W niniejszym opisie będziemy posługiwać się, dla prostoty, modelem atomu Bohra, w którym ujemnie naładowane elektrony krążą po orbitach elektronowych w ściśle określonych, dla danego atomu, odległościach od dodatnio naładowanego jądra atomowego. Atom jako całość jest elektrycznie obojętny, tj. ładunek jądra jest kompensowany przez sumę ładunków elektronów znajdujących się w atomie. Na każdej orbicie elektron ma także określoną energię.

Orbity elektronowe, a więc również energie elektronów, numerowane tzw. główną liczbą kwantową n = 1, 2, ... oznaczamy kolejno (od najbliższej jądru w stronę dalszych) K, L, M, N, ... Na każdej z orbit (powłok) może znajdować się co najwyżej pewna, ściśle określona dla tej orbity, liczba elektronów. Elektrony te charakteryzują się skwantowanym (tj. dyskretnym, nieciągłym) momentem pędu ℓħ, przy czym ℓ = 0,1, ... n-1, a ħ oznacza stałą Plancka h podzieloną przez 2p (h = 6,626·10^-34 J·s, ħ = 1,055·10^-34 J·s) Dla ℓ = 0, 1, 2 i 3, elektrony nazywane są s, p, d i f. Oprócz powyższych wartości momentu pędu, związanego z orbitalnym ruchem elektronów wokół jąder, elektrony wykazują też wewnętrzny moment pędu, zwanym spinem. Spin ten może być zorientowany zgodnie lub przeciwnie do orbitalnego momentu pędu. Stosownie do orientacji jego wartość wynosi ±½ħ. Daną wartość ℓ może mieć nie więcej niż 2(2ℓ+1) elektronów, a więc dla danej głównej liczby kwantowej n, określającej, jak wspomnieliśmy, energię - liczba elektronów na powłoce może maksymalnie wynosić 2n². Pierwsze cztery powłoki mogą przyjąć więc odpowiednio 2, 8, 18 i 32 elektronów.

Aby oderwać elektron od atomu potrzebna jest energia zwana energią wiązania elektronu w atomie. I tak, usunięcie elektronu z powłoki K atomu wodoru, wymaga energii 13,5 eV, natomiast usunięcie elektronu z powłoki K atomu ołowiu, wymaga już 88,0 keV, a więc energii ponad 5000 razy większej. (1 eV = energia nabywana przez elektron w polu elektrycznym o różnicy potencjałów 1 V = 1,602·10^-19 J) Energia wiązania elektronu na danej orbicie rośnie proporcjonalnie do kwadratu wielkości efektywnego ładunku jądra, tj. ładunku „widzianego” przez elektron na orbicie. Dla elektronów K w cięższych atomach energia wiązania zmienia się jak 13,6(Z-3)² eV. Im elektron znajduje się na wyższej orbicie, tym jego energia wiązania jest mniejsza, i tym łatwiej oderwać go od atomu. Z kolei, jeśli na niecałkowicie zapełnionej orbicie danego jonu nastąpi przyłączenie elektronu, wówczas zmniejszającej się energii układu towarzyszy emisja promieniowania elektromagnetycznego o energii równej energii wiązania elektronu. Emisja taka będzie również powstawała, gdy elektron będzie przechodził z orbity wyższej, na której jest słabiej wiązany, na orbitę niższą .

Wypromieniowana wówczas energia musi być – zgodnie z zasadą zachowania energii - równa różnicy energii obu powłok. Ogólnie terminem promieniowanie nazywamy sam akt wysłania oraz rozchodzenie się w przestrzeni strumienia energii przenoszonego przez cząstki lub fale. Ze względu na dualizm korpuskularno-falowy fale elektromagnetyczne możemy opisać jako strumień szczególnych cząstek - kwantów promieniowania, zwanych fotonami.

