Корпускулярное излучение

Термин «корпускулярное излучение» используется для обозначения потоков частиц, отличных от фотонов и имеющих ненулевую массу. Прежде всего к нему относят потоки атомных ядер гелия (альфа‑излучение), быстрых электронов (бета‑излучение), нейтронов и протонов^[16]. Иногда сюда включают мезонное излучение^[8] и потоки более тяжёлых атомных ядер (по сравнению с альфа-частицами)^[7].

Отдельно выделяются ионизирующие корпускулярные излучения, которые в свою очередь подразделяются на два типа^[8]:

• непосредственно ионизирующее излучение — потоки электрически заряженных частиц с достаточной кинетической энергией для ионизации атомов при столкновении (сюда относятся потоки альфа-частиц, протонов и электронов);
• косвенно ионизирующее излучение — потоки нейтронов и других незаряженных частиц, которые сами ионизацию не создают, но вызывают появление вторичных заряженных частиц в среде.

Термин «корпускулярное излучение» употребляется прежде всего в радиационной физике и радиобиологии. В широком смысле к нему могут относить любые потоки частиц, распространяющиеся от какого-либо источника. В прикладной радиационной защите обычно рассматривают потоки заряженных частиц и нейтронов, способных передавать энергию веществу и вызывать ионизацию^[10].

В астрономии корпускулярным излучением называют потоки электрически заряженных частиц (например, космические лучи), испускаемых Солнцем и другими астрофизическими источниками^[17].

Первые представления о корпускулярном излучении формировались в рамках исследований радиоактивности и газовых разрядов в конце XIX — начале XX века. В 1896 году Анри Беккерель, изучая фосфоресценцию солей урана, обнаружил, что фотопластинки, завёрнутые в непрозрачную бумагу и лежащие в темноте под кристаллами сульфата уранила-дикалия, засвечиваются, хотя внешнего источника энергии не было. Он пришёл к выводу, что уран самопроизвольно испускает проникающее излучение, и тем самым открыл явление радиоактивности^[18]. Термин «радиоактивность» был введён в 1898 году Марией Склодовской-Кюри, которая совместно с Пьером Кюри изучала урановую руду и обнаружила, что остаток руды после химического выделения урана обладает большей активностью, чем очищенный уран, и на этом основании выделила новые радиоактивные элементы — полоний и радий^[19][20][21].

Эрнест Резерфорд, систематически исследуя свойства излучения, сопровождающего радиоактивный распад, показал, что оно подразделяется на три вида — альфа‑, бета‑ и гамма‑излучение — и классифицировал их по способности проникать в вещество: альфа-частицы задерживаются несколькими сантиметрами воздуха, бета-частицы имеют больший пробег, а гамма-лучи обладают высокой проникающей способностью^[19][22].

Параллельно шло развитие исследований катодных лучей и других разрядных явлений в газах, которые привели к открытию субатомных частиц и осознанию корпускулярной природы электричества и части излучений. В середине XIX века улучшенные вакуумные трубки и опыты Юлиуса Плюкера и его последователей показали, что от катода в разрядной трубке распространяются лучи, вызывающие свечение стекла. В 1879 году Уильям Крукс показал, что эти лучи отклоняются магнитным полем, и сделал вывод, что они состоят из отрицательно заряженных частиц^[23]. В 1897 году Дж. Дж. Томсон в серии экспериментов показал, что катодные лучи отклоняются электрическими и магнитными полями, измерил отношение массы к заряду для этих частиц и заключил, что катодные лучи представляют собой потоки отрицательно заряженных «корпускул», позднее получивших название электронов. Масса этих частиц оказалась примерно в 1836 раз меньше массы иона водорода^[24][23].

Опыты Ойгена Гольдштейна с перфорированным катодом, проведённые в 1886 году, показали существование лучей, распространяющихся в противоположном направлении — от анода к катоду, проходящих через отверстия в катоде и образующих свечение на конце трубки. Он назвал их каналовыми лучами, и последующее изучение показало, что они состоят из положительно заряженных ионов газа, то есть атомных ядер^[25][26]. Таким образом, уже к началу XX века были экспериментально выявлены потоки отрицательных электронов и положительных ионов, испускаемые различными источниками, что стало важной частью формирования понятия корпускулярного излучения.

