lection_part3

теоретически предсказана П. Дираком и в 1932 году открыта К.Д. Андерсеном в космических лучах.

В 1940 году советскими физиками Г.Н. Флеровым и К.А. Петержаком был открыт новый тип радиоактивности – спонтанное деление ядер: делящееся ядро распадается на два осколка сравнимой массы с испусканием нейтронов и γ-квантов. В 1982 году немецким физиком С.Хофманом наблюдалась протонная радиоактивность при распаде короткоживущего

изотопа лютеция 15171 Lu . Затем, в 1984 году Х.Роуз и Г.Джонс открывают

спонтанное испускание ядер 146 C ядрами радия. В дальнейшем был

обнаружен спонтанный распад других ядер.

Закон радиоактивного распада дает зависимость числа радиоактивных ядер от времени N(t). Так как отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, можно считать, что число ядер dN, распадавшихся в среднем за интервал времени от t до t+dt, пропорционально числу ядер N(t), имеющихся в момент времени t и промежутку времени dt: dN = −λN(t)dt , где λ – постоянная радиоактивного распада данного вида,

знак «–» указывает на то, что число ядер уменьшается. Разделим переменные

где N0 – число радиоактивных ядер при t=0.

Для того, чтобы узнать количество распадавшихся за время t ядер Nрасп, надо из начального числа ядер N0 вычесть число ядер, оставшихся спустя время t (см. формулу (18.4)):

Периодом полураспада Т1/2 называется время, за которое распадается половина первоначального количества ядер (изменяется в широких пределах от 3·10–7 с до 5·1015 лет). Согласно закону (18.4) N(t)=N0/2 при t=Т1/2,

пробегом α-частиц в воздухе, устанавливаемую законом Гейгера–Нэттола:

221

чем больше постоянная распада λ радиоактивного элемента, тем больше пробег Rα в воздухе испускаемых им α-частиц

где А и В – опытные постоянные, причем В – одинаково для всех радиоактивных семейств.

Активностью радиоактивного вещества а называется число распадов в единицу времени, измеряется в беккерелях: 1 Бк=1 распаду/с, внесистемная единица – кюри, 1 Ки=3,7·1010 Бк. С учетом закона (18.4) имеем:

Используя связь (18.6) постоянной распада λ и периода полураспада Т1/2, выражение для ) радиоактивного вещества активности (18.7) примет вид:

Возникающие в результате радиоактивного распада ядра часто тоже оказываются радиоактивными. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным элементом. В настоящее время обнаружено четыре радиоактивных ряда, начинающихся с тория 23290Th , двух изотопов урана 23592U и 23892U и нептуния 23793 Np . Эти ряды

заканчиваются соответственно стабильными изотопами свинца 20882 Pb для

тория и 20782 Pb и 20892 Pb для изотопов урана, стабильным ядром висмута 20983 Pb для нептуния.

Типичным примером α-радиоактивного распада является реакция

23892U →23490Th+24He +Q (Q – энергия).

Обобщенная формула α-радиоактивного распада материнского X-

ядра в дочернее Y-ядро при испускании α-частиц (ядер гелия):

Энергия и масса материнского ядра больше суммарной массы дочернего+α-частица, соответствующая разница энергий выделяется в виде кинетической энергии дочернего ядра и α-частицы и изучения γ-квантов при переходе дочернего ядра из возбужденного состояния в нормальное. Иногда γ-квант может не покидать ядро, передать энергию электрону одной из внутренних электронных оболочек, в результате чего электрон покидает атом

222

(внутренняя конверсия). На освободившееся место переходит другой электрон с испусканием кванта рентгеновского излучения, являющегося характеристическим.

Процесс альфа-распада делится на две стадии: образование в ядре виртуальной устойчивой из-за насыщения ядерных сил (2 протона и 2 нейтрона) α-частицы и испускания ее ядром. Для того, чтобы покинуть ядро α-частица должна преодолеть потенциальный барьер, величина которого, как показывает опыт, много больше максимальной энергии покидающих ядро α- частиц. В результате говорят о туннелировании α-частиц через потенциальный барьер, по оценкам лишь одна из ≈1036 попыток α-частицы вырваться (туннелировать) является успешной.