Jonizacją nazywamy proces odłączania elektronów od atomów. W takim procesie pozostały fragment atomu - jon - ma ładunek dodatni równy ładunkowi odłączonych elektronów. W zasadzie przyłączenie elektronu do obojętnego elektrycznie atomu można również nazwać jonizacją, gdyż w takim procesie tworzy się jon naładowany ujemnie. W stanie swobodnym taki jon jest jednak nietrwały. Jeśli istnieje on natomiast w stanie związanym, np. w cząsteczce NaCl, kolejna jonizacja któregokolwiek z jonów będzie polegać na zmianie stanu ładunkowego w drodze usunięcia jednego lub więcej elektronów.

Dostarczając elektronowi pewnej energii z zewnątrz możemy spowodować, iż przejdzie on z niższej na wyższą orbitę i wtedy taki proces będziemy nazywać wzbudzeniem atomu. Ponieważ przy opisywanym przejściu na niższej orbicie pozostanie na powłoce wolne miejsce, albo, jak mówimy, stan niezapełniony, wzbudzony elektron będzie miał naturalną tendencję do zmniejszenia swej energii poprzez wypromieniowanie fali elektromagnetycznej o energii równej różnicy energii obu powłok i zajęcia ponownie poprzedniego stanu o niższej energii (większej energii wiązania). W szczególnych przypadkach możemy mieć do czynienia z kaskadą wypromieniowywanych fotonów (kwantów promieniowania elektromagnetycznego) związaną z sekwencją przejść z wyższych powłok na niższe. Emisja fotonu nie jest jednakże jedynym sposobem na zmniejszenie przez atom czy jon swej energii. Energia wzbudzenia może być bowiem przekazana elektronowi wyższej powłoki, np. L, i spowodować jego wyrzucenie z atomu, a więc jego jonizację. Elektrony takie nazywamy elektronami Auger’a.

O ile rozmiary atomu są mikroskopijnie małe, typową wartością jest tu 10^-10 m, rozmiary jądra atomowego są jeszcze mniejsze, typową wartością jest 10^-15 m. W człowieku znajduje się około 5·10²⁷ atomów. Gdyby je umieścić jeden za drugim, utworzyłby się łańcuch o długości około 10¹⁵ km. Na pokonanie łańcucha o takiej długości światło musiałoby zużyć około 100 lat.

Podstawowymi składnikami jądra są nukleony: obojętny elektrycznie neutron i dodatnio naładowany proton o ładunku równym ładunkowi elementarnemu tj. takiemu jaki ma elektron. Ze względu na elektryczną neutralność atomu, liczba protonów w jądrze musi być równa liczbie elektronów na powłokach elektronowych. Oba składniki jądra są cząstkami o masie około 1840 razy większej niż masa elektronu, przy czym masa neutronu (1675·10^-30 kg) jest minimalnie większa od masy protonu (1673·10^-30 kg). Gdyby kostkę o objętości 1 cm³ [taka objętość wody waży 1 g] wypełnić wyłącznie jądrami atomowymi, jej masa wynosiłaby około miliarda ton! Pokazuje to dowodnie, jak wielka jest gęstość materii jądrowej. Masa elektronu wynosi 0,911·10^-30kg.

Pole tekstowe: Wg stanu wiedzy na koniec 1998 roku znamy 2478 izotopów 112 pierwiastków. W środowisku występuje:
259 izotopów stabilnych
29 „starszych niż Świat”
11 z szeregu toru
16 z szeregu 235U
18 z szeregu 238U
ok. 15 kosmopochodnych

Ze względu na specyfikę sił jądrowych charakteryzujących oddziaływania pomiędzy nukleonami, w jądrze o danej liczbie protonów Z (tzw. liczbie atomowej) mogą znajdować się różne liczby neutronów. Inaczej mówiąc, dany pierwiastek chemiczny, składający się z atomów o ustalonej liczbie Z, może mieć jądra zawierające różne liczby neutronów. Mówimy wtedy, że istnieje szereg izotopów danego pierwiastka. Izotopy oznaczamy przy pomocy liczby Z, pisanej jako dolny wskaźnik przy nazwie pierwiastka (powiedzmy – X) oraz liczby masowej A, będącej sumą liczb nukleonów w jądrze i pisanej jako wskaźnik górny. Tak więc symbol izotopu wygląda następująco:

Ze względów historycznych masy atomów podawane są często w tzw. jednostkach masy atomowej (j.m.a.), przy czym za jednostkę obrano 1/12-tą masy atomu najbardziej rozpowszechnionego izotopu węgla ¹²C.

