Радиоактивность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Представление о строении вещества

1.1 Состав и характеристики атомного ядра

1.2 Масса и энергия связи ядра

1.3 Ядерные силы

2. Естественная и искусственная радиоактивность. Закон радиоактивного распада

2.1 Закон радиоактивного превращения

2.2 Альфа-распад

2.3 Бета-распад

3. Активность радионуклидов. Единицы измерения

4. Доза и её единицы измерения

5. Предельно допустимые дозы

6. Основные принципы регистрации ионизирующего излучения

Введение

Радиоактивность появились на земле со времени ее образования и человек за всю историю развития своей цивилизации находился под влиянием естественных источников радиации. Земля подвержена радиационному фону, источниками которого служат излучения Солнца, космическое излучение, излучение от залегающих в Земле радиоактивных элементов.

Термин радиоактивность, радиация по латыни звучит как излучение, с которым мы встречаемся каждый день, зажигая электрический свет (электромагнитное излучение), включая телевизор (излучение электронов) или загорая на солнце (ультрафиолетовое излучение). В дальнейшем под термином радиоактивность мы будем рассматривать ионизирующее излучение, т.е. излучение, действующее на вещество и изменяющее физическое состояние атомов в нем. Явление радиоактивности было открыто французским физиком А. Беккерелем 1 марта 1896 года при случайных обстоятельствах. Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик своего стола и, чтобы на них не попал видимый свет, он придавил их куском соли урана. После проявления и исследования он заметил почернение пластинки, объяснив это излучением солью урана невидимых лучей. От солей урана Беккерель перешёл к чистому металлическому урану и отметил, что эффект испускания лучей усилился.

Так произошло открытие радиоактивности.

Исследования показали, что эти лучи проникают сквозь тонкие металлические экраны и ионизируют газ, через который проходят. Их проникающая способность не зависит ни от температуры, ни от освещения, ни от давления. Их интенсивность не менялась со временем. Замечательной способностью обнаруженного излучения оказалась его самопроизвольность. Эти лучи, назвали позднее рентгеновскими.

Поисками веществ, способных к лучеиспусканию, по предложению Беккереля занялись молодой профессор Пьер Кюри и его супруга Мария Складовская-Кюри. Эти учёные обнаружили, что урановая смоляная руда обладает способностью давать излучение, в 4 раза превосходящее по интенсивности излучение урана. Это свидетельствовало о том, что в руде присутствовал источник излучения, более мощный, чем уран. В 1898 году супруги Кюри открыли два новых элемента - полоний, названный так в честь родины Марии Складовской-Кюри - Польши, и радий, что означает по латыни "испускающий лучи".

В честь супругов Кюри получил свое название искусственно полученный трансурановый элемент с номером 96 - Кюрий. Среди элементов содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все начиная с висмута, т.е. с порядковым номером более 83 в таблице элементов Менделеева.

Вещества, испускающие новые излучения были названы радиоактивными, а новое свойство вещества, связанное с испусканием излучения, по предложению М. Кюри, было названо радиоактивностью.

Вскоре после открытия полония и радия Резерфордом было установлено, что радиоактивное излучение неоднородно по своему составу. Одна часть излучения поглощается тонкой алюминиевой фольгой, а другая проходила без изменения. Анализ состава излучения проводился по отклонению его в магнитном поле. Было обнаружено, что излучение содержит три вида лучей - альфа, бета, гамма.

Излагаемый в данной курсовой работе материал постоянно используется в дальнейшем. Ведь все должны знать, что радиация в любых дозах очень опасна и мало изучена. Каждый человек не может быть пассивен и должен принимать все меры для снижения разрушительного воздействия радиации и сохранения нормальной жизнедеятельности.

1. Представление о строении вещества

Все тела независимо от их агрегатного состояния состоят из атомов. Составной частью атома является электронная оболочка, в центре которой находится ядро.

Попытки построения теории ядра наталкиваются на две серьезные трудности: 1) недостаточность знаний о силах, действующих между нуклонами, 2) чрезвычайную громоздкость квантовой задачи многих тел (ядро с массовым числом представляет собой систему из тел). Эти трудности вынуждают идти по пути создания ядерных моделей, позволяющих описывать с помощью сравнительно простых математических средств определенную совокупность свойств ядра. Ни одна из подобных моделей не может дать исчерпывающего описания ядра. Поэтому приходится пользоваться несколькими моделями, каждая из которых описывает свою совокупность свойств ядра и свой круг явлений. В каждой модели содержатся произвольные параметры, значения которых подбираются так, чтобы получить согласие с экспериментом.

Капельная модель. Эта модель была предложена Я. И. Френкелем в 1939 г. и развита затем Н. Бором и другими учеными. Френкель обратил внимание на сходство атомного ядра с капелькой жидкости, заключающееся в том, что в обоих случаях силы, действующие между составными частицами - молекулами в жидкости и нуклонами в ядре, - являются короткодействующими. Кроме того, практически одинаковая плотность вещества в разных ядрах свидетельствует о крайне малой сжимаемости ядерного вещества. Столь же малой сжимаемостью обладают и жидкости. Указанное сходство дало основание уподобить ядро заряженной капельке жидкости.