Теория бета-распада, созданная Э.Ферми (1901–1954) в 1934 г. предполагает существование четвертого вида фундаментального взаимодействия – слабого. Согласно Э.Ферми бета-распад есть результат слабого взаимодействия нуклона с электронно-нейтринным полем, при этом нуклон переходит в другое состояние. Бета-распадом (β-распадом, β- излучением) называется спонтанное внутриядерное превращение нейтрона в протон или наоборот, что сопровождается испусканием электрона или позитрона и электронных антинейтрино или нейтрино соответственно:

при этом материнское и дочернее ядра являются изобарами.

У многих тяжелых ядер возможен третий вид бета-распада – электронный или К-захват: возбужденное ядро захватывает электрон К- оболочки атома, при этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и нейтрино:

На освободившееся место переходит другой электрон с испусканием кванта рентгеновского излучения, являющегося характеристическим.

Типичными примерами β-радиоактивного распада являются реакции

Виртуальная частица – электронное нейтрино νe (античастица – антинейтрино ν~e ) электронейтральна, имеет близкую к нулю массу, не

имеет массы покоя (всегда в движении со скоростью света с), спин ее равен спину электрона. Ее существование было предсказано впервые швейцарским физиком В.Паули (1900–1958) в 1930 г. из соображения выполнения законов

223

сохранения (энергии и суммарного спина ядра) при β-распаде: в объяснение непрерывного энергетического спектра электронов при β-распаде и сохранения спина при сохранении числа нуклонов в ядре при β-распаде.

Известные периоды полураспада для β-распада лежат в пределах 10–2–

1018 лет.

Гамма-излучение (γ-изучение) является наиболее проникающим видом ионизирующего излучения и наблюдается в тех случаях, когда атомное ядро по каким-либо причинам переходит из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, в том числе в основное. Диапазон энергий γ- квантов составляет от 10 кэВ до 5 МэВ. γ-изучение сопровождает α- и β- распады радиоактивных ядер, причем при распаде одного и того же изотопа могут испускаться гамма-кванты различных характерных энергий (частот).

Рассмотрим процессы, объясняющие эффект (1958 г.) Р.Л.Мёссбауэра (1929г.р., Нобелевская премия по физике 1961 г.).

При испускании свободным возбужденным ядром в состоянии 2 γ-

кванта и переходе ядра из состояния 2 в нижнее состояние 1 по закону сохранения импульса ядро получает импульс отдачи, равный импульсу кванта, но противоположно направленный (т.е. ядру сообщается кинетическая энергия). Если ядро изначально покоилось, то энергия кванта уменьшится на кинетическую энергию ядра и его частота не будет соответствовать переходу ядра между его уровнями энергии 2 и 1, регистрируемая частота v (энергия hv) гамма-кванта на выходе из ядра будет меньше энергии требуемой для перехода ядра обратно в возбужденное состояние 2. При поглощения свободным ядром падающего на него гамма-кванта, т.е. при попытке возбуждения ядра из состояния 1 до прежнего состояния 2, часть энергии кванта идет на сообщение ядру импульса и кинетической энергии и только оставшаяся часть идет собственно на возбуждение ядра на тот же уровень 2, что был у него до испускания кванта. При этом падающий гамма-квант должен обладать энергией большей, чем испущенный ядром при переходе из состояния 2 в состояние 1. В силу этого спектральные линии поглощения и испускания изначально покоящихся свободных ядер разделены между собой некоторым интервалом, обусловленным описанными выше процессами.

Энергия ядра может принимать только определенные, дискретные значения, подобно энергии электронов в атомах. Явление поглощения ядром гамма-кванта, частота (энергия) которого соответствует переходу ядра из основного в ближайшее возбужденное состояние, называется резонансным поглощением.