Promieniowanie elektromagnetyczne wysyłane przez wzbudzone atomy pokrywa tylko część całego widma promieniowania elektromagnetycznego, z którym stykamy się w przyrodzie. W zasadzie dotyczy to promieniowania widzialnego, ultrafioletowego i rentgenowskiego o energii od części elektronowolta do ok. 120 keV. Rys.1 przedstawia widmo promieniowania elektromagnetycznego z zaznaczonymi zakresami i ich nazwami.

Rys.1 Widmo promieniowania elektromagnetycznego

Do spisu treści

1.2 Powstawanie i rodzaje promieniowania jonizującego

Jak sama nazwa wskazuje, promieniowaniem jonizującym nazywamy promieniowanie, które w wyniku oddziaływania z atomami może spowodować usunięcie z nich elektronów i przekształcenie atomów w jony. I chociaż już wysokoenergetyczne promieniowanie ultrafioletowe jest w stanie zjonizować niektóre atomy (dla fal elektromagnetycznych Prawo Atomowe przyjmuje dla promieniowania jonizującego granicę 100 nm), w tym paragrafie zajmiemy się jedynie promieniowaniem wysyłanym przez jądra atomowe (ewentualnie powstałym w wyniku reakcji jądrowych). Zanim zaczniemy omawiać to zagadnienie należy sobie uświadomić, że tak jak przy tworzeniu atomów energia atomu jest mniejsza od energii odseparowanego jądra i elektronów o energie wiązania tych ostatnich, tak i suma energii oddzielnych nukleonów jest wyższa od energii tychże nukleonów związanych w jądrze. A ponieważ każdej masie m odpowiada „równoważna” energia E=mc², więc też masa jądra m_Jbędzie mniejsza o

dM = Zm_P + (A-Z)m_N - m_J (1)

od sumy mas nukleonów (m_Pi m_N oznaczają odpowiednio masy protonu i neutronu) w tym jądrze. Jest to tzw. defekt masy. Oczywiście, całkowita energia wiązania nukleonów w jądrze jest równa dM·c². Dzieląc tę wartość przez liczbę masową otrzymamy średnią energię wiązania przypadającą na nukleon. Energia ta dość gwałtownie rośnie w obszarze od lekkich pierwiastków aż do żelaza, a następnie stopniowo maleje. Dlatego też jąder cięższych od jądra żelaza nie można uzyskać w drodze stopniowego „składania” w wyniku fuzji jądrowej.

Relacja Einsteina pozwala na wyrażenie mas w jednostkach energii. I tak 1 j.m.a. = 931 MeV. Np. masa nieruchomego elektronu odpowiada energii 511 keV.

To, że dany izotop istnieje w naturze nie oznacza, że jest on stabilny. Takim on będzie wtedy, gdy energia jądra jest najmniejszą z możliwych. Przyłączenie dodatkowego neutronu lub zmniejszenie liczby neutronów będzie z reguły prowadziło do sytuacji, w której jądro jest wzbudzone, przy czym energie wzbudzeń jąder są typowo 1000 - 100 000 razy większe od energii wzbudzeń atomów. Rzeczywiście, spośród przebadanych ok. 2500 izotopów zaledwie ok. 260 (zaznaczonych na rys.2 kolorem czarnym) jest stabilnych, reszta rozpada się w krótszym lub dłuższym czasie; istotnie, charakterystyczne czasy rozpadu zawarte są w przedziale od nanosekund do nawet 10²⁵ lat.