Капельная модель позволила вывести полуэмпирическую формулу для энергии связи частиц в ядре. Кроме того, эта модель помогла объяснить многие другие явления, в частности процесс деления тяжелых ядер.

Оболочечная модель. Оболочечная модель ядра была развита Марией Гепперт-Майер и другими учеными. В этой модели нуклоны считаются движущимися независимо друг от друга в усредненном центрально-симметричном поле. В соответствии с этим имеются дискретные энергетические уровни, заполняемые нуклонами с учетом принципа Паули. Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которой может находиться определенное число нуклонов. Полностью заполненная оболочка образует особо устойчивое образование.

В соответствии с опытом особо устойчивыми оказываются ядра, у которых число протонов, либо число нейтронов (либо оба эти числа) равно

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Эти числа получили название магических. Ядра, у которых число протонов или число нейтронов является магическим (т. е. особо устойчивые ядра), также называются магическими. Ядра, у которых магическими являются и , и , называются дважды магическими. Эти ядра особенно устойчивы.

1.1 Состав и характеристики атомного ядра

Ядро простейшего атома - атома водорода - состоит из одной элементарной частицы, называемой протоном. Ядра всех остальных атомов состоят из двух видов частиц - протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.

Протон. Протон обладает зарядом и массой

МэВ (1.1)

Для сравнения укажем, что масса электрона равна

МэВ. (1.2)

Из сопоставления (1.1) и (1.2) следует, что .

Протон имеет спин, равный половине , и собственный магнитный момент

, (3)

Где

эрг/Гс (1.4)

-единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения с эрг/Гс вытекает, что в 1836 раз меньше магнетона Бора . Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон. Нейтрон был открыт в 1932 г. английским физиком Д. Чедвиком. Электрический заряд его равен нулю, а маса

МэВ (1.5)

очень близка к массе протона. Разность масс нейтрона и протона составляет 1,3 МэВ, т. е. .

Нейтрон обладает спином, равным половине , и (несмотря на отсутствие электрического заряда) собственным магнитным моментом

(1.6)

(знак минус указывает па то, что направления собственных механического и магнитного моментов противоположны).

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен) - он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон и еще одну частицу, называемую антинейтрино . Период полураспада (т. е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Схему распада можно написать следующим образом:

. (1.7)

Масса антинейтрино равна нулю. Масса нейтрона больше массы протона на . Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения (1.7), на , т. е. на 0,77 МэВ. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Характеристики атомного ядра. Одной из важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число . Оно равно количеству протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, который равен . Число определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева. Поэтому его также называют атомным номером ядра.

Число нуклонов (т. е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно .

Для обозначения ядер применяется символ , где под подразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу - атомный номер (последний значок часто опускают). Иногда массовое число пишут не слева, а справа от символа химического элемента .

Ядра с одинаковым , но разными называются изотопами. Большинство химических элементов имеет по нескольку стабильных изотопов.

Ядра с одинаковым массовым числом называются изобарами. В качестве примера можно привести и . Существуют радиоактивные ядра с одинаковыми и , отличающиеся периодом полураспада. Они называются изомерами. Например, имеются два изомера ядра , у одного из них период полураспада равен 18 мин, у другого - 4,4 часа.

Известно около 1500 ядер, различающихся либо , либо , либо и тем и другим. Примерно 1/5 часть этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

Размеры ядер. В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой

смферми (1.8)

(ферми - название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной см). Из формулы (1.8) следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Таким образом, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова.

Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен . Поэтому квантовое число спина ядра будет полуцелым при нечетном числе нуклонов и целым или нулем при четном . Спины ядер не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ядер (т. е. ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю.

Механический момент ядра складывается с моментом электронной оболочки в полный момент импульса атома , который определяется квантовым числом .

Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответствующие различным взаимным ориентациям и (т. е. различным ), имеют немного отличающуюся энергию. Взаимодействием моментов и обусловливается тонкая структура спектров. Взаимодействием и определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщепление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может наблюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы.

1.2 Масса и энергия связи ядра

Масса ядра всегда меньше суммы масс входящих в него частиц. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом.

Энергия покоя частицы связана с ее массой соотношением . Следовательно, энергия покоящегося ядра меньше суммарной энергии невзаимодействующих покоящихся нуклонов на величину

. (1.9)

Эта величина и есть энергия связи нуклонов в ядре. Она равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они практически не взаимодействуют друг с другом.

Соотношение (1.9) практически не нарушится, если заменить массу протона массой атома водорода , а массу ядра - массой атома . Действительно, если пренебречь сравнительно ничтожной энергией связи электронов с ядрами, указанная замена будет означать добавление к уменьшаемому и вычитаемому выражения, стоящего в фигурных скобках, одинаковой величины, равной . Итак, формуле (1.9) можно придать вид

. (10)

Последняя формула удобнее, чем (10), потому что в таблицах обычно даются не массы ядер, а массы атомов.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, т. е. , называется удельной энергией связи нуклонов в ядре.

