close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

38 bondarenko a.p. osnovi radiacionnoy ekologii

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет
им. С. Торайгырова
А.П.Бондаренко
ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ
ЭКОЛОГИИ
Учебное пособие для студентов естественных
специальностей
Павлодар
УДК 539.16
ББК 22.383
Б81
Бондаренко А.П.
Основы радиационной экологии: учебное пособие. Ч. 1. /А.П.
Бондаренко. — Павлодар, 2006. — 124 с.
В данном пособии описаны радиационные явления,
взаимодействие ионизирующего излучения с веществом, его
детектирование и измерение. Даны основные характеристики
некоторых приборов радиационного контроля.
Учебное пособие рекомендуется студентам естественных
специальностей.
УДК 539.16
ББК 22.383
Бондаренко А.П. 2006
Павлодарский государственный университет им С. Торайгырова,
2006
Введение
Экологическая обстановка практически во всех регионах
земного шара остается неудовлетворительной. Высокая техногенная
нагрузка на природные ресурсы ухудшает состояние окружающей
среды и снижает плодородие почв. Выбросы
радиоактивных
элементов в окружающую среду
существенно изменили
радиационную обстановку в биосфере, что оказало огромное влияние
на все экологические взаимоотношения.
Радиационный фон является постоянно действующим
2
экологическим фактором, играющим важную роль в формировании и
эволюции живого вещества. Естественная ионизация обусловлена
космическим излучением и радионуклидами, содержащимися в
земной коре, воде и воздухе. В настоящее время, важной
составляющей радиационного воздействия на биосферу, стало
антропогенное загрязнение окружающей среды, обусловленное
интенсивным использованием расщепляющихся материалов, в том
числе и долгоживущих, многие из них активно вовлекаются в
биогенный круговорот веществ. Несмотря на существенное снижение
техногенных выбросов радиоактивных элементов в окружающую
среду за последние десятилетия - эта проблема будет иметь значение
еще длительное время, из-за глобального загрязнения поверхности
Земли и продолжительного периода полураспада некоторых
радионуклидов.
Облучение
человека
и
животных
радионуклидами,
поступившими в среду обитания, складываются из внешнего
облучения радионуклидами, осевшими на почвенно-растительный
покров
земной
поверхности,
облучения
радионуклидами,
поступающими в организм через органы дыхания, а также облучения
поступившими внутрь организма через пищеварительный тракт с
пищей и водой. Последний из перечисленных способов облучения
является доминирующим в настоящее время на территориях,
содержащих повышенные уровни радиоактивных элементов.
Радиационное воздействие техногенного происхождения
изменяется со временем и вопрос его последействия на живые
системы требует изучения, как из-за отсутствия полной картины
влияния хронического облучения на отдельный организм низкими и
сверхнизкими дозами ионизирующего излучения, так и из-за слабой
изученности системных изменений в биосфере при длительном
влиянии измененных и новых экологических факторов.
Цель данного пособия – дать представление о радиационных
явлениях, способах их измерения и, в следующих частях пособия,
показать, их свойства, распространение в природных объектах и
живых организмах и их роль в изменении здоровья человека.
3
1 Основные понятия, термины и определения
Активность радионуклида - количество распадов на единицу
времени.
Альфа-излучение (α-излучение) – ионизирующее излучение,
состоящее из ядер гелия (2 протона+2 нейтрона).
Бета-излучение (β-излучение) – излучение электронов или
позитронов.
Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное (фотонное)
излучение, испускаемое при ядерных превращениях, переходах ядер в
основное состояние или при аннигиляции частиц.
Детектор – вещество или устройство, которое преобразует
ионизирующее излучение в сигнал, доступный для измерения.
Доза – сокращенное наименование поглощенной или
эквивалентной дозы.
Изотопы – атомные элементы, имеющие равное количество
протонов и разное количество нейтронов.
Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие
которого с любыми объектами приводит к образованию
электрических зарядов разных знаков (пар ионов).
Мощность дозы - поглощенная энергия в единицу времени.
Поглощенная доза – энергия ионизирующего излучения,
поглощенная объектом.
Природный радиационный фон определяется космическим
излучением в данной географической точке и содержащимися в почве
радионуклидами
Радионуклид - радиоактивный атом с данным массовым числом
и атомным номером, ядро которого способно к радиоактивному
распаду.
Тормозное излучение – фотонное излучение с непрерывным
спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии
заряженных частиц. Возникает в среде, окружающей источник бета –
излучения в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и т.д.
Эквивалентная доза – энергия любого ионизирующего
излучения, поглощенная живым объектом и оказывающая действие
аналогичное действию γ-излучению. Для других видов излучения
вводится поправочный коэффициент.
Экспозиционная доза - поглощенная энергия, которая в 1
кубическом сантиметре воздуха при нуле Цельсия и 1013,3 ГПа
приводит к образованию 2,08х109 пар ионов.
4
2 Из чего сделано вещество. Немного истории
Мы часто говорим о материальности мира, подразумевая
обычно под этим вещественную часть материального. Для некоторых,
их, вероятно большинство, вопросы, относящиеся к глубинным
физическим явлениям или философскому осмыслению жизни кажутся
надуманными, но, по-видимому, каждый образованный человек
должен иметь представление об устоявшихся в науке представлениях
о природе вещественного.
2.1 Атомы
Представление о том, что мир состоит из фундаментальных
частиц, имеет долгую историю. Впервые мысль о существовании
мельчайших невидимых частиц, из которых состоят все окружающие
предметы, была высказана за 400 лет до нашей эры греческим
философом Демокритом. Он назвал эти частицы атомами, т. е.
неделимыми частицами. Наука начала использовать представление об
атомах только в начале XIX века, когда на этой основе удалось
объяснить целый ряд химических явлений. В 30-е годы XIX века в
теории электролиза, развитой М. Фарадеем, появилось понятие иона и
было выполнено измерение элементарного заряда. Конец XIX века
ознаменовался открытием явления радиоактивности (А. Беккерель,
1896 г.), а также открытиями электронов (Дж. Томсон, 1897 г.) и αчастиц (Э. Резерфорд, 1899 г.). В 1905 году в физике возникло
представление о квантах электромагнитного поля – фотонах
(А. Эйнштейн).
2.2 Элементарные частицы
В 1911 году было открыто атомное ядро (Э. Резерфорд) и
окончательно было доказано, что атомы имеют сложное строение. В
1919 году Резерфорд в продуктах расщепления ядер атомов ряда
элементов обнаружил протоны. В 1932 году Дж. Чедвик открыл
нейтрон. Стало ясно, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют
сложное строение. Возникла протон-нейтронная теория строения ядер
(Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг). В том же 1932 году в космических
лучах был открыт позитрон (К. Андерсон). Позитрон – положительно
заряженная частица, имеющая ту же массу и тот же (по модулю)
заряд, что и электрон. Существование позитрона было предсказано
П. Дираком в 1928 году. В эти годы были обнаружены и исследованы
взаимные превращения протонов и нейтронов и стало ясно, что эти
частицы также не являются неизменными элементарными
5
«кирпичиками» природы. В 1937 году в космических лучах были
обнаружены частицы с массой в 207 электронных масс, названные
мюонами (μ-мезонами). Затем в 1947–1950 годах были открыты
пионы (т. е. π-мезоны), которые, по современным представлениям,
осуществляют взаимодействие между нуклонами в ядре. Затем число
вновь открытых частиц стало быстро увеличиваться. Этому
способствовали исследования космических лучей, развитие
ускорительной техники и изучение ядерных реакций.
В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц,
которые
принято
называть
элементарными.
Подавляющее
большинство этих частиц являются нестабильными. Исключение
составляют лишь фотон, электрон, протон и нейтрино. Все остальные
частицы через определенные промежутки времени испытывают
самопроизвольные превращения в другие частицы. Нестабильные
элементарные частицы сильно отличаются друг от друга по временам
жизни. Наиболее долгоживущей частицей является нейтрон. Время
жизни нейтрона порядка 15 мин. Другие частицы «живут» гораздо
меньшее время. Например, среднее время жизни μ-мезона равно
2,2·10–6 с, нейтрального π-мезона – 0,87·10–16 с. Многие массивные
частицы – гипероны имеют среднее время жизни порядка 10–10 с.
Существует несколько десятков частиц со временем жизни,
превосходящим 10–17с. По масштабам микромира это значительное
время. Такие частицы называют относительно стабильными.
Большинство короткоживущих элементарных частиц имеют времена
жизни порядка 10–22–10–23 с.
2.3 Кварки
Множество открытых и вновь открываемых адронов навела
ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более
фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. ГеллМаном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими
исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы –
адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных
кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята
структура уже известных адронов, но и предсказано существование
новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и
трех антикварков, соединяющихся между собой в различных
комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков,
антибарион – из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–
антикварк.
6
С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную
систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих
гипотетических частиц оказались довольно неожиданными.
Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами,
равными
2
3
и
1
элементарного заряда.
3
Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии,
производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических
лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из
причин не наблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их
очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех
энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не
менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки
существуют внутри тяжелых частиц – адронов.
По правде говоря, существующие гипотезы о первоначальных
кирпичиках мироздания далеки от своего решения. Общая теория
суперэлементарных частиц, частиц первоосновы, должна включать в
себя все частицы, в том числе и фотоны, нейтрино и, конечно,
гравитон. Возможно, что именно эти перечисленные частицы близки к
званию действительно элементарных, а фантастическое предложение
С. Лемма в «Солярисе» не столь уж и фантастично, разве что условия
– температура и давление должны, как минимум также превышать
температуру самых горячих звезд, насколько последняя превышает
температуру Земли.
3 Элементарные частицы
Существование элементарных частиц было обнаружено при
изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века
физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В
настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика
являются близкими, но самостоятельными разделами физики,
объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и
применяемыми методами исследования. Главная задача физики
элементарных частиц – это исследование природы, свойств и
взаимных превращений элементарных частиц.
В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему
времени, обнаруживается более или менее стройная система
классификации. В таблице 1. представлены некоторые данные о
свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10–20 с..
Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в
7
таблице указаны только масса частицы (в электронных массах),
электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент
импульса (так называемый спин) в единицах постоянной Планка
ħ = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.
Нуклоны
Гипероны
Барионы
Мезоны
Лептоны
Эл. зар.
Таблица 1 - Свойства элементарных частиц
Наименование частиц
Символ.
Масса в
Время
жизни,
части Анти- элекс.
ца
части тронных
массах
ца
Фотон
γ
γ
0
0
Стабилен
Нейтрино
υе
ΰе
0
0
Стабильно
электронное
Нейтрино
υμ
ΰμ
0
0
Стабильно
мюонное
Тау- нейтрино
υr
ΰr
0
0
Стабильно
+
Электрон
е
е
1
-1
Стабилен
+
Мюон
μ
μ
207
-1
2,2·10-6
Тау-лептон
ττ+
3492
-1
1,46·10-12
Пи-мезоны
π0
π0
264,01
0
1,83·10-16
(пионы)
π+
π273,1
1
2,6·10-8
Ка-мезоны (каоны)
К+
К966,4
1
1,2·10-8
К0
К0
974,1
0 К0S-8,9 ·10-11
КL-5,2·10-8
Эта-нуль-мезон
η0
η0
1074
0
2,4·10-19
Протон
Нейтрон
p
n
p
ň
1836.1
1838.6
1
0
Стабилен (?)
103
Гиперон
лямбда
Гиперон
сигма
Гипероны кси
Λ0
Σ+
Σ0
ΣΞ0
ΞΩ-
Λ0
Σ+
Σ0
ΣΞ0
ΞΏ-
2183,1
2327,6
2333,6
2343,1
2572,8
2585,6
3273
0
1
0
-1
0
-1
-1
2,63·10-10
8·10-11
5,8·10-20
1,48·10-10
2,9·10-10
1,64·10-10
8,2·10-11
Омега-минусгиперон
Элементарные частицы объединяют в три группы: фотоны,
лептоны и адроны.
8
К группе фотонов относят единственную частицу – фотон,
которая является носителем электромагнитного взаимодействия.
Следующая группа состоит из легких частиц лептонов. В эту
группу входят три вида нейтрино (электронное, мюонное и тау нейтрино), электрон и μ-мезон и τ--лептон. К лептонам относятся еще
ряд частиц, не указанных в таблице. Все лептоны имеют спин
1
.
2
Третью большую группу составляют тяжелые частицы,
называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более
легкие частицы составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из
них – положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные
π-мезоны с массами порядка 250 электронных масс. Пионы являются
квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются
квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также
четыре K-мезона и один η0-мезон. Все мезоны имеют спин, равный
нулю.
Вторая подгруппа – барионы – включает более тяжелые
частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из
барионов являются нуклоны – протоны и нейтроны. За ними следуют
так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы
имеют спин
1
.
2
3.1 Фундаментальные взаимодействия
Процессы, в которых участвуют различные элементарные
частицы, сильно различаются по характерным временам их
протекания и энергиям. Согласно современным представлениям, в
природе осуществляется четыре типа взаимодействий, которые не
могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействий:
сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы
взаимодействий называют фундаментальными.
Сильное (или ядерное) взаимодействие – это наиболее
интенсивное из всех видов взаимодействий. Оно обуславливает
исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в
ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие
только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное
взаимодействие проявляется на расстояниях до 10–15 м. Поэтому его
называют короткодействующим.
Электромагнитное взаимодействие. В этом виде взаимодействия
могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а
9
так же фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное
взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и
молекул. Оно определяет многие свойства вещества в твердом,
жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание
протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми
числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы
поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и
многие другие процессы физики микро- и макромира.
Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех
взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать
участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое
взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием
нейтрино или антинейтрино, например, β- - распад нейтрона
а также безнейтринные процессы распада частиц с большим
временем жизни (τ ≥ 10–10 с).
Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения
частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы
гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и
в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы
играют решающую роль при взаимодействии космических объектов
(звезды, планеты и т. п.), которые обладают значительными массами.
3.2 Аннигиляция
Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное
свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны
рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это
относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что
превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а
при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить
аннигиляция (т. е. исчезновение) электрона и позитрона,
сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может
протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной
пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой
энергией с ядром. Такой двойник, каким для электрона является
позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном.
Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время
античастицы
найдены
у
всех
частиц.
Античастицы
10
противопоставляются частицам потому, что при встрече любой
частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе
частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие
частицы.
Античастица обнаружена и у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон
отличаются только знаками магнитного момента и так называемого
барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества,
ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов.
При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя
превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия,
значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и
термоядерных реакциях.
Мы уделили много внимания элементарным частицам, так как
именно они определяют весь спектр действия ядерных превращений.
Ядра атомов состоят из элементарных частиц и, в конечном счете,
элементарные частицы обеспечивают передачу энергии ядерных
реакций любому объекту.
4 Атом
Атом (от греч. atomos - неделимый), мельчайшая частица
химического элемента, сохраняющая его свойства. В центре атома
находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена
почти вся масса атома; вокруг движутся электроны, образующие
электронные оболочки, размеры которых (~10-8 см) определяют
размеры атома (рисунок 1.). Ядро атома состоит из протонов и
нейтронов. Число электронов в нейтральном атоме равно числу
протонов в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду ядра),
число протонов равно порядковому номеру элемента в периодической
системе.
Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь
отрицательно или положительно заряженными ионами. Химические
свойства атомов определяются в основном числом электронов во
внешней оболочке; соединяясь химически, атомы образуют молекулы.
Важная характеристика атома — его внутренняя энергия, которая
может принимать лишь определенные (дискретные) значения,
соответствующие устойчивым состояниям атома, и изменяется только
скачкообразно путем квантового перехода. Поглощая определенную
порцию энергии, атом переходит в возбужденное состояние (на более
высокий уровень энергии).
11
Рисунок 1 – Атом, показано ядро и электроны на орбитах
Из возбужденного состояния атом, испуская фотон, может
перейти в состояние с меньшей энергией (на более низкий уровень
энергии). Уровень, соответствующий минимальной энергии атома,
называется основным, остальные — возбужденными. Квантовые
переходы обусловливают атомные спектры поглощения и испускания,
индивидуальные для атомов всех химических элементов. На
рисунке 2. показано образование спектральных серий в излучении
атома водорода при переходе электрона с высоких стационарных
орбит на более низкие.
Спектральные линии – это узкие участки в оптических спектрах,
каждый из которых можно охарактеризовать определённой длиной
волны  (или частотой υ = с / λ , где с — скорость света). Они
наблюдаются в спектрах испускания как светлые (цветные) линии на
тёмном фоне, в спектрах поглощения — как тёмные линии на светлом
фоне. Каждая линия соответствует определённому квантовому
переходу в атоме (молекуле, кристалле). Спектральные линии не
являются строго монохроматичными: каждая из них имеет некоторую
ширину .
Квантовые переходы - скачкообразные переходы квантовой
системы (атома, молекулы, атомного ядра, твёрдого тела) из одного
состояния в другое. Наиболее важными являются переходы между
12
стационарными состояниями, соответствующими различной энергии
квантовой системы, - квантовые переходы системы с одного уровня
энергии на другой. При переходе с более высокого уровня энергии Ek
на более низкий Ei система отдаёт энергию Ek — Ei, при обратном
переходе — получает её (рисунке 3.). Квантовые переходы могут быть
излучательными и безызлучательными. При излучательных - система
испускает (переход Ek  Ei) или поглощает (переход Ei  Ek) квант
электромагнитного излучения - фотон - энергии h ( - частота
излучения,
h
постоянная
Планка),
удовлетворяющей
фундаментальному соотношению Ek - Ei = h, которое представляет
Рисунок 2 - Стационарные орбиты атома водорода и
образование спектральных серий
собой закон сохранения энергии при таком переходе). В зависимости
от разности энергий состояний системы, между которыми происходит
квантовые переходы испускаются или поглощаются фотоны
радиоизлучения, инфракрасного, видимого, ультрафиолетового,
рентгеновского излучения, γ-излучения. Совокупность излучательных
квантовых переходов с нижних уровней энергии на верхние образует
спектр поглощения данной квантовой системы, совокупность
13
обратных переходов — её спектр испускания.
Е1 — основной уровень (уровень с наименьшей возможной
энергией), Е2, Е3, Е4 — возбуждённые уровни. Стрелками
показаны квантовые переходы с поглощением (направление
вверх) и с отдачей энергии (направление вниз)
Рисунок 3 - Часть уровней квантовой системы
Важнейшей характеристикой любого квантового перехода
является вероятность перехода, определяющая, как часто происходит
данный квантовый переход. Вероятность перехода измеряют числом
переходов данного типа в рассматриваемой квантовой системе за
единицу времени (1 сек); поэтому она может принимать любые
значения от 0 до  (в отличие от вероятности единичного события,
которая не может превышать 1). Вероятности переходов
рассчитываются методами квантовой механики.
На рисунке 4. изображена диаграмма энергетических уровней
атома водорода и указаны переходы, соответствующие различным
спектральным сериям.
14
Рисунок 4 - Диаграмма энергетических уровней атома
водорода. Показаны переходы, соответствующие различным
спектральным сериям. Для первых пяти линий серии Бальмера в
видимой части спектра указаны длины волн
Согласие теории атома водорода Бора с экспериментом служило
веским аргументом в пользу ее справедливости. Однако попытки
применить эту теорию к более сложным атомам не увенчались
успехом. Бор не смог дать физическую интерпретацию правилу
квантования. Это было сделано десятилетием позже де Бройлем на
основе представлений о волновых свойствах частиц. Де Бройль
предложил, что каждая орбита в атоме водорода соответствует волне,
распространяющейся по окружности около ядра атома. Стационарная
орбита возникает в том случае, когда волна непрерывно повторяет
себя после каждого оборота вокруг ядра, т.е. стационарная орбита
соответствует круговой стоячей волне де Бройля на длине орбиты
(рисунок 5.). Это явление очень похоже на стационарную картину
стоячих волн в струне с закрепленными концами.
15
Рисунок 5 - Иллюстрация идеи де Бройля возникновения
стоячих волн на стационарной орбите для случая n = 4
Простое, и для нашего дальнейшего рассмотрения достаточное,
представление атома состоящего из тяжёлого ядра, обладающего
положительным электрическим зарядом, и окружающих его более
лёгких электронов с отрицательными электрическими зарядами,
образующих электронные оболочки. Размеры атома определяются
размерами его электронной оболочки и значительно превосходят
размеры ядра (таблица 2.).
Таблица 2 - Характерные порядки размеров
Линейные
Площадь*
размеры
Атом
10—8 см
10—16 см2
Ядро
10—12 см
10—24 см2
Отношение
104
108
* Поперечное сечение
Объем
10—24 см3
10—36 см3
1012
Электронные оболочки атома не имеют строго определённой
границы (рисунок 5.), поэтому его размер в большей или меньшей
степени зависит от способов определения и может значительно
различаться.
16
4.1 Состав атомных ядер
В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра
различных элементов состоят из двух частиц – протонов и нейтронов.
Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого
удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в
опытах Дж. Томсона (1907 г.), которому удалось измерить у нее
отношение e / m. В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома
водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов.
Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение,
что протоны входят в состав всех атомных ядер.
По современным измерениям, положительный заряд протона в
точности равен элементарному заряду e = 1,60217733·10–19 Кл, то есть
равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее
время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью
10–22. Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц
вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок
современной физики. Масса протона, по современным измерениям,
равна mp = 1,67262·10–27 кг. В ядерной физике массу частицы часто
выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равной 1/12 массы
атома углерода с массовым числом 12. 1 а. е. м. = 1,66057·10–27 кг.
Следовательно, mp = 1,007276 · а. е. м. Во многих случаях массу
частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в
соответствии с формулой E = mc2. Так как 1 эВ = 1,60218·10–19 Дж, в
энергетических единицах масса протона равна 938,272331 МэВ.
После открытия протона было высказано предположение, что
ядра атомов состоят из одних протонов. Однако это предположение
оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его
массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если
бы в состав ядер входили одни протоны. Для более тяжелых ядер это
отношение оказывается меньше, чем для легких, т. е. при переходе к
более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд.
В 1920 г. Резерфорд высказал гипотезу о существовании в
составе ядер жестко связанной компактной протон - электронной
пары, представляющей собой электрически нейтральное образование
– частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Он даже
придумал название этой гипотетической частице – нейтрон. Это была
очень красивая, но, как выяснилось впоследствии, ошибочная идея.
Электрон не может входить в состав ядра. Квантово-механический
расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что
электрон, локализованный в ядре, т. е. области размером R ≈ 10–13 см,
должен обладать колоссальной кинетической энергией, на много
17
порядков превосходящей энергию связи ядер в расчете на одну
частицу. Идея о существовании тяжелой нейтральной частицы
казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он
незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с
Дж. Чедвиком заняться поиском такой частицы. Через 12 лет в 1932 г.
Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при
облучении бериллия α-частицами, и обнаружил, что это излучение
представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно
равной массе протона. Так был открыт нейтрон.
При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми
радиоактивным полонием, возникает сильное проникающее
излучение, способное преодолеть такую преграду, как слой свинца
толщиной в 10–20 см. Это излучение почти одновременно с Чедвиком
наблюдали супруги Жолио-Кюри Ирен и Фредерик (Ирен – дочь
Марии и Пьера Кюри), но они предположили, что это γ-лучи большой
энергии. Они обнаружили, что если на пути излучения бериллия
поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность
этого излучения резко возрастает. Они доказали, что излучение
бериллия выбивает из парафина протоны, которые в большом
количестве имеются в этом водородосодержащем веществе. По длине
свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γквантов, способных при столкновении сообщить протонам
необходимую скорость. Она оказалась огромной – порядка 50 МэВ.
Нейтрон – это элементарная частица. Ее не следует
представлять в виде компактной протон - электронной пары, как
первоначально предполагал Резерфорд. По современным измерениям,
масса
нейтрона
mn = 1,67493·10–27 кг = 1,008665 а. е. м.
В
энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ. Масса
нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит
массу протона.
Сразу же после открытия нейтрона Д. Д. Иваненко и
В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении
атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими
исследованиями. Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.
4.2 Изотопы
Изотопы (от изо... и греч. tópos — место) - разновидности
одного химического элемента, занимающие одно место в
периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся
массами атомов. Химические свойства атомов, т. е. принадлежность
атома к тому или иному химическому элементу, зависят от числа
18
электронов и их расположения в электронной оболочке атома. Место
химического элемента в периодической системе элементов
определяется его порядковым номером Z, равным числу электронов в
оболочке нейтрального атома или, или равным ему числу протонов,
содержащихся в атомном ядре. Кроме протонов, в ядро атома входят
нейтроны, масса каждого из которых приблизительно равна массе
протона.
Количество нейтронов N в ядре атома с данным Z может быть
различным, но в определённых пределах. Например, в ядре атома
гелия (Z = 2) может содержаться 1, 2, 4 или 6 нейтронов. Полное
число протонов Z и нейтронов N в ядре (называется общим термином
нуклоны) определяет массу ядра и по существу массу всего атома. Это
число А = Z + N называется массовым числом атома. От соотношения
чисел протонов и нейтронов в ядре зависят стабильность или
нестабильность ядра, тип распада радиоактивного ядра, спин,
магнитный дипольный момент и некоторые другие его свойства.