Впоследствии понятие корпускулярного излучения расширилось за счёт включения потоков частиц, испускаемых Солнцем и другими космическими объектами. Идея о том, что Солнце может быть источником корпускулярного излучения, возникла ещё в XIX веке. После наблюдения в 1859 году солнечной вспышки и последовавшей геомагнитной бури Ричард Кэррингтон предположил причинную связь этих явлений и выдвинул гипотезу о непрерывном потоке солнечных частиц^[27]. В начале XX века гипотеза о корпускулярном излучении Солнца использовалась для объяснения полярных сияний, геомагнитных бурь и поведения хвостов комет. В частности, Кристиан Биркеланд связывал геомагнитные явления с потоками быстрых электронов от Солнца^[27]. В 1943 году Куно Хофмейстер, обобщив наблюдения комет, предположил, что отклонение газовых хвостов комет от направления строго от Солнца может быть связано с солнечным корпускулярным излучением^[28]. В 1951 году Людвиг Бирман развил эту идею, показав, что наблюдаемое ускорение ионов в хвостах комет требует потока частиц от Солнца, поскольку давления солнечного излучения недостаточно для объяснения их движения^[27][29].

В 1958 году Юджин Паркер показал, что горячая солнечная корона не может находиться в гидростатическом равновесии и должна непрерывно расширяться в межпланетное пространство; этот поток плазмы он назвал солнечным ветром^[27][30]. Предсказание Паркера вскоре получило экспериментальное подтверждение: в 1959 году приборы советских аппаратов «Луна-1» и «Луна-2» зарегистрировали потоки солнечных частиц, а в 1962 году «Маринер-2» непосредственно обнаружил непрерывно текущий солнечный ветер при полёте к Венере^[30][31]. Всё это привело к тому, что термин «корпускулярное излучение» в современной физике и радиационной защите охватывает не только потоки частиц, возникающие при радиоактивном распаде и ядерных реакциях, но и естественные космические потоки заряженных и нейтральных корпускул, приходящих от Солнца и из межзвёздного пространства.

Электрически заряженные частицы корпускулярного излучения при прохождении через вещество передают ему энергию в основном посредством электромагнитного взаимодействия с электронами и атомными ядрами. Такие взаимодействия вызывают возбуждение атомов или молекул либо их ионизацию. При взаимодействии с атомными ядрами возможны также ядерные реакции^[38][6][15].

Нейтроны не имеют электрического заряда и поэтому взаимодействуют главным образом с атомными ядрами посредством сильного взаимодействия; основные процессы включают упругое и неупругое рассеяние, радиационный захват и другие ядерные реакции^[45][15]. Нейтрон также обладает магнитным моментом, равным −1,9130427 ядерного магнетона^[46], поэтому взаимодействует с магнитными полями и магнитными моментами вещества. Это свойство используется при исследовании магнитной структуры материалов методом нейтронного рассеяния (в частности, нейтронографии)^[45].

Способность корпускулярного излучения проникать в вещество зависит от вида частиц, их энергии и свойств поглощающего материала. Альфа-частицы имеют небольшой пробег и высокую удельную ионизацию. Бета-частицы проникают глубже, но их энергия распределяется по большей длине пути. Нейтроны обладают высокой проникающей способностью, поскольку не участвуют в электрическом взаимодействии с электронами и ядрами; для их ослабления применяют, в частности, водородсодержащие материалы^[1][34][15].

Например, для альфа-частиц с энергией 4 МэВ пробег в воздухе составляет 2,5 см, а в биологической ткани — около 31 мкм. Эффективный пробег электронов (бета-частиц) с энергией 5 МэВ в воздухе значительно больше и достигает 20 м. В алюминии пробег различных типов частиц составляет^[15]:

• 16 мкм для альфа-частиц энергией 4 МэВ;
• 0,18 мм для протонов энергией 5 МэВ;
• 0,95 см для электронов энергией 5 МэВ;
• 14,1 см для нейтронов энергией 4 МэВ.