Величина

(1.11)

называется дефектом массы ядра. Дефект массы связан с энергией связи соотношением: .

1.3 Ядерные силы

Огромная энергия связи нуклонов в ядре указывает на то, что между нуклонами имеется очень интенсивное взаимодействие. Это взаимодействие носит характер притяжения. Оно удерживает нуклоны на расстояниях см друг от друга, несмотря на сильное кулоновское отталкивание между протонами. Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия. Его можно описать с помощью поля ядерных сил. Перечислим отличительные особенности этих сил.

Ядерные силы являются короткодействующими. Их радиус действия имеет порядок см. На расстояниях, существенно меньших см, притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.

Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, имеют одинаковую величину. Это свойство называется зарядовой независимостью ядерных сил.

Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя ядро тяжелого водорода дейтрон только в том случае, если их спины параллельны друг другу.

Ядерные силы не являются центральными. Их нельзя представлять направленными вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов. Нецентральность ядерных сил вытекает, в частности, из того факта, что они зависят от ориентации спинов нуклонов.

Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов). Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нуклонов не растет, а остается примерно постоянной.

2. Естественная и искусственная радиоактивность. Закон радиоактивного распада

радиоактивность ядро атомный излучение

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элементарных частиц. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. К числу радиоактивных процессов относятся: 1)-распад, 2) -распад (в том числе электронный захват), 3) -излучение ядер.

Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Эта радиоактивность была открыта в 1896 г. французским ученым А. Беккерелем. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.

Закон радиоактивного превращения. Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Поэтому можно считать, что количество ядер , распадающихся за малый промежуток времени , пропорционально как числу имеющихся ядер , так и промежутку времени :

. (2.1)

Здесь - характерная для радиоактивного вещества константа, называемая постоянной распада. Знак минус взят для того, чтобы можно было рассматривать как приращение числа нераспавшихся ядер .

Интегрирование выражения (2.1) приводит к соотношению

, (2.2)

где - количество ядер в начальный момент, - количество нераспавшихся атомов в момент времени . Формула (2.2) выражает закон радиоактивного превращения. Этот закон весьма прост: число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте.

Количество ядер, распавшихся за время , определяется выражением

. (2.3)

Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада . Это время определяется условием

,

Откуда

. (2.4)

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных ядер находится в пределах от с до лет.

Найдем среднее время жизни радиоактивного ядра. Количество ядер , испытывающих превращение за промежуток времени от до , определяется модулем выражения (1): . Время жизни каждого из этих ядер равно . Следовательно, сумма времен жизни всех имевшихся первоначально ядер получается путем интегрирования выражения . Разделив эту сумму на число ядер , получим среднее время жизни радиоактивного ядра:

.

Подставим сюда выражение (70.2) для :

(надо перейти к переменной и осуществить интегрирование по частям). Таким образом, среднее время жизни есть величина, обратная постоянной распада :

. (2.5)

Сравнение с (2.4) показывает, что период полураспада отличается от числовым множителем, равным .

Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения:

для -распада,

для -распада,

где - материнское ядро, - символ дочернего ядра, - ядро гелия (-частица), - символическое обозначение электрона (заряд его равен , а массовое число - нулю). Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, - сохранения электрического заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

Часто бывает, что возникающие в результате радиоактивного превращения ядра в свою очередь оказываются радиоактивными и распадаются со скоростью, характеризуемой постоянной распада . Новые продукты распада могут также оказаться радиоактивными, и т. д. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений. В природе существуют три радиоактивных ряда (или семейства), родоначальниками которых являются (ряд урана), (ряд тория) и (ряд актиноурана). Конечными продуктами во всех трех случаях служат изотопы свинца - в первом случае , во втором и, наконец, в третьем .

2.1 Альфа-распад

Альфа-лучи представляют собой поток ядер гелия . Распад протекает по следующей схеме:

.

Буквой обозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквой - химический символ образующегося (дочернего) ядра. Альфа-распад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром -лучей. Из схемы распада видно, что атомный номер дочернего вещества на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы меньше, чем у исходного вещества. Примером может служить распад изотопа урана , протекающий с образованием тория:

.

Скорости, с которыми -частицы (т. е. ядра ) вылетают из распавшегося ядра, очень велики. Пролетая через вещество, -частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества, и, в конце концов, останавливается. На образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35 эВ. Таким образом, -частица образует на своем пути примерно пар ионов. Естественно, что чем больше плотность вещества, тем меньше пробег -частиц до остановки. Так, в воздухе при нормальном давлении пробег составляет несколько сантиметров, в твердом веществе пробег имеет величину порядка см (-частицы полностью задерживаются обычным листом бумаги).

Кинетическая энергия -частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и -частицы. Эта избыточная энергия распределяется между -частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам. Энергии (скорости) - частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, оказываются строго определенными. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп -частиц близкой, но различной энергии. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникать не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях.

