Роль многократной ионизации в действии излучения (стр. 2 из 3)

CH₃J+ рентгеновские лучи- С²⁺ + 3Н⁺ + J⁵⁺ + 10 электронов. (1)

В этом случае три электрона переносятся, по-видимому, из метильной группы к йоду, поскольку следует ожидать, что свободный атом йода имеет заряд +8, так как этот элемент (Z— 53) находится рядом с Хе. Таким образом, два «добавочных» электрона, по-видимому, теряются при каком-то молекулярном процессе автоионизации. Примерно за 10~¹⁴сек молекула превращается в крошечный рой положительных ионов, который затем расширяется. Измерялся также, спектр энергий ядер ртдачи. Для C²⁺40его максимум находится примерно при 40 эв. Для Н⁺ и J⁵⁺ он лежит приблизительно при 34 и 9 эв соответственно. Эти энергии относятся к области химии «горячих атомов» или «высоких скоростей». Они хорошо согласуются с моделью «кулоновского взрыва». Получены, однако, указания на то, что уже в процессе появления заряда имеет место небольшое расхождение ионов [25]. Конденсированная среда. Разрушение молекул в результате эффекта Оже с последующим кулоновским отталкиванием было

качественно рассмотрено еще в 1941 г. [26] (см. также [27]). За исключением первоначальных переходов, которые, по существу, не зависят от окружающей среды, детали возникновения зарядов в конденсированных средах неизвестны. В жидкостях разрушения молекул надежно установлены [4].

Что касается действия радиации, то и образовавшиеся многократно заряженные положительные ионы, и испускаемые электроны ^ участвуют в создании маленьких химически активных областей возмущений. Первичные испускаемые электроны, так же как и один или несколько оже-электронов, могут иметь довольно большую энергию, но в случае легких атомов она не очень велика. Приближенное рассмотрение энергии связи дает для электронов, излучаемых в переходе K-+LL, энергию, примерно равную 500 эв и 250 эв для кислорода и углерода соответственно. Следует отметить, что эти энергии лежат в области, в которой сечения ионизации электронами особенно велики. К примеру, для оже-электронов из СН₄ наблюдаемое значение равно (246,6^0,6) эв [28]. Следует ожидать, что «выброшенные» электроны, а также ряд других обладают в среднем гораздо меньшей энергией.

Как отмечал Платцман [1], тот факт, что при ионизации внутренней оболочки могут образоваться высокоактивные участки с многочисленными ионизациями и возбуждениями, дает

Рис. .1. Спектр зарядов ионов при разрушении йодистого метила [25].

возможность объяснить атомные смещения в твердых веществах, облучаемых электронами, в тех случаях, когда величина смещения при прямой передаче импульса очень мала. Необходимое условие осуществления механизмов такого типа состоит в том, что время, требуемое для снятия электронного возбуждения, должно превышать примерно 10^-13сек, т. е. время, необходимое для смещения атома. Для постлучевого эффекта при ионизации K-оболочки в диэлектриках это время, по-видимому, можно считать правильным. Некоторые исследования временной зависимости постлучевых эффектов были выполнены [29] с использованием эффекта Меесбауэра.

В работе [15] подчеркивалось, что многократные ионизации в ионных кристаллах происходят как в катионах, так и в анионах. Вместе с тем Варлей [30] отметил только пространственную нестабильность аниона, когда знак его заряда меняется под действиеммногократной ионизации. Смолуховский и др. [31] рассмотрели модификацию «механизма Варлея» с учетом снятия возбуждения при столкновении между положительными и отрицательными ионами одних и тех же элементов.

Теоретические значения выходов для ионизации внутренней оболочки. Метод, развитый Дурупом и Платцманом [15], содержит общие указания о способах вычисления абсолютных значений выходов для ионизации внутренних оболочек при полном поглощении падающих моноэнергетических электронов. Обобщая предложения Харта [32], эти авторы оставили символ Gдля измеряемого выхода и использовали, например, g_kдля обозначения теоретически найденного числа K-ионизации на 100 эв поглощенной энергии. Опубликованные ими численные результаты для кристаллов LiFи КСl показывают, что значение gдля ионизации данной внутренней оболочки атома быстро падает по мере того, как первоначальная энергия электрона Т⁷, приближается к величине, в 100 раз меньшей соответствующей пороговой энергии (рис. 2). Такая зависимость позволяет осуществить экспериментальную проверку роли удаления электронов с различных внутренних оболочек при действии радиации. При наибольших значениях T₀ вторичные электроны вносят существенный вклад в ионизацию K-оболочек даже в случае Clи К- Поэтому плато на графике g_Kдля этих атомов можно достичь лишь для самых больших значений Т₀(если оно вообще существует). При Т₀— 1 Мэв значения g_kсоставляют около 0,16; 0,007; 0,0004 и 0,0003 для Li (Z= 3), F(Z= 9), Cl (Z= 17) и К (Z= 19) соответственно. Заметим, однако, что ионизация L-оболочки, по-видимому, сопровождается одним или двумя переходами Оже для случаев, подобных К и G1, у которых выход (при 1 Мэв) для субоболочек L_Iи L_II, L_IIIприблизительно равен 20 g_Kи, 100 g_K[15] (данные для других веществ см. ниже). Метод Дурупа и Платцмана применим также к ренгтеновскому и γ-из лучениям, которые воздействуют посредством создаваемых ими электронов. Позднее мы обсудим упрощенные вычисления.

