Реферат: Радиоактивность и ядерные излучения
Рассмотрим процессы,
сопровождающие прохождение ионизирующего излучения через вещество.
4.1
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЬФА-ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ
История открытия и
изучения альфа-частиц связана с именем Резерфорда. При помощи альфа-частиц
Резерфорд проводил исследования большинства атомных ядер.
Альфа-частицы это атомы
гелия, потерявшие два электрона, т.е. ядра атома гелия
Ядро гелия, состоящее
из двух протонов и двух нейтронов устойчиво, частицы связаны в нем прочно.
В настоящее время
известно более 200 альфа активных ядер, главным образом тяжёлых (А >
200, Z > 82
), исключение составляют редкоземельные элементы (А=140-160). Примером альфа
распада может служить распад изотопов урана:
Скорости, с которыми
альфа-частицы ,, вылетают из распавшегося ядра, очень велики и колеблются для
разных ядер в пределах от 1,4 х 107 до 2,0x10' м/с, что
соответствует кинетическим энергиям этих частиц 4—8,8 МэВ. Альфа-частицы в
состав ядра не входят, и, по современным представлениям, они образуются в
момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра 2-х протонов и
2-х нейтронов.
Пролетая через
вещество, альфа-частицы постепенно теряют свою энергию, затрачивая ее на
ионизацию газов. Причём в начале пути, когда энергия альфа-частиц велика,
удельная ионизация меньше, чем в конце пути.
Под пробегом частицы в
веществе понимается толщина слоя этого вещества, которую может пройти эта
частица до полной остановки. Пробег частиц в основном определен для тяжелых частиц,
т.к. их путь представляет прямую линию с наименьшим рассеянием. Пробег
альфа-частиц зависит как от энергии частиц, так и от плотности вещества, в
котором они движутся.
По пробегу альфа
частицы можно определить ее энергию.
4.2
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БЕТА-ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ
Бета-распад происходит,
когда замена в атомном ядре ( нейтрона на протон энергетически выгодна, и
образующееся новое ядро имеет большую энергию связи. Бета-излучение состоит из
бета-частиц (электронов или позитронов), которые испускаются при бета-распаде
радиоактивных изотопов. Электроны не входят в состав ядра и не выбрасываются из
оболочки атома, при электроном бета- распаде происходит превращение нейтрона в
протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино. При этом
заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Электронный распад
характерен для ядер с избыточным числом нейтронов. Примером электронного
бета-распада может служить распад стронция:
При позитронном
бета-распаде происходит превращение протона в нейтрон с образованием и выбросом
из ядра позитрона. Заряд и порядковый номер ядра уменьшаются на единицу. Позитронный
бета-распад наблюдается для неустойчивых ядер с избыточным числом протонов.
Примером позитронного бета-распада может служить распад радионуклида натрия:
К бета-распаду
относится также электронный захват (е-захват), т.е. захват атомным ядром одного
из электронов своего атома. При этом один из протонов ядра превращается в
нейтрон и испускается нейтрино. Возникшее ядро может оказаться в возбужденном
состоянии.
Переходя в основное
состояние оно испускает гамма-фотон. Место в электронной оболочке,
освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышестоящих
слоев, в результате возникает рентгеновское излучение.
Примером электронного
захвата может служить следующая реакция:
Бета-частицы,
испускаемые при бета-распаде, имеют различную энергию, поэтому и пробег их в
веществе не одинаков. Путь, проходимый бета-частицей в веществе, представляет собою
не прямую линию, как у альфа-частиц, а ломаную. Взаимодействуя с веществом
среды, бета-частицы проходят вблизи ядра. В поле положительно заряженного ядра
отрицательно заряженная бета-частица резко тормозится и теряет при этом часть
своей энергии. Эта энергия излучается в виде тормозного рентгеновского
излучения. С увеличением энергии бета-частиц и атомного номера вещества
интенсивность рентгеновского излучения возрастает.
Ионизирующая способность
бета-частиц много меньше, а длина пробега много больше, чем у альфа-частиц.
4.3
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
В литературе часто
встречаются термины радиоактивных излучений: рентгеновские или гамма-лучи, или
общее название — электромагнитные волны с короткими длинами волн, которые
обладают большой проникающей способностью в веществе. Различные названия рентгеновские
и гамма лучи — связаны не с различными физическими свойствами этих лучей, а со
способом их получения. Наиболее часто употребляется гамма-излучение, которое не
является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает альфа- и
бета- распады. Оно возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных
частиц и т.д.
