассеянием и образованием электрон-позитронных пар. Вид эффекта зависит от энергии гамма-кванта:

Ек = h? - Еи, (1.37)

где: h - постоянная Планка; ? - частота излучения; Еи - энергия ионизации соответствующей атомной оболочки.

Фотоэффект возникает при Е = 10 эВ-1 МэВ, то есть при относительно малых значениях энергий. В этом случае вся энергия гамма-кванта передается орбитальному электрону, и он выбивается из орбиты (рис.1.4).

Справка: Название "фотоэффект" дано потому, что этот эффект обнаружен при исследовании влияния солнечного света («фотос» на греческом «свет»).

С ростом энергии гамма-квантов явление фотоэффекта становится все меньше, а при энергии 100-200 кэВ начинает преобладать комптон-эффект, то есть гамма-квант сообщает достаточную кинетическую энергию электрону, последний покидает атом (упругое взаимодействие), а сам гамма-квант изменяет направление своего движения и его частота несколько уменьшается (рис.1.5). Если энергия гамма-кванта превышает 1,02 МэВ, то он поглощается ядром, а из последнего одновременно вылетают электрон и позитрон (рис. 1.6). Таким образом, гамма-кванты способны косвенно ионизировать вещество.

Рис. 1.4. Схема фотоэффекта

Рис.1.5. Схема Комптон-эффекта



Рис.1.6 Схема эффекта образования электронно-дырочной пары

Рассмотрим, проникающую способность гамма-квантов.

Как уже отмечалось, гамма-квант образуется при переходе ядра в более низкие энергетические состояния. Не имея массы, они не могут замедляться в среде, а лишь поглощаются или рассеиваются.

При прохождении через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность излучения по следующему закону (рис.1.7):

I = Iо е-- µх (1.38)

где: I = Е?n/t; n - число гамма-квантов; ?- коэффициент поглощения; х - толщина поглотителя (вещества), см; Iо - интенсивность квантов до прохождения поглотителя, МэВ/с.

В практических расчетах удобно пользоваться и такой табличной величиной, как «толщина слоя половинного ослабления». Толщина слоя половинного ослабления - это такая толщина слоя материала, проходя которую интенсивность излучения гамма-квантов уменьшается в 2 раза. Запишем уравнение (1.38) в виде:

Iо /I = е- µх (1.39)



Рис.1.7. К оценке ослабления гамма-излучений веществом

Полагая Iо/I = 2 и логарифмируя правую и левую части уравнения (1.39) получим: ln2 = ?d, d = 0,693/?.

Тогда, формула (1.38) примет вид:

I = Iо е- 0,693х/d (1.40)

Толщина слоя половинного ослабления d берется из таблиц, но если они отсутствуют, то эта величина может быть вычислена приближенно по плотности материала ?:

d = 13/?, (1.41.)

где: 13 см - слой воды, ослабляющий гамма-излучение в 2 раза; ? - плотность материала, г/см3. Для некоторых материалов величины d представлены в приложении 3

Выражение (1.40) можно преобразовать следующим образом:

Косл = I0/I = ехр (0,693х/d), (1.42.)

где Косл - коэффициент ослабления гамма-излучения проходящего через преграду толщиной х и значением слоя половинного ослабления для данного материала d (рис. 1.9). При грубой оценке выражение (1.42) можно упростить полагая, что основание натурального логарифма е = 2,713…? 2, а 0,693 ? 1, получим:

Косл ? 2х/d (1.43.)

Расчеты показывают, что проникающая способность гамма-излучения в воздухе - десятки и сотни метров, в твердых телах - многие сантиметры, в биологической ткани человека часть гамма-квантов проходят через человека насквозь.

Бета-излучение

Прохождение бета-частиц через вещество сопровождается упругими и неупругими соударениями с ядрами и электронами тормозящей среды.

Упругое рассеяние бета-частиц на ядрах более вероятно и осуществляется при относительно низких энергиях электронов Е? < 0,5 МэВ (рис.1.8). Упругое рассеяние бета-частиц на электронах в Z раз (Z - величина заряда ядра) менее вероятно, чем на ядрах (рис.1.9). Возможен в редких случаях и сдвиг ядер атомов кристаллической решетки (рис.1.10).

При энергии бета-частиц выше энергии связи электрона и до ? 1 МэВ основным механизмом потерь энергии является неупругое рассеяние на связанных электронах, приводящее к ионизации и возбуждению атомов (рис.1.11).



При больших энергиях электронов главным механизмом потерь энергии является радиационное торможение, при котором возникает тормозное излучение.



Одним из вариантов неупругого взаимодействия является К-захват.

Таким образом, процессы взаимодействия бета-частиц со средой характеризуются радиационным торможением и относительно большой потерей энергии или значительным изменением направления их движения в элементарном акте. Вследствие этого взаимодействия интенсивность пучка бета-частиц уменьшается почти по экспоненте с ростом толщины поглощающего слоя х, т.е. для бета-частиц справедлива формула (1.38).

Путь бета-частиц в веществе представляет ломаную линию, а пробег бета-частиц одинаковых энергий имеет значительный разброс. Это связано с тем, что масса бета-частиц крайне мала, поэтому вероятность упругого рассеяния на ядрах больше, чем у тяжелых частиц. Пробег бета-частиц примерно в 1000 раз больше пробега альфа-частиц в веществе. В таблице 1.2 показана средняя глубина пробега бета-частиц в воздухе, биологической ткани и для примера в алюминии.