Ten efekt czasowy przemiany jest niezmiernie ważną charakterystyką izotopu. Bez względu bowiem na rodzaj przemiany jądrowej, w jednostce czasu przemianom ulega ten sam ułamek jąder. Prowadzi to do uniwersalnego prawa przemian rozpadu promieniotwórczego w funkcji czasu: jeśli w chwili początkowej mieliśmy substancję, w której było N_o jąder niestabilnych, to po czasie t ich liczba zmniejszy się do

N = N_oe^-t/^t , (2)

gdzie t jest tzw. średnim czasem życia. Często operujemy pojęciem okresu połówkowego rozpadu, tj. czasu, po którym przemianie ulega średnio połowa jąder. Okres ten, oznaczany T_1/2, związany jest z czasem życia prostą relacją:

T_1/2=t/ ln2 » t/0.693 (3)

Przebieg funkcji (2) pokazany jest na rys.3.

Rys.2 Liczba neutronów i protonów w przebadanych dotąd izotopach. Pola czarne oznaczają izotopy stabilne

Rys. 3 Krzywa zaniku materiału promieniotwórczego w funkcji krotności czasu połowicznego zaniku

Ponieważ celem każdej przemiany jest zmniejszenie energii jądra, przemianie musi towarzyszyć emisja promieniowania. Może ono być promieniowaniem elektromagnetycznym, zwanym tu promieniowaniem g, może też być promieniowaniem korpuskularnym, np. tzw. promieniowaniem a lub b. Nota bene, promieniowanie elektromagnetyczne zawsze towarzyszy rozpadom a i b, gdyż w przemianach tych zmienia się liczba atomowa, a więc powstaje nowy pierwiastek chemiczny. To z kolei wymaga przebudowy powłok elektronowych atomu, czemu towarzyszy "atomowe" promieniowanie charakterystyczne obejmujące zakres energii promieniowania rentgenowskiego (<120 keV). Zwyczajowo symbol g rezerwujemy dla promieniowania powstającego w procesach jądrowych, tak jak symbol b zarezerwowany jest dla emisji elektronów z jądra, a nie z powłok atomowych.

W dalszej części wykładu omówimy podstawowe rodzaje przemian jądrowych. Omówienie to poprzedzimy jednak ważnym dla źródeł promieniotwórczych pojęciem aktywności. Przez aktywność rozumiemy zachodzącą w źródle promieniotwórczym liczbę rozpadów w jednostce czasu. Jeśli jednostką tą będzie sekunda, aktywność mierzona będzie w bekerelach (Bq):

1 Bq = 1 rozpad/s (4)

Aktywności typowych źródeł promieniotwórczych są z reguły mierzone w jednostkach tysiąc i milion razy większych (tj. kilo- i megabekerelach). W szczególnym przypadku „bomby” kobaltowej mamy do czynienia z aktywnościami rzędu setek terabekereli (1 TBq = 10¹² Bq). Wcześniej używana jednostka aktywności, kiur (Ci), była natomiast jednostką tak dużą, że w praktyce częściej wyrażano aktywność w podwielokrotnościach tej jednostki, jak mili- czy mikrokiur. Relacja pomiędzy obiema jednostkami jest następująca:

1 Ci = 3,7×10¹⁰ Bq = 37 GBq (5)

Oczywiście, zgodnie z naszymi wcześniejszymi uwagami, aktywność źródła jest funkcją czasu zależną od czasu życia izotopu promieniotwórczego w źródle. Dla obliczenia aktywności źródła w danej chwili można zastosować wzór (2), w którym w miejsce liczb jąder promieniotwórczych N i N_o podstawimy odpowiednio aktywności bieżącą i początkową. Kończąc ten wątek należy podkreślić, że pojęcie okresu połowicznego zaniku, czy też czasu życia, ma sens głęboko probabilistyczny. Tylko w wypadku zbioru dużej liczby jąder można mieć nadzieję na spełnienie równania rozpadu przedstawionego wyżej. W przypadku pojedynczego jądra nie jesteśmy w stanie przewidzieć, czy jądro to rozpadnie się wcześniej, czy później.