Гамма-излучение
испускается дочерним ядром. Дочернее ядро в момент своего образования
оказывается возбуждённым, а затем за времяс оно переходит в основное состояние
с испусканием гамма-излучения. Возвращаясь в основное состояние, ядро может пройти
через ряд промежуточных состояний, поэтому гамма-излучение может содержать
несколько групп гамма-квантов, отличающихся значениями энергии.
Гамма-кванты, обладая
нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, они или поглощаются или
рассеиваются. Гамма-излучение не имеет заряда и тем самым не испытывает влияния
кулоновских сил. При прохождении пучка гамма-квантов через вещество их энергия
не меняется, но уменьшается интенсивность, согласно закону(— интенсивности
гамма-излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной X,
— коэффициент
поглощения); зависит от свойств вещества и энергии гамма-квантов.
Основными процессами,
сопровождающими прохождение гамма-излучения через вещество является фотоэффект,
компто-новское рассеяние и образование электронно-позитронных пар (рис. 1.3).
Фотоэффектом называется
процесс, при котором атом полностью поглощает гамма квант с энергией hv
и
испускает электрон с кинетической энергией Ek
,
равной
где I
—
энергия ионизации соответствующей атомной оболочки. Если энергия hv
достаточна
для вырывания электрона из любой атомной оболочки (hv
>),
то наиболее вероятным будет испускание сильно связанных, т.е. глубинных атомных
электронов. Увеличение порядкового номера z
поглотителя
приводит к увеличению вероятности фотоэффекта, поскольку ослабляется связь
электронов с атомным остатком и возрастает число электронов в атоме. С ростом
энергии hv
вероятность
фотоэффекта понижается.
Комптоновским
рассеянием называется такой процесс, при котором
гамма-квант, взаимодействуя со слабо связанным электроном, передает ему часть
своей энергии hv
и
рассеивается под углом q
к
первоначальному направлению, а электрон покидает атом, обладая кинетической энергией.
Увеличение энергии
гамма квантовприводит к монотонному убыванию
вероятности Комптон-эффекта.
Рождение
электронно-позитронной пары — процесс, при котором
гамма-квант превращается в пару частиц — электрон и позитрон, в результате
взаимодействия с электрическим полем ядра или электрона. Процесс рождения пары
частиц в поле ядра возможен при энергиях гамма-квантов превышающих 1,02 МэВ.
Для возникновения такого же процесса в поле электрона энергия гамма квантов
должна достичь порогового значения 2,04 МэВ.
Механизм поглощения
гамма-излучения зависит от его энергии. Если энергия кванта меньше 100-200 кэВ,
то наиболее вероятным механизмом поглощения является фотоэффект. Образовавшийся
при фотоэффекте электрон способен вызвать ионизацию среды в которой он
движется. При энергиях, больших 200 кэВ и вплоть до 100 МэВ, основным
механизмом поглощения энергии гамма квантов является Комптон-эффект. Начиная с
энергии гамма кванта 1,02 МэВ появляется вероятность образования
электронно-позитронных пар. Энергия кванта, равная 1,02 МэВ, расходуется на
образование пары, а избыток энергии кванта переходит в кинетическую энергию
образующихся частиц, которые теряют эту энергию при столкновении с электронами.
Наряду с процессом образования пар происходит их аннигиляция с образованием
двух гамма квантов
4.4
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С ВЕЩЕСТВОМ
Нейтроны, имеющие
нулевой заряд, не взаимодействуют с электронной оболочкой встреченных атомов, а
поэтому могут проникать вглубь их. Проникающая способность нейтронов весьма велика.
При этом нейтроны могут либо поглощаться ядрами, либо рассеиваться на них. При
упругом рассеивании на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов,
входящих в состав тканей, нейтроны теряют лишь 10-15% энергии, а при
столкновении с почти равными с ними по массе ядрами водорода — протонами —
энергия нейтрона уменьшается в среднем вдвое. Поэтому, с одной стороны,
вещества, содержащие большое количество атомов водорода (вода, парафин), используют
для замедления нейтронов. С другой стороны, процесс упругого соударения
нейтронов с протонами используется для регистрации быстрых нейтронов. В самом
деле при упругом ударе нейтрона с неподвижным протоном последнему передаётся
большая часть кинетической энергии нейтрона — нейтрон практически
останавливается, а протон начинает двигаться в том направлении, в котором
двигался нейтрон. Движущийся протон на своём пути производит интенсивную ионизацию,
которая регистрируется счётчиком или камерой Вильсона.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6 |