Таблица 1.2Пробеги бета-частиц

Максимальная энергия бета-частиц, Е, МэВ	Воздух, см	Биологическая ткань, мм	Алюминий, мм
0,01	0,13	0,002	0,0006
0,02	0,52	0,008	0,0026
0,03	1,12	0,018	0,0056
0.04	1,94	0,030	0,0096
0,05	2,91	0,046	0,0144
0,06	4,03	0,063	0.0200
0.07	5,29	0,083	0,0263
0,08	6,93	0,109	0,0344
0,09	8,20	0,129	0,0407
0,1	10,1	0,158	0,050
0,5	119	1,87	0,593
1,0	306	4,80	1,52
1,5	494	7,80	2,47
2,0	710	11,1	3,51
2,5	910	14,3	4,52
3,0	1100	17,4	5,50
5,0	1900	29,8	9,42
10	3900	60,8	19,2

Примечание. Наиболее распространены радионуклиды, излучающие бета-частицы с энергией от нескольких десятков килоэлектронвольт до 3,0-3,5 МэВ.

Итак, бета-частицы не имеют точной глубины проникновения, так как обладают непрерывным энергетическим спектром. Для грубой оценки глубины пробега бета-частиц пользуются приближенными формулами. Одна из них:

Rср/Rвозд = ?возд/?ср (1.44)

где: Rср - длина пробега в среде; Rвозд - длина пробега в воздухе,

Rвозд = 450 E?; ?возд и ?ср - плотность воздуха и среды соответственно;

E? - энергия бета-частиц.

Альфа-излучение

Энергия альфа-частиц находится в пределах 4-10 МэВ, скорость примерно 20 000 км/с. Имея большую массу и значительную энергию, они ее расходуют в основном на неупругое рассеяние на электронах атомов. Таким образом, альфа-частицы обладают большой ионизирующей способностью. В редких случаях альфа-частица может проникнуть в ядро и вызвать ядерную реакцию. Полная ионизация, создаваемая альфа-частицами на всем пути в среде, составляет примерно 120-150 тысяч пар ионов. Удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тысяч пар ионов на 1 см пути в воздухе. Удельная ионизация увеличивается к концу пробега альфа-частиц. Это связано с тем, что при прохождении через вещество энергия альфа-частицы, а значит, и ее скорость уменьшается. В результате увеличивается вероятность ее взаимодействия с электронами атома. Это приводит к увеличению ионизации вещества, достигая максимума в конце пробега.

Альфа-частицы, имея двойной электрический заряд и большую массу буквально «продираются» через атомы вещества. Вследствие сильных потерь энергии альфа-частицы проникают на незначительную глубину.

В отличие от фотонов и бета-частиц длина пробега альфа-частиц экспоненциальному закону не подчиняется. Поэтому пользуются империческими формулами. Так, например, для воздуха при 0°С и давлении 760 мм рт. ст. (0,1Па), длина пробега альфа-частиц с энергией от 3 до 8 МэВ может быть рассчитана по формуле Гейгера:

R? = E?2/3 /3, (см) (1.45)Длина пробега R? альфа-частиц в воздухе при температуре 15°С и давлении 0,1 Па определяется по формулам:

R? = 0,318 E?2/3 , (см) - если E? = (4-7) МэВ; (1.46)

R? = 0,56 E?2/3 , (см) - если E? < 4 МэВ. (1.47)

где: E? - энергия альфа-частиц.

Пробег альфа-частиц в веществе, отличном от воздуха определяют по формуле Брегга:

R? = 10-4(M E?3)1/2 /?, см (1.48)

где: М - атомная масса; ? - плотность вещества, г/см3.

В таблице 1.3 показана длина пробега альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии. Алюминий взят в качестве примера, так как именно металлы чаще всего применяются для защиты человека и электронных схем от ионизирующих излучений.

Таблица 1.3Пробеги альфа-частиц в воздухе, биологической ткани и алюминии

Энергия альфа частиц Е?, МэВ	Воздух, см	Биологическая ткань, мкм	Алюминий, мкм
4,0	2,5	31	16
4,5	3,0	37	20
5,0	3,5	43	23
6,0	4,6	56	30
7,0	5,9	72	38
8,0	7,4	91	48
9,0	8,9	110	58
10	10,6	130	69

Нейтронное излучение

Нейтроны взаимодействуют только с ядрами атомов. При облучении ядер атомов вещества нейтронами их энергия расходуется на: упругое рассеяние, неупругое поглощение ядрами вещества, деление тяжелых ядер.

В зависимости от энергии нейтронов преобладают те или иные виды взаимодействия. При энергии менее 0,025 эВ (холодные нейтроны) и при энергии 0,025-0,05 эВ (тепловые нейтроны) наблюдается реакция захвата тепловых и холодных нейтронов. При энергии 0,05-0,5 кэВ (промежуточные нейтроны) наблюдается упругое рассеяние. При энергии 0,2-20 МэВ (быстрые нейтроны) наблюдается как упругое, так и неупругое рассеяние. При энергии 20-300 МэВ (сверхбыстрые нейтроны) наблюдаются ядерные реакции.

В результате неупругого рассеяния нейтроны передают ядрам часть своей энергии и изменяют направление своего движения. Ядра атомов, получив дополнительную энергию вылетают из атомов, и проходя через вещество производят его ионизацию. Чем меньше масса ядер среды, через которую проходят нейтроны, тем большую долю энергии они теряют в процессе упругого рассеяния. Поэтому в качестве замедлителей нейтронов лучше всего использовать водородосодержащие или легкие вещества - воду, углерод, парафин. В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона уменьшается до теплового движения молекул и атомов среды.

В результате неупругого взаимодействия нейтрон поглощается ядром, при этом ядром испускаются различные частицы и гамма-кванты. При определенной энергии нейтрона возможно деление тяжелых ядер на две примерно равные части, при этом из ядра выбрасывается несколько нейтронов и если масса вещества больше критической, произойдет цепная реакция деления атомного взрыва.