Do spisu treści

Omówimy teraz kolejno podstawowe przemiany jądrowe.

1.2.1 Przemiana (rozpad) a

Cząstka a jest jądrem helu-4 i składa się więc z dwóch protonów i dwóch neutronów - można ją zatem traktować również jako dwuwartościowy jon helu. Jest więc rzeczą zrozumiałą, że jeśli jądro rozpada się i w wyniku rozpadu emituje tę (i tylko tę) cząstkę, samo musi przejść w jądro o liczbie masowej mniejszej o cztery jednostki i liczbie atomowej mniejszej o dwie jednostki:

® + (6)

Przykładem tego typu rozpadu jest rozpad radu-226 emitującego cząstkę a o energii 4,78 MeV:

(7)

Niestabilne jądro (nuklid) może rozpadać się na więcej sposobów. W szczególności, w przypadku radu-226 powyższy rozpad dotyczy nie wszystkich lecz "tylko" 95% rozpadów. Pozostałe 5% zachodzi z emisją cząstki a o energii 4,60 MeV, co oznacza, że w tym rozpadzie energia tworzonego jest o 0,18 MeV wyższa niż w poprzednim. Jądro to, przechodząc do stanu o swej najniższej energii, będzie pozbywało się energii wzbudzenia, tym razem emitując foton o energii 0,18 MeV. Nie jest to jednak koniec historii, gdyż izotop radu-222 jest izotopem niestabilnym i rozpada się dalej. W istocie rzeczy mamy tu do czynienia z cała serią rozpadów a, b i g zanim osiągnięte zostanie jądro stabilne . W takich sytuacjach mówimy o istnieniu szeregów promieniotwórczych (więcej na ich temat powiemy w rozdziale 2).

Rozpad a jest dosyć typowym rozpadem jąder ciężkich, mechanizm zaś polega na tzw. zjawisku tunelowym. Istotną cechą tego rozpadu jest emisja cząstki o ściśle określonej energii, jednej dla danego typu rozpadu (jako że w rozpadach a możemy mieć kilka grup cząstek), co wiąże się z faktem, że w wyniku rozpadu powstaje tylko ta cząstka oraz nowe jądro: rozdział nadmiarowej energii jądra początkowego (tu - radu-226) pomiędzy obie cząstki jest jednoznacznie określony z zasad zachowania energii i pędu.

Do spisu treści

1.2.2 Przemiana b

Stabilność jądra jest związana z pewną równowagą pomiędzy liczbą neutronów i protonów w danym jądrze. Jądro nietrwałe może polepszyć swój stosunek liczby neutronów do protonów na drodze jednego z trzech procesów:

Ø rozpadu

Ø wychwytu elektronu (EC, od angielskiej nazwy electron capture)

W dwóch ostatnich przemianach proton zmienia się w neutron, w rozpadzie zaś neutron rozpada się i tworzy się proton. We wszystkich tych przemianach liczba masowa A jądra nie zmienia się, natomiast zmienia się o jeden liczba atomowa Z. Ponieważ mechanizmy przemian b są inne, związane z tzw. oddziaływaniami słabymi, oprócz emitowanego w nich elektronu (cząstki , czyli e^-) czy pozytonu (cząstki ,czyli e⁺), odpowiednio emitowane jest także antyneutrino elektronowe (), lub neutrino elektronowe () Opisane przemiany nukleonów zapisujemy jako

n ® p + e + (8)

p ® n + e⁺ + (9)