Если ядро, испускающее гамма-квант находится в узле кристаллической решетки, оно закреплено, связано, энергию и импульс отдачи получает весь кристалл в целом, для которого это несущественно. В этом случае спектральный сдвиг линий излучения и поглощения для свободных ядер исчезает для связанных в решетке ядер, так как отдача исчезает (ею можно пренебречь). Эффектом Мёссбауэра называется резонансное поглощение

224

(испускание) γ-квантов без отдачи (т.е. при совпадении спектральных линий поглощения и испускания) у твердых тел.

18.3. Детекторы излучений, биологическое действие излучений и защита от излучений

Быстрые заряженные частицы в веществе взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов. Электрон атома вещества в результате взаимодействия с быстрой заряженной частицей получает дополнительную энергию. В результате атом либо переходит в возбужденное состояние, либо ионизуется. При прохождении вблизи атомного ядра, быстрая заряженная частица движется с ускорением, вызванным кулоновским взаимодействием с ядром, в результате чего испускаются кванты рентгеновского тормозного излучения. Возможно и неупругое соударение заряженных частиц с атомными ядрами.

Взаимодействие частицы с веществом количественно оценивается линейной плотностью ионизации, линейной тормозной способностью вещества и средним пробегом частицы.

Под линейной плотностью ионизации понимают отношение числа ионов одного знака, образованных частицей на своем пути, к длине этого пути

Линейной тормозной способностью вещества называют отношение энергии, теряемой заряженной ионизирующей частицей при прохождении

Средним линейным пробегом R называют расстояние между началом и концом пробега частицы в веществе.

Обладающие большой массой (по сравнению с β-частицами – электронами) α-частицы (ядра гелия) при столкновениях с электронами атомов вещества почти не испытывают отклонения и в веществе движутся почти прямолинейно. Их пробеги в веществе малы. Так, α-частицы с энергией 4 МэВ в воздухе могут пролететь около 2,5 см, а в воде – сотые доли миллиметра.

Проникающая способность β-частиц больше. Так при энергии 2 МэВ от потока β-частиц защищает слой алюминия толщиной 3,5 мм. Плотная одежда может поглотить значительную часть β-частиц и совсем не пропустит α- частицы. Однако, при попадании радиоактивных веществ внутрь человеческого тела с пищей, водой, воздухом α- и β-излучение могут причинить человеку серьезный вред. Для бета-излучения согласно определению (18.13) линейная плотность ионизации воздуха может быть оценена приблизительно по скорости частицы i=4600 пар ионов/м (с/v)2, где с

– скорость света в вакууме.

Нейтроны не имеют электрического заряда и поэтому не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. При столкновениях с

225

ядрами они могут выбивать из них заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды. При радиационном захвате

тепловых нейтронов ядрами водорода 11H человеческого организма они

превращаются в ядра дейтерия 12H с испусканием γ-квантов, с энергией 2,23

МэВ, которые дают существенный вклад в облучение организма.

Проходя через слой вещества толщиной х, интенсивность гаммаизлучения изменяется по закону, подобному закону поглощения Бугера– Ламберта для света в веществе:

где µ – линейный коэффициент поглощения гамма-излучения.

Установлено, что γ-кванты взаимодействуют, в основном, с электронными оболочками атомов, вызывая либо фотоэффект, либо, передавая часть своей энергии и импульса электронам, претерпевают так называемое комптоновское рассеяние. При энергии γ-квантов большей, чем удвоенная энергия покоя электрона может проходить рождение электрон-

позитронных пар: γ →−10e++10e. Исходя из описанных возможных процессов

линейный коэффициент поглощения гамма-излучения в законе (18.15) равен сумме линейных коэффициентов поглощения отдельных процессов фотоэффекта, комптоновского рассеяния, образования электрон-

позитронных пар: µ = µфот + µкомп + µобр.пар . Пути пробега нейтронов и γ- квантов в воздухе измеряются сотнями метров, в веществе – десятками сантиметров и даже метрами, в зависимости от плотности вещества и энергии γ-квантов и нейтронов. По этой причине потоки γ-квантов и нейтронов представляют для человека наибольшую опасность, вызывая наиболее сильную ионизацию и распад тканей организма.

