Взаимодействие ионизирующих излучений с веществами

Содержание

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществами…………………………………………………..3

Электронный распад………………………………………………………………………………………………………………..8

Задача 1………………………………………………………………………………………………………………………………….10

Задача 2………………………………………………………………………………………………………………………………….12

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществами

α-частицы, β-частицы, выброшенные из ядра, обладают значительной кинетической энергией и, воздействуя на вещество, с одной стороны производят его ионизацию, а с другой проникают на определенную глубину. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию, в основном, в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами, отдавая им всю или часть своей энергии, вызывая ионизацию или возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту). Ионизация и проникновение на определенную глубину имеют принципиальное значение для оценки воздействия ионизирующего излучения на биологическую ткань различных видов излучений. Зная свойства различных видов излучений проникать через разные материалы, последние можно использовать как для защиты человека, так и некоторых объектов, приборов и т.д.

Результаты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависят: от массы, заряда потока частиц и их энергий; от вида фотонов и их энергий; от типа и плотности вещества; от значения энергий внутримолекулярных сил облучаемого вещества.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом зависит от соотношения масс и энергий частиц и может носить упругий или неупругий характер.

С учетом выше сказанного можно сделать некоторые выводы:

· заряженные частицы, проходящие через вещество, взаимодействуют как с орбитальными электронами атома, так и с его ядром;

· при взаимодействии с орбитальными электронами, энергия частиц растрачивается на ионизацию атомов, если она не менее 35 эВ и на возбуждение атомов (перевод электрона с ближней орбиты на более удаленную), если она менее 35 эВ;

· в процессе ионизации атома образуются заряженные частицы (свободные электроны), а атомы, потерявшие один или несколько электронов, превращаются в положительно заряженные ионы;

· при взаимодействии с ядром заряженная частица может или тормозиться электрическим полем ядра и менять свое направление движения или поглощаться ядром. В первом случае происходит испускание тормозного излучения, во втором случае заряженная частица (при достаточно большой энергии) поглощается ядром, при этом выбрасываются элементарные частицы и фотоны. Поглощение частицы ядром обычно происходит, если энергия частицы превышает 1,02 МэВ.

Процесс взаимодействия, при котором исчезают первоначальные и появляются новые частицы, называют ядерной реакцией. Рассмотрим взаимодействие различных видов излучений с веществом.

Взаимодействие гамма-квантов с веществом может сопровождаться фотоэффектом, комптоновским рассеянием и образованием электрон-позитронных пар. Вид эффекта зависит от энергии гамма-кванта:

Ек = hн - Еи, (1)

где: h - постоянная Планка; н - частота излучения; Еи - энергия ионизации соответствующей атомной оболочки (энергия связи выбитого электрона из атома).

Фотоэффект возникает при Е = 10 эВ-1 МэВ, то есть при относительно малых значениях энергий. В этом случае вся энергия гамма-кванта передается орбитальному электрону, и он выбивается из орбиты (рис.3).

Выбитый электрон называется фотоэлектроном. В результате его отрыва в атоме появляется свободный уровень, который заполняется одним из наружных электронов. При этом, либо испускается вторичное мягкое характеристическое излучение (процесс флюоресценции), либо энергия передается одному из электронов, который покидает атом (электрон Оже). Флюоресцентное излучение наблюдают в материалах с большим атомным номером. В материалах с низким атомным номером преобладает образование электронов Оже. Вероятность фотоэффекта увеличивается с ростом атомного номера материала и уменьшается с ростом энергии фотона.

С ростом энергии гамма-квантов явление фотоэффекта становится все меньше, а при энергии 100-200 кэВ начинает преобладать Комптон эффект.

Эффект Комптона — рассеяние электромагнитного излучения на свободном электроне, сопровождающееся уменьшением частоты излучения (открыт А. Комптоном в 1923 г.). В этом процессе электромагнитное излучение ведёт себя как поток отдельных частиц – корпускул (которыми в данном случае являются кванты электромагнитного поля - фотоны), что доказывает двойственную – корпускулярно-волновую – природу электромагнитного излучения. С точки зрения классической электродинамики рассеяние излучения с изменением частоты невозможно.