Среднее время жизни возбужденных состояний для большинства ядер лежит в пределах от до с. За время, равное в среднем , дочернее ядро переходит в нормальное или более низкое возбужденное состояние, испуская -фотон.

Энергия возбуждения дочернего ядра может быть выделена и другими способами. Возбужденное ядро может испустить какую-либо частицу: протон, нейтрон, электрон или -частицу. Наконец, образовавшееся в результате -распада возбужденное ядро может отдать избыток энергии непосредственно (без предварительного испускания -кванта) одному из электронов , или даже -оболочки атома, в результате чего электрон вылетает из атома. Этот процесс носит название внутренней конверсии. Возникшее в результате вылета электрона вакантное место будет заполняться электронами с вышележащих энергетических уровней. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается испусканием характеристических рентгеновских лучей.

Подобно тому как фотон не существует в готовом виде в недрах атома и возникает лишь в момент излучения, -частица также возникает в момент радиоактивного распада ядра. Покидая ядро, -частице приходится преодолевать потенциальный барьер, высота которого превосходит полную энергию -частицы, равную в среднем 6 МэВ (рис. 1).

Рис. 1

Внешняя, спадающая асимптотически к нулю сторона барьера обусловлена кулоновским отталкиванием -частицы и дочернего ядра. Внутренняя сторона барьера обусловлена ядерными силами. Опыты по рассеянию -частиц тяжелыми -радиоактивными ядрами показали, что высота барьера заметно превышает энергию вылетающих при распаде -частиц. По классическим представлениям преодоление частицей потенциального барьера при указанных условиях невозможно. Однако согласно квантовой механике имеется отличная от куля вероятность того, что частица просочится через барьер, как бы пройдя по туннелю, имеющемуся в барьере. Это явление, называется туннельным эффектом

2.2 Бета-распад

Существуют три разновидности -распада. В одном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом - позитрон, в третьем случае, называемом электронным захватом, ядро поглощает один из электронов -оболочки, значительно реже или -оболочки.

Первый вид распада (-распад или электронный распад) протекает по схеме:

. (2.6)

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе -распада, мы приписали -электрону зарядовое число и массовое число .

Из схемы (2.6) видно, что дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больший, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино . Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра превратился в протон, претерпев превращение по схеме

.

Вообще процесс представляет собой частный случай процесса (2.6). Поэтому говорят, что свободный нейтрон -радиоактивен.

Бета-распад может сопровождаться испусканием -лучей. Механизм их возникновения тот же, что и в случае - распада, - дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях. Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает -фотон.

Примером -распада может служить превращение тория в протактиний с испусканием электрона и антинейтрино:

.

В отличие от - частиц, обладающих в пределах каждой группы строго определенной энергией, -электроны обладают самой разнообразной кинетической энергией от до . На рис. 2 изображен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при -распаде.

Рис. 2

Площадь, охватываемая кривой, дает общее число электронов, испускаемых в единицу времени, - число электронов, энергия которых заключена в интервале . Энергия соответствует разности между массой материнского ядра и массами электрона и дочернего ядра. Следовательно, распады, при которых энергия электрона меньше , протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

Чтобы объяснить исчезновение энергии , В. Паули высказал в 1932 г. предположение, что при -распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, которая уносит с собой энергию . Так как эта частица никак себя не обнаруживает, следовало признать, что она нейтральна и обладает весьма малой массой (в настоящее время установлено, что масса покоя этой частицы близка к нулю). По предложению Э. Ферми эту гипотетическую частицу назвали нейтрино (что означает «маленький нейтрон).

Имеется еще одно основание для предположения о нейтрино (или антинейтрино). Спин нейтрона, протона и электрона одинаков и равен . Если написать схему (2.6) без антинейтрино, то суммарный спин возникающих частиц (который для двух частиц с может быть либо нулем, либо единицей) будет отличаться от спина исходной частицы. Таким образом, участие в -распаде еще одной частицы диктуется законом сохранения момента импульса, причем этой частице необходимо приписать спин, равный . Установлено, что спин нейтрино (и антинейтрино) равен .

Непосредственное экспериментальное доказательство существования нейтрино было получено только в 1956 г.

Итак, энергия, выделяющаяся при -распаде, распределяется между электроном и антинейтрино (либо между позитроном и нейтрино) в самых разнообразных пропорциях.

Второй вид распада (-распад или позитронный распад) протекает по схеме:

. (2.7)

В качестве примера можно привести превращение азота в углерод :

.

Из схемы (2.7) видно, что атомный номер дочернего ядра на единицу меньше, чем материнского. Процесс сопровождается испусканием позитрона и нейтрино , возможно также возникновение -лучей. Позитрон является античастицей для электрона. Следовательно, обе частицы, испускаемые при распаде (2.7), представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при распаде (2.6).

Процесс -распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

. (2.8)

Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других нуклонов, входящих в состав ядра.