Для электронов, распространяющихся в веществе, существенны как потери энергии при столкновениях, так и радиационные потери, связанные с испусканием тормозного излучения. Для протонов и альфа-частиц тормозные потери включают столкновительную и ядерную составляющие^[38].

Взаимодействие высокоэнергичных заряженных частиц космических лучей с материалами орбитальных и межпланетных аппаратов может вызывать радиационные повреждения и деградацию компонентов последних, в том числе солнечных батарей. Частицы радиационных поясов также могут вызывать электризацию аппаратов^[3].

Ионизирующее корпускулярное излучение может передавать энергию клеткам и вызывать ионизацию молекул. Повреждение биологических структур, включая ДНК, может возникать непосредственно при взаимодействии частиц с молекулами либо косвенно — через химически активные продукты радиолиза воды^[6][15].

Биологическое действие зависит от вида частиц, их энергии, дозы, мощности дозы и биологической эффективности излучения, а также того, находится ли источник вне организма или внутри него. Различные виды излучения существенно различаются по проникающей способности и характеру воздействия на организм. Международные нормы радиационной защиты рассматривают среди ионизирующих частиц альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, протоны и тяжёлые ионы^[47]. Альфа-частицы имеют очень малую проникающую способность: типичная альфа-частица не проходит через внешний слой кожи (роговой слой эпидермиса), поэтому внешнее альфа-облучение представляет сравнительно небольшую опасность. В то же время попадание альфа-излучающих радионуклидов внутрь организма может приводить к значительному облучению близлежащих клеток, поскольку короткий пробег частиц приводит к передаче энергии вблизи места их образования. Бета-частицы проникают глубже: их пробег в тканях обычно составляет около 1 см, а для высокоэнергичных электронов может достигать 1—2 см^[6][34]. Нейтроны проникают значительно глубже — на многие сантиметры; при взаимодействии с веществом они передают энергию, особенно эффективно сталкиваясь с атомными ядрами водорода^[48].

Высокоэнергичные частицы галактических космических лучей представляют радиационную опасность для космонавтов при межпланетных полётах. Потоки солнечных энергичных частиц, состоящие преимущественно из протонов и электронов, также могут создавать угрозу здоровью, в том числе во время выхода в открытый космос^[3].

Корпускулярное излучение, в частности пучки электронов, протонов и ионов, формируемые ускорителями, применяется в фундаментальных научных исследованиях, медицине и промышленности^[14].

В ядерной медицине циклотроны используют для получения радиоизотопов, из которых изготавливают радиофармацевтические препараты. Последние применяют для диагностики и лечения онкологических заболеваний^[49], а также для диагностической визуализации, в том числе при исследованиях центральной нервной системы^[49][50]. Альфа-излучающие радионуклиды в составе радиофармацевтических препаратов исследуются и применяются для направленной радионуклидной терапии опухолей^[51]. В лучевой терапии пучки протонов и ионов (например, ионов углерода), ускоренные в циклотронах или синхротронах, используют для непосредственного облучения опухолей^[52].

В промышленности электронные пучки применяют для стерилизации медицинских изделий и пищевых продуктов^[14].

В ядерной энергетике пучки ионов применяют, в частности, для исследования радиационного воздействия на конструкционные материалы реакторов. Основные процессы радиационного повреждения, происходящие в реакторе, могут моделироваться ионными пучками, что позволяет проводить быстрый предварительный отбор перспективных материалов^[53]. Пучки нейтронов, генерируемые исследовательскими реакторами, используют для облучательных испытаний материалов и топлива, разработки и подтверждения пригодности новых видов ядерного топлива к эксплуатации, а также для исследования материалов методами нейтронного рассеяния, радиографии и томографии^[54]. Нейтронные пучки позволяют детально изучать атомную и магнитную структуру и динамику материалов^[55].

При радиоуглеродном датировании измеряется поток бета-частиц, испускаемых радиоактивным изотопом углерода ¹⁴C, на основаниии чего определяется содержание этого изотопа в образце. С помощью этой величины вычисляется радиоуглеродный возраст образца^[9].