Таким образом, атомы с одинаковым Z, но с различным числом
нейтронов N обладают идентичными химическими свойствами, но
имеют различные массы и различные ядерные свойства. Эти
разновидности атомов называются изотопы. Для обозначения любых
разновидностей атомов, независимо от их принадлежности к одному
элементу, применяют термин нуклиды.
Ядра химических элементов обозначают символом AZX или
A
ZX , где X – химический символ элемента. Например;
1
1Н
2Не
4
- Водород
16
8О
- Кислород
- Гелий
12
6С
- Углерод
Химические элементы в природных условиях обычно
представляют собой смесь изотопов. Присутствие изотопов
определяет значение атомной массы природного элемента в
периодической таблице Менделеева. Так, например, относительная
атомная масса природного углерода равна 12,011.
4.3 Атом водорода
Простейший из атомов - атом водорода достаточно хорошо
изучен экспериментально. Он содержит единственный электрон.
Ядром атома является протон – положительно заряженная частица,
заряд которой равен по модулю заряду электрона, а масса в 1836 раз
превышает массу электрона
19
Обыкновенный водород состоит из смеси 2 устойчивых
изотопов: лёгкого водорода, или протия (1H), имеющего в ядре только
один протон (рисунок 6.), и тяжёлого водорода, или дейтерия (2H, или
D), в ядре которого кроме протона имеется один нейтрон (рисунок 7.).
В природных соединениях водорода на 1 атом 2H приходится в
среднем 6800 атомов 1H.
Рисунок 6 - Атом водорода, в ядре один протон
Искусственно получен радиоактивный изотоп — сверхтяжёлый
водород, или тритий (3H, или Т), с мягким β-излучением и периодом
полураспада T1/2 = 12,262 года. В природе тритий образуется,
например, из атмосферного азота под действием нейтронов
космических лучей; в атмосфере его ничтожно мало (4·10 -15% от
общего числа атомов водорода). В ядре трития (рисунок 8.), кроме
одного протона находится два нейтрона.
Рисунок 7 –Атом дейтерия, ядро состоит из протона и
нейтрона
Также получен крайне неустойчивый изотоп 4H (рисунок 9.), в
ядре которого кроме протона находится три нейтрона. Массовые
числа изотопов 1H, 2H, 3H и 4H, соответственно 1,2, 3 и 4, указывают
на то, что ядро атома протия содержит только 1 протон, дейтерия — 1
20
протон и 1 нейтрон, трития — 1 протон и 2 нейтрона, 4H — 1 протон и
3 нейтрона. Большое различие масс изотопов водорода обусловливает
более заметное различие их физических и химических свойств, чем в
случае изотопов других элементов.
Рисунок 8 – Атом трития, состоит из одного протона и двух
нейтронов
Рисунок 9 – Атом водорода 4Н, ядро состоит из одного
протона и трех нейтронов
Атом водорода имеет наиболее простое строение по сравнению
с атомами всех других элементов: он состоит из ядра и одного
электрона. Энергия связи электрона с ядром (потенциал ионизации)
составляет 13,595 эв. Нейтральный атом водорода может
присоединять и второй электрон, образуя отрицательный ион Н -; при
этом энергия связи второго электрона с нейтральным атомом
(сродство к электрону) составляет 0,78 эв.
4.4 Дефект массы
Дефект масс - разность между массой атома данного изотопа,
выраженной в атомных единицах массы, и массовым числом, равным
числу нуклонов в ядре данного изотопа. ΔM = Zmp + Nmn – Mя.
21
Различие масс обусловлено появлением
энергии связи между
нуклонами в ядре и характеризует устойчивость данного ядра. Иногда
пользуются дефектом масс, отнесённым к одному нуклону,
называемому упаковочным множителем. На рисунке 10 показано, что
масса нуклонов составляющих ядерную систему меньше массы тех же
нуклонов, не объединенных в ядро.
Рисунок 10 – Дефект массы. Атом тория, состоящий из 90
протонов и 144 нейтронов, легче 90p +144n, взятых по отдельности
Нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре прочно удерживаются
ядерными силами. Чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить
большую работу, т. е. сообщить ядру значительную энергию. Под
энергией связи ядра понимают энергию, которая необходима для
полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. На основании
закона сохранения энергии можно утверждать, что энергия связи
равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из
отдельных частиц. Энергия связи атомных ядер очень велика по
сравнению с энергией связи электронов с атомным ядром.
Определить энергию связи ядра можно, зная массу ядра и массы
частиц — протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Энергия
связи ядер вычисляется с помощью известного соотношения
Эйнштейна для связи энергии Е и массы m: E = Δm*c2 (где с скорость света) и равна произведению дефекта массы (т. е. суммарной
массы свободных нуклонов минус масса ядра) на квадрат скорости
света.
22
4.5 Постулаты Бора
В основу квантовой теории атома Бор положил 2 постулата,
характеризующих те свойства атома, которые не укладывались в
рамки классической физики. Эти постулаты Бора могут быть
сформулированы следующим образом:
1. Существование стационарных состояний. Атом не излучает и
является устойчивым лишь в некоторых стационарных (неизменных
во времени) состояниях, соответствующих дискретному (прерывному)
ряду «дозволенных» значений энергии E1, E2, E3, E4,... Любое
изменение энергии связано с квантовым (скачкообразным) переходом
из одного стационарного состояния в другое.
2. Условие частот излучения (квантовых переходов с
излучением). При переходе из одного стационарного состояния с
энергией Ei в другое с энергией Ek атом испускает или поглощает свет
определённой частоты v в виде кванта излучения (фотона) hv,
согласно соотношению hv = Ei - Ek. При испускании атом переходит
из состояния с большей энергией Ei в состояние с меньшей энергией
Ek, при поглощении, наоборот, из состояния с меньшей энергией Ek в
состояние с большей энергией Ei.
При испускании или поглощении света изменяется энергия
атома, это изменение равно энергии испущенного или поглощённого
фотона, т. е. имеет место закон сохранения энергии. Линейчатый
спектр атома является результатом дискретности возможных значений
его энергии.
Для определения дозволенных значений энергии атома —
квантования его энергии — и для нахождения характеристик
соответствующих
стационарных
состояний
Бор
применил
классическую механику. Для простейшего атома — атома водорода,
состоящего из ядра с зарядом +е (протона) и электрона с зарядом -e,
Бор рассмотрел движение электрона вокруг ядра по круговым
орбитам. Сравнивая энергию атома Е со спектральными термами Tn =
R/n2 для атома водорода, найденными с большой точностью из частот
его спектральных линий, он получил возможные значения энергии
атома En = -hTn = -hR/n2(где n = 1, 2, 3,...). Они соответствуют
круговым орбитам радиуса аn = а0n2, где a0 = 0,53·10-8 см — боровский
радиус — радиус наименьшей круговой орбиты (при n = 1). Бор
вычислил частоты обращения v электрона вокруг ядра по круговым
орбитам в зависимости от энергии электрона. Оказалось, что частоты
излучаемого атомом света не совпадают с частотами обращения vn,
как этого требует классическая электродинамика, а пропорциональны,
согласно соотношению hv = Ei - Ek, разности энергий электрона на
23
двух возможных орбитах.
Бору удалось также не только объяснить спектр водорода, но и
убедительно показать, что некоторые спектральные линии, которые
приписывались водороду, принадлежат гелию. Предположение Бора о
том, что результаты квантовой и классической теорий должны
совпадать в предельном случае малых частот излучения, представляло
первоначальную форму т. н. принципа соответствия.
4.6 Корпускулярно-волновой дуализм
Корпускулярно-волновой дуализм - это лежащее в основе
квантовой механики положение о том, что в поведении
микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые
черты. Экспериментально доказано, что наряду с известными
волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции
света) свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как
бы из частиц — фотонов. В этом проявляется дуализм света, его
сложная корпускулярно-волновая природа. По представлениям
классической
(неквантовой)
физики,
движение
частиц
и
распространение волн различаются принципиально. Однако опыты по
вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект),
изучение рассеяния света на электронах (Комптона эффект) и ряд др.
экспериментов убедительно показали, что свет - объект, имеющий,
согласно классической теории, волновую природу, - ведёт себя
подобно потоку частиц.
Также оказалось, что пучок электронов, падающих на кристалл,
даёт дифракционную картину, которую нельзя понять иначе, как на
основе волновых представлений. Позже было установлено, что это
явление свойственно вообще всем микрочастицам. Таким образом,
характерной особенностью микромира является своеобразная
двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств,
который не может быть понят в рамках классической физики. Так,
возникновение дифракционной картины при рассеянии частиц
несовместимо с представлением о движении их по траекториям.
Двойственность содержится уже в формуле E = hυ, не
позволяющей выбрать какую-либо одну из двух концепций: в левой
части равенства энергия E относится к частице, а в правой — частота
υ является характеристикой волны. Возникло формальное логическое
противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было
считать, что свет имеет волновую природу, а для объяснения других
— корпускулярную. По существу разрешение этого противоречия и
привело к созданию физических основ квантовой механики.
24
4.7 Энергия связи ядер
Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и
нейтроны должны удерживаться внутри ядер силами, во много раз
превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы,
удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они
представляют собой проявление самого интенсивного из всех
известных в физике видов взаимодействия – так называемого
сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз
превосходят электростатические силы и на десятки порядков
превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов.
Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий
характер. Ядерные силы заметно проявляются, как показали опыты
Резерфорда по рассеянию α-частиц, лишь на расстояниях порядка
размеров ядра (10–12–10–13 см). На больших расстояниях проявляется
действие сравнительно медленно убывающих кулоновских сил.
На основании опытных данных можно заключить, что протоны
и нейтроны в ядре ведут себя одинаково в отношении сильного
взаимодействия, т. е. ядерные силы не зависят от наличия или
отсутствия у частиц электрического заряда.
Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии
связи ядра. Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую
необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные
частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи
равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из
отдельных частиц.
Энергию связи любого ядра можно определить с помощью
точного измерения его массы. В настоящее время измеряют массы
частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень
высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого
ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и
нейтронов (см 4.4 дефект массы)
Eсв = ΔMc2 = (Zmp + Nmn – Mя)c2. Эта энергия выделяется при
образовании ядра в виде излучения γ-квантов.
На примере ядра гелия 2He4, в состав которого входят два
протона и два нейтрона можно рассчитать энергию их связи. Масса
ядра гелия Mя = 4,00260 а. е. м. Сумма масс двух протонов и двух
нейтронов составляет 2mp + 2mn = 4, 03298 а. е. м. Следовательно,
дефект массы ядра гелия равен ΔM = 0,03038 а. е. м. Расчет по
формуле Eсв = ΔMc2 приводит к следующему значению энергии связи
ядра 2He4: Eсв = 28,3 МэВ. Это огромная величина. Образование всего
1 г гелия сопровождается выделением энергии порядка 1012 Дж.
25
Примерно такая же энергия выделяется при сгорании почти целого
вагона каменного угля. Энергия связи ядра на много порядков
превышает энергию связи электронов с атомом. Для атома водорода
1
1Н , например, энергия ионизации равна 13,6 эВ.
В таблицах обычно указывают удельную энергию связи, т. е.
энергию связи на один нуклон. Для ядра гелия удельная энергия связи
приблизительно равна 7,1 МэВ/нуклон. На рисунке 11. приведен
Рисунок 11 - Удельная энергия связи ядер
график зависимости удельной энергии связи от массового числа A.
Как видно из графика, удельная энергия связи нуклонов у разных
атомных ядер неодинакова. Для легких ядер удельная энергия связи
сначала круто возрастает от 1,1 МэВ/нуклон у дейтерия 1Н2 до
7,1 МэВ/нуклон у гелия 2He4. Затем, претерпев ряд скачков, удельная
энергия медленно возрастает до максимальной величины
26
8,7 МэВ/нуклон у элементов с массовым числом A = 50–60, а потом
сравнительно медленно уменьшается у тяжелых элементов. Например,
у урана 92U238 она составляет 7,6 МэВ/нуклон.
4.7.1 Энергетические уровни ядра
Все то, что говорилось в разделе 4. об энергетических уровнях
атомов справедливо и в отношении энергетических уровней ядра и
нуклонов. На рисунке 12. приведена схема перехода ядра из
возбужденного состояния в основное состояние.
Рисунок 12 – Гамма - излучение ядра
Избыточная энергия при этом испускается ядром в виде гамма квантов высоких энергий. Как и в случае переходов электронов,
имеются определенные квантованные спектральные линии, зависящие
от уровней, между которыми совершается переход.
При γ – излучении ядра, количество протонов и нейтронов в
атоме не изменяется, поэтому такой вид ядерного излучения не
приводит к изменению положения атома в таблице Менделеева.
4.7.2 Насыщение ядерных сил
Особенностью ядер является пропорциональность энергии связи
числу нуклонов, так что удельная энергия связи (раздел 4.7.) слабо
меняется при изменении А
—8 Мэв). Это
свойство, называемое насыщением ядерных сил, означает, что каждый
нуклон эффективно связывается не со всеми нуклонами ядра (в этом
случае энергия связи была бы пропорциональна A2 при A»1), а лишь с
некоторыми из них. Теоретически это возможно, если силы при
измененном расстоянии изменяют знак (притяжение на одних
27
расстояниях сменяется отталкиванием на других). Объяснить эффект
насыщения ядерных сил, исходя из имеющихся данных о потенциале
взаимодействия двух нуклонов, пока не удалось.
Независимость плотности р и удельной энергии связи ядер от
числа нуклонов А создаёт предпосылки для введения понятия ядерной
материи
(безграничного
ядра).
Физическими
объектами,
отвечающими
этому
понятию,
могут
быть
не
только
макроскопические космические тела,
обладающие
ядерной
плотностью (например, нейтронные звёзды), но, в определённом
аспекте, и обычные ядра с достаточно большими А.
4.7.3 Импульс движения
В физике импульс – это мера механического движения (то же,
что количество движения). Импульсом обладают все формы материи,
в т. ч. электромагнитные и гравитационные поля. При переходе от
макрообъектов к микрообъектам следует ожидать качественно новых
описаний динамических переменных описывающих состояние
объекта. В классической физике используются законы сохранения
энергии, импульса, момента импульса. Как известно, эти законы
являются
следствиями
определенных
свойств
симметрии
пространства и времени.
Так, закон сохранения энергии – следствие однородности
времени (вытекающее из независимости протекания физических
процессов от выбора того или иного момента в качестве начала
отсчета времени); закон сохранения импульса – следствие
однородности пространства (результат физической равноправности
всех точек в пространстве); закон сохранения момента импульса –
следствие изотропности пространства (результат физической
равноправности всех направлений в пространстве).
Отсутствие каких-либо экспериментальных указаний на
нарушения в микроявлениях отмеченных свыше свойств симметрии
пространства и времени позволяет заключить, что такие динамические
переменные, как энергия, импульс, момент импульса, должны
сохранять смысл и в применении к микрообъектам. Иначе говоря,
связь этих динамических переменных с фундаментальными
свойствами симметрии пространства и времени превращает их в
универсальные переменные, т.е. переменные, имеющие «хождение»
при рассмотрении самых различных явлений из самых разных
областей физики. Однако при переносе понятий энергии, импульса и
момента импульса из классической физики в квантовую механику
необходимо учитывать специфику микрообъектов
28
В отличие от энергии момент импульса микрообъекта
квантуется всегда. Так, наблюдаемые значения квадрата момента
импульса микрообъекта выражаются формулой
M2 = h2l (l + 1),
где l – целые числа 0, 1, 2, ... Если речь о моменте импульса электрона
в атоме в n-м стационарном состоянии, то число l принимает значения
от нуля до n-1. В литературе принято называть момент импульса
микрообъекта для краткости просто моментом.
Проекция момента микрообъекта на некоторое направление
(обозначим его как z-направление) принимает значения
Mz = hm,
где m=-l, -l+1, ..., l-1, l. При данном значении числа l число m
принимает 2l+1 дискретных значений. Различные проекции момента
микрообъекта на одно и тоже направление всегда отличаются друг от
друга на величины, кратные постоянной Планка.
Рассматриваемые здесь числа n, l, m, σ, фиксирующие
различные дискретные значения квантующихся динамических
переменных (в данном случае энергии и момента), принято называть
квантовыми числами. Среди них: n – главное квантовое число, l –
орбитальное квантовое число, m – магнитное квантовое число, σ –
спиновое квантовое число. Существуют и другие квантовые числа.
4.7.4 Магнетон Бора
Магнетон - единица измерения магнитного момента, принятая в
атомной и ядерной физике. Магнитный момент атомных систем в
основном обусловлен движением электронов и их спином и
измеряется в магнетонах Бора. В ядерной физике магнитные моменты
измеряются в ядерных магнетонах, отличающихся от магнетона Бора
заменой массы электрона m на массу протона.
Физический смысл величины магнетона можно понять из
полуклассического рассмотрения движения электрона по круговой
орбите радиуса r со скоростью v. Такая система аналогична витку с
током, сила I которого равна заряду, деленному на период вращения: I
= ev / 2pr. Согласно классической электродинамике, магнитный
момент витка с током, охватывающего площадь S, равен в системе
Гаусса m = IS/c = evr / 2c, или m = eMl / 2mc, где Ml = mvr —
орбитальный момент количества движения электрона.
29
Таким образом, магнитный момент электрона, находящегося в
состоянии с орбитальным моментом Ml, кратен магнетону Бора.
Следовательно, в данном случае mБ играет роль элементарного
магнитного момента — «кванта» магнитного момента электрона.
Помимо орбитального момента количества движения Ml,
обусловленного вращением, электрон обладает собственным
механическим моментом - спином, равным s = 1/2 (в единицах
постоянной Планка). Спиновый магнитный момент ms = 2mБs, то есть
в 2 раза больше величины, которую следовало ожидать, но так как s =
1
/2, то ms электрона также равен магнетону Бора: ms = mБ. Этот факт
непосредственно вытекает из релятивистской квантовой теории
электрона.
Ядерный магнетон имеет аналогичный смысл: это магнитный
момент, создаваемый движением протона (внутри ядра) с
орбитальным моментом l = 1. Однако собственные магнитные
моменты ядерных частиц — протона и нейтрона, обладающих, как и
электрон, спином 1/2, значительно отличаются от тех значений,
которые они должны были бы иметь по теории Дирака. Аномальные
магнитные моменты этих частиц обусловлены их сильным
взаимодействием.
4.7.5 Спин ядра
Спин (от англ. spin - вращаться, вертеться.) - собственный
момент количества движения элементарных частиц, имеющий
квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как
целого. При введении этого понятия предполагалось, что электрон
можно рассматривать как «вращающийся волчок», а его спин - как
характеристику такого вращения. Спином называется также
собственный момент количества движения атомного ядра (и иногда
атома); в этом случае он определяется как векторная сумма спинов
элементарных частиц, образующих систему, и орбитальных моментов
этих обусловленных их движением системы.
Трудно представить реальную аналогию этого свойства
микрообъектов, поэтому можно ограничиться фактом наличия у
объектов некоего свойства, которое можно представить определенным
обозначением. Говорят, что частица обладает целым или полуцелым
спином. Например, спин электрона, протона, нейтрона, нейтрино, так
же как и их античастиц, в единицах постоянной Планка равен 1/2, спин
- К-мезонов - 0, спин фотона равен 1. Хотя у фотона (как и у
нейтрино) нельзя измерить собственный момент количества
движения, т. к. нет системы отсчёта, в которой фотон покоится,
30
однако в квантовой электродинамике доказывается, что полный
момент фотона в произвольной системе отсчёта не может быть
меньше 1; это даёт основание приписать фотону величину равную 1.
Наличие у нейтрино значения спина 1/2 вытекает, например, из закона
сохранения момента количества движения в процессе бета-распада.
Одной
из
важнейших
специфических
характеристик
микрообъекта является спин. Его часто интерпретируют как
своеобразный момент импульса микрообъекта, не связанный с
движением микрообъекта как целого, неуничтожимый, не зависящий
от внешних условий (его часто называют внутренним моментом
импульса микрообъекта). Квадрат этого момента импульса равен
h2s(s+1). Здесь s – определенное для данного микрообъекта целое или
полуцелое положительное число (именно это число и называют
обычно спином), h – универсальная физическая постоянная постоянная Планка; она равна 1,05.10-34 Дж.с
Правда, иногда с понятием спина пытаются сопоставить
модель объекта, вращающегося вокруг своей оси (само слово «спин»
переводится как «веретено»). Такая модель наглядна, но неверна. Во
всяком случае ее нельзя принимать буквально. Встречающийся в
литературе термин «вращающийся микрообъект» означает отнюдь не
вращение микрообъекта, а лишь наличие у него специфического
внутреннего момента импульса. Специфичность момента импульса
микрообъекта проявляется, в частности в том, что его проекция на
любое фиксированное направление принимает дискретные значения:
hs, h(s-1), ..., -hs – всего 2s+1 значений. Это означает, что микрообъект
может находится в 2s+1 спиновых состояниях. Следовательно,
наличие у микрообъекта спина приводит к появлению у него
добавочной (внутренней) степени свободы.
4.8 Единицы атомной и ядерной физики
Размеры и длительность процессов мира ядерных и атомных
объектов совершенно невозможно представить. Единица со
множеством нулей после запятой ни о чем не говорит и неудобна в
обращении, поэтому в физике ядерных сил и явлений часто
используют специальные единицы. Атомная единица массы уже
упоминалась нами – это величина соответствующая 1/12 массы
изотопа углерода с массовым числом 12. таким образом:
1 а.е.м. ≈ 1,66 * 10-27 кг
31
Единица
энергии
–
электрон-вольт
(э
В). Электрон-вольт равен энергии, которую приобретает электрон,
пройдя разность потенциалов в 1 В:
1 эВ ≈ 1,60 * 10-19 Дж.
Как уже упоминалось ранее, масса и энергия –
взаимопревращаемые свойства физических объектов, поэтому в
ядерной физике массу элементарной частицы часто выражают в
единицах энергии – мегаэлектронвольтах. В этих единицах массы
некоторых элементарных частиц равны:
1 масса электрона ≈ 0,51 МэВ;
1 масса протона ≈ 938,27 МэВ;
1 масса нейтрона ≈ 939,56 МэВ.
За единицу электрического заряда принят элементарный заряд,
равный по абсолютному значению заряду электрона:
1 элементарный заряд ≈ 1,60 * 10-19 Кл.
Единицей площади, для измерения эффективного поперечного
сечения ядерных процессов служит барн (б):
1 б = 10-28 м2.
В качестве единиц длины в атомной и ядерной физике иногда
используют внесистемные единицы: ферми (фм) 1 фм = 10-15м, и
ангстрем (Å) 1 Å = 10-10 м. В качестве единицы времени в ядерной
физике иногда применяется ядерное время пролета (τяд) – оно равно
времени, которое необходимо нуклону с энергией 1 МэВ, для того,
чтобы пройти расстояние равное диаметру ядра. τяд = 10-22 с.
5 Радиоактивность
Явление радиоактивности было открыто в 1896 году
французским физиком А. Беккерелем, который обнаружил, что соли
урана испускают неизвестное излучение, способное проникать через
непрозрачные для света преграды и вызывать почернение
фотоэмульсии. Через два года французские физики М. и П. Кюри
обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых
32
радиоактивных элемента – полоний 84Po210 и радий 88Ra226.
В последующие годы исследованием природы радиоактивных
излучений занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его
ученики. Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать
частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и
нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γизлучениями. На рисунке 13. изображена схема эксперимента,
позволяющая обнаружить сложный состав радиоактивного излучения.
В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отклонения в
противоположные стороны, причем β-лучи отклоняются значительно
больше. γ-лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.
К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф –
фотопластинка,
– магнитное поле
Рисунок 13 - Схема опыта по обнаружению α-, β- и γизлучений
Почти 90 % из известных 2500 атомных ядер нестабильны.
Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с
испусканием частиц. У больших ядер нестабильность возникает
вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными
силами и кулоновским отталкиванием протонов. Не существует
стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом
33
A > 209. Но радиоактивными могут оказаться и ядра атомов с
существенно меньшими значениями чисел Z и A. Если ядро содержит
значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность
обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия.
Ядра, которые содержали бы большой избыток нейтронов над числом
протонов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса
нейтрона превышает массу протона. Увеличение массы ядра приводит
к увеличению его энергии.
Эти три вида радиоактивных излучений сильно отличаются друг
от друга по способности ионизировать атомы вещества и,
следовательно, по проникающей способности. Наименьшей
проникающей способностью обладает α-излучение. В воздухе при
нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров.
β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны
пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров.
Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи,
способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.
Таким образом сущность явления радиоактивности состоит в
самопроизвольном изменении состава атомного ядра, находящегося в
основном состоянии либо в возбуждённом долгоживущем
(метастабильном) состоянии. Такие превращения сопровождаются
испусканием ядрами элементарных частиц либо других ядер,
например ядер 2He (ά-частиц). Все известные типы радиоактивных
превращений являются следствием фундаментальных взаимодействий
микромира: сильных взаимодействий (ядерные силы) или слабых
взаимодействий.
Первые
ответственны
за
превращения,
сопровождающиеся испусканием ядерных частиц, например ά частиц, протонов или осколков деления ядер: вторые проявляются в βраспаде ядер. Понятие радиоактивности распространяют также на β распад нейтронов.
Электромагнитные взаимодействия, ответственные за квантовые
переходы между различными состояниями одного и того же ядра
(переходы между возбужденными и основным состояниями), которые
сопровождаются испусканием гамма-излучения - не связаны с
изменениями состава ядер и поэтому, согласно современной
классификации, не принадлежат к числу радиоактивных превращений.
5.1 Естественная радиоактивность
Естественная радиоактивность обусловлена внутренними
причинами и протекает без видимых внешних воздействий на
распадающиеся
ядра
атомов.
В
результате
естественной
34
радиоактивности ядра могут испускать ά и β- частицы, зачастую эти
процессы обусловлены и испусканием γ-лучей. В отличии от
естественной радиоактивности возможен радиоактивный распад
индуцированный внешним воздействием. Изменение состава ядер при
внешнем воздействии называют ядерными реакциями. Такие ядерные
превращения могут быть вызваны облучением ядер протонами,
нейтронами, α- частицами, γ-лучами. При ядерных реакциях могут
быть образованы новые элементы, которых на Земле не было. Такие
явления носят название искусственной радиоактивности.
5.1.1 α- распад
История открытия и изучения α-распада связана с именем Э.
Резерфорда. Он предложил и названия: α-распад, α-частица. Это
произошло вскоре после открытия радиоактивности, когда Резерфорд
только начал заниматься исследованием излучения солей урана.
Опыты показали, что это излучение не однородно. Одна его часть
поглощалась тонкой алюминиевой фольгой, тогда как другая
свободно проходила сквозь неё. Ученый назвал их соответственно αи β-лучами. Немного позднее была обнаружена ещё одна составная
часть излучения, обозначенная буквой греческого алфавита: γ-лучи.
α-частицы стали для Резерфорда незаменимым инструментом
исследования атомных ядер. Ему принадлежит и первенство в
выяснении природы α-частиц. Оказалось, что это – атомы гелия,
потерявшие два электрона – ядра атома гелия - 4. α = 2He4.
Ядро гелия-4 (рисунок 14.), состоявшее из двух протонов и двух
нейтронов, одно из самых простых и устойчивых. Частицы связаны в
нём так прочно, что многим другим ядрам было бы энергетически
выгодно распасться на α-частицы и более лёгкое ядро. Однако этого
не происходит. Распадаются лишь тяжёлые элементы: уран, радий
торий и некоторые другие.
Рисунок 14 - Ядро гелия - α-частицы
Причина устойчивости ядер к α-распаду весьма необычна, и в её
35
установлении тоже принял участие Резерфорд. Он впервые обратил
внимание на то, что α-распад, согласно законам классической физики,
не имеет право на существование. Действительно, α-частица
испускается тяжёлым ядром и имеет при этом кинетическую не более
10 МэВ. Теперь представим себе, рассуждал Резерфорд, что частица с
такой энергией захотела бы проникнуть назад, вглубь ядра.
Оказывается это невозможно. Она не сможет приблизится к ядру и
войти в сферу действия ядерных сил, поскольку этому помешают
силы электростатического отталкивания.
Для проникновения в ядро энергия частицы должна превышать
некоторую критическую величину, так называемый потенциальный
барьер. Величину барьера В можно оценить:

