Interaction of Ionizing Radiation

During the passage of ionizing radiation  through matter, there is an interaction between the particles or photons of the radiation and the structures of the surrounding  atoms , i.e. the nucleus and the electron shell. The course of the interaction itself depends on the nature of the radiation, its kinetic energy and the composition of the substance in which the interaction takes place.

The interaction is evaluated from two perspectives:


 * from the point of view of radiation – changes in energy, number of particles and direction of passing radiation;
 * from the point of view of the environment – ​​movements of subatomic particles and subsequent reactions.

According to the interaction, we divide ionizing radiation into:
 * directly ionizing – electrically charged particles – radiation α , β - and β +  , protons, nuclear fragments;
 * indirectly ionizing - electroneutral radiation - X- ray ,  γ radiation  , neutron radiation.

According to the place of interaction, we divide into:


 * interacting with the core ;
 * interacting with the atomic shell.

Overall, ionizing radiation can therefore be divided into three groups:


 * electromagnetic (photon) radiation – X- rays and γ radiation;
 * charged particles – p, α, β;
 * uncharged particles - neutrons.

Interaction of electromagnetic radiation
The interaction occurs in the nucleus and its electromagnetic field or in the shell of the atom. The interactions of both types of radiation (X-ray and γ) are very similar, they differ in the place of origin (X-ray from the envelope, γ from the core) and frequency.

In total, we distinguish six types of interactions of photon radiation with matter (see table). Only the three most important ones will be discussed in more detail: the photoelectric effect, Compton scattering and the formation of electron-positron pairs.

Interakce nabitých částic
Těžší částice, nesoucí náboj, interagují s hmotou nepružnými nárazy. Tím předávají okolí svou kinetickou energii. Tento děj nazýváme srážkové ztráty energie. Náboj se nemění.

Interakce může proběhnout také formou tzv. radiační ztráty, kdy spolu interagují pouze elektromagnetická pole částic. K tomu dochází často u lehkých částic, elektronů.

Částice záření nemusí předat celou svou energii najednou. Energie se v cílové struktuře projeví jako excitace buď jádra nebo elektronů v obalu. Vždy dochází ke ztrátám energie v podobě tepla. Pokud je předaná energie dostatečně velká, může dojít k odtržení elektronu, který se pak chová jako β- částice, jeho kinetická energie je rovna energii předané nárazem. Toto takzvané sekundární elektronové záření je někdy označováno jako záření δ.

Těžší částice nesoucí větší náboj interagují častěji, svou energii předají okolí na krátké vzdálenosti a pak zanikají.

Interakce nenabitých částic
right Neutrony, jako nejvýznamnější zástupci skupiny nenabitých částic, interagují s okolní hmotou jen na základě silných a slabých jaderných sil.

Interakce může probíhat formou pružného a nepružného rozptylu, emisí nabité částice, radiačního (neutronového) záchytu, nebo dojde k rozštěpení jádra.

Pružný rozptyl
Nejpravděpodobnějším typem interakce je pružný rozptyl. Dochází k němu na velmi malých jádrech, která se svou velikostí blíží neutronu, jako například vodík. Energie, předaná neutronem, se celá přemění na kinetickou energii zasažené částice. Atom se neexcituje. Odražený neutron pokračuje dále se zbytkem energie. Tomuto ději se říká moderace neutronové rychlosti. Děj pokračuje dokud se neutron nezpomalí natolik, že může být absorbován jádrem. Moderace se využívá v 235uranových jaderných reaktorech, kdy atomy vodíku v molekule vody zpomalují rychlé neutrony, vzniklé štěpením.

Nepružný rozptyl
K nepružnému rozptylu dochází na jádrech těžkých prvků. Neutron, obdobně jako při pružném rozptylu, předá část své kinetické energie a jako zpomalený pokračuje dál. Zasažené jádro se ale excituje, část předané energie je vyzářena v podobě γ fotonu, zbytek se změní v kinetickou energii jádra.

Emise nabité částice
Neutron má tolik energie, že při zásahu jádra vyrazí jeden nebo i několik jaderných elementů. Kinetická energie neutronu je tedy spotřebována na vyražení protonu, α částice nebo deuteronu (jádro deuteria, jeden proton a jeden neutron), zbytek předané energie se změní v kinetickou energii vyražené částice. Tím může dojít ke vzniku nestabilního nuklidu a jeho dalšímu rozpadu.

Radiační záchyt
Neutron je zachycen jádrem, jeho kinetická energie je vyzářena v podobě γ fotonu.

Jaderné štěpení
Při vhodné rychlosti neutronu, v poměru k cílovému atomovému jádru, může dojít k rozštěpení jádra za vzniku štěpných produktů, kterými jsou většinou radioaktivní izotopy. Při štěpení se z jádra uvolní tolik energie, že vzniklé neutrony mají i vyšší energii, než ten, který způsobil štěpení. Obvykle je emitováni foton γ záření. Pokud se uvolní víc než jeden neutron schopný štěpení, dochází k tzv. lavinovému efektu s exponenciálním nárůstem interakcí. Této řetězové štěpné reakce se využívá u jaderných zbraní. V moderované podobě (= ne všechny vzniklé neutrony štěpí další jádra) je základem jaderného reaktoru.

Související články

 * Ionizující záření