Для расчета воздействия ионизирующих излучений на живые организмы применяют следующие величины.

Поглощенная доза ионизирующего излучения D является универсальной мерой воздействия любого вида излучения на вещество. Она равна отношению энергии W, переданной веществу, к массе вещества m:

D =W / m. (18.16)

В системе SI (СИ) единицей поглощенной дозы является грей: 1 Гр=1 Дж/кг. Мощностью дозы Р называется отношение дозы излучения ко времени

облучения t:

Единицей мощности дозы в системе SI (СИ) является Гр/с=Вт/кг.

Относительная биологическая эффективность К характеризует различие биологического действия различных видов излучений при одинаковой дозе. Для рентгеновского и γ-излучения относительная биологическая эффективность К=1, для тепловых нейтронов К=3, для нейтронов с энергией 0,5 МэВ К=10, для α-частиц К=20.

226

Эквивалентная доза Н определяется как произведение поглощенной дозы D на относительную биологическую эффективность К:

H = D K . (18.18)

Единицей эквивалентной дозы в системе SI (СИ) является зиверт. 1 Зв=1

Гр 1 (К=1).

Экспозиционная доза De характеризует ионизирующее действие излучения на воздух. Она определяется как отношение суммарного заряда Q всех ионов одного знака, созданных в воздухе вторичными частицами (электронами и позитронами) к массе воздуха mвозд:

Экспозиционная доза в системе SI (СИ) измеряется в Кл/кг. Распространенной внесистемной единицей экспозиционной дозы

является рентген: 1 Р=2,58 10–4 Кл/кг. При экспозиционной дозе 1 Р в 1 см3 сухого воздуха образуется 2 ·109 пар ионов.

Смертельная доза γ-излучения для человека равна 6 Гр. При массе человека m=70 кг согласно формуле (18.16) энергия выделяющаяся в организме человека W=D m=70 кг 6 Гр=420 Дж. Это очень маленькая энергия. Например, вода массой 10 г, нагретая до температуры 46oС (на ∆t=10o выше температуры человеческого тела) передает организму человека при ее потреблении точно такую же энергию. Отсюда становится ясно, что не тепловое воздействие ионизирующего излучения является причиной гибели человека, а разрушение тканей и органов вследствие их ионизации, нарушающее их функции (лучевая болезнь). Начинаются химические превращения, получившие название радиолиза. При эквивалентной дозе 0,5– 1 Зв начинаются нарушения в кроветворной системе человека. При однократном облучении 0,1 Зв наблюдается временная стерильность у мужчин, а при дозе свыше 2 Зв может наступить полная стерильность. При эквивалентных дозах облучения всего тела 3–5 Зв около половины облученных умирает в течение 1–2 месяцев. При дозах 10–50 Зв смерть наступает через 1–2 недели.

Предельно допустимой дозой облучения для лиц, профессионально связанных с использованием источников радиации, является 50 мЗв за год. В качестве предельно допустимой дозы систематического облучения населения установлена эквивалентная доза 5 мЗв за год. За счет естественного радиационного фона доза облучения составляет около 2 мЗв за год.

Человек с помощью своих пяти органов чувств не способен обнаружить опасное для него радиоактивное излучение. Поэтому важной задачей является разработка приборов, способных регистрировать такие излучения.

Быстрые заряженные частицы, проходя через вещество, оставляют за собой след ионизированных и возбужденных атомов. Нейтроны и γ-кванты, взаимодействуя с ядрами и атомами, создают вторичные быстрые заряженные частицы. По ионизационным следам вторичных частиц могут быть обнаружены первичные частицы – нейтроны и γ-кванты.

227

Приборы, регистрирующие ионизирующее излучение, делятся на три группы: следовые (трековые), счетчики и интегральные приборы.