В =

1
4 

0
( 2 е )( еZ )
,
Rя
где еZ – заряд ядра, 2е – заряд α-частицы, R – радиус ядра. Для ядер,
близких к урану, В составляет 30 МэВ.
Выходит, что природа, разрешив прямой процесс (α-распад),
запретила обратный (проникновение частицы в ядро). Но во всех
явлениях, с которыми до тех пор сталкивались физики, существование
первого процесса всегда обусловливало возможность второго.
Объяснения этого процесса было дано квантовой механикой. В
отличие от классической механики она допускает прохождение
частицы сквозь барьер – туннельный переход. С помощью
туннельного перехода α- частица может попасть в тяжелое ядро. Тогда
становится ясно, что с помощью точно такого же перехода
осуществляется и α-распад. Квантовая механика восстановила
равноправность прямого и обратного процессов и позволила создать
теорию α- распада. Таким образом, α- распад ядер во многих случаях
сопровождается γ-излучением. В теории α- распада предполагается,
что внутри ядер могут образовываться группы, состоящие из двух
протонов и двух нейтронов, т. е. α-частица. Материнское ядро
является для α-частиц потенциальной ямой, которая ограничена
потенциальным барьером. Энергия α-частицы в ядре недостаточна для
преодоления этого барьера (рисунок 15.). Вылет α-частицы из ядра
оказывается возможным только благодаря квантово-механическому
явлению, которое называется туннельным эффектом. Согласно
квантовой механике, существуют отличная от нуля вероятность
прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление
туннелирования имеет вероятностный характер.
36
я

Рисунок 15 потенциальный барьер
Туннелирование
α-частицы
сквозь
Вероятность туннельного перехода очень быстро падает с
увеличением высоты и ширины потенциального барьера. Она
ничтожно мала для многих ядер, и поэтому они не испытывают αраспада. А для α-активных ядер период полураспада (время распада
половины ядер) меняется в очень широких пределах – от 7,13 ∙ 10 лет
(уран-235) до 3∙10 с (полоний-212), в зависимости от проницаемости
барьера.
Для естественных радиоактивных изотопов энергия α-частиц
лежит в пределах 2 – 8 МэВ, скорость порядка 10 м/с, пробег в
воздухе – несколько сантиметров. На современных ускорителях
заряжённых частиц – циклотронах, фазотронах удается разогнать αчастицы до энергий, в сотни раз больших.
Исследования показали, что радиоактивное вещество может
испускать α-частицы с несколькими дискретными значениями
энергий. Это объясняется тем, что ядра могут находиться, подобно
атомам, в разных возбужденных состояниях. В одном из таких
возбужденных состояний может оказаться дочернее ядро при αраспаде. При последующем переходе этого ядра в основное состояние
испускается γ-квант. Схема α-распада радия с испусканием α-частиц с
двумя значениями кинетических энергий приведена на рисунке 16.
8
7
7
37
Рисунок 16 - Энергетическая диаграмма α-распада ядер радия.
Указано возбужденное состояние ядра радона 86Rn222*. Переход из
возбужденного состояния ядра радона в основное сопровождается
излучением γ-кванта с энергией 0,186 МэВ
5.1.2 β- распад
Теория β-распада была создана в 1934 г. Э. Ферми. В ней
учёный предположил, что электрон и нейтрино рождаются в момент
распада нуклона в ядре. Он ввёл в теорию константу G, которая
играла для β-распада такую же роль, что и заряд е для
электромагнитных процессов, и вычислил её величину на основании
экспериментальных данных. Теория Ферми позволила рассчитать
форму β-спектров и связать граничную энергию распада Е со
временем жизни радиоактивного ядра. Нейтрино в этой теории имело
заряд, равный нулю, и нулевую массу (во всяком случае, m  m ).
В течение следующих лет теорию стремились видоизменить,
дополнить и усложнить, поскольку казалось, что она слишком проста
и не описывает всех опытных данных. Прошло несколько
десятилетий, прежде чем все физики убедились, что все эти
дополнения основаны на ошибочных экспериментах, а путь,
выбранный Ферми, правильный. Созданная сейчас теория
0

38
e
объединённого слабого и электромагнитного взаимодействия
включает его как первое приближение
Бета-распад становится возможным тогда, когда замена в
атомном ядре нейтрона на протон (или, наоборот, протона на нейтрон)
энергетически выгодна и получающееся новое ядро имеет меньшую
массу покоя, т. е. большую энергию связи. Избыток энергии
распределяется между продуктами реакции.
Бета-распад бывает трёх видов;
- Один из нейтронов (п) в ядре превращается в протон (р). При

этом излучается электрон (е ) и антинейтрино ( ). Это – β¯-распад.

е
A (Z, N)

A (Z +1, N -1) + е
(n  p + е



+
е

+  ),
е
A (Z, N) – обозначения ядра с числом протонов Z и нейтронов N.
Заряд ядра увеличивается на 1. простейший вид из всех видов β¯распада – распад свободного нейтрона, который тяжелее протона и
поэтому нестабилен.
- Протон, входящий в состав ядра, превращается в нейтрон (N),
позитрон (е ), и нейтрино ( ). Это – β -распад.


е
A (Z, N)  A (Z – 1, N +1) + е + 
(p  n + е +  ),
Заряд ядра уменьшается на 1. Процесс может происходить
только в ядре; свободный протон не распадается таким образом.
- Наконец, ядро может захватить ближайший из атомных
электронов (электронный захват) и превратиться в другое ядро с
зарядом 1 меньше:

е

е
A (Z, N) + е  A(Z – 1, N +1) + 
(p + е  n +  ),

е

е
β -частица при этом не излучается.
Когда физики начали изучать β-распад, о существовании

нейтрино (
или  ), обладающего огромной проникающей
способностью, ничего не было известно.
Загадка, с которой столкнулись экспериментаторы, - сплошной
энергетический спектр электронов, изучаемый при β-распаде. В этом
е
е
39
процессе на долю дочернего ядра приходится ничтожная часть
освобождающейся энергии. Вся она идёт на электрон, и поэтому все
β-частицы должны были бы иметь одинаковую энергию. А на опыте
наблюдалась такая картина: испускались электроны любой энергии,
вплоть до максимально возможной .
Физики предположили, что виноват источник: β-частицы теряют
свою энергию, когда проходят сквозь его материал. Для проверки этой
гипотезы
несколько
групп
экспериментаторов
поставили
калориметрические опыты. Делались они так: радиоактивный
источник помещали в калориметр с такими толстыми стенками, чтобы
β-частицы в них полностью поглощались. Это позволило измерить
всю энергию, выделявшуюся за определённое время.
Потом рассчитали энергию, приходящуюся на одну β-частицу.
Экспериментаторы ожидали, что она окажется близкой к Е , но
всякий раз получали величину, приблизительно в 2 раза меньшую.
Выход из положения нашел В. Паули. Он высказал
предположение, что при β-распаде испускается частица, обладающая
несравненно большей проникающей способностью, чем электроны. Её
не могут задержать стенки калориметра, и она уносит с собой часть
энергии. Так родилось представление о нейтрино.
Приведём некоторые данные о бета-распаде ядер.
Граничная энергия β-частиц (Е ) – от нескольких КэВ до ~ 17
МэВ.
Время жизни ядер по отношению к β-распаду – от 1,3 ∙10 с до
~ 2 ∙ 10 лет.
Пробег β-частиц в лёгких веществах – несколько сантиметров.
Они теряют свою энергию на ионизацию и возбуждение атомов.
0
0
2
13
5.1.3 γ- излучение
В предыдущих разделах уже говорилось о том, что в атомном
ядре действуют те же законы квантовой механики, что и в атоме.
Энергия атома принимает не любое значение, а вполне определённый
ряд величин, которые называются энергетическими уровнями. Такие
уровни существуют и в ядре. Энергетический уровень с минимальной
величиной называется основным, а уровни с большей энергией –
возбуждёнными. В атоме различие между уровнями связаны с
различными состояниями электронных оболочек, в ядре – с
состояниями ядерных частиц – протонов и нейтронов.
Переходя из возбуждённого состояния в основное, атом
излучает порции – кванты видимого света, ультрафиолетового или
рентгеновского излучения. Ядро при аналогичных переходах излучает
40
гамма - кванты. Это – очень коротковолновое, с длиной волны  =
10 - 10 м, электромагнитное излучение. Соответственно энергия
 10
 13
гамма - квантов E = h =

hc

лежит в пределах от десятков КэВ до
нескольких МэВ (напомним, что ν – частота, λ – длина волны
излучения, с – скорость света, h – постоянная Планка.)
Тот факт, что энергия ядерного излучения в тысячи и даже
миллионы раз больше атомного, связан с огромной величиной сил,
действующих в ядре между частицами. Причины, по которым ядро
может оказаться в возбуждённом состоянии могут быть различными.
Это происходит после бета- или альфа - распада, при ядерных
реакциях и т. п. Время перехода из возбужденного состояния в
основное (если при этом не требуется сильная перестройка ядра)
очень мало, оно составляет 10 - 10
сек.
Пробеги γ - квантов с энергией 1 МэВ достаточно велики и
составляют десятки сантиметров в лёгких веществах.
Гамма - кванты излучаются во многих процессах, в которых
участвуют элементарные частицы. Например, при распадах частиц:
 10

0

 549 
 13
2 γ (E = 135 MэВ),
2 γ (E = 549 MэВ).
2
2
или при аннигиляции частицы и античастицы (позитрона и
электрона):
е +е