Комптоновское рассеяние – это рассеяние на свободном электроне отдельного фотона с энергией Е = h = hc/ (h – постоянная Планка, – частота электромагнитной волны, – её длина, с – скорость света) и импульсом р = Е/с. Рассеиваясь на покоящемся электроне, фотон передаёт ему часть своей энергии и импульса и меняет направление своего движения. Электрон в результате рассеяния начинает двигаться. Фотон после рассеяния будет иметь энергию Е' = h' (и частоту) меньшую, чем его энергия (и частота) до рассеяния. Соответственно после рассеяния длина волны фотона ' увеличится. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что длина волны фотона после рассеяния увеличится на величину

где - угол рассеяния фотона, а m_e - масса электрона.

Фотоэффект - испускание электронов телами под действием света, который был открыт в 1887 г. Герценом. В 1888 Гальвакс показал, что при облучении ультрафиолетовым светом электрически нейтральной металлической пластинки последняя приобретает положительный заряд. В этом же году Столетев создал первый фотоэлемент и применил его на практике, потом он установил прямую пропорциональность силы фототока интенсивности падающего света. В 1899 Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света.

Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v₀(или максимальная длина волны y₀), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v<v₀ , то фотоэффект уже не происходит.

Первый закон объяснён с позиции электромагнитной теории света: чем больше интенсивность световой волны, тем большему количеству электронов будет передана достаточная для вылета из металла энергия. Другие законы фотоэффекта противоречат этой теории.

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hv каждый ( h-постоянная Планка). При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода, покидает металл:

Hv=A+mv² / 2 , где

mv² –максимальная кинетическая энергия, которую может иметь электрон при вылете из металла. Она может быть определена:

mv²/2=eU₃ .

U₃ - задерживающее напряжение.

В теории Эйнштейна законы фотоэффекта объясняются следующим образом:

1. Интенсивность света пропорциональна числу фотонов в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла.

2. Второй закон следует из уравнения: mv₂ /2=hv-A.

3. Из этого же уравнения следует, что фотоэффект возможен лишь в том случае, когда энергия поглощённого фотона превышает работу выхода электрона из металла. Т. е. частота света при этом должна превышать некоторое определённое для каждого вещества значение, равное A>h. Эта минимальная частота определяет красную границу фотоэффекта:

v_o=A/h y_o=c/v_o=ch/A.

4. При меньшей частоте света энергии фотона не хватает для совершения электроном работы выхода, и поэтому фотоэффект отсутствует.

Квантовая теория Эйнштейна позволила объяснить и ещё одну закономерность , установленную Столетевым. В 1888 Столетов заметил, что фототок появляется почти одновременно с освещением катода фотоэлемента. По классической волновой теории электрону в поле световой электромагнитной волны требуется время для накопления необходимой для вылета энергии, и поэтому фотоэффект должен протекать с запаздыванием по крайне мере на несколько секунд. По квантовой теории же, когда фотон поглощается электроном, то вся энергия фотона переходит к электрону и никакого времени для накопления энергии не требуется.

С изобретением лазеров появилась возможность экспериментировать с очень интенсивными пучками света. Применяя сверхкороткие импульсы лазерного излучения, удалось наблюдать многофотонные процессы, когда электрон, прежде чем покинуть катод, претерпевал столкновение не с одним , а с несколькими фотонами. В этом случае уравнение фотоэффекта записывается: Nhv=A+mv₂ /2,чему соответствует красная граница.

Фотоэффект широко используется в технике. На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов. Комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструировать множество ”видящих” автоматов , которые вовремя включают и выключают маяки , уличное освещение, автоматически открывают двери , сортируют детали, останавливают мощный пресс, когда рука человека оказывается в опасной зоне . С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука , записанного на киноплёнке.

Аннигиляция пары (от позднелат. annihilatio - уничтожение - исчезновение),один из видов превращений элементарных частиц, происходящий при столкновении частицы с античастицей. При аннигиляции частица и античастица исчезают, превращаясь в др. частицы, число и сорт которых лимитируются сохранения законами. Напр., при малых энергиях столкновения в процессеаннигиляции пары электрон-позитрон возникают фотоны, а пары нуклон-антинуклон - в основном пи-мезоны.