Третий вид -распада (электронный захват) заключается в том, что ядро поглощает один из -электронов (реже один из или -электронов) своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино:

.

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетические состояния, оно испускает -фотоны. Схема процесса выглядит следующим образом:

. (2.9)

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи. Электронный захват легко обнаруживается по сопровождающему его рентгеновскому излучению. Именно этим путем и был открыт -захват Альварецом в 1937 г.

Примером электронного захвата может служить превращение калия в аргон :

.

2.3 Гамма-излучение

Экспериментально установлено, что -излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает - и -распады и также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т. д. -Спектр является линейчатым. -Спектр - это распределение числа -квантов по энергиям (такое же толкование. Дискретность -спектра имеет принципиальное значение, так как является доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.

В настоящее время твердо установлено, что -излучение испускается дочерним (а не материнским) ядром. Дочернее ядро в момент своего образования, оказываясь возбужденным, за время примерно с, значительно меньшее времени жизни возбужденного атома (примерно с), переходит в основное состояние с испусканием -излучения. Возвращаясь в основное состояние, возбужденное ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому -излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп -квантов, отличающихся одна от другой своей энергией.

При -излучении и ядра не изменяются, поэтому оно не описывается никакими правилами смещения. -Излучение большинства ядер является столь коротковолновым, что его волновые свойства проявляются весьма слабо. Здесь на первый план выступают корпускулярные свойства, поэтому -излучение рассматривают как поток частиц - -квантов. При радиоактивных распадах различных ядер -кванты имеют энергии от 10 кэВ до 5 МэВ.

Ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может перейти в основное состояние не только при испускании -кванта, но и при непосредственной передаче энергии возбуждения (без предварительного испускания -кванта) одному из электронов того же атома. При этом испускается так называемый электрон конверсии. Само явление называется внутренней конверсией. Внутренняя конверсия - процесс, конкурирующий с -излучением.

Электронам конверсии соответствуют дискретные значения энергии, зависящей от работы выхода электрона из оболочки, из которой электрон вырывается, и от энергии , отдаваемой ядром при переходе из возбужденного состояния в основное. Если вся энергия выделяется в виде -кванта, то частота излучения определяется из известного соотношения . Если же испускаются электроны внутренней конверсии, то их энергии равны , ,…, где , ,... - работа выхода электрона из -и -оболочек. Моноэнергетичность электронов конверсии позволяет отличить их от -электронов, спектр которых непрерывен. Возникшее в результате вылета электрона вакантное место на внутренней оболочке атома будет заполняться электронами с вышележащих оболочек. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

-Кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении -излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются им. -Кванты не несут электрического заряда и тем самым не испытывают влияния кулоновских сил. При прохождении пучка -квантов сквозь вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений ослабляется интенсивность, изменение которой описывается экспоненциальным законом ( и - интенсивности -излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной , - коэффициент поглощения). Так как -излучение - самое проникающее излучение, то для многих веществ - очень малая величина; зависит от свойств вещества и от энергии -квантов.

-Кванты, проходя сквозь вещество, могут взаимодействовать как с электронной оболочкой атомов вещества, так и с их ядрами. В квантовой электродинамике доказывается, что основными процессами, сопровождающими прохождение -излучения через вещество, являются фотоэффект, комптон-эффект (комптоновское рассеяние) и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффект, или фотоэлектрическое поглощение -излучения, - это процесс, при котором атом поглощает -квант и испускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома, то освободившееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек, и фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения в области малых энергий -квантов (кэВ). Фотоэффект может идти только на связанных электронах, так как свободный электрон не может поглотить -квант, при этом одновременно не удовлетворяются законы сохранения энергии и импульса.

По мере увеличения энергии -квантов ( МэВ) вероятность фотоэффекта очень мала и основным механизмом взаимодействия -квантов с веществом является комптоновское рассеяние.

Если энергия -кванта превышает энергию связи нуклонов в ядре ( МэВ), то в результате поглощения -кванта может наблюдаться ядерный фотоэффект - выброс из ядра одного из нуклонов, чаще всего нейтрона.

3. Активность радионуклидов. Единицы измерения

Активностью называется число распадов в радиоактивном источнике, происходящих с ядрами образца в единицу времени:

,

где - число ядер, распавшихся в среднем за интервал времени от до .

Отсюда следует, что активность радиоактивного препарата равна , т. е. произведению постоянной распада на количество имеющихся в препарате нераспавшихся ядер.

В международной системе единиц (СИ) единицей активности является беккерель (Бк).

Бк - активность нуклида, при которой за с происходит один распад. До сих пор в ядерной физике применяется и внесистемная единица активности - кюри (Ки). Единица активности, называемая кюри, определяется как активность такого препарата, в котором происходит актов распада в секунду.

На всех картах радиационного загрязнения, явившегося результатом Чернобыльской катастрофы, приводится радиационная плотность загрязнения, т. е. радиоактивность на единицу площади.