= 2 γ (E = 1,02 MэВ).
2
Таким образом γ- квант обычный участник многих ядерных
реакций, уносящий значительную энергию. Кроме того, во многих
процессах действия других частиц на вещество именно γ- квант
оказывается частицей, вызывающей ионизацию вещества.
5.2 Превращения ядерных частиц
При α- и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также может
оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных
радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием
стабильных ядер. В природе существует несколько таких серий.
Наиболее длинной является серия 92U238, состоящая из 14
последовательных распадов (8 – α -распадов и 6 β - распадов). Эта
серия заканчивается стабильным изотопом свинца 82Pb206
(рисунок 17).
41
В природе существуют еще несколько радиоактивных серий,
аналогичных серии 92U238. Известна также серия, которая начинается с
нептуния 93Np237не обнаруженного в естественных условиях, и
заканчивается на висмуте 83Bi209. Эта серия радиоактивных распадов
возникает в ядерных реакторах. Также достаточно хорошо
исследованы серии: 92U236 82Pb208 и 92U235 82Pb207.
5.7.1 Устойчивость ядер
Устойчивость ядер определяется, в первую очередь,
соотношением протонов и нейтронов в ядре. Различные изотопы
одного и того же элемента имеют разную устойчивость. Если вновь
посмотреть на рисунок 11. - график зависимости удельной энергии
связи от массового числа A, то можно обратить внимание, что для
легких ядер удельная энергия связи сначала круто возрастает от
1,1 МэВ/нуклон у дейтерия 1Н2 до 7,1 МэВ/нуклон у гелия 2He4. Затем,
претерпев ряд скачков, удельная энергия медленно возрастает до
максимальной величины 8,7 МэВ/нуклон у элементов с массовым
числом A = 50–60, а потом сравнительно медленно уменьшается у
тяжелых элементов. Отсюда можно сделать вывод, что внутренняя
удельная энергия, то есть энергия, приходящаяся на один нуклон,
будет минимальной у ядер со средней атомной массой, тогда как у
более легких и более тяжелых она больше.
Отсюда следует, что обычные изотопы со средней атомной
массой нерадиоактивны, потому что у них нет избытка внутренней
энергии.
Наиболее
распространенные
легкие
элементы
нерадиоактивны, потому что еще более легкие ядра, в которые они
могли бы превратиться в результате радиоактивного распада, имели
бы еще больший избыток энергии. Ядра тяжелых элементов имеют
значительный избыток удельной энергии, который может
высвободиться при их распаде, что делает его энергетически
выгодным.
Наиболее распространённые элементы (изотопы) имеют четные
по протонам и четные по нейтронам ядра (рисунок 18.). Элементы с
чётно-нечётным числом протонов или нейтронов занимают среднее
место. Элементы с нечётным числом протонов и нейтронов имеют
очень малую распространённость - рисунок 19.
Распространенность элементов с четными порядковыми
номерами больше соседних с нечетными номерами Лёгкие элементы
Li, Be, B находятся в дефиците, так как «сгорают» в реакциях с
протонами. Ядра элементов конца периодической системы
неустойчивы из-за огромного избытка нейтронов. Эти элементы
42
претерпевают радиоактивный распад (U, Th, Ra) и спонтанное
деление (U, Th, некоторые актиноиды).
5.3 Закон радиоактивного распада
В любом образце радиоактивного вещества содержится
огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный
распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий,
то закон убывания количества N(t) не распавшихся к данному
моменту времени t ядер может служить важной статистической
характеристикой процесса радиоактивного распада.
Пусть за малый промежуток времени Δt количество не
распавшихся ядер N(t) изменилось на ΔN < 0. Так как вероятность
распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов
будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени
Δt:
ΔN = –λN(t)Δt.
Коэффициент пропорциональности λ – это вероятность распада
ядра за время Δt = 1 с. Эта формула означает, что скорость
dN
dt
изменения функции N(t) прямо пропорциональна самой функции.
dN
dt
 N
.
Подобная зависимость возникает во многих физических задачах
(например, при разряде конденсатора через резистор). Решение этого
уравнения приводит к экспоненциальному закону:
N(t) = N0e–λt,
где N0 – начальное число радиоактивных ядер при t = 0. За время
τ = 1 / λ количество не распавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2,7 раза.
Величину τ называют средним временем жизни радиоактивного ядра.
Для практического использования закон радиоактивного
распада удобно записать в другом виде, используя в качестве
основания число 2, а не e:
N(t) = N0 · 2–t/T.
43
Рисунок 17 - Схема распада радиоактивной серии 92U238.
Указаны периоды полураспада
44
Рисунок 18 - Наиболее распространённые элементы
Рисунок 19 - Элементы с низкой распространенностью
Величина T называется периодом полураспада. За время T
распадается половина первоначального количества радиоактивных
ядер. Величины T и τ связаны соотношением
T = 1/λ * ln 2 = τ ln 2 = 0,69 τ.
На рисунке 20 приведена графическая иллюстрация закона
радиоактивного распада. Период полураспада – основная величина,
характеризующая скорость радиоактивного распада. Чем меньше
период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Так, для
урана T ≈ 4,5 млрд. лет, а для радия T ≈ 1600 лет. Поэтому активность
радия значительно выше, чем урана. Существуют радиоактивные
элементы с периодом полураспада несколько лет, месяцев, минут и
доли секунды, это проиллюстрировано графиком распада
радиоактивной серии 92U238, на котором указаны периоды
полураспада.
45
Рисунок 20 - Закон радиоактивного распада
5.4 Ядерные реакции
Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с
другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся
изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных
частиц или γ- квантов.
При ядерных реакциях выполняется несколько законов
сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В
дополнение к этим классическим законам сохранения при ядерных
реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного
заряда (т. е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется
также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной
физики и физики элементарных частиц.
Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов
быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы,
ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью
протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:
46
Однако
наиболее
интересными
для
практического
использования являются реакции, протекающие при взаимодействии
ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они
беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их
превращения. Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые
нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не
только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с
тепловыми скоростями.
Ядерные
реакции
сопровождаются
энергетическими
превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции
называется величина:
Q = (MA + MB – MC – MD)c2 = ΔMc2.
где MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных
продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс (об этом
речь шла в разделе 4.4. Ядерные реакции могут протекать с
выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором
случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов
должна превышать величину |Q|, которая называется порогом
реакции.
Для того чтобы ядерная реакция имела положительный
энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах
исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи
нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина
ΔM должна быть положительной.
Возможны
два
принципиально
различных
способа
освобождения ядерной энергии.
1. Деление тяжелых ядер. В отличие от радиоактивного распада
ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции
деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два
крупных фрагмента сравнимых масс.
В 1939 году О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление
ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они
установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают
элементы средней части периодической системы – радиоактивные
изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.
Уран встречается в природе в виде двух изотопов: 92U238
(99,3 %) и 92U235 (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих
изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция
деления 92U235наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых)
47
нейтронах, в то время как ядра 92U238вступают в реакцию деления
только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.
5.4.1 Первая ядерная реакция
Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в
1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада
ядер. Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры
(рисунок 21.), в которой был расположен контейнер К с источником αчастиц. Окно камеры было закрыто металлической фольгой Ф,
К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α- частиц,
Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка,
М – микроскоп
Рисунок 21 - Схема опытов Резерфорда по получению
кислорода из азота и обнаружению протонов в продуктах
расщепления ядер
толщина которой была подобрана так, чтобы α-частицы не могли
через нее проникнуть. За окном располагался экран Э, покрытый
сернистым цинком. С помощью микроскопа М можно было
наблюдать сцинтилляции в точках попадания на экран тяжелых
заряженных частиц.
Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При
заполнении камеры азотом при низком давлении на экране возникали
световые вспышки, указывающие на появление потока каких-то
частиц, способных проникать через фольгу, которая практически
полностью задерживающую поток α- частиц. Отодвигая экран от окна
камеры, Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега
наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась приблизительно равной
48
28 см, что совпадало с оценкой длины пробега H-частиц,
наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном.
Исследования действия на частицы, выбиваемые из ядер азота,
электрических и магнитных полей показали, что эти частицы
обладают положительным элементарным зарядом и их масса равна
массе ядра атома водорода. Впоследствии опыт был выполнен с
целым рядом других газообразных веществ. Во всех случаях было
обнаружено, что из ядер этих веществ α- частицы выбивают Hчастицы или протоны.
Результат этого опыта Резерфорд объяснил следующим образом.
При соударении α- частиц с ядром азота, она поглощается им, образуя
промежуточное ядро изотопа фтора (первый этап ядерной реакции),
которое неустойчиво и самопроизвольно распадается, выбрасывая
протон. В итоге возникает устойчивое ядро кислорода (второй этап
реакции). Итоговая ядерная реакция, записывается так:
5.4.2 Ядерные реакции под действием α- частиц
Опыт Резерфорда, описанный в предыдущем разделе доказывает
высвобождение протонов при воздействии на ядра α-частицами.
В опытах Дж. Чедвика в камере Вильсона наблюдались треки
ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. На
основании этих опытов он сделал оценку энергии γ-кванта,
способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте
скорость. Она оказалась равной 100–150 МэВ. Такой огромной
энергией не могли обладать γ-кванты, испущенные бериллием. На
этом основании Чедвик заключил, что из бериллия под действием αчастиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а достаточно тяжелые
частицы. Поскольку эти частицы обладали большой проникающей
способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике
Гейгера, следовательно, они были электронейтральны. Так было
доказано существование нейтрона – частицы, предсказанной
Резерфордом более чем за 10 лет до опытов Чедвика.
Реакции, наблюдаемые в этом эксперименте описывают
следующим образом:
4Be
9
+ 2He4  6C13  6C12 + 0n1.
В результате большого числа экспериментов по действию α49
частиц на различные химические вещества был сделан вывод, что в
таких ядерных реакциях одним из продуктов ядерного превращения
являются протоны или нейтроны.
5.4.3 Ядерные реакции под действием протонов
При бомбардировке атомных ядер протонами образуются
промежуточные ядра, которые находятся в возбужденном состоянии.
При энергии действующего протона находится в пределах 1-2 МэВ, то
промежуточное ядро поглощает его, испускает γ-квант и переходит в
основное состояние:
3Li
7
+ 1p1  4Be8 + γ.
Если же энергия налетающего протона повыше, и лежит в
интервале 2-3 МэВ, то промежуточное ядро вместо γ-кванта испускает
нейтрон, как показано ниже:
3Li
7
+ 1p1  4Be8 + 1n1
При энергиях протона выше 10 МэВ – промежуточное ядро
испускает α-частицу:
3Li
7
+ 1p1  2Не4 + 2Не4.
5.4.4 Ядерные реакции под действием нейтронов
Так как нейтрон не имеет электрического заряда, то он свободно
проникает в любое ядро независимо от величины кинетической
энергии. При малых скоростях происходит захват нейтрона ядром с
испусканием γ-кванта. Так образуется изотоп водорода – дейтерий:
1
1Н
+ 0n1  1Н2 + γ.
Если же кинетическая энергия нейтронов выше 1 МэВ, то
промежуточное ядро может испускать протоны, α-частицы или по два
нейтрона.
5.4.5 Реакция деления тяжелых ядер
Во всех рассмотренных ранее ядерных реакциях исходное ядро
захватывает налетающую на него частицу и превращается в ядро
соседнего элемента или в ядро собственного изотопа. В 1938 г. была
обнаружена ядерная реакция нового типа – реакция деления ядра
50
урана. В этой реакции возникает не одно, как в предыдущих случаях,
а два новых атомных ядра и несколько нейтронов, обладающих
большой кинетической энергией.
Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция
деления ядра 92U235. В настоящее время известны около 100 различных
изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих
при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра
имеют вид:
В результате деления ядра, инициированного нейтроном,
возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления
других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие
изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.
Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра
урана, огромна – порядка 200 МэВ. Оценку выделяющей при делении
ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи
нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с
массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в
ядрах с массовыми числами A = 90–145 удельная энергия примерно
равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана
освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно
210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер,
содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при
сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.
Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них
содержится
значительное
избыточное
число
нейтронов.
Действительно, отношение N / Z для наиболее тяжелых ядер порядка
1,6, для ядер с массовыми числами от 90 до 145 это отношение
порядка 1,3–1,4. Поэтому ядра-осколки испытывают серию
последовательных β–-распадов, в результате которых число протонов
в ядре увеличивается, а число нейтронов уменьшается до тех пор,
пока не образуется стабильное ядро. Изменения положения
химических элементов при ядерных распадах представлены в
приложении А - радиоактивность и положение в таблице Менделеева.
51
5.4.5.1 Цепная реакция
При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с
нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных
условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать
их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов,
способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой
лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема
развития цепной реакции деления ядер урана представлена на
рисунке 22.
Рисунок 22 - Схема развития цепной реакции
52
Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так
называемый коэффициент размножения нейтронов был больше
единицы. Это означает, что в каждом последующем поколении
нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент
размножения определяется не только числом нейтронов,
образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в
которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться
другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны,
освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать
деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном
уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается
недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп 92U238 также может
поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.
5.4.5.2 Критическая масса
Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235
может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так
называемую критическую массу. В небольших кусках урана
большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.
Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг.
Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если
использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что
нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком
большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов
ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим
замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O. Обычная вода
при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.
Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого
не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами
дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.
Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки
из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить
критическую массу до 250 г.
В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция
возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из
которых имеет массу несколько ниже критической.
5.4.5.3 Ядерные реакторы
Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция
деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором. Схема
ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рисунок 23.
53
Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая
заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими
обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием
урана-235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие
стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно
поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет
управлять скоростью цепной реакции.
Рисунок 23 - Схема устройства ядерного реактора
Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого
теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или
металл с низкой температурой плавления (например, натрий,
имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе
теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар
высокого давления. Пар направляется в турбину, соединенную с
электрогенератором. Из турбины пар поступает в конденсатор. Во
избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и
парогенератора II работают по замкнутым циклам.
Турбина атомной электростанции является тепловой машиной,
определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики
общую эффективность станции. У современных атомных
электростанций коэффициент полезного действия приблизительно
54
равен 1/3. Следовательно, для производства 1000 МВт электрической
мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт.
2000 МВт должны уноситься водой, охлаждающей конденсатор. Это
приводит к локальному перегреву естественных водоемов и
последующему возникновению экологических проблем.
Наряду с описанным выше ядерным реактором, работающим на
медленных нейтронах, большой практический интерес представляют
реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. В
таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь,
содержащая не менее 15 % изотопа 92U235. Преимущество реакторов на
быстрых нейтронах состоит в том, что при их работе ядра урана-238,
поглощая нейтроны, посредством двух последовательных β–-распадов
превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в
качестве ядерного топлива:
Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5,
т. е. на 1 кг урана-235 получается до 1,5 кг плутония. В обычных
реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших
количествах.
5.5 Синтез атомных ядер
Второй путь получения ядерной энергии связан с реакциями
синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно
выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой
зависимости удельной энергии связи от массового числа A. Вплоть до
ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов
растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из
более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии.
Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше
массы первоначальных частиц.
Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных
реакций, так как они могут протекать только при очень высоких
температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они
должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10–
15
м, преодолев электрическое отталкивание их положительных
зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения
молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского
55
взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T
приводит к величине порядка 108–109 К. Это чрезвычайно высокая
температура. При такой температуре вещество находится в полностью
ионизированном состоянии, которое называется плазмой.
Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в
расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную
энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так,
например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития:
выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется
17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных
реакций.
Осуществление управляемых термоядерных реакций даст
человечеству новый практически неисчерпаемый источник энергии.
Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы,
нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую
научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого
термоядерного синтеза.
На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить
только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая
температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с
помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.
Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в
эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет
термоядерное происхождение.
5.5.1 Протон - протонная реакция
Эта реакция начинается с таких столкновений между
протонами, в результате которых получается ядро тяжелого водорода
– дейтерия (рисунок 24.). Как правило, столкновения между
протонами являются упругими: после столкновения частицы
разлетаются в разные стороны.
56
Рисунок 24 - Образование ядра дейтерия
Для того, чтобы в результате столкновения два протона слились
в одно ядро дейтерия, необходимо чтобы при этом выполнялось два
условия. Необходимо, чтобы у одного из сталкивающихся протонов
кинетическая энергия более чем в 20 раз превосходила энергию
тепловых движений в звезде. Очень незначительная часть протонов
имеет такую энергию. Во вторых нужно, чтобы за время столкновения
один из двух протонов успел бы превратиться в нейтрон, испустив
позитрон и нейтрино (рисунок 24.). при этом длительность
столкновения составляет около 10-21 секунды. Несмотря на низкую
вероятность совокупности таких событий для отдельно взятой пары
протонов, благодаря высокой численности частиц в звездах, такие
события происходят в достаточном количестве, обеспечивающем
синтез более сложных частиц. В результате объединения протонов в
ядро дейтерия выделяется 1,44 МэВ. Описанная реакция является
первым звеном в циклическом производстве ядер гелия – рисунок 25.
57
Рисунок 25 – Протон – протонный цикл образования гелия
Жизнь образовавшегося тяжелого водорода – дейтерия
непродолжительна, через несколько секунд после образования он
поглощает протон и превращается в изотоп гелия-3. в результате этой
реакции выделяется 5,49 МэВ. После этого изотоп гелия при встрече с
другим таким же изотопом образуют обычный гелий-4 и два протона.
Вероятность протекания этой реакции очень мала, но при этом
выделяется 12,85 МэВ.
На рисунке 25. показана часть протон - протонной реакции.
Другая ее часть заключается в объединении гелия-4 и гелия-3, в
результате чего образуется ядро бериллия-7. Ядро 4Ве7 может
захватить протон, в результате чего образуется бор-8, или захватить
электрон и превратиться в литий. Ядро лития-7 вступив в реакцию с
протоном превращается в неустойчивый изотоп 4Ве8, который
распадается на две α- частицы.
5.5.2 Углеродно – азотный цикл
В более массивных звездах преобладает углеродно-азотная
циклическая реакция: углерод захватывает последовательно 4
протона, выделяя попутно два позитрона, превращается сначала в
азот, затем распадается на гелий и углерод (рисунок 26.). В процессе
58
Р – протон, е+ - позитрон,  - гамма квант, νе – нейтрино
Рисунок 26 - Синтез ядра гелия из четырёх ядер водорода в
углеродно-азотной реакции
синтеза ядер гелия происходит выделение гамма – квантов (на
рисунке - ). Окончательным результатом обеих реакций является
синтез ядра гелия из четырёх ядер водорода с выделением энергии:
ядра азота и углерода в углеродно-азотной реакции играют лишь роль
катализатора.
Для сближения ядер на такое расстояние, когда может
произойти
захват,
нужно
преодолеть
электростатическое
отталкивание, поэтому реакции могут идти только при температурах,
превышающих 107 градусов. Такие температуры встречаются в
центральных частях звезд солнечного типа. В звездах малых масс, где
температура в центре недостаточна для термоядерных реакций,
источником энергии служит их гравитационное сжатие.
На первом этапе этого цикла протон сталкивается с ядром
углерода-12, который в результате реакции, превращается в
радиоактивный изотоп азота-13 (выделяется 1,95 МэВ), а он благодаря
β- распаду обращается снова в изотоп углерода (выделяется 2,22
МэВ), но теперь 6С13, который в свою очередь, получив протон, вновь
становится азотом – 7N14 (выделяется 7,54 МэВ). Еще один протон
59
добавленный к ядру азота-14 обеспечивает его превращение в
кислород-15 (выделяется 7,35 МэВ), он же, испуская позитрон вновь
переходит в азот - 7N15 (выделяется 2,71 МэВ). И, в заключение
циклического процесса ядро азота-15 получает очередной протон,
испускает α- частицу и вновь становится исходным атомом углерода12 (выделяется 4,96 МэВ). Часть этой энергии уносится нейтрино,
обладающими высокой проникающей способностью, остальная
энергия идет на нагрев вещества.
В условиях более высоких температур и давлений в звездах
могут быть образованы и ядра более сложных химических элементов.
Как полагают специалисты в области космологии, все разнообразие
существующих химических элементов и их изотопов образовалось в
звездах, значительно превосходящих по этим параметрам Солнце.
5.5.3 Управляемый термоядерный синтез
Неуправляемый термоядерный синтез осуществлен в земных
условиях, при взрыве термоядерных устройств. Однако значительно
больший интерес представляет управляемый термоядерный синтез процесс слияния лёгких атомных ядер, происходящий с выделением
энергии при высоких температурах в регулируемых, управляемых
условиях. Скорости протекания термоядерных реакций малы из-за
кулоновского отталкивания положительно заряженных ядер. Поэтому
процесс синтеза идёт с заметной интенсивностью только между
лёгкими ядрами, обладающими малым положительным зарядом и при
высоких температурах, когда кинетическая энергия сталкивающихся
ядер оказывается достаточной для преодоления кулоновского
потенциального барьера.
В природных условиях термоядерные реакции между ядрами
водорода (протонами) протекают в недрах звёзд, в частности во
внутренних областях Солнца, и служат тем постоянным источником
энергии, который определяет их излучение. Сгорание водорода в
звёздах идёт с малой скоростью, но гигантские размеры и плотности
звёзд обеспечивают непрерывное испускание огромных потоков
энергии в течение миллиардов лет. С несравненно большей скоростью
идут реакции между тяжёлыми изотопами водорода (дейтерием 2H и
тритием 3H) с образованием сильно связанных ядер гелия:
60
Именно названные реакции представляют наибольший интерес
для получения энергии в реакциях управляемого термоядерного
синтеза.
В
особенности
привлекательна
вторая
реакция,
сопровождающаяся большим энерговыделением и протекающая со
значительной скоростью. Тритий радиоактивен (период полураспада
12,5 лет) и не встречается в природе. Следовательно, для обеспечения
работы предполагаемого термоядерного реактора, использующего в
качестве ядерного горючего тритий, должна быть предусмотрена
возможность воспроизводства трития. С этой целью рабочая зона
рассматриваемой системы может быть окружена слоем лёгкого
изотопа лития, в котором будет идти процесс воспроизводства:
6
Li + n  3H + 4He.
Вероятность термоядерных реакций быстро возрастает с
температурой, но даже в оптимальных условиях остаётся
незначительной. По этой причине реакции синтеза должны
происходить в полностью ионизованной плазме, нагретой до высокой
температуры, где процессы ионизации и возбуждения атомов
отсутствуют и дейтон - дейтонные или дейтон - тритонные
столкновения рано или поздно завершаются ядерным синтезом.
6 Проявление радиоактивности
Эффекты взаимодействия частиц, образующихся при ядерных
превращениях с веществом, в том числе и с живыми объектами,
разнообразен, но первым действием является ионизация атомов и
молекул вещества.
Ионизующие излучения - излучения, взаимодействие которых
со средой приводит, в конечном счёте, к ионизации атомов и молекул.
К ионизующим излучениям относятся: электромагнитное излучение,
потоки α- частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов и др.
заряженных и нейтральных частиц. Заряженные частицы ионизуют
атомы среды непосредственно при столкновениях, если их
кинетическая энергия достаточна для ионизации. При прохождении
61
через среду потоков нейтральных частиц (нейтронов) или фотонов
(квантов рентгеновского и γ-излучений) ионизация обусловлена
вторичными заряженными частицами, возникающими в результате
взаимодействия первичных частиц со средой.
Ионизующие излучения играют большую роль в различных
физических и химических процессах, в биологии, медицине, сельском
хозяйстве и промышленности. Многие химические реакции под
влиянием такого излучения осуществляются с большей лёгкостью или
протекают при значительно меньших температурах и давлениях.
Ионизующие
излучения
применяются
для
стерилизации,
пастеризации и хранения пищевых продуктов, фармацевтических
препаратов и т. д. В результате их действия можно получить
разнообразные мутации у микроорганизмов и растений. В тоже время
ионизующие
излучения
при
больших
дозах
действуют
разрушительным образом на вещество.
6.1 Ионизация
Ионизация - образование положительных и отрицательных
ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и
молекул. Этим термином обозначают как элементарный акт
(ионизация атома, молекулы), так и совокупность множества таких
актов (ионизация газа, жидкости).
Ионизированные
газы
и
жидкости
обладают
электропроводностью, что, с одной стороны, лежит в основе
разнообразных применений процессов ионизации, а с другой стороны,
даёт возможность измерять степень ионизации этих сред, т. е.
отношение концентрации заряженных частиц в них к исходной
концентрации нейтральных частиц.
Процессом, обратным ионизации, является рекомбинация ионов
и электронов - образование из них нейтральных атомов и молекул.
Защищенный от внешних воздействий газ при обычных температурах
в результате рекомбинации очень быстро переходит в состояние, в
котором степень его ионизации пренебрежимо мала. Поэтому
поддержание заметной ионизации в газе возможно лишь при действии
внешнего ионизатора (потоки частиц, фотонов, нагревание до
высокой температуры). При определённой концентрации заряженных
частиц ионизованный газ превращается в плазму, резко
отличающуюся по своим свойствам от газа нейтральных частиц.
6.1.1 Потенциал ионизации
Важное значение в процессах ионизации играет потенциал
62
ионизации - физическая величина, определяемая отношением
наименьшей энергии, необходимой для однократной ионизации атома
(или молекулы), находящегося в основном состоянии, к заряду
электрона. Это также - мера энергии ионизации, которая равна работе
вырывания электрона из атома или молекулы и характеризует
прочность связи электрона в атоме или молекуле. Потенциал
ионизации принято выражать в в, численно он равен энергии
ионизации в эв.
На рисунке 27. показано поглощение фотона с энергией ниже
потенциала ионизации. Электрон при этом переходит на более
высокую орбиту. При излучении фотона, он возвращается на
основную орбиту.
На рисунке 28. электрон поглощает фотон с энергией равной
потенциалу ионизации, или превышающей его. Электрон при этом
покидает поле влияния ядра атома. При этом образуется два иона –
один из них представлен электроном с отрицательным зарядом,
другой, положительный, ядром и остальными электронами, в случае
многоэлектронного атома.
Для атомов величина первого потенциала ионизации,
соответствующего удалению наиболее слабо связанного электрона из
нейтрального атома в основном состоянии, составляют от 3,894 в для
Cs до 24,587 в для He. Они периодически изменяются в зависимости
от атомного номера Z (рисунок 29.). Первые потенциалы
ионизации величины того же порядка, что и для атомов, и обычно
составляют от 5 до 15 в.
63
Рисунок 27 - Поглощение электроном фотона с энергией ниже
потенциала ионизации. Электрон в возбужденном состоянии
переходит на более высокую орбиту, а затем, после излучения
избытка энергии, возвращается в исходное состояние
Ионизационный потенциал возрастает при повышении степени
молекул того же порядка вели ионизации атома. Например, потенциал
ионизации для нейтрального атома Li равен 5,392 в (первый
потенциал ионизации), для Li+ — 75,638 в (второй потенциал
ионизации) и для Li++ — 122,451 в (третий потенциал ионизации).
Рисунок 28 - Поглощение электроном фотона с энергией
потенциала ионизации. Электрон, поглощает энергию, равную
потенциалу ионизации или выше его и покидает пределы атома.
При этом образуется пара ионов
64
Рисунок 29 - Кривая изменения ионизационных потенциалов
в зависимости от атомного номера Z. С увеличением Z значение
ионизационного потенциала в пределах одного периода возрастает,
а в пределах одной группы — падает. Точки на кривой
соответствуют химическим элементам
6.2 Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом
Проходя через вещество, γ- квант или быстрые частицы (αчастицы, электроны, протоны и др.) выбивают электроны из молекул,
т. е. вызывают их ионизацию или возбуждение, если порция
передаваемой им энергии меньше энергии ионизации. В результате на
пути быстрой частицы возникает большое количество электрически
заряженных - ионы, ионы-радикалы - или нейтральных - атомы,
радикалы - осколков молекул, образующих т. н. трек.
Выбитые из молекул электроны, обладающие меньшей энергией
(«вторичные» электроны), разлетаясь в стороны, в свою очередь,
производят аналогичное действие, только на более коротком
расстоянии (соответствующем их энергии). В результате трек
первичной быстрой частицы разветвляется вследствие образования
более коротких областей ионизации и возбуждения. При достаточной
плотности облучения треки перекрываются и первоначальная
неоднородность в пространственном распределении активированных
и осколочных частиц нивелируется. Этому способствует также
диффузия частиц из треков в незатронутую излучением среду.
Процессы, происходящие в облучаемой среде, можно разделить
на три основные стадии. В первичной, физической стадии происходят
столкновения быстрой заряженной частицы с молекулами среды, в
65
результате которых кинетическая энергия частицы передаётся
молекулам, что приводит к изменению их энергетического состояния.
На этой стадии энергия, передаваемая среде, рассредоточивается по
различным молекулярным (атомным) уровням.
В результате возникает большое число «активированных»
молекул, находящихся в различных состояниях возбуждения.
Первичная стадия проходит в очень короткие отрезки времени: 10 -15—
10-12 сек. В созданном возбуждённом состоянии молекулы
нестабильны, и происходит либо их распад, либо они вступают во
взаимодействие с окружающими молекулами. В результате
образуются ионы, атомы и радикалы, т. е. промежуточные частицы
радиационно-химических реакций. Эта, вторая, стадия продолжается
10-13—10-11 сек.
На третьей стадии (собственно химической) образовавшиеся
активные частицы взаимодействуют с окружающими молекулами или
друг с другом. На этой стадии образуются конечные продукты
радиационно-химической реакции. Длительность третьей стадии
зависит от активности промежуточных частиц и свойств среды и
может составлять 10-11—10-6 сек.
«Вторичные» электроны, затрачивая свою кинетическую
энергию на ионизацию (возбуждение) молекул, постепенно
замедляются до скорости, соответствующей тепловой энергии. В
жидкой среде такое их замедление происходит в течение 10 -13—10-12
сек, после чего они захватываются либо одной молекулой, образуя
отрицательно
заряженный
ион,
либо
группой
молекул
(«сольватируются»). Такие «сольватированные» электроны «живут» в
течение 10-8—10-5 с (в зависимости от свойств среды и условий), после
чего рекомбинируют с какими-либо положительно заряженными
частицами.
Совокупность
закономерностей
перечисленных
элементарных процессов является важной составной частью теории
радиационной химии. Кроме того, реакциям возбужденных молекул
принадлежит значительная роль в радиационно-химических
процессах. Большое значение для протекания последних имеет также
передача энергии возбуждения в облучаемой среде, приводящая к
дезактивации возбуждённых молекул и рассеянию энергии.
6.2.1 Радиолиз воды
Вода занимает особое место в живом веществе, составляя от 46
до 99 % массы живого организма, поэтому особенную роль в
радиационном действии на живой организм играют процессы,
66
связанные с радиолизом воды. При радиолизе воды идет следующая
серия реакций:
Н2О+ + Н2О  Н3О + ОН
Н2О + е  Н + ОН
Н + Н  Н2
ОН + ОН  Н2О2
Н + ОН  Н2О
Н2О2 + Н  Н2О +ОН
Н2 + ОН  Н2О + Н
Н2О2 + ОН  НО2 + Н2О
НО2 + НО2  Н2О2 + О2.
Конечные продукты радиолиза воды – водород, кислород и
пероксид водорода. В разбавленных растворах на первом этапе
происходит радиолиз воды, с последующими вторичными реакциями.
Растворенные вещества вступают в окислительно-восстановительные
реакции с продуктами радиолиза воды. В концентрированных
растворах одновременно с радиолизом воды происходит и радиолиз
растворенного вещества, с последующими реакциями продуктов
радиолиза. При радиолизе органических соединений образуются
более простые и более сложные вещества.
8.2.2 Свободные радикалы
Свободные радикалы - кинетически независимые частицы,
характеризующиеся наличием неспаренных электронов. Например, к
неорганическим свободным радикалам, имеющим на внешнем уровне
один электрон, относятся атомы водорода Н·, щелочных металлов
(Na·, К· и др.) и галогенов (Cl, Br, F, I), молекулы окиси ·NO и
двуокиси NO2 азота (точка означает неспаренный электрон). Наиболее
широко распространены свободные радикалы в органической химии.
Их
подразделяют
на
короткоживущие
и
долгоживущие.
Короткоживущие - со временем жизни менее 0,1 с образуются при
расщеплении различных химических связей.
В биологических системах многие биохимические реакции
протекают с участием свободных радикалов в качестве активных
промежуточных продуктов. Методом ЭПР показано, что все активно
67
метаболизирующие клетки растений и животных содержат свободные
радикалы в концентрации 10-6—10-8 молей на 1 г ткани. Особенно
значительна их роль в реакциях биологического окисления, где они
участвуют в образовании переносчиков электронов типа хинонов и
флавинов, входящих в мембранные структуры. Р. с. возникают также
при перекисном окислении липидов в биологических мембранах.
В организме свободные радикалы могут генерироваться и при
действии на него различных физических и химических факторов. В
частности, влияние радиации на организмы связывают с образованием
свободных радикалов как при радиолизе воды, содержащейся в
клетках (радикалы ·ОН, HO·2), так и при воздействии излучений на
молекулы органических веществ и биополимеров клетки.
6.3 Наведенная радиоактивность
После облучения любых веществ γ- квантами или электронами
эти вещества не становятся источниками ионизирующего излучения.
Иная картина наблюдается при обработке нейтронами. Нейтроны
поглощаются ядрами почти всех веществ, образуя изотопы, многие из
последних становятся неустойчивыми и становятся источниками
вторичной радиоактивности (рисунок 30.). Такая радиоактивность
называется наведенной.
При ядерных взрывах на большой высоте, при котором не
образуется «ядерный гриб», почва, в эпицентре взрыва, тем не менее,
становится радиоактивной благодаря мощному нейтронному
облучению и созданию наведенных радиационных источников.
Рисунок 30 - Наведенная радиоактивность. Нейтрон, паопадая
в устойчивое ядро превращает его в радиоактивное, которое
претерпевает радиационное превращение
68
7 Дозиметрия радиационных явлений
Дозиметрия, область прикладной физики, в которой изучаются
физические величины, характеризующие действие ионизирующих
излучении на объекты живой и неживой природы, в частности дозы
излучения, а также методы и приборы для измерения этих величин.
Развитие
дозиметрии
первоначально
определялось
необходимостью защиты человека от ионизирующих излучений.
Вскоре после открытия рентгеновских лучей были замечены
биологические эффекты, возникающие при облучении человека.
Появилась необходимость в количественной оценке степени
радиационной опасности. В качестве основного количественного
критерия была принята экспозиционная доза, измеряемая в рентгенах
и определяемая по величине ионизации воздуха.
С открытием радия было обнаружено, что β- и γ-излучения
радиоактивных веществ вызывают биологические эффекты, похожие
на те, которые вызываются рентгеновским излучением. При добыче,
обработке и применении радиоактивных препаратов возникает
опасность попадания радиоактивных веществ внутрь организма.
Развились методы измерения активности радиоактивных источников
(число распадов в секунду), являющиеся основой радиометрии.
Разработка и строительство ядерных реакторов и ускорителей
заряженных частиц, развитие ядерной энергетики и массовое
производство радиоактивных изотопов привели к большому
разнообразию видов ионизирующих излучений и к созданию
многообразных дозиметрических приборов (дозиметров).
Исследования биологического действия ионизирующих
излучений на клеточном и молекулярном уровнях вызвали развитие
микродозиметрии, исследующей передачу энергии излучения
микроструктурам вещества.
7.1 Радиоактивность, единицы измерения
Как уже упоминалось ранее - радиоактивность это
самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа
химического элемента в другой изотоп (обычно — изотоп другого
элемента). Сущность явления состоит в самопроизвольном изменении