Позитрон называют античастицей электрона. Частица и античастицa различаются только знаком электрического заряда. Все остальные параметры – масса покоя, абсолютная величина заряда, спин – в точности совпадают. Первоначально аннигиляцией (от лат. annihilatio – уничтожение, исчезновение) был назван именно процесс взаимодействия электрона и позитрона, однако это определение оказалось не совсем удачным, т. к. в процессах аннигиляции материя не уничтожается, а лишь превращается из одной формы в другую. Вследствие этого понятие аннигиляция распространилось на взаимодействие любых частиц и античастиц.

Другой пример пары частица-античастица, открытый позже, это пионы (р⁺- и р^--мезоны) и мюоны ( м⁺- и м^--мезоны). Опытным путём доказано, что для них также также верны свойства античастиц: их электрические заряды противоположны, а массы покоя, абсолютные величины заряда, спины и даже периоды полураспада одинаковы.

Есть своя античастица и у нейтрино – антинейтрино .

Теоретически доказано, что всего существует четыре типа нейтрино: электронные нейтрино и антинейтрино и мюонные нейтрино и антинейтрино. Опыты показали, что реакция поглощения антинейтрино протоном существует, тогда аналогичной реакции для нейтрино нет. Это означает, что нейтрино и антинейтрино – действительно разные частицы. Как известно, нуклоны связаны с ядром, поэтому можно говорить об их заряде по отношению к ядру. Его называют барионным зарядом . Он определяет силу ядерного поля, подобно тому как величина электрического заряда влияет на напряжённость электрического поля. Барионный заряд нуклонов принимают равным +1. Электрический заряд протона равен +e , а барионный +1 . Нейтрон же обладает таким же барионным зарядом, однако не имеет заряда электрического. Теория предсказывала существование антинуклонов – антипротонов (барионный заряд равен -1, электрический +e ) и антинейтронов (барионный заряд -1, электрический – 0). Также было установлено, что антипротон, как и протон, должен быть стабильным и иметь такую же массу. Аналогичным образом антинейтрон, равно как и нейтрон, должен быть неустойчивым (превращаться в антипротон) и обладать так ой же массой .

Однако в земных условиях антинуклоны могут существовать лишь в течение очень короткого промежутка времени, поскольку они, подобно позитронам, аннигилируют, объединяясь с нуклонами и образуя, как правило, пионы.

Опыты доказывают существование закона сохранения барионного заряда: при любых превращениях частиц их суммарный барионный заряд остаётся неизменным. Именно поэтому антинуклон может образовываться только в паре с нуклоном. Такие реакции могут вызываться частицами с энергией в миллиарды электронвольт, превосходящей энергию покоя пары нуклон – антинуклон.

Электронный распад.

β-распадом называется процесс самопроизвольного превращения нестабильного ядра в ядро изобар с зарядом, отличным на ∆Z=±1, в результате испускания электрона (позитрона) или захвата электрона. Период полураспада β-радиоактивных ядер меняется от ~10-2 с до ~2·1015 лет. Энергия β-распада заключена в пределах от 18 кэв (для 3Н1) до 16,6 Мэв (для 12N7). Хорошо известно, что в ядре нет электронов, так как обратное предположение противоречит экспериментально установленным свойствам ядер. Можно привести несколько доводов в пользу этого положения. Предположение о существовании в ядре электронов не согласуется с известными из опыта значениями спинов и магнитных моментов ядер. Против существования в ядре электронов говорит также большое время жизни β-радиоактивных ядер, которое нельзя объяснить существованием потенциального барьера (большая прозрачность барьера из-за малого значения массы). Наконец, о невозможности существования в ядре электронов свидетельствует квантово-механическое соотношение неопределенностей, связывающее между собой импульс и координаты микрочастицы:

∆p ⋅ ∆r ≈ ħ.

Это соотношение отражает особую форму движения микрочастиц, для которых, как показывают опыты по дифракции, нельзя одновременно достаточно точно определить координаты и импульс. В применении к электрону оно дает для импульса электрона величину

∆p = ħ/∆r = 10-34/10-14 = 10-20 Дж·с/м.