Приборы первой группы – следовые или трековые – регистрируют факт пролета частицы и позволяют наблюдать траектории частицы – треки. Ко второй группе относятся приборы, регистрирующие факт пролета частицы и позволяющие в некоторых случаях позволяют судить о ее энергии. К третьей группе относятся комбинированные интегральные приборы.

Примерами регистрирующих приборов являются: камера Вильсона и ее разновидность – диффузионная камера, пузырьковая камера, искровая камера, эмульсионная камера, сцинтиляционные счетчики, черенковские счетчики, ионизационные камеры и газоразрядные счетчики, полупроводниковые счетчики.

Сцинтиляционный счетчик регистрирует частицу по световым вспышкам, которые возникают при ее пролете. Вспышки света возникают, когда возбужденные быстрой частицей атомы возвращаются в нормальное состояние. Эти вспышки преобразуются фотоэлектронным умножителем в электрический сигнал, который регистрируется электронной аппаратурой. Так как интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии первичной частицы, то с помощью сцинтиляционного счетчика можно измерять энергию регистрируемой частицы.

Черенковский счетчик регистрирует частицу по излучению ВавиловаЧеренкова, которое она создает, проходя через вещество. Это излучение возникает, если скорость частицы больше фазовой скорости света в среде. Одной из особенностей этого излучения является то, что оно распространяется лишь вдоль образующих конуса, ось которого совпадает с направлением скорости частицы. Угол ϕ между направлением распространения излучения и вектором скорости частицы определяется соотношением cosϕ = c /(nv) , где с – скорость света в вакууме, n –

показатель преломления рабочего вещества счетчика, v – скорость частицы. Измерив угол ϕ, мы можем определить скорость частицы v.

Ионизационная камера используется для измерения доз ионизирующих излучений. Она представляет собой цилиндрический конденсатор, между электродами которого находится воздух или другой газ. Регистрируемая частица ионизирует этот газ. Напряжение на электродах подбирают так, чтобы на них попадали все образовавшиеся ионы. Сила ионизационного тока пропорциональна мощности дозы излучения (18.17).

Газоразрядный счетчик конструктивно похож на ионизационную камеру, но в нем напряжение на электродах достаточно высокое для вторичной ионизации газа, вызываемой столкновениями первичных ионов с атомами или молекулами газа. Разновидностью является

пропорциональный счетчик.

Наиболее известным газоразрядным счетчиком является счетчик немецких физиков Гейгера–Мюллера (Х.Гейгер (1882–1945)), изобретенный Х.Гейгером совместно с Э.Резерфордом, а затем усовершенствованный в

228

1928 г. Он состоит из коаксиально расположенных цилиндрических электродов в стеклянной трубке: анод – натянутая по центру нить, а катод – напыленное на стекло металлическое покрытие. Давление газа внутри трубки 100–200 мм.рт.ст. К электродам прикладывают напряжение ~100 В. При попадании в счетчик ионизирующей частицы в газе образуются электроны, движущиеся к аноду. Так как анод – тонкая нить (диаметром окло 0,5 мм), то вблизи нити электрическое поле сильно и неоднородно, что вызывает сильное ускорение электронов и ионизацию ими газа в трубке. В результате начинается газовый разряд и в цепи протекает электрический ток.

Самостоятельный разряд в трубке счетчика Гейгера–Мюллера необходимо погасить, иначе счетчик не прореагирует на следующую частицу. Для гашения разряда в трубку «самогасящихся» счетчиков добавляют многоатомные газы. В несамогасящихся счетчиках разряд гасят другими методами, например, замыканием трубки на большое сопротивление, где будет падать все напряжение, и разряд в трубке прекратится.

Кристаллический счетчик представляет собой монокристалл диэлектрика (обычно алмаз или сульфид кадмия объемом ~мм3). На противоположные грани наносятся электроды, к которым прикладывается напряжение. Частица, пролетая сквозь кристалл, вызывает появление свободных зарядов (дырки и электроны), которые создают импульс тока во внешней цепи. Этот импульс для отдельной частицы пропорционален ее энергии. Поток частиц создает непрерывный ток, сила которого пропорциональна интенсивности потока.