состава атомного ядра, находящегося в основном состоянии либо в
возбуждённом долгоживущем (метастабильном) состоянии. Такие
превращения сопровождаются испусканием ядрами элементарных
частиц либо других ядер,
Закон радиоактивного распада представлен в разделе 5.3. Для
69
процессов радиоактивного распада ядер (и элементарных частиц)
характерен экспоненциальный закон уменьшения во времени среднего
числа активных ядер. Этот закон отражает независимость распада
отдельного ядра от остальных ядер. Обычно продолжительность
жизни радиоактивных ядер характеризуют периодом полураспада —
промежутком времени T1/2 на протяжении, которого число
радиоактивных ядер уменьшается в среднем вдвое. Поскольку
продолжительность
жизни
отдельного
ядра
оказывается
неопределённой, экспоненциальный закон распада выполняется лишь
в среднем, причём тем точнее, чем больше полное число
радиоактивных ядер.
В данном разделе рассмотрены единицы радиоактивности.
Радиоактивность или просто активность обозначается буквой А.
Единица радиоактивности — кюри (Ки), первоначально определялась
как активность 1 г Ra. В дальнейшем под 1 кюри стали понимать
активность радиоактивного препарата, в котором происходит 3,7×1010
распадов в секунду. Широко используются дробные единицы
(например, мкюри, мккюри).
Кюри – очень большая активность, поэтому обычно используют
величину, значительно меньшую – Беккерель (Бк). Один Бк – это
такая активность, которая соответствует одному распаду за одну
секунду.
1 Ки = 3,7×1010 Бк.
Беккерель является системной единицей (т.е. входит в систему
единиц СИ). Имеются и другие единицы активности, однако для
радиоэкологических измерений, достаточно приведенных в данном
разделе.
7.2 Доза излучения
Степень, глубина и форма лучевых изменений, происходящих в
биологических объектах при воздействии на них ионизирующих
излучений зависят, в первую очередь, от величины поглощенной
энергии и ее качественного состава.
Доза ионизирующего излучения - энергия ионизирующего
излучения, поглощённая в единице массы облучаемого вещества. В
этом смысле доза излучения называется также поглощённой
поглощенной дозой (Dп). Поглощённая энергия расходуется на нагрев
вещества, а также на его химические и физические превращения.
Величина дозы зависит от вида излучения (рентгеновское излучение,
70
поток нейтронов и т.п.), энергии его частиц, плотности их потока и
состава облучаемого вещества. При прочих равных условиях доза
увеличивается пропорционально времени облучения, то есть доза
накапливается со временем.
Зависимость величины дозы от энергии частиц, плотности их
потока и состава облучаемого вещества различна для разных видов
излучения. Например, для рентгеновского и γ- излучений она зависит
от атомного номера Z элементов, входящих в состав вещества;
характер этой зависимости определяется энергией фотонов hv. Для
этих видов излучений доза в тяжёлых веществах больше, чем в
лёгких,
при одинаковых условиях облучения. Нейтроны
взаимодействуют с ядрами атомов. Характер этого взаимодействия
существенно зависит от энергии нейтронов. Если происходят упругие
соударения нейтронов с ядрами, то средняя величина энергии,
переданной ядру в одном акте взаимодействия, оказывается большей
для лёгких ядер. В этом случае (при одинаковых условиях облучения)
поглощённая доза в лёгком веществе будет выше, чем в тяжёлом.
6.2.1 Экспозиционная доза
Экспозиционная доза - мера ионизации воздуха под действием
рентгеновского и γ- излучений - измеряется количеством
образованных зарядов (ΔQ). Единицей экспозиционной дозы (Х) в
системе СИ является Кл/кг. Экспозиционная доза в 1 Кл/кг означает,
что суммарный заряд всех ионов одного знака, образованных в 1 кг
воздуха, равен одному кулону:
Х=
Q
m
.
Широко распространена внесистемная единица экспозиционной
дозы - рентген:
1 Р = 2,57976×10-4 Кл/кг,
что соответствует образованию 2,08 ×109 пар ионов в 1 см3 воздуха
(при О°С и 760 мм рт. ст.). На создание такого количества ионов
необходимо затратить энергию, равную 0,114 эрг/см3 или 88 эрг/г. Т.
о., 88 эрг/г есть энергетический эквивалент рентгена. По величине
экспозиционной дозы можно рассчитать поглощённую дозу
рентгеновского и γ - излучений в любом веществе. Для этого
необходимо знать состав вещества и энергию фотонов излучения.
71
6.2.2 Поглощенная доза
Введение различных дозовых характеристик связано с разным
качеством ионизирующего излучения и представлением, что действие
на вещество оказывает не вся энергия излучения, а только та ее часть,
которая веществом поглощается. Экспозиционная доза является
характеристикой
энергии
радиационного
происхождения
в
определенном объеме, поглощенная энергия – той части, что
взаимодействовала с веществом.
Иллюстрация этого приведена на рисунке 31. на рисунке
показан источник ионизирующего излучения – это могут быть γ –
кванты, электроны, нейтроны, α- и другие частицы. Красными
линиями показана энергия излучения, каждая линия – 10 %, отмечена
экспозиционная доза излучения ядерного происхождения, принятая за
100%. Часть энергии источника излучения теряется при столкновении
частиц с молекулами воздуха и другой преградой на пути к объекту
облучения. На рисунке эта величина равна 20%. Часть энергии
поглощается объектом, а часть проходит через него. Эффект на объект
облучения оказывает только поглощенная энергия.
Таким образом, если экспозиционная доза – это величина
энергии создаваемая источником излучения в окружающем его
пространстве, то поглощённая доза – мера энергии ионизирующего
излучения переданная тому объекту, который находился в зоне
действия радиационного источника. Поглощённая доза (D)
определяется как средняя энергия (ΔЕ) переданная облучаемому
объекту в некотором элементарном объеме, деленная на массу
вещества (Δm) в этом объеме:
D=
Е
m
.
В системе единиц СИ поглощенная доза измеряется в дж/кг.
Такая величина носит специальное название – Грей (Гр).
1 Гр = 1
Дж
кг
Раньше была широко распространена внесистемная единица
рад: 1 рад = 10-2Дж/кг = 100 эрг/г.
72
Линиями со стрелками показана энергия ионизирующего
излучения ядерного происхождения. Экспозиционная энергия
принята за 100%. Часть этой энергии не доходит до объекта
облучения, теряясь в воздухе и других преградах. Часть энергии
проходит через объект не поглощаясь им. Каждая линия со
стрелкой соответствует 10% энергии ионизирующего излучения.
Рисунок 31 – Поглощенная доза
6.2.3 Эквивалентная доза
При облучении живых организмов, в частности человека,
возникают биологические эффекты, величина которых определяет
степень радиационной опасности. Для данного вида излучения
наблюдаемые радиационные эффекты во многих случаях
пропорциональны поглощённой энергии. Однако при одной и той же
поглощённой дозе в тканях организма биологический эффект
оказывается различным для разных видов излучения. Следовательно,
знание величины поглощённой дозы оказывается недостаточным для
оценки степени радиационной опасности.
Принято сравнивать биологические эффекты, вызываемые
любыми
ионизирующими
излучениями,
с
биологическими
эффектами, вызываемыми рентгеновским и γ- излучениями.
73
Коэффициент, показывающий во сколько раз радиационная опасность
для данного вида излучения выше, чем радиационная опасность для
рентгеновского излучения при одинаковой поглощённой дозе в тканях
организма,
называется
коэффициентом
качества
К.
В
радиобиологических исследованиях для сравнения радиационных
эффектов пользуются понятием относительной биологической
эффективности.
Для рентгеновского и γ- излучений К = 1. Для всех других
ионизирующих излучений коэффициент качества устанавливается на
основании радиобиологических данных. Коэффициент качества может
быть разным для различных энергий одного и того же вида излучения.
Например, для тепловых нейтронов К = 3, для нейтронов с энергией
0,5 Мэв К = 10, а для нейтронов с энергией 5,0 Мэв К = 7.
Эквивалентная доза (Н) определяется как произведение
поглощённой D на коэффициент качества излучения К:
Н = DК.
Коэффициент К является безразмерной величиной, и
эквивалентная доза может измеряться в тех же единицах, что и
поглощённая.
Однако
существует
специальная
единица
эквивалентной дозы – Зиверт (Зв). Эквивалентная доза в 1Зв численно
равна поглощённой дозе в 1 Гр, умноженной на коэффициент качества
К.
1Зв = К * 1 Гр.
До
сравнительно
недавнего
времени
была
широко
распространена внесистемная единица - бэр. Эквивалентная доза в 1
бэр численно равна поглощённой дозе в 1 рад, умноженной на
коэффициент качества К.
Таким образом, одинаковой величине эквивалентной дозы
соответствует одинаковая радиационная опасность, которой
подвергается человек или другой живой организм, при воздействии на
него
любого
вида
излучения.
Естественные
источники
ионизирующего излучения (космические лучи, естественная
радиоактивность почвы, воды, воздуха, а также радиоактивность,
содержащаяся в теле человека) создают в среднем мощность
эквивалентной дозы 125 мбэр в год. Эквивалентная доза в 400-500
бэр, полученная за короткое время при облучении всего организма,
может привести к смертельному исходу (без специальных мер
74
лечения). Однако такая же эквивалентная доза, полученная человеком
равномерно в течение всей его жизни, не приводит к видимым
изменениям его состояния.
Минимальная доза γ- излучения, вызывающая подавление
способности к размножению некоторых клеток после однократного
облучения, составляет 5 бэр. При длительных ежедневных
воздействиях дозы в 0,02—0,05 бэр наблюдаются начальные
изменения крови, а доза в 0,11 бэр — образование опухолей. Об
отдалённых последствиях облучения судят по увеличению частоты
мутаций у потомков. Доза, удваивающая частоту спонтанных мутаций
у человека, вероятно, не превышает 100 бэр на поколение. При
местном облучении, например с целью лечения злокачественных
опухолей, применяют (при соблюдении защиты всего организма)
высокие дозы (6000—10000 бэр за 3—4 недели) рентгеновских или γлучей.
6.2.4 Мощность дозы
В значительной мере эффективность действия ионизирующего
излучения определяется не только полученной (поглощенной) дозой и
ее качеством, но и временем, в течение которого эта доза получена.
Доза, отнесённая к единице времени, называется мощностью
дозы. Мощность дозы определяется для всех видов доз:
экспозиционной, поглощенной и эквивалентной. Для экспозиционной
дозы мощность дозы (ХN) определяется отношением увеличения
экспозиционной дозы за промежуток времени (ΔХ) к величине этого
промежутка (Δt):
ХN =
Х
t
,
единица измерения мощности экспозиционной дозы в системе СИ –
Кл/кг*с. На практике обычно используют внесистемные единицы
Р/час, Р/с или производные единицы – мкР/час и т.д.
Мощность поглощенной дозы (Р) определяется как приращение
поглощенной дозы объектом облучения (ΔD) за малый промежуток
времени к величине этого промежутка (Δt):
Р=
D
t
,
единица измерения мощности поглощенной дозы в системе СИ – Гр/с.
75
Мощность эквивалентной дозы (НN) определяется как
приращение эквивалентной дозы объектом облучения (Δ НN) за малый
промежуток времени к величине этого промежутка (Δt):
НN =
Н
t
,
единица измерения мощности эквивалентной дозы в системе СИ –
Зв/с.
8 Дозиметрия ионизирующих излучений
Человек не в состоянии воспринимать ионизирующее излучение
органами чувств, в связи, с чем особенно высока необходимость
контроля за радиационным состоянием среды обитания. Благодаря
различию факторов, вызывающих ионизацию атомов и молекул
различаются и дозиметрические приборы.
8.1 Детекторы ионизирующих излучений
Детектор – элемент прибора, обеспечивающий восприятие
радиационного фактора и перевод его в состояние, пригодное для
измерения. Это важнейшая часть приборов и установок,
предназначенных для измерения различных свойств ионизирующего
излучения. Принцип работы детектора определяется, в значительной
степени, характером эффекта, который вызван взаимодействием
излучения с веществом детектора.
Детекторы ядерных излучений, приборы для регистрации альфаи бета-частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов,
протонов и т.п. Служат для определения состава излучения и
измерения его интенсивности, измерения спектра энергий частиц,
изучения процессов взаимодействия быстрых частиц с атомными
ядрами и процессов распада нестабильных частиц. Для последней
наиболее сложной группы задач особенно полезны дозиметры
ядерного излучения, позволяющие запечатлевать траектории
отдельных частиц - камера
Вильсона и её разновидность
диффузионная камера, пузырьковая камера, искровая камера, ядерные
фотографические эмульсии.
Действие всех детекторов основано на ионизации или
возбуждении
заряженными
частицами
атомов
вещества,
заполняющего его рабочий объём. В случае γ- квантов и нейтронов
ионизацию и возбуждение производят вторичные заряженные
76
частицы, возникающие в результате взаимодействия гамма - квантов
или нейтронов с рабочим веществом детектора. Таким образом
прохождение всех ядерных частиц через вещество сопровождается
образованием свободных электронов, ионов, возникновением
световых вспышек (сцинтилляций), а также химическими и
тепловыми эффектами. В результате этого излучения могут быть
зарегистрированы по появлению электрических сигналов (тока или
импульсов напряжения) на выходе детектора либо по почернению
фотоэмульсии и др. Электрические сигналы обычно невелики и
требуют усиления. Мерой интенсивности потока ядерных частиц
является сила тока на выходе детектора, средняя частота следования
электрических импульсов, степень почернения фотоэмульсии и т.д.
Важной
характеристикой
детекторов,
регистрирующих
отдельные частицы, является их эффективность — вероятность
регистрации частицы при попадании её в рабочий объём детектора.
Эффективность определяется его конструкцией и свойствами
рабочего вещества. Для заряженных частиц (за исключением очень
медленных) она близка к 1; эффективность регистрации нейтронов и
γ- квантов обычно меньше 1 и зависит от их энергии. Нередко
необходимо, чтобы детектор был чувствителен только к частицам
одного вида (например, нейтронный детектор не должен
регистрировать γ- кванты).
Простейшим детектором является ионизационная камера. Она
представляет собой помещённый в герметическую камеру
заряженный электрический конденсатор, заполненный газом. Если в
камеру влетает заряженная частица, то в электрической цепи,
связанной с электродами камеры, возникает ток, обусловленный
ионизацией атомов газа; сила тока является мерой интенсивности
потока частиц. Камеры используются также и в режиме регистрации
импульса напряжения, вызываемого отдельной частицей; величина
импульса пропорциональна энергии, потерянной частицей в газе
камеры. Ионизационные камеры регистрируют все виды ядерных
излучений, но их конструкция и состав газа зависят от типа
регистрируемого излучения.
Общая характеристика методов детектирования приведена в
таблице 3. в таблице приведены только основные способы
обнаружения ионизирующего воздействия на вещество детектора. В
действительности их значительно больше, но другие методы, как
правило, используются в специальных целях, в то время, как
приведенные реализованы практически во всех массовых приборах.
77
Таблица 3 – Основные характеристики методов детектирования
ионизирующего излучения и изменения вещества детектора
Метод обнаружения
Проявление
Ионизационный
Химический
Сцинтилляционный
Фотографический
Ионизация газа в камере, образование пар
ионов.
Нейтральный
газ
становится
проводником электричества.
Изменение структуры вещества. Часто
применяются вещества способные изменять
окраску.
Некоторые вещества при воздействии на них
ионизирующего излучения светятся.
Почернение
фотоэмульсии
под
воздействием ионизирующего излучения.
8.1.1 Ионизационные камеры
Ионизационная камера - прибор для исследования и
регистрации ядерных частиц и излучения, действие которого основано
на способности быстрых заряженных частиц вызывать ионизацию
газа (раздел 6.1.). Она представляет собой воздушный или газовый
электрический конденсатор, к электродам которого приложена
разность потенциалов V (рисунок 32.).
При попадании ионизирующих частиц в пространство между
электродами происходит образование пар ионов, затем электроны и
ионы газа, перемещаются в электрическом поле, и собираются на
электродах,
протекание
электрического
тока
фиксируется
регистрирующей аппаратурой G. Вместо гальванометра может быть
установлена лампочка или звонок, подающие сигнал о наличии в
пространстве ионизирующего излучения.
Наиболее простой является ионизационная камера с
параллельными плоскими электродами (дисками). Диаметр диска в
несколько раз превышает расстояние между ними. В цилиндрической
ионизационной камере электроды — два коаксиальных цилиндра,
один из которых заземлён и служит корпусом камеры. (рисунок 33.).
Различают токовые и импульсные ионизационные камеры. В
токовых камерах (рисунок 32.) гальванометром измеряется сила тока
I, создаваемого электронами и ионами. Токовые ионизационные
камеры дают сведения об общем интегральном количестве ионов,
образовавшихся в 1 секунду. Они обычно используются для
измерения интенсивности излучений и для дозиметрических
78
измерений. Так как ионизационные токи в таких камерах обычно
малы (10-10—10-15 а), то они усиливаются с помощью усилителей
постоянного тока.
V — напряжение на электродах камеры; G — гальванометр,
измеряющий ток ионизации
Рисунок 32 - Схема включения токовой ионизационной камеры
1 — цилиндрический корпус – отрицательный электрод; 2 —
цилиндрический стержень, -положительный электрод; 3 —
изоляторы
Рисунок 33 - Цилиндрическая ионизационная камера
79
В импульсных ионизационных камерах регистрируются и
измеряются импульсы напряжения, которые возникают на
сопротивлении при протекании по нему ионизационного тока,
вызванного прохождением каждой частицы. Обычно объектом
исследования для импульсных камер ионизации являются сильно
ионизирующие короткопробежные частицы, способные полностью
затормозиться в межэлектродном пространстве (a-частицы, осколки
делящихся ядер).
В этом случае величина импульса камеры пропорциональна
полной энергии частицы и распределение импульсов по амплитудам
воспроизводит распределение частиц по энергиям, т. е. даёт
энергетический спектр частиц. Важная характеристика импульсной
ионизационной камеры - её разрешающая способность, т. е. точность
измерения энергии отдельной частицы. Для α- частиц с энергией 5
Мэв разрешающая способность достигает 0,5%.
Токовые ионизационные камеры дают сведения об общем
интегральном количестве ионов, образовавшихся в 1 секунду. Они
обычно используются для измерения интенсивности излучений и для
дозиметрических измерений. Так как ионизационные токи в таких
камерах обычно малы (10-10—10-15 а), то они усиливаются с помощью
усилителей постоянного тока.
В импульсных ионизационных камерах регистрируются и
измеряются импульсы напряжения, которые возникают на
сопротивлении при протекании по нему ионизационного тока,
вызванного прохождением каждой частицы. Обычно объектом
исследования для импульсных камер ионизации являются сильно
ионизирующие короткопробежные частицы, способные полностью
затормозиться в межэлектродном пространстве (a-частицы, осколки
делящихся ядер). В этом случае величина импульса камеры
пропорциональна полной энергии частицы и распределение
импульсов по амплитудам воспроизводит распределение частиц по
энергиям, т. е. даёт энергетический спектр частиц. Важная
характеристика импульсной ионизационной камеры - её разрешающая
способность, т. е. точность измерения энергии отдельной частицы.
Для α- частиц с энергией 5 Мэв разрешающая способность достигает
0,5%.
8.1.1.1 Газоразрядные счетчики
Разновидностью
ионизационной
камеры
являются
газоразрядный счетчик. Принципиальное отличие газоразрядного
80
счетчика от ионизационной камеры
состоит в том, что в
газоразрядном счетчике используется усиление тока ионизации за
счет явления ударной ионизации. Газоразрядный счётчик (рисунок
34.) - прибор для обнаружения и исследования различного рода
радиоактивных и др. ионизирующих излучений: α- и β-частиц, γkвантов, световых и рентгеновских квантов, частиц высокой энергии в
космических лучах и на ускорителях.
1 - герметически запаянная стеклянная трубка; 2 - катод; 3 - вывод
катода; 4 - центральный анод
Рисунок 34 – Цилиндрический газоразрядный счётчик
Для получения эффекта ударной ионизации к электродам
камеры приложена разность потенциалов, благодаря которой на
электрон, возникший в результате ионизации, действует сила (F),
которая пропорциональна напряженности электрического поля (Е) и
действуя на электрон, сообщает ему дополнительную кинетическую
энергию.
F = еЕ.
В процессе под действием этой дополнительной силы, скорость
электрона увеличивается, вместе с ней растет и кинетическая энергия.
На пути своего движения электрон сталкивается с нейтральными
атомами или молекулами и передает им полученную кинетическую
энергию.
При
больших
значениях
напряженности
электростатического поля получаемая электроном
на длине
свободного пробега кинетическая энергия может превышать
потенциал ионизации молекул газа, которым заполнен счетчик.
В этом случае при столкновении электрона с нейтральной
молекулой газа произойдет его ионизация, и в рабочем объеме
счетчика появится еще одна пара ионов. Электроны, образованные в
результате ударной ионизации, в больших электрических полях, в
свою очередь, могут приобретать энергию достаточную для
81
ионизации за счет столкновения. Таким образом возникает лавина
ионизированных частиц, своего рода цепная реакция, и даже
небольшие первоначальные воздействия ионизирующего излучения
усиливаются в значительной степени.
8.1.2 Химические детекторы
Химические детекторы основаны на измерении выхода
радиационно-химических реакций, протекающих под действием