Например, если вы проживаете на территории с плотностью загрязнения почвы Ки/кв. км или Бк/кв. м, то это означает, что на одном квадратном метре этой почвы находятся радионуклиды, из которых распадается каждую секунду.

4. Доза и её единицы измерения

Повреждения, вызванные в живом организме излучением, будут тем больше, чем больше энергии излучения передается тканям. Количество такой переданной организму энергии называется дозой. Измеряемые физические величины связанные с радиационным эффектом называют дозиметрическими. Задачей дозиметрии является измерение некоторых физических величин для предсказания или оценки радиационного эффекта, в частности радиобиологического. Распространенными дозиметрическими величинами являются поглощенная доза, экспозиционная доза, эквивалентная доза, эффективная эквивалентная доза, ожидаемая доза и коллективная доза. Как определить эти дозы? Если человек подвергается воздействию ионизирующего излучения, то необходимо знать распределение интенсивности излучения в пространстве. Кроме того, поглощающая способность тканей различна. Поэтому для характеристики энергии ионизирующего излучения используют экспозиционную дозу.

Экспозиционная доза - мера ионизационного действия фотонного излучения, определяемая по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия, т.е. если поглощенная энергия излучения в некотором объеме среды равна суммарной кинетической энергии ионизирующих частиц (электронов, протонов).

Экспозиционная доза является непосредственно измеряемой физической величиной.

В СИ единицей экспозиционной дозы является один Кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген. , а .

Рентген - единица экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучения, при прохождении которого через воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов, вызванных этим излучением, образуется пар ионов. Отметим, что - масса сухого атмосферного воздуха при нормальных условиях. Экспозиционная доза характеризует радиационную обстановку независимо от свойств облучаемых объектов.

Поглощающая способность объекта может сильно меняться в зависимости от энергии излучения, её вида и интенсивности, а также от свойств самого поглощающего объекта. Для характеристики поглощенной энергии ионизирующего излучения вводят понятно поглощенной дозы, определяемой как энергия поглощении и единице массы облучаемого вещества. Единица поглощенной дозы выражается в греях (Гр), . Единица названа по имени Луи Гарольда Грея - лауреата премии имени Рентгена, радиобиолога. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад: - ; .

Часто используют понятие интегральной дозы, т.е. энер-гии, суммарно поглощенной во всем объеме объекта. Интегральная доза измеряется в Джоулях ().

Поглощенная доза не учитывает пространственного распределения поглощенной энергии. При одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета - или гамма-излучения. Для учета этого явления вводят понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза излучения представляет собой поглощенную дозу, умноженную на коэффициент, отражающий способ-ность излучения данного вида повреждать ткани организма; альфа-излучение считается при этом в 20 раз опаснее других видов излу-чений. В СИ для единицы эквивалентной дозы излучения используют зиверт (Зв). Эта единица названа по имени Зиверта - крупного исследователя в области дозиметрии и радиационной безопасности. По его инициативе создана сеть станций наблюдения за радиоактивным загрязнением внешней среды. Внесистемной единицей эквивалентной дозы излучения является бэр.

Эквивалентная доза излучения может быть найдена через поглощенную дозу , умноженную на средний коэффициент качества излучения биологической ткани стандартного состава и на модифицирующий фактор :

.

Если излучение смешанное, то формула будет иметь вид

,

где - индекс вида энергии излучения.

Используемый в формулах коэффициент качества излучения представляет собой безразмерный коэффициент , который предназначен для учета влияния микрораспределения поглощенной энергии на степень проявления вредного биологического эффекта. Значения коэффициента качества для различных видов излучений даны в таблице 1.

Таблица 1

Коэффициент качества для различных видов излучений

Вид излучений	Значение коэффициента качества
Рентгеновское и гамма излучение	1
Бета - излучение	1
Протоны с энергией меньше 10 МэВ	10
Нейтроны с энергией меньше 20 КэВ	3
Нейтроны с энергией 0,1 - 10 МэВ	10
Альфа - излучение с энергией меньше 10 МэВ	20
Тяжёлые ядра отдачи	20

Следует также учитывать, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака легких более вероятно, чем рака щитовидной железы. Поэтому дозы облучения органов и тканей, также следует учитывать с разными коэффициентами.

Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела, рекомендованные для вычисления эффективной эквивалентной дозы приведены в таблице 2.

Таблица 2

Коэффициенты радиационного риска

Органы или ткани	Коэффициент радиационного риска
Красный костный мозг	0,12
Костная ткань	0,03
Щитовидная железа	0,03
Лёгкие	0,12
Другие ткани	0,3
Яичники или семенники	0,25
Организм в целом	1

Умножив эквивалентную дозу на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективно-эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма. Она также измеряется в зивертах.

Рассмотренные понятия описывают только индивидуально получаемые дозы. Просуммировав индивидуальные эквивалентные дозы, полученные группой людей мы придем к коллективной эффективной дозе, которая измеряется в человеко-зивертах (чел. - Зв).