W tym ostatnim przypadku proces rozpadu jest złożony. Mianowicie, gdy jądro ma nadmiar energii większy niż 1,02 MeV, a więc równoważną energię dwóch mas spoczynkowych elektronu, może powstać para elektron-pozyton, a następnie proton w oddziaływaniu z elektronem przekształca się w neutron i neutrino. Ponieważ w obu typu przemianach nukleonów energia wzbudzenia jądra rozkłada się, jak widać, na trzy cząstki, energia emitowanych elektronów czy pozytonów może być zarówno równa całej energii przemiany (tj. różnicy energii jądra początkowego i końcowego) jak i zeru, kiedy to energia przemiany będzie unoszona przez neutrino (lub antyneutrino). Mamy tu zatem do czynienia z emisją cząstek o pewnym widmie energetycznym (schemat takiego widma energii cząstek b pokazuje rys.4), w którym możemy określić w szczególności energię średnią, jak i energię najbardziej prawdopodobną.

Rys.4 Liczba cząstek b z przemian promieniotwórczych w funkcji ich energii

Oczywiście, przemianom b mogą towarzyszyć emisje promieniowania g z jądra atomowego oraz fotony "atomowe". Na przykład rozpad izotopu przebiega w następujący sposób:

(10)

przy czym w ogólnym przypadku należy pamiętać, iż w zależności od energii emitowanego elektronu jądro końcowe może wysłać jeden lub większą liczbę fotonów. Przykładem rozpadu jest

(11)

Jak wspomnieliśmy, dla rozpadu niezbędną rzeczą jest posiadanie przez jądro wzbudzenia co najmniej 1,02 MeV. Może się jednak zdarzyć, że jądro ma nadmiarowy proton, ale energia wzbudzenia jest niższa. Wówczas możliwością staje się rozpad na drodze wychwytu elektronu. W procesie tym jądro wychwytuje elektron z atomowej powłoki K lub wyższej, dzięki czemu następuje neutralizacja ładunku protonu i zachodzi reakcja

p + e ® n + (12)

Jest rzeczą zrozumiałą, że po wychwycie elektronu obojętny elektrycznie atom staje się jonem wzbudzonym, w wyniku czego emitowane zostają promienie X lub elektrony Augera. Przykładem jądra, które rozpada się wyłącznie na drodze wychwytu elektronu jest , który przechodzi we wzbudzone jądro (rys. 5a). Energia wzbudzenia jest tracona na emisję kwantu g o energii 0,036 MeV. Natomiast w przypadku izotopu tylko 10% przejść zachodzi przez wychwyt elektronu, 90% zaś związane jest z rozpadem (rys. 5b): wpierw jądro traci 1,02 MeV na wyprodukowanie pary elektron-pozyton, a dopiero następnie następuje emisja pozytonu o maksymalnej energii 0,91 MeV. W obu rozpatrywanych przypadkach tworzy się wzbudzone jądro . Utrata wzbudzenia następuje w drodze emisji kwantu g o energii 1,27 MeV.

Rys. 5a Schemat rozpadu ¹²⁵I

Rys. 5b Schemat rozpadu ²²Na

Do spisu treści

1.2.3 Przejście izomeryczne

W najczęściej spotykanych przypadkach emisja promieniowania gamma, towarzyszącego rozpadom a lub b, jest emisją natychmiastową. Może się jednak zdarzyć, że jądro wzbudzone może pozostawać w takim stanie przez stosunkowo długi okres. Stan taki nazywamy metastabilnym lub izomerycznym. Typowym przykładem jest tu szeroko stosowany w medycynie nuklearnej ( rys. 5c) izotop (litera m oznacza właśnie stan metastabilny tego izotopu technetu), którego czas życia wynosi 6,1 godziny. W wyniku deekscytacji emitowany jest kwant gamma, a samo przejście, podczas którego zmienia się tylko stan energetyczny izotopu nazywamy przejściem izomerycznym. Nota bene, tak bardzo użyteczny w medycynie technet nie występuje w przyrodzie, jako że żaden z izotopów technetu nie jest stabilny.