ионизирующих излучений. Количественно результат оценивается по
радиационно-химическому выходу, то есть по числу характерных
превращений. Если выход не зависит от скорости поглощения
энергии, то такая система может быть использована для определения
поглощенной дозы излучения.
Достоинство химических детекторов в том, что существует
возможность выбора таких веществ, которые по воздействию на них
ионизирующих излучений мало отличаются от биологических тканей.
Следовательно, химические изменения, происходящие в этих
веществах, под действием излучения, могут служить мерой энергии
излучения, поглощенной тканью. Также химические детекторы могут
быть использованы для измерений больших доз γ- излучения.
В химических детекторах преимущественно используется
способность ионизирующего излучения к радиолизу воды (раздел
6.2.1.), с дальнейшим протеканием окислительно-восстановительных
реакция и превращения хлорзамещенных углеводородов с получением
легко регистрируемых продуктов.
8.1.3 Сцинтилляционные счетчики
Сцинтилляционный счётчик - прибор для регистрации ядерных
излучений и элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов,
γ- квантов, мезонов и т. д.). Основными элементами устройства
является вещество, люминесцирующее под действием заряженных
частиц (сцинтиллятор), и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)
(рисунок 35.). Визуальные наблюдения световых вспышек
(сцинтилляций) под действием ионизирующих частиц (a-частиц,
осколков деления ядер) были основным методом ядерной физики в
начале 20 в.. Позднее он был полностью вытеснен ионизационными
камерами и пропорциональными счётчиками. Его возвращение в
ядерную физику произошло в конце 40-х гг., когда для регистрации
сцинтилляций были использованы многокаскадные ФЭУ с большим
коэффициентом усиления, способные зарегистрировать чрезвычайно
слабые световые вспышки.
82
Рисунок 35 - Схема сцинтилляционного счётчика: кванты света
(фотоны) «выбивают» электроны с фотокатода; двигаясь от динода к
диноду, электронная лавина размножается
Принцип действия детектора состоит в следующем: заряженная
частица, проходя через сцинтиллятор, наряду с ионизацией атомов и
молекул возбуждает их. Возвращаясь в невозбуждённое (основное)
состояние, атомы испускают фотоны. Фотоны, попадая на катод ФЭУ,
выбивают электроны, в результате чего на аноде ФЭУ возникает
электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется.
Детектирование нейтральных частиц (нейтронов, γ- квантов)
происходит по вторичным заряженным частицам, образующимся при
взаимодействии нейтронов и γ- квантов с атомами сцинтиллятора.
В качестве сцинтилляторов используются различные вещества
(твёрдые, жидкие, газообразные). Большое распространение получили
пластики, которые легко изготовляются, механически обрабатываются
и
дают
интенсивное
свечение.
Важной
характеристикой
сцинтиллятора является доля энергии регистрируемой частицы,
которая превращается в световую энергию (конверсионная
эффективность h). Наибольшими значениями h обладают
кристаллические сцинтилляторы: NaI, активированный Tl [NaI (Tl)],
антрацен и ZnS. Другой важной характеристикой является время
высвечивания t, которое определяется временем жизни на
возбуждённых уровнях. Интенсивность свечения после прохождения
частицы
изменяется
экспоненциально.
Для
большинства
–9
–5
сцинтилляторов t лежит в интервале 10 — 10 с. Короткими
временами свечения обладают пластики (таблица 3.). Чем меньше t,
тем
более
быстродействующим
может
быть
сделан
83
сцинтилляционный счетчик.
Для того чтобы световая вспышка была зарегистрирована ФЭУ,
необходимо, чтобы спектр излучения сцинтиллятора совпадал со
спектральной областью чувствительности фотокатода ФЭУ, а
материал сцинтиллятора был прозрачен для собственного излучения.
Для регистрации медленных нейтронов в сцинтиллятор добавляют Li
или В. Для регистрации быстрых нейтронов используются
водородсодержащие сцинтилляторы. Для спектрометрии γ- квантов и
электронов высокой энергии используют Nal (Tl), обладающий
большой плотностью и высоким эффективным атомным номером.
Сцинтилляционные
счетчики
изготавливают
со
3
сцинтилляторами разных размеров — объёмом от 1—2 мм до 1—2
м3. Чтобы не «потерять» излученный свет, необходим хороший
контакт ФЭУ со сцинтиллятором. В детекторах небольших размеров
сцинтиллятор непосредственно приклеивается к фотокатоду ФЭУ. Все
остальные его стороны покрываются слоем светоотражающего
вещества (например, MgO, TiO2). В счетчиках большого размера
используют световоды (обычно из полированного органического
стекла).
ФЭУ, предназначенные для сцинтилляционных счетчиков
должны обладать высокой эффективностью фотокатода (до 2,5%),
высоким коэффициентом усиления (108—108), малым временем
собирания электронов (~ 10–8 сек) при высокой стабильности этого
времени.
Среди достоинств сцинтилляционных счетчиков - высокая
эффективность регистрации различных частиц (практически 100%);
быстродействие; возможность изготовления сцинтилляторов разных
размеров и конфигураций; высокая надёжность и относительно
невысокая стоимость. Благодаря этим качествам они широко
применяются в ядерной физике, физике элементарных частиц и
космических лучей, в промышленности (радиационный контроль),
дозиметрии, радиометрии, геологии, медицине и т. д. Недостатки этих
детекторов ионизирующих излучений - малая чувствительность к
частицам низких энергий, невысокая разрешающая способность по
энергии.
Для исследования заряженных частиц малых энергий (< 0,1
Мэв) и осколков деления ядер в качестве сцинтилляторов
применяются газы (таблица 4.). Газы обладают линейной
зависимостью величины сигнала от энергии частицы в широком
диапазоне энергий, быстродействием и возможностью менять
тормозную способность изменением давления. Кроме того, источник
84
может быть введён в объём газового сцинтиллятора. Однако газовые
сцинтилляторы требуют высокой чистоты газа и специального ФЭУ с
кварцевыми окнами (значительная часть излучаемого света лежит в
ультрафиолетовой области).
Таблица 3 - Характеристики некоторых твёрдых и жидких
сцинтилляторов, применяемых в сцинтилляционных счётчиках
Конверсион
Длина
Время
ная
Плотн
волны в
высвечива
эффективно
Вещество
ость,
-9 максиму
ния, t, 10
сть
h,
г/см3
ме
сек.
% (для
спектра,
электронов)
Кристаллы
Антрацен C14 H10
1,25
30
4450
4
Стильбен C14H12
1,16
6
4100
3
NaI (Tl)
3,67
250
4100
6
ZnS (Ag)
4,09
11
4500
10
Csl (Tl)
4,5
700
5600
2
Жидкости
Раствор р-терфенила в 0,86
2
3500
2
ксилоле (5 г/л) с
добавлением РОРОР1
(0,1 г/л)
Раствор
р- 0,86
2,7
4300
2,5
терфенила в толуоле
(4 г/л) с добавлением
РОРОР (0,1г/л)
Пластики
Полистирол
с 1,06
2,2
4000
1,6
добавлением
ртерфенила (0,9%) и aNPO2 (0,05 весовых %)
Поливинилтолуол
с 1,1
3
4300
2
добавлением 3,4% ртерфенила
и
0,1
весовых % РОРОР
1
РОРОР — 1,4-ди-[2-(5-фенилоксазолил)]-бензол. 2NPO — 2-(1нафтил)-5-фенилоксазол
85
Таблица 4 - Характеристики некоторых газов, применяемых в
качестве сцинтилляторов в сцинтилляционных счётчиках (при
давлении 740 мм.рт. ст., для a-частиц с энергией 4,7 Мэв)
Время
Длина волны в
Конверсионная
Газ
высвечивания, максимуме
эффективность, %
с
спектра.
Ксенон
10–8
3250
14
–8
Криптон
10
3180
8,7
–8
Аргон
10
2500
3
–9
Азот
3×10
3900
2
Высокая
эффективность
сцинтилляционных
детекторов
обусловлена тем, что, в отличие от ионизационных камер, рабочее
вещество детектора является плотным и поглощающая способность
его примерно в 103 раз превосходит поглощающую способность газа
при давлении ~1 атм.
8.1.4 Фотографические детекторы
Фотографические детекторы (рисунок 36.) основаны на свойстве
чувствительного слоя фотоматериалов воспринимать ионизирующее
излучение так же, как и видимую часть спектра. Детектор состоит из
фотопленки определенного формата, пластмассовой, непроницаемой
для видимого света разборной капсулы и полиэтиленового кожуха,
предназначенного для крепления дозиметра на спецодежде.
Этот метод основан на том, что радиоактивные излучения при
воздействии на молекулы бромистого серебра, содержащиеся в
фотоэмульсии, выбивают из них электроны связи и тем самым
вызывают распад бромистого серебра, что может быть легко
обнаружено при последующем проявлении плёнки по степени её
потемнения. Количестве распавшихся молекул бромистого серебра, а
следовательно, и степень потемнения пленки при проявлении
пропорционально дозе
ионизирующих излучений, полученных
плёнкой. Сравнивая потемнение плёнки с эталонами, можно
определить полученную пленкой дозу. Пленку, после ее проявления,
помещают
в
специальный
прибор
–
разновидность
фотоэлектрического денситометра и по плотности ее почернения
определяют полученную индивидуальную дозу.
К достоинствам фотографических детекторов можно отнести
возможность массового применения для индивидуального контроля
доз, получение документального подтверждения их величин,
возможность регистрации различных видов излучения и
86
нечувствительность к температуре.
Рисунок 36 – Фотодетекторы индивидуальных дозиметров
системы ИФКУ
Среди недостатков этого метода определения ионизирующего
излучения – низкая чувствительность и точность, зависимость
показаний от условий обработки пленки, громоздкость процедуры
определения, невозможность повторного использования детекторов.
8.1.6 Другие виды детекторов
Высокой эффективностью обладает также кристаллический
счётчик. Его действие аналогично действию ионизационной камеры.
Если в ионизационной камере заряженная частица образует
свободные электроны и ионы, то в кристаллическом диэлектрическом
(алмаз, сернистый цинк и др.) счётчике возникают электроннодырочные
пары.
Кристаллические
счётчики
применяются
сравнительно редко.
Использование
в
качестве
рабочего
вещества
полупроводниковых кристаллов (обычно кремния или германия с
примесью лития) позволяет наряду с высокой эффективностью
получать очень хорошее энергетическое разрешение, превышающее
разрешающую способность сцинтилляционных Д. я. и. и сравнимое с
разрешением, достигаемым в гораздо менее светосильных магнитных
спектрометрах. Поэтому полупроводниковые Д. я. и. широко
применяются для прецизионных измерений энергетического спектра
87
ядерного излучения. Некоторые типы полупроводниковых детекторов
необходимо охлаждать до температур, близких к температуре
жидкого азота.
Радиофотолюминесцентный метод основан на том, что некоторые
виды стекла (например, алюмофосфатное стекло, активизированное
серебром), после воздействия ионизирующих излучений, приобретают
способность люминесцировать под воздействием ультрафиолетового
света. Интенсивность люминесценции этого стекла служит мерой для
определения поглощённой дозы излучения.
Имеются также другие методы определения отдельных видов
излучений,
которые
применяются,
преимущественно,
в
исследовательских целях.
8.2 Дозиметрические приборы
Дозиметрические
приборы,
дозиметры
устройства,
предназначенные для измерения доз ионизирующих излучений или
величин, связанных с дозами. Дозиметрические приборы могут
служить для измерения доз одного вида излучения (γ- дозиметры,
нейтронные дозиметры и т. д.) или смешанного излучения. Дозиметры
для измерения экспозиционных доз рентгеновского и γ- излучений
обычно градуируют в рентгенах и называются рентгенметрами..
Радиометрами
измеряют
активности
или
концентрацию
радиоактивных веществ. Классификация приборов по назначению
приведена в таблице 5.
Таблица 5 – Классификация дозиметрических приборов
Тип прибора
Назначение прибора
Индикаторы
Обнаружение и ориентировочная
оценка мощности дозы.
Рентгенометры
Измерение
мощности
дозы
рентгеновского и γ-излучения.
Радиометры
(измерители Обнаружение и определение
радиоактивности)
степени
радиоактивного
заражения поверхностей, воздуха.
Дозиметры
Определение суммарной дозы
облучения,
получаемой
обслуживающим персоналом.
Иногда классифицируют по способу эксплуатации: при этом
различают приборы дозиметрического контроля стационарные,
переносные (можно переносить только в выключенном состоянии) и
88
носимые. Дозиметры, для измерения дозы излучения, получаемой
каждым человеком, находящимся в зоне облучения, называются
индивидуальным дозиметром. .
Типичная блок-схема дозиметрического прибора. показана на
рисунке 37. В детекторе происходит поглощение энергии
ионизирующего
излучения,
приводящее
к
возникновению
радиационных эффектов, величина которых измеряется с помощью
измерительных устройств. По отношению к измерительной
аппаратуре детектор является датчиком сигналов.
Показания прибора регистрируются выходным устройством
(стрелочные приборы, самописцы, электромеханические счётчики,
звуковые или световые сигнализаторы и т. п.). Некоторые приборы
дозиметрического контроля не подключены напрямую к детекторам.
Так на рисунке 36. показаны детекторы ИФКУ для индивидуального
дозиметрического контроля. Периодически они собираются, пленка
проявляется и по степени снижения светопропускной способности,
вызванной ионизирующим облучением судят о величине дозы,
получаемой обслуживающим персоналом. Имеются и другие
дозиметрические приборы у которых детектор и счетнопоказывающее устройство пространственно разобщены.
Рисунок 37 - Блок-схема дозиметра
89
8.2.1 Некоторые дозиметрические приборы старшего
поколения
Индивидуальные дозиметры ДК-0,2 в виде цилиндров размером
с обычный карандаш приспособлены для ношения в кармане (рисунок
38.). В цилиндре размещены миниатюрная ионизационная камера и
однонитный электрометр. Отклонение нити электрометра и отсчёт
дозы производятся визуально с помощью оптического устройства со
шкалой, проградуированной в мр. Ионизационная камера играет роль
конденсатора, который разряжается в результате ионизации воздуха
(между электродами) под действием ионизирующего излучения.
Рисунок 38 - Комплект индивидуальных дозиметров ДК-0,2 с
общим измерительным устройством (слева)
Степень разрядки конденсатора фиксируется по отклонению
нити электрометра и однозначно определяет дозу излучения
(дозиметр предварительно заряжается с помощью специального
зарядного устройства).
Дозиметры системы ДРГЗ, предназначенные для измерения
мощности дозы рентгеновского и гамма-излучения применяются до
настоящего времени. Дозиметр (рисунок 39.) применяется в
дозиметрических
лабораториях
научно-исследовательских
и
промышленных предприятий.
Измерение мощности экспозиционной дозы импульсного и
непрерывного рентгеновского и гамма-излучений прибором основано
на принципе измерения средней интенсивности сцинтилляций,
которая прямо пропорциональна измеряемой мощности дозы.
Конструктивно прибор, как показано на рисунке состоит из пульта и
блока детектирования, соединенных кабелем. Прибор проградуирован
в мкР/с,
диапазон зависит от маркировки прибора, которая
различается индексом: ДРГЗ-1, ДРГЗ-2, ДРГЗ-3.
90
Рисунок 39 – ДРГЗ – прибор для измерения мощности
экспозиционной дозы. Показаны сцинтилляционный детектор в
одном корпусе с ФЭУ и пульт управления и регистрации
8.2.2 Современные дозиметрические приборы
При более высокой стоимости современные приборы
отличаются несомненными преимуществами, среди которых, при
контроле местности возможность непосредственной ориентировки
получаемых результатов, зачастую приборы оснащены памятью для
получаемых измерений с последующим непосредственным переносом
информации на диск компьютера. Характеристики некоторых
приборов приведены ниже.
8.2.2.1
Многофункциональные приборы для контроля
альфа, бета, гамма и нейтронного излучения
Радиометр-спектрометр гамма-, бета- и нейтронного излучения
МКС-15ЭЦ (СРП-98) – рисунок 40, как и прибор ДРГЗ – описанный
ранее, имеет пульт управления и выносной детектор. Назначение:
МКС-15ЭЦ (СРП-98) представляет универсальный радиометрдозиметр с функцией спектрометра (возможность набора, сохранения
спектров и обработки спектров) для измерения характеристик
91
ионизирующих излучений: гамма, бета и нейтронного, а также поиска
и локализации источников гамма-излучения. Универсальность
прибора
обеспечивается
набором
детекторов,
способных
взаимодействовать с различными видами ионизирующего излучения.
Рисунок 40 - Радиометр-спектрометр МКС-15ЭЦ (СРП-98)
Функциональное назначение
модификации прибора в
зависимости от типа детектора приведены в таблице 6, а технические
характеристики детекторов в таблице 7.
Таблица 6 - Функциональное назначение модификации прибора в
зависимости от типа детектора
Модификация Функциональное назначение
Тип
блока
детектирования
МКС-15ЭЦГамма-дозиметрия (от 0,1 до 10 СБДГ-02
Г1
мкЗв/ч),
поиск,
функция
спектрометра
МКС-15ЭЦГамма-дозиметрия (от 0,1 до 1000 БДГБА-01
ГБ1
мкЗв/ч), бета- радиометрия
МКС-15ЭЦ-Н Измерение
плотности
потока, СБДН-01
МЭД, ЭД нейтронного излучения
МКС-15ЭЦ
Гамма- дозиметрия (от 0,1 до 1000 БДГБА-01,
мкЗв/ч),
поиск,
функция СБДГ-02, СБДНспектрометра, бета- радиометрия, 01
измерение МЭД и ЭД гаммаизлучения, измерение плотности
потока, МЭД и ЭД нейтронного
излучения
92
Таблица 7 - Технические характеристики детекторов
Характеристика
Значение
Детекторы
–
сцинтилляционный
поисковый
+ СБДГ-02
спектрометрический CsI 45x50
– газоразрядный гамма-дозиметрический + БГБГА-01
радиометрия бета-излучения
– сцинтилляционный ZnS (Ag) для измерения СБДН-01
нейтронного излучения
Диапазон значений мощности эквивалентной от 0,1 мкЗв/ч до
дозы гамма-излучения
1000,0 мкЗв/ч
Диапазон
энергий
регистрируемого
β- 0,15 до 3,5 МэВ
излучения
Диапазон измерения плотности потока β- от 0,1 1/(см2с) до 700
частиц
1/(см2с).
Диапазон энергий нейтронного излучения
– тепловых нейтронов
менее 0,4 эВ
– промежуточных и быстрых нейтронов
от 1 до 1,4·104 кэВ
Диапазон энергий регистрируемого гамма- от 0,05 до 3,0 МэВ
излучения
Диапазон
энергий
регистрируемого от 1 до 1000 мкЗв/ч
нейтронного излучения
Погрешность измерения
Пределы
допускаемой
относительной не более ± 30%
основной погрешности измерения плотности
потока бета-излучения
Пределы
допускаемой
относительной не более ± 30%
основной погрешности измерения мощности
эквивалентной дозы гамма- и нейтронного
излучения
Масса и размеры:
4,0 кг
Дополнительные возможности
Сохранение
информации,
совместимость с ПК
Интерфейс
RS-232
Условия эксплуатации
Температура окружающего воздуха
20 ÷ +40°С
Радиометр-спектрометр гамма-, альфа и бета излучения МКСАТ-1117М (рисунок 41.) - предназначен для измерение мощности
дозы гамма-излучения, измерения скорости счета и плотности потока
93
альфа и бета – излучения и поиска источников гамма-излучения.
Рисунок 41 - Радиометр-спектрометр МКС-АТ-1117М
Дозиметр-радиометр
МКС-1117М
представляет
собой
многофункциональное носимое средство измерения с цифровой
индикацией показаний, микропроцессорным управлением и наличием
трех сменных блоков детектирования альфа-, бета- и гаммаизлучения, подключаемых к блоку обработки информации. При
подключении блока детектирования гамма-излучения прибор
используется для измерения мощности дозы, а также поиска
источников и оценки средней энергии спектра гамма-излучения.
При подключении блоков детектирования альфа- или бета излучения прибор обеспечивает измерение плотности потока альфаили бета - частиц, испускаемых с поверхности, загрязненной
радиоактивными веществами, оценку средней скорости счета
зарегистрированных альфа- или бета - частиц и средней энергии
спектра регистрируемого альфа- или бета - излучения, а также
оперативный поиск радиоактивных бета - источников и материалов.
Имеется энергонезависимая память прибора для хранения и
передачи в ПЭВМ до 500 результатов измерения и компьютерный
интерфейс.
Радиометр-спектрометр универсальный РСУ-01 «Сигнал-М» рисунок 42. - представляет универсальный комплекс оборудования,
предназначенный для измерения широкого спектра характеристик
ионизирующих излучений: гамма, бета, альфа и нейтронного.
94
Рисунок 42 - Радиометр-спектрометр универсальный РСУ-01
«Сигнал-М»
В полном комплекте РСУ-01 «Сигнал-М» состоит из семи
независимых измерительных трактов. Назначение комплекса и
различных измерительных трактов, входящих в состав РСУ-01
«Сигнал-М» показано в таблице 8.
Таблица 8 - Назначение комплекса и различных измерительных
трактов, входящих в состав РСУ-01 «Сигнал-М»
Тип, наименование
Измерительные задачи
Измерительный пульт ЭП- Управление,
индикация,
настойка,
01
калибровка, набор, визуализация и
сохранение
спектров,
обработка,
передача спектров на ПК
Дозиметр
гамма- Датчик
собственной
безопасности
излучения, встроенный в оператора
пульт/ СБМ-20х, СИ-4х
Выносной дозиметр
Измеритель мощности дозы гаммагамма-излучения ВБ-01
излучения
с
дистанционным
устройством
Сцинтилляционный
Измерение спектров гамма-излучения;
спектрометрический
Идентификация
гамма-излучающих
детектор
фотонного радионуклидов и расчет активности в
излучения СБДГ-01 (NaI различных геометриях (2pi, 4pi, сосуд
63x63)/
СБДГ-02
(CsI Маринелли, точечная и т. д.);
95
СИЧ с измерением радионуклидов 137Cs
во всем теле, 131I в щитовидной железе и
т. д.;
Измерение 222Rn с использованием
угольных адсорберов, как в режиме
пассивной
сорбции,
так
и
с
использованием активной прокачки
воздуха;
Измерение
активности
гаммаизлучающих
радионуклидов,
адсорбированных
на
фильтрах
с
возможностью отбора и последующего
измерения всех форм радиойода с
использованием угольных адсорберов.
Сцинтилляционный
Измерение спектров бета-излучения;
спектрометрический
Оценка радионуклидного состава по
детектор бета-излучения виду бета-спектров;
СБДБ-01
Измерение плотности потока бетаизлучения с поверхности;
45x50).
Сцинтилляционный
радиометрический
детектор
альфа-частиц/
СБДА-01, СБДА-02
Кожный
дозиметр
(«Спутник»)
Измерение плотности
частиц с поверхности
потока
альфа-
Измерение мощности дозы на базальный
слой кожи
Детектор
СБДН-01
нейтронов/ Измерение плотности потока тепловых
нейтронов;
Всеволновой счетчик нейтронов;
Измерение МЭД и ЭД нейтронного
излучения.
СБДГ-03
—