Преобладающее количество электронов малой энергии, образуемых тяжелыми заряженными частицами; неспособно ионизовать K-оболочку. Вторичные частицы большой энергии встречаются очень редко [33]. Например, для падающих протонов g_Kможно рассчитать (см. последний раздел) из сечений ионизации К-оболочки [33, 34] и данных о полной тормозной способности облучаемого вещества.

Радиационная химия и радиобиология.

Вводные замечания. В первую очередь нас интересуют эффекты облучения, и поэтому мы не будем рассматривать (см. [4], [35]) образование внутриоболочечных вакансий в веществах с включенными радиоактивными ядрами. Однако последствия образования внутриоболочечной вакансии, по существу, не зависят от пути ее образования. Мы уже обсуждали некоторые наблюдаемые и предсказываемые эффекты, вызываемые внутриоболочечными вакансиями, созданными облучением, а также некоторые теоретические значения выходов испускания электронов с внутренних оболочек. В следующем разделе мы обсудим их более подробно.

Вода. В 1950 г. Платцман представил результаты вычислений, касающихся вырывания электронов с внутренних оболочек протонами в воде. Его данные остаются заслуживающим доверия приближением, несмотря на прогресс, достигнутый с тех пор в изучении проникновения протонов в вещество [33, 34, 36], а результаты, полученные для воды, примерно совпадают с данными для биологической среды.

Если полная энергия падающих протонов составляет, например, 3 Мэв или 1 Мэв, то доля ее, идущая на выбивание К-электронов кислорода в воде, равна соответственно около 4% и 1%. Общее число К-электронов, вырываемых из кислорода, быстро растет с увеличением первоначальной энергии протонов и равно примерно 10 и 80 при 1 и 3 Мэв соответственно. Эти числа соответствуют значениям g_K(О) (выход в воде атомов кислорода с ионизированной ^-оболочкой) приблизительно равным 10 ^-3 и 2,7-10^-3 соответственно. Платцман обнаружил, что даже в случае очень малых выходов таких процессов эти события происходят чаще, чем прямая передача «сильного» импульса всему атому.

Рис. 2. Теоретические значения выхода ионизации K-оболочки LiFи КСl [15].

По оси ординат отложены g_k-10ⁿ, величины п показаны у кривых.

Однако число дельта-электронов даже с энергиями, превышающими 500 эв, по-видимому, больше. Для электронов с энергией выше 50 кэв Дуруп и Платцман [16] нашли (предположив, что происходит полное их поглощение) g_K(О) для воды порядка 0,01 числа ионизации К-оболочки атомов кислорода на 100 эв поглощенной энергии. Это означает, что около 5% всей поглощенной энергии первоначально должно передаться молекулам воды, атомы кислорода которых содержат внутриоболочечные вакансии. Добавляя эту энергию к энергии выбитого электрона, получим значительно большую долю падающей энергии, затраченную на ионизацию К-оболочки кислорода.

Приведенные выше данные о конечном заряде, приобретаемом изолированными атомами и молекулами, указывают, что часто молекулы воды несут больше двух зарядов, даже если энергетически возможен только один переход Оже (в данном случае в атоме кислорода). Хотя молекулярная связь делает второй переход Оже энергетически возможным, появление необходимой вакансии в Li-оболочке, по-видимому, не всегда является наиболее вероятным результатом первого перехода [37]. Нестабильность Н₂0²⁺ и Н₂О³⁺ в газовой фазе подтверждается отсутствием этих ионов в спектре масс [38].

В воде и других веществах, состоящих из малых молекул, образованных только легкими атомами, эффекты ионизации внутренних оболочек могут не играть заметной роли. Тем не менее детальный анализ, подобный анализу Платцмана [39] для сверхвозбужденных молекул воды, по-видимому, представляется интересным. В льде необычайно большие локальные возмущения подобного типа можно отличить от эффектов ионизации валентных электронов. Например, могут наблюдаться различия в их термолюминесценции.