Кроме того, вводят еще одно определение, поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в определенном будущем. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получают многие поколения людей называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Мощность дозы

Мощность дозы излучения - величина, равная отношению дозы излучения к време-ни облучения. Различают:

1) мощность поглощенной дозы (единица - грей на секунду (Гр/с));

2) мощность экспозиционной дозы (единица - ампер на килограмм (А/кг)).

5. Предельно допустимые дозы

Одна и та же доза, но полученная за минуту или за десятилетия, может оказать различное влияние на организм. Поэтому сказать, что кто-то получил такую-то дозу, будет недостаточно, так как на основании этой информации не всегда можно сделать заключение об опасности последствий. При хроническом облучении надо иметь в виду две его особенности. Первая заключается в том, что радиационная доза облучения накапливается в организме со временем, а вторая - чем меньше ежедневная доза и чем больше промежутки между облучениями, тем больше суммарная доза, приводящая к тем же последствиям, что и в предыдущих случаях. Таким образом, доза, полученная за более длительный срок, менее вредна, чем такая же доза, полученная за более короткий срок.

В настоящее время после Чернобыля принята международная норма радиационной безопасности, которая допускает дозу облучения в 0,1 Бэр в год, что равно 1 мЗв в год. Таким образом, за жизнь человека предельная доза накопления составляет 7 Бэр или 70 мЗв.

При расчетах дозиметрических показателей в результате Чернобыльской катастрофы необходимо использовать все возможные пути воздействия ионизирующих излучений на организм человека, а также радиационные факторы не только непосредственно после аварии, но и в процессе жизнедеятельности в последующем. Один из ведущих американских радиологов Джон Гофман в своей книге "Чернобыльская авария: радиационные последствия для настоящего и будущего поколений" приходит к следующему.

=> Данные о связи между повреждениями в генетическом аппарате и целым рядом тяжелейших болезней (раковые заболевания, уродства, нарушения функции ЦНС, болезни класса ДНКЭ и т.д.), а также имеющиеся эпидемиологические данные позволяют сделать вывод, что не существует безопасной дозы облучения и что при любой, даже самой малой дозе, риск возникновения целого ряда тяжелейших заболеваний пропорционален дозе облучения.

=> Полученные на животных данные, согласно которым кривая "доза-эффект" зависит от фракционирования дозы и риск заболевания может быть уменьшен за счет фракционирования, неприемлемы к человеку. При низких дозах облучения риск ракового заболевания пропорционален величине поглощенной дозы и не зависит от ее фракционирования.

=> При низких дозах облучения вероятность ракового заболевания на единицу поглощенной дозы выше, чем при средних и высоких дозах.

=> Для смешанной по полу и возрасту популяции коллективная доза в 10000 человеко-бэр приводит к появлению 27 избыточных смертей от индуцированного радиацией рака.

=> Относительная биологическая эффективность рентгеновского излучения примерно в 2 раза выше, чем - лучей.

=> Концепция гормезиса, т.е. наличия положительного эффекта от воздействия низких доз радиации, не имеет под собой научной базы.

=> Во избежание опасных последствий для здоровья людей необходимо учредить институт независимых международных экспертов для оценки безопасности всех крупных проектов, связанных с использованием ядерной энергии и ядерных технологий.

6. Основные принципы регистрации ионизирующего излучения

Итак, пучок частиц от источника взаимодействует с частицами мишени (или другого пучка), и рождаются вторичные частицы. Они несут важнейшую информацию о процессе взаимодействия, и, чтобы извлечь ее, вторичные частицы необходимо зарегистрировать. Это и делают детекторы. В простейшей ситуации детектор фиксирует факт прохождения через него какой-то частицы. С помощью некоторых детекторов можно непосредственно определить полный поток частиц, их массу, заряд, скорость, энергию и т. п. Однако чаще всего информацию, поставляемую детектором, приходится подвергать трудоемкой дополнительной обработке. Только после этого удается идентифицировать частицу и установить ее характеристики. Решающая роль при интерпретации данных рассеяния принадлежит законам сохранения.

Большинство детекторов могут регистрировать лишь заряженные частицы (иногда - кванты и нейтроны). Тем не менее с их помощью получают богатейшую информацию и о свойствах нейтральных частиц. Об этом будет говориться по ходу описания наиболее важных экспериментов, здесь же обычно предполагается, что регистрируемые частицы несут электрический заряд.

Основная область применения детекторов частиц - физические исследования. Но они используются и в прикладных целях - в тех областях, в которых по тем или иным причинам требуется проведение дозиметрических измерений (например, в медицине при сканировании внутренних органов).

Главная трудность в регистрации отдельной частицы в том, что ее воздействие на вещество детектора крайне мало и для его обнаружения требуется резко усилить микроскопический эффект, превратив его в макроскопический сигнал. В качестве первичного воздействия чаще всего используется ионизация вещества детектора регистрируемой заряженной частицей. То же самое вещество в большинстве случаев выполняет и функции первичного «усилителя». Его предварительно переводят в неустойчивое состояние (газ в предразрядном состоянии, пересыщенный пар, перегретая жидкость и т. п.), а ионизация молекул вещества вызывает разряд или фазовый переход, вполне ощутимые макроскопически. Таким образом, микроскопическое воздействие частицы как бы замыкает маломощное реле, запускающее силовую схему детектора. При необходимости сигнал, снимаемый непосредственно с детектора, можно затем усилить обычными радиотехническими средствами.