Это соответствует энергии электрона

Т ≈ ∆р · с = 20 Мэв,

что существенно превышает энергию электронов β-распада. Заметим, что различие кинетической энергии частицы внутри и вне ядра с точки зрения квантовой механики вполне допустимо (сравните аналогичную ситуацию при рассмотрении механизма α-распада). Оно означает, что частица находится в глубокой потенциальной яме, т.е. удерживается в ядре огромными силами притяжения. Однако такое заключение по отношению к рассматриваемому случаю (электрон и ядро) сделать нельзя, так как оно должно приводить к легко проверяемым экспериментальным следствиям, которые не наблюдались. Таким образом, в ядре нет электронов. Они возникают в ядре в самый момент β--распада в результате превращения нейтрона в протон по схеме

n → p + e- + v˜

(если выполняется энергетическое условие β--распада). Возникший электрон не может остаться в ядре и вылетает из него. Одновременно с электроном вылетает антинейтрино. Аналогично протекает процесс β+-распада, который сопровождается вылетом нейтрино. Таким образом, в некотором смысле β-распад подобен процессу излучения атома, в котором фотон также возникает в самый момент излучения. Что в процессе β--распада из ядра вылетают именно электроны, т.е. те самые частицы, которые входят в состав атома, следует из нескольких соображений. Главные из них заключаются в следующем.

1. Совпадение заряда и массы β--частиц и атомных электронов.

2. Аннигиляция β+-частиц при встрече с атомными электронами.

3. Захват ядрами атомных электронов.

4. Принцип Паули остается справедливым для смешанного ансамбля частиц, содержащего атомные электроны и β--частицы (β--частицы, испущенные ядром, не захватываются электронными уровнями атома, занятыми электронами).

Теория β-распада была создана в 1934 г. итальянским физиком Э.Ферми по аналогии с квантовой электродинамикой. Согласно квантовой электродинамике, процесс испускания и поглощения фотонов рассматривается как результат взаимодействия заряда с окружающим его электромагнитным полем. Фотоны не содержатся в готовом виде в атоме, а возникают в самый момент их испускания. Их источником является заряд. Процесс β-распада в теории Ферми рассматривается как результат взаимодействия нуклона ядра с электрон-нейтринным полем: нуклон переходит в другое состояние (из нейтрона в протон или наоборот) и образуется электрон (позитрон) и антинейтрино (нейтрино). Источниками легких частиц являются нуклоны.

Известны три вида β-распада: β--распад, β+-распад и e-захват (К-захват).

Простейшим примером электронного β-распада является (если не считать β-распад нейтрона) β-распад трития. В конечном итоге β-распад трития сводится к превращению одного нейтрона в протон.

Задача 1

Емкость с жидким хлором, находящаяся под давлением, была разрушена. В емкости содержалось 20 тонн хлора. Требуется определить глубину зоны возможного заражения, если смомента аварии прошел 1 час. Скорость ветра 3 м/с, температура воздуха 0 ⁰С, вертикальная устойчивость атмосферы – изотермия. Направление ветра южное.

Решение:

1. Эквивалентное количество вещества

, где

К₁– коэффициент, зависящий от условий хранения СДЯВ;

К₃ – коэффициент равный отношению пороговой токсодозы данного СДЯВ к эквивалентному СДЯВ;

К₅ – коэффициент, учитывающий степень вертикальной устойчивости атмосферы (К₅=0,23);

К₇ – коэффициент, учитывающий температуру воздуха;

Q₀ – масса СДЯВ.

2. Время испарения жидкого хлора во вторичном облаке

, где

h – высота слоя СДЯВ (h=0,05);

d – плотность СДЯВ;

K₂ – коэффициент, зависящий от физико-химических свойств;

К₄ – коэффициент, учитывающий скорость ветра.

3. Количество вещества во вторичном облаке

, где

К₆ – коэффициент, зависящий от времени, прошедшего с начала аварии.

4. Общая глубина зоны возможного заражения

, где

Г’’ – меньшая зона;

Г’ – большая зона.

Ответ: 5,2 км

Задача 2

Рассчитать избыточное давление при расстоянии 100 м, если взорвался склад с 40 т аммонита-6. Описать характер предполагаемых разрушений железобетонных конструкций, деревянных зданий, степень поражения человека. Если коэффициент усиления 1,8, а коэффициент ослабления стенами склада и валом 1,2.

Решение:

1. , где

m – масса аммонита-6;

К_у – коэффициент усиления;

К_о – коэффициент ослабления.

Ответ: 116,7 кПа

Степень разрушения железобетонных конструкций – средняя, деревянных домов в 5 раз превышает сильную степень разрушения;

степень поражения человека характеризуется как крайне тяжелая (разрывы внутренних органов, переломы костей, внутренние кровотечения и другие повреждения, которые приводят к смертельному исходу).