Полупроводниковый счетчик – это детектор частиц, основным элементом которого является полупроводниковый диод. На него подается запирающее напряжение, при отсутствии излучения ток через диод не течет. Быстрая заряженная частица, проходя через область p-n–перехода, порождает электроны и дырки. В результате возникает импульс тока, пропорциональный количеству порожденных носителей тока.

Камера Вильсона является самым первым трековым прибором. Она была создана в 1912 г. английским физиком Ч.Вильсоном (1869–1959, Нобелевская премия 1927г.). След ионов, оставляемых заряженной частицей, становится видимым, благодаря конденсации пересыщенных паров какойлибо жидкости. По характеру и форме этих треков из тумана можно судить о типах частиц, прошедших через камеру. В 1927 г. советский ученый Д.В.Скобельцин поместил камеру Вильсона в магнитное поле. Это значительно расширило возможности прибора: по искривлению траектории можно определить знак заряда. Если известны заряд и масса частицы, то по радиусу кривизны трека можно определить энергию частицы.

Пузырьковая камера была изобретена в 1952 г. американцем Глезером. Она похожа на камеру Вильсона, но рабочим веществом в ней является перегретая жидкость. При прохождении быстрой заряженной частицы вдоль ее траектории образуются пузырьки пара. Преимуществом пузырьковой камеры перед камерой Вильсона является значительно большая плотность

229

рабочего вещества, в результате чего эффективность взаимодействия с ним регистрируемых частиц значительно возрастает.

Искровая камера была сконструирована в 1957 г. Т.Краншоу и де Биром. Она состоит из системы плоских параллельных друг другу электродов, которые через один электрически соединяются друг с другом. Между этими группами электродов в момент пролета частицы подается высокое напряжение. В результате траектория частицы будет отмечена цепочкой искр. Запуск камеры производится автоматически, по сигналу дополнительных сцинтиляционных счетчиков.

Эмульсионная камера была предложена в 1927 г. советскими физиками Л.В.Мысовским и А.П.Ждановым. Как известно из истории, действие быстрых заряженных частиц на фотопластинку позволило А.Беккерелю открыть радиоактивность. Недостаток фотопластинки – маленькая толщина эмульсионного слоя. В эмульсионных камерах облучению подвергаются толстые пачки, составленные из отдельных слоев фотоэмульсии. Преимущество этого метода перед камерой Вильсона и даже пузырьковой камерой – в большей плотности эмульсии. Поэтому фотоэмульсии применяют для изучения частиц очень высоких энергий.

18.4. Ядерные реакции деления и термоядерные реакции (реакции синтеза)

После открытия нейтрона физики получили в свое распоряжение частицу, способную, ввиду отсутствия заряда, проникать в любые, в том числе и тяжелые, ядра. Исследования воздействия нейтронов на ядра, главным образом тяжелых элементов, велись в широких масштабах. Итальянский физик Э.Ферми (Нобелевская премия по физике 1938 г.) с сотрудниками в 1934–38 гг. году начинает опыты по бомбардировке различных ядер нейтронами и получает радиоактивные изотопы. В ходе этих исследований он делает важное открытие: эффективность воздействия нейтронов значительно увеличивается, если между источником нейтронов и облучаемым веществом поместить замедлитель нейтронов.

В декабре 1942 г. Э.Ферми впервые удалось осуществить ядерную цепную реакцию в построенном им первом в мире ядерном реакторе, где в качестве замедлителя нейтронов использовался графит, в качестве горючего

– уран. Первая в мире атомная электростанция была введена в действие в Советском союзе в 1954 году под руководством И.В.Курчатова (1903–1960).

Облучая нейтронами уран, Ферми получает трансурановые элементы: нептуний и плутоний. В общем виде это хорошо известная сейчас реакция

Типичным примером является реакция

23592U +01n→13954 Xe+3895Sr +201n +Q , где

13954 Xe β - →13955 Cs β - →13956 Ba β - →13957 La , или

230