Rys. 5c Schemat poziomów ⁹⁹Mo oraz ⁹⁹Tc; zaznaczony poziom izomeryczny ^99mTc

Do spisu treści

1.2.4

Konwersja wewnętrzna

Jeśli w wyniku przemiany tworzy się jądro w stanie wzbudzonym, wzbudzenie to może zostać zniesione nie tylko na drodze emisji kwantu g. W szczególności energia wzbudzenia może zostać przekazana któremuś z elektronów powłok K, M lub L. Mówimy wtedy o powstaniu elektronów konwersji. Oczywiście ich energie będą różnicą energii wzbudzenia jądra i energii wiązania elektronu w atomie. W każdym razie, w odróżnieniu od typowego promieniowania b, te elektrony będą miały energie dyskretne, które można czasem zobaczyć nawet na tle ciągłego widma b o ile podstawowym rozpadem jest właśnie rozpad b, patrz rys.6.

Rys. 6 Widmo promieniowania b powstałego w wyniku konwersji wewnętrznej w izotopie ¹⁹⁸Au

Do spisu treści

1.3 Przechodzenie cząstek naładowanych przez materię

Cząstki alfa, protony czy elektrony na swojej drodze w materii napotykają jądra i elektrony i zderzają się z nimi. W wyniku zderzeń przekazują część lub całość swej energii do obiektu, z którym się zderzają. W trakcie zderzeń cząstka padająca może zmienić kierunek - mówimy wtedy o rozpraszaniu. Szczególnie prawdziwe jest to dla elektronów, które na swojej drodze przez materię potrafią zmienić wielokrotnie kierunek, tracąc w trakcie kolejnych zderzeń część swej energii (rys.7). Całkowita utrata energii jest równoznaczna z zatrzymaniem się cząstki. Biorąc pod uwagę możliwość drogi zygzakowatej, przez zasięg nie będziemy rozumieli długości całej przebytej drogi, ale tylko dystans liczony wzdłuż początkowego kierunku padania cząstki.

Rys. 7 Przechodzenie elektronów przez wodę: elektron na swej drodze nie tylko ulega rozproszeniom, w wyniku których może powstać tzw. promieniowanie hamowania; elektron jonizuje także ośrodek

Szczególnie interesującym nas procesem jest wybijanie elektronów z atomów, tj. jonizacja ośrodka. Należy przy tym mieć na uwadze, że elektron wybity z atomu może mieć energię wystarczającą do jonizowania innych atomów na swej drodze. Elektrony takie, dla odróżnienia od elektronów z wiązki padającej, nazywamy elektronami d. Pełnią one bardzo istotną rolę w jonizacji ośrodka.

O kształcie drogi cząstki jak i jej zasięgu w materii decyduje sposób oddziaływania z elektronami i jądrami. Inny efekt będzie miało zderzenie elektronu z elektronem, a inną zderzenie elektronu z ciężkim jądrem. Ciężka cząstka alfa obdarzona dwukrotnie większym niż elektron ładunkiem będzie silniej jonizować ośrodek niż sam elektron o tej samej energii. Dla przykładu rys.8 pokazuje wynik przechodzenia wiązki elektronów o początkowej energii 15,7 MeV i przekroju poprzecznym mniejszym niż 1 mm² przez cienką folię węglową. W eksperymencie obserwowano elektrony rozproszone pod kątem 30^o. Przede wszystkim rzuca się w oczy, iż rozproszone elektrony charakteryzują się pewnym szerokim widmem energetycznym, przy czym najwięcej elektronów traci energię w wyniku zderzeń z elektronami atomów, podczas których to zderzeń utrata energii przez pojedynczy elektron jest stosunkowo duża, a więc energia elektronów rozproszonych - mała. Drugie maksimum widoczne w widmie jest związane z utratą energii elektronów przy zderzeniach z jądrami. W wyniku tych ostatnich zderzeń elektron może zmienić swój kierunek niemal w dowolny sposób i dlatego wąska wiązka elektronów może zostać łatwo rozproszona i utworzyć wiązkę szeroką, który to efekt wykorzystywany jest w praktyce klinicznej.