Существует множество различных типов детекторов частиц; основные из них указаны в таблице. Они разбиты на четыре группы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

I. Несколько особняком стоят масс-анализаторы, которые иногда вообще не причисляются к классу детекторов. Эти приборы применяются в низкоэнергетической ядерной физике и служат для измерения масс атомных ядер (масс-спектрографы), изучения изотопного состава элементов (масс-спектрометры), разделения изотопов по массе (масс-сепараторы).

Основными составными элементами всех масс-анализаторов являются ионный источник, анализатор и регистрирующее устройство. Ионный источник создает ионы исследуемого вещества и формирует слабо расходящийся пучок этих частиц. Главная часть прибора - анализатор, т. е. электромагнитное поле той или иной конфигурации. Анализатор расщепляет исходный пучок ионов на несколько пучков, отвечающих одним и тем же значениям удельных зарядов. Кроме того, он осуществляет и фокусировку этих пучков, за счет чего все ионы с одинаковой массой группируются в регистрирующем устройстве в определенном месте. В качестве регистрирующего устройства в масс-спектрографах используется обычно фотопластинка, а в масс-спектрометрах и масс-сепараторах - электрометр. Современные масс-спектрографы измеряют разности масс с ошибкой, не превышающей а. е. м., так что относительная погрешность в измерении масс составляет . У лучших из современных масс-сепараторов время разделения доведено до с. Они позволяют выделять из продуктов ядерных реакций крайне малое число ядер, обладающих очень малыми временами жизни.

II. Счетчики фиксируют прохождение частицы через макроскопический участок пространства (размерами в сантиметры и миллиметры) в некоторый промежуток времени (длительностью с). Их относят к «электронным системам», поскольку события здесь проявляются в форме электрических импульсов, которые могут быть сохранены посредством, например, записи на магнитную ленту. Разные счетчики предназначены для разных целей. Они могут просто считать частицы, измерять их энергию и скорость, разделять частицы по массам, измерять полную энергию потока частиц.

В газонаполненных счетчиках регистрируемые частицы ионизируют молекулы в газовом промежутке, к которому приложено высокое напряжение. В результате частицы создают на своем пути электроны и положительные ионы, замыкающие цепь прибора, на выходе которого возникает импульс напряжения.

При сравнительно низких напряжениях В счетчик работает в режиме насыщения тока. Это есть ионизационная камера, которая фиксирует полную ионизацию, производимую всеми частицами, связанную в свою очередь с их суммарной энергией. При более высоких напряжениях возникает вторичная ионизация, но разряд еще несамостоятельный. В этом режиме работает пропорциональный счетчик, в котором выходной импульс пропорционален первичной ионизации, т. е. энергии регистрируемой частицы. Этот прибор не только считает частицы, но и измеряет их энергии. При еще более высоких напряжениях развивается самостоятельный разряд. В этом режиме работают счетчики Гейгера - Мюллера, которые фиксируют вспышки коронных разрядов, не зависящих от первичной ионизации. Для прекращения разрядов, т. е. для приведения прибора в рабочее состояние, предпринимаются дополнительные меры.

Рабочий элемент твердотельных счетчиков - монокристалл, к противоположным граням которого приложено напряжение. В кристаллическом счетчике используется явление, аналогичное фотопроводимости: заряженная частица переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости, замыкая тем самым цепь. Полупроводниковый счетчик работает как полупроводниковый диод. Одна сторона монокристаллической пластины из кремния или германия легируется донорной примесью (-слои), а другая - акцепторной примесью (-слой). На эти стороны подается обратное напряжение, запирающее диод и отсасывающее свободные электроны и дырки, увеличивая толщину переходного слоя. Заряженная частица проникает в область - перехода, резко обедненного носителями тока, где создает за счет ионизации дополнительные электронно-дырочные пары. Возникающие неравновесные носители под действием внешнего поля перемещаются к электродам и создают во внешней цепи импульс напряжения.

В рабочем веществе оптических счетчиков заряженные частицы порождают фотоны, регистрируемые обычно с помощью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Действие сцинтилляционных счетчиков основано на том, что заряженная частица, пролетающая через вещество, вызывает не только ионизацию, но и возбуждение атомов. Возвращаясь в нормальное состояние, атомы испускают видимый свет. Вещества, в которых заряженные частицы возбуждают заметную вспышку, называют фотосфорами. Сцинтилляционный счетчик состоит из фосфора, от которого свет подается по специальному светопроводу к фотоумножителю. Импульсы, получающиеся на выходе фотоумножителя, подвергаются счету. Определяется также амплитуда импульсов, что дает дополнительную информацию о регистрируемых частицах.

...