блок измерение
спектров
источников
детектирования
рентгеновского излучения;
рентгеновского излучения измерение
МЭД
рентгеновского
излучения
Радиометр низкофоновый многофункциональный РКС-20П
(RKS-20P) –рисунок 43. - предназначен для измерения активности
альфа- и бета- излучающих нуклидов в плоских источниках,
измерения активности альфа- и бета- излучающих нуклидов в счетных
96
образцах на фильтрах типа АФА с площадью рабочей поверхности 20
см2, подготовленных по методикам потребителя, измерения объемной
активности аэрозоля бета - излучающих нуклидов в воздухе, путем
измерения активности пробы аэрозоля на фильтре типа АФА,
подготовленной (отобранной) потребителем по собственной методике,
с учетом объёма прокаченного воздуха.
Рисунок 43 - Радиометр
(RKS-20P)
многофункциональный РКС-20П
Узел детектирования прибора выполнен на PIPS-детекторе.
Алгоритм обеспечивает возможность проведения измерений с
заданной статистической погрешностью или с ограничением времени
измерения. Вывод на встроенный дисплей результатов измерения и
промежуточных значений в процессе измерения с текущим значением
статистической погрешности. Сохранение в памяти последних 96
результатов измерений и их вывод на внешние устройства по каналу
передачи данных RS-485. Имеется линейный выход для передачи
сигнала на спектрометр. Основные технические характеристики
прибора представлены в таблице 9.
97
Таблица 9 - Основные технические характеристики
Режим измерения
Aa (плоские Ab (плоские
альфа
бета
источники и источники и
счётные
счётные
образцы)
образцы)
Радионуклид
(по
которому проведена 239Pu **
+ 90Y
калибровка)
Диапазон измерений 0,1 - 1·104 Бк
3 - 1·105 Бк
Диапазон энергий
2,5 - 5,2 МэВ
0,1 - 2,3 МэВ
Предел допускаемой
основной
15 %
15 %
относительной
погрешности
Основная
относительная
<5%
<5%
погрешность,
(без
учёта
погрешности
образцовой меры)
Vab (пробы
бета аэрозоля
на фильтре) *
90
Sr + 90Y
3-1·105Бк/м3
0,1- 2,3 МэВ
50 %
< 25 %
Радиометр-спектрометр РМ-1402М – рисунок 44 - представляет
универсальный комплекс оборудования, предназначенный для
измерения широкого спектра характеристик ионизирующих
излучений: рентгеновского, гамма, бета, альфа, нейтронного. В
полном комплекте в состав прибора включаются 5 типов блоков
детектирования.
Прибор МКС-РМ1402М предназначен для эксплуатации в
жестких условиях, прочен к падению с высоты 0,7 м на бетонный пол,
устойчив к воздействию соляного тумана.
Назначение прибора с различными блоками детектирования:
Блок детектирования гамма излучения БД-01
Поиск (обнаружение и локализация) источников фотонного
излучения; измерение МЭД фотонного излучения в коллимированном
пучке.
Блок детектирования гамма излучения БД-02
Накопление, сохранение и передача в ПК сцинтилляционных
гамма-спектров; поиск источников и измерение МЭД фотонного
излучения в коллимированном пучке.
Блок детектирования гамма излучения БД-03
Измерение МЭД фотонного излучения; поиск источников
98
фотонного излучения.
Рисунок 44 - Радиометр-спектрометр РМ-1402М
Блок детектирования нейтронного излучения БД-04
Измерение МЭД нейтронного излучения; поиск источников
нейтронного излучения.
Блок детектирования альфа, бета излучений БД-05
Измерение плотности потока альфа, бета излучений; поиск
источников альфа, бета излучений. Краткие технические
характеристики прибора представлены в таблице 10.
Таблица 10 - Технические характеристики МКС-РМ1402М с блоком
детектирования гамма излучения БД-01
Характеристика
Значение
Детектор
Сцинтиллятор 14 х 14 х 50 мм
CsI(Tl) с фотодиодом
Диапазон измерения мощности
0,05 ÷ 40* мкЗв/ч
эквивалентной дозы (МЭД)
Чувствительность*, не менее
200 (имп/с)/(мкЗв/ч)
Диапазон
регистрируемых
0,06 ÷ 1,5 МэВ
энергий
Диапазон установки порога МЭД 0,1 ÷ 40 мкЗв/ч (0,01 мкЗв/ч)
Предел
допускаемой
± (20 + 1/H) % *
относительной
погрешности
измерений МЭД (H – МЭД в
мкЗв/ч)
Масса
300 г
Габаритные размеры
Ø 45 x 188 мм
99
8.2.2.2 Приборы для контроля альфа - излучения
Альфа-спектрометр УСК «Гамма Плюс»
- рисунок 45 предназначен для определения содержания альфа - излучающих
радионуклидов в счетных образцах, приготовленных из проб
различного происхождения: вода, почвы, руды, горные породы,
стройматериалы и т.д.
Рисунок 45 - Альфа-спектрометр УСК «Гамма Плюс»
Прибор обладает автоматическим контролем вакуума, при
необходимости прибор автоматически прерывает процесс измерения,
отключает откачку и по достижении требуемого вакуума выключает
насос и продолжает измерения и моющимся кремниевым
полупроводниковым
детектором.
Основные
технические
характеристики представлены в таблице 11.
Таблица 11 - Основные технические характеристики
Характеристика
Расстояние образец-детектор, мм
Масса образца, сырой пробы, г
Площадь детектора, мм2
Диаметр образца, мм, от
Энергетический диапазон, МэВ
Нижний предел измерения активности (Pu-239, Pu-240, Pu238) с радиохимической пробоподготовкой, на сырую
пробу, Бк
Масса установки (без ПЭВМ), кг
100
Значение
2 ÷ 60
5 ÷ 50
10 000
35
2÷8
0,1
12
Программное обеспечение предназначено для управления альфа
- спектрометрическим трактом и обработки спектров проб,
полученных электролитическим осаждением. Оно позволяет:
- проводить энергетическую калибровку по спектру измеряемой
пробы;
- записывать результаты измерений в базу данных;
- настраивать форму протокола измерений, учитывая
особенности
пробоподготовки
и
требования
нормативных
документов;
- проводить автоматический расчет погрешности измерений.
Состав прибора:
Альфа-камера вакуумная со встроенным насосом;
Блок
детектирования
на
основе
кремниевого
полупроводникового детектора, легированного Al (PIPS-детектор);
Образцовый источник;
Программное обеспечение;
ПЭВМ с принтером;
АЦП 8/16К.
8.2.2.3 Приборы для контроля гамма – излучения
Портативный
широкодиапазонный
многофункциональный
дозиметр рентгеновского и гамма-излучения ДКС-АТ-1123/1123А –
рисунок 46 – предназначен для дозиметрии непрерывного,
кратковременного и импульсного рентгеновского и гамма-излучения.
Рисунок 46 - дозиметр рентгеновского и гамма-излучения
ДКС-АТ-1123/1123А
101
Основная функция прибора — дозиметрия импульсного с
длительностью свыше 10 нс, кратковременного с длительностью
свыше 30 мс и непрерывного рентгеновского и гамма-излучения в
широких диапазонах мощности эквивалентной дозы и энергии.
Дополнительные функции - обнаружение источников мягкого и
жесткого гамма-излучения, бета - излучателей, кратковременно
действующего и импульсного излучения с оценкой длительности
воздействия, а также движущихся излучателей. Выбор и установка
любых пороговых значений из полного диапазона измерения
осуществляются с клавиатуры.
Дозиметр позволяет зафиксировать максимальный уровень
мощности дозы, запомнить 100 результатов измерений с
долговременным хранением их в памяти, передать информацию в
ПЭВМ со скоростью от 300 до 19200 бод. Самотестирование прибора
обеспечивается автоматически как при включении, так и в процессе
работы. Наличие светодиодной стабилизации измерительного тракта
исключает необходимость в эталонном радиоактивном источнике.
Виды
ионизирующего
излучения,
которые
способен
обнаруживать и измерять прибор ДКС-АТ-1123/1123А приведены в
таблице 12., а некоторые технические характеристики в таблице 13.
важное значение имеет диапазон энергий, в котором детектор имеет
чувствительность, и погрешность измерений прибора.
Таблица 12 - Виды ионизирующего излучения измеряемые прибором
ДКС-АТ-1123/1123А
Излучение
Измерение
Измерение Обнаружение
мощности дозы дозы
Рентгеновское
+
+
+
Гамма
+
+
+
Тормозное
+
+
+
Бета
-
-
+
Непрерывное
+
+
+
Кратковременное
+
+
+
Импульсное
+
+
+
102
Таблица 13 – Технические характеристики
1123/1123А
Характеристика
Размер детектора
Диапазон измерения мощности эквивалентной
дозы непрерывного излучения
Диапазон измерения мощности эквивалентной
дозы импульсного излучения
Минимальная
длительность
импульсного
излучения при мощности дозы в импульсе до 1,3
Зв/с
Минимальная длительность кратковременно
действующего излучения
Диапазон измерения эквивалентной дозы
Диапазон энергий
Энергетическая зависимость относительно 137Сs
– в диапазоне 15 кэВ ÷ 60 кэВ
– в диапазоне 60 кэВ ÷ 3 МэВ
– в диапазоне 3 МэВ ÷ 10 МэВ
Зависимость чувствительности от угла падения
излучения в интервале углов ± 90°
– для энергии 662 кэВ
– для энергии 60 кэВ
– для энергии 22 кэВ
Чувствительность по 137Сs
Чувствительность к сопутствующему бетаизлучению 90Sr + 90Y с колпачком «0,06-10 МэВ»
на расстоянии 5 см
Диапазон рабочих температур
Основная погрешность измерения
Масса
Габариты
прибора ДКС-АТЗначение
Ø 30 х 15 мм
50 нЗв/ч ÷ 10 Зв/ч
1 мкЗв/ч ÷ 10 Зв/ч
10 нс
30 мс
50 нЗв ÷ 10 Зв
0,015 ÷ 10 МэВ
± 35 %
± 25 %
± 50 %
±5%
± 20 %
± 30 %
100имп·с-/мкЗв·ч-1
3·10-7мкЗв·ч-1·Бк-1
- 30 ÷ +40°С
± 15 %
0,8 кг
233х85х67
мм
8.2.2.4 Системы индивидуальной дозиметрии
Система индивидуальной дозиметрии ДТУ-01 – рисунок 47. –
предназначена для индивидуального дозиметрического контроля
персонала. Поставляется в комплекте с программным обеспечением
для учета индивидуальных доз.
103
Рисунок 47 - Система индивидуальной дозиметрии ДТУ-01
Технические
характеристики
системы
дозиметрии ДТУ-01 приведены в таблице 14.
Таблица 14 - Технические характеристики
Характеристика
Вид регистрируемого излучения
Диапазон регистрируемого излучения, мэВ
Диапазон эквивалентной дозы, мкЗв
– с детектором ТЛД 500К
– с детектором ДТГ 4
Масса комплекта, кг
индивидуальной
Значение
рентгеновское и гамма
0,015 ÷ 3,0
0,5 ÷ 106
50 ÷ 108
25
Дозиметр цифровой ДКГ-АТ-2503 – рисунок 48 – предназначен
для индивидуального дозиметрического контроля. С его помощью
проводят измерение МЭД и ЭД гама-излучения. В комплекте со
считывающим
устройством
и
специальным
программным
обеспечением может быть использован в СИДК предприятий.
Учет собственного фона и микропроцессорная обработка
обеспечивают высокую точность измерения дозы в широком (6,5
порядков) диапазоне мощностей доз. Управление режимами работы,
выполнение вычислений, вывод информации на ЖК-индикатор с
подсветкой, самодиагностика выполняются микропроцессором.
Наличие энергонезависимой памяти позволяет запомнить и сохранить
при отключенном питании накопленную дозу, историю накопления
дозы.
104
Дозиметр
Считывающее устройство
Рисунок 48 – Дозиметр цифровой ДКГ-АТ-2503
Дозиметр размещается в нагрудном кармане одежды.
Программное обеспечение, для считывания и учета показаний
позволяет осуществлять:
-считывание/установку индивидуального и заводского номеров
дозиметра;
-изменение порогов по дозе и мощности дозы;
-запрет/разрешение выбора порогов по дозе и мощности дозы от
кнопки на передней панели дозиметра;
-изменение интервала накопления доз от 1 до 255 мин. и
возможность определения накопленной дозы за любой интервал
времени в течение рабочей смены;
-автоматическую запись в память не менее 800 значений дозы,
накопленной за выбранный интервал накопления;
-сброс (обнуление) накопленной дозы;
-запрет/разрешение сброса накопленной дозы от кнопки на
передней панели дозиметра;
-автоматическую запись информации в базу данных,
документирование.
Некоторые технические характеристики цифрового дозиметра
ДКГ-АТ-2503 приведены в таблице 15.
105
Таблица 15 - Технические характеристики цифрового дозиметра ДКГАТ-2503
Характеристика
Значение
Диапазоны измерения эквивалентной дозы (с
шагом 0,1 мкЗв)
Диапазоны измерения мощности эквивалентной
дозы
Диапазон энергий
Основная погрешность измерения дозы
Диапазон установки порогов по дозе [шаг
установки]
Погрешность калибровки по 137Cs
Основная погрешность измерения мощности
дозы
- в диапазоне от 0,1 до 1 мкЗв/ч:
- свыше 1 мкЗв/ч:
Энергетическая зависимость в диапазоне 50 кэВ
- 1,5 МэВ
Сигнализация звуковая и светодиодная при
превышении диапазона измерения по дозе и
мощности дозы, порога по дозе и мощности
дозы, неисправности детектора, разряде батарей
Пороги сигнализации по дозе и мощности дозы
(независимые)
Время отклика на изменение мощности дозы
при мощности дозы > 10 мкЗв/ч
Габаритные размеры
Масса
1 мкЗв ÷ 10 Зв
0,1 мкЗв/ч ÷ 0,5 Зв/ч
50 кэВ ÷ 1,5 МэВ
0.001 ÷ 9999 мЗв
± 15 %
±3%
±25%
± 15 %
± 30 %
70 дБ на 30 см
8
5с
85x46x16 мм
80 г
8.2.2.5 Приборы радиационного дозиметрического контроля
Установка контрольная РЗБ-05 – рисунок 49 – предназначена
для контроля загрязненности рук, ног и, с помощью выносного блока
детектирования, поверхностей тела и одежды персонала бета активными радионуклидами, с выдачей сигналов о превышении или
не превышении заданного уровня загрязненности.
106
Рисунок 49 - Установка контрольная РЗБ-05
Технические характеристики установка РЗБ-05 приведены в
таблице 16.
Таблица 16 - Технические характеристики установка РЗБ-05
Характеристика
Значение
Время контроля, с., не более
5
Диапазон
контролируемых
значений 10 ÷ 2000
плотности потока β-частиц, част./мин.·см2
Погрешность
порога
срабатывания 10
сигнализации, %, не более
Питание
Сеть
переменного
тока 220 В, 50 Гц
Диапазон рабочих температур, °С
+10 ÷ + 35
Габаритные размеры (мм), масса (кг):
– устройство детектирования УДЗБ-03И
350х420х280; 14
– устройство детектирования УДЗБ-04И
500х630х170; 30
– устройство обработки информации
520х400х215; 17
– выносной блок детектирования
140х355х65; 1,8
Сигнализатор загрязненности рук бета - активными веществами
СЗБ-04 – рисунок 50 – предназначен для сигнализации о превышении
заданных пороговых значений загрязненности поверхности рук
персонала бета - активными веществами.
Технические характеристики сигнализатора загрязненности рук
бета - активными веществами СЗБ-04 приведены в таблице 17.
107
Рисунок 50 - Сигнализатор загрязненности рук бета активными веществами СЗБ-04
Таблица 17 - Технические характеристики СЗБ-04
Характеристика
Значение
Диапазон
установки
порогов 10 ÷ 600 част./мин.·см2
сигнализации
Энергия
регистрируемого
бета- 0,15 ÷ 2,87 МэВ
излучения
Время определения загрязненности
10 с
Температура окружающей среды
+5 ÷ +35°С
Относительная влажность
до 95% (при 20°С)
8.2.2.6 Радиометры
Радиометр-дозиметр МКС-14ЭЦ (ДРГ-01М) рисунок 51 –
предназначен для измерения мощности эквивалентной дозы гаммаизлучения и измерения плотности потока бета-частиц с поверхности.
Рисунок 51 - Радиометр-дозиметр МКС-14ЭЦ (ДРГ-01М)
108
Основные измерительные задачи прибора:
Дозиметрический контроль при санитарно-гигиенических
обследованиях с одновременным документированием полученных
результатов;
Автоматизированный мониторинг радиационного фона;
Ведение базы данных с результатами измерений.
Сервисные функции:
Присвоение идентификационного номера для каждого
измерения, заносимого в память;
Передача содержимого памяти на компьютер;
Обработка данных на компьютере: запись в базу данных,
редактирование, составление отчетов об измерениях с возможностью
задания критериев отбора, вывод на печать.
Дозиметр ДРГ-01М позволяет автоматизировать работу при
проведении дозиметрического контроля в жилых и рабочих
помещениях, участках, отведенных под застройку, и других задачах,
связанных с измерением мощности эквивалентной дозы гаммаизлучения. В комплект поставки прибора включено программное
обеспечение, дающее возможность ведения баз данных об
измерениях.
Технические характеристики радиометра-дозиметра МКС-14ЭЦ
(ДРГ-01М) представлены в таблице 18.
Таблица 18 - Технические характеристики МКС-14ЭЦ (ДРГ-01М)
Характеристика
Значение
Вид контролируемого излучения
гамма, бета
Диапазон
энергий
регистрируемого
гамма-излучения, МэВ
0,05 ÷ 3,0
– бета-излучения, МэВ
0,15 ÷ 3,0
Диапазон измерения мощности
0,1 ÷ 1000
эквивалентной дозы, мкЗв/ч
Диапазон измерения плотности
0,10 ÷ 700
-2 -1
потока бета - излучения, см с
Объем памяти
2300 результатов измерений
Масса дозиметра с раздвижной
0,8
штангой до 1 м, кг
Радиометр аэрозолей «РАА-10» - рисунок 52 – предназначен
для экспрессного измерения объемной активности дочерних
продуктов распада (ДПР) радона (222Rn) и торона (220Rn), определение
109
эквивалентной равновесной объемной активности (ЭРОА) радона и
торона, величины «скрытой» энергии. Применяется для санитарногигиенических обследований помещений и территорий и используется
для работе в лабораторных и полевых условиях.
Рисунок 52 - Радиометр аэрозолей «РАА-10»
Прибор имеет микропроцессорное управление прокачкой,
перемещением фильтра, измерением. Обрабатывает результаты и
выводит спектрометрическую информацию на многоканальный
анализатор
или
персональный
компьютер.
Технические
характеристики прибора представлены в таблице 19.
Таблица 19 - Технические характеристики Радиометр аэрозолей
«РАА-10»
Характеристика
Значение
Режимы измерений:
– СПЕКТР-5, продолжительность замера
5 минут
– СПЕКТР-2, продолжительность замера
2 минуты
– «РУЧНОЙ», свободный выбор времени отбора и 1 ÷ 9999 сек
измерений
Диапазон измерений ЭРОА радона
10 ÷ 105 Бк/м3
Диапазон измерений ЭРОА торона
1 ÷ 105 Бк/м3
Пределы допускаемой основной относительной ± 30%
погрешности
Габаритные размеры
290x110x200 мм
Масса
не более 3,5
Температура окружающего воздуха
от + 5°С до +
35°С
Радиометр РГБ-06 – рисунок 53 – предназначен для измерения
110
объемной активности нуклидов газов в воздухе по их бета –
Рисунок 53 - Радиометр РГБ-0
излучению путем преобразования энергии ионизирующих излучений,
поглощенной в объеме ионизационной камеры, в электрический ток с
последующим его измерением. Радиометры могут использоваться в
лабораториях и производствах, связанных с применением или
получением
радиоактивных
нуклидов
для
непрерывного
автоматического контроля радиационной обстановки (предприятия
ядерного цикла, ГОКи, АЭС, ЭХК).
Радиометр РГБ-06 состоит из блока детектирования БДГБ-02П и
измерительного пульта типа УИ-117. Основные характеристики
прибора приведены в таблице 20.
Таблица 20 - Основные характеристики радиометр РГБ-06
Диапазоны измерения,
Бк/м3:
3
Н
от 5·104 до 5·109;
14
С(СО2)
от 5·103 до 5·108;
133
Xe
от 1·104 до 1·109;
85
Kr
от 5·103 до 5·108.
Предел
основной
относительной
± 25
погрешности измерений (Р=0,95)
Время установления рабочего режима, мин
не более 15.
Нестабильность
показаний
за
24
ч
± 2.
непрерывной работы не более, %
111
8.2.2.7 Приборы ветеринарного контроля
РСУ-01 «Сигнал-М» - рисунок 54 – прибор ветеринарного
контроля вне лабораторных условий. Прибором, в соответствии с
требованиями "Ветеринарных правил обеспечения радиационной
безопасности животных и продукции животного происхождения"
(Раздел 6. "Радиационная экспертиза продукции животного и
растительного
происхождения
лабораториями
ветеринарносанитарной экспертизы на продовольственных рынках"), возможно
проведение экспресс анализа сельхозпродукции.
Рисунок 54 - РСУ-01 «Сигнал-М»
Прибор РСУ-01 «Сигнал-М» соответствует требованиям,
предъявляемым к радиометрам, используемым в государственных
лабораториях ветеринарно-санитарной экспертизы Особенности
конструкции прибора позволяют минимизировать требования к
пробоподготовке продукции, поступающей на экспертизу в
лабораторию рынка, и, тем самым, значительно уменьшить время,
затрачиваемое на проведение одного анализа. Максимально
требуемый объем пробы, используемой для анализа, снижен до 0.5 л,
также для анализа возможно использовать непосредственно часть
продукта, которая после измерения возвращается владельцу для
продажи (мешок картошки, полутуша свиньи и т.д.). Другим
достоинством прибора является максимально упрощенный алгоритм
действий оператора, не требующий от него специального
технического образования и навыков работы. Это позволяет
значительно повысить достоверность получаемых результатов и
снизить вероятность ошибок, происходящих из-за неправильных и
112
неверных действий сотрудников лаборатории рынка.
Указанная модификация РСУ-01 включает гамма-тракт,
модернизированную защиту (позволяющую проводить измерения как
в геометрии 2п, так и с использованием сосуда Маринелли 0.5 л), и
блок индикации и управления (с введенными контрольными уровнями
в соответствии с указанными ветеринарными правилами).
Основным достоинством прибора является то, что с введением
контрольных уровней не требуется проводить измерение содержания
Sr-90 в пищевой продукции (измерения Sr-90 в условиях лабораторий
продовольственных рынков затруднены необходимостью озоления
проб и длительным временем измерения). Решение о соответствии
продукции требованиям СанПиН и ДУ принимается при не
превышении контрольного уровня на содержание гамма- излучающих
радионуклидов, при этом контрольные уровни рассчитаны исходя из
сложившегося на территории СНГ соотношения между содержанием
Cs-137 и Sr-90 в пищевой продукции. При превышении контрольных
уровней продукция отправляется на дополнительную экспертизу в
специализированные ветеринарные лаборатории.
Технические характеристики прибора РСУ-01 приведены в
таблице 21.
Таблица 21 - Технические характеристики прибора РСУ-01
Характеристика
Значение
Относительное энергетическое разрешение на линии 661
9
КэВ, %, не более
Диапазон регистрируемых энергий, МэВ
0,2 - 3
МИА (сосуд Маринелли 0,5 л), Бк/кг:
по Сs-137
10
по К-40
10
0
по Th-232
16
по Ra-226
18
Масса в лабораторных условиях (с защитой), кг, не более
30
Масса в полевых условиях (без защиты), кг, не более
2
Разрядность АЦП, каналов
10
24
Максимальное количество спектров, сохраняемых во 15 (+64)
встроенном ОЗУ
113
8.2.2.8 Системы радиационного контроля и мониторинга
Автоматизированный
аппаратно-программный
комплекс
«Барьер» для сбора данных и контроля радиационной обстановки
предназначен для контроля радиационной обстановки на
радиационно-опасных объектах и в санитарно-защитной зоне, при
этом осуществляется
сбор и передача данных радиационного
состояния, контроль технологических параметров, управление
исполнительными механизмами.
Принцип работы:
При создании интегрированной системы радиационного
мониторинга объекта был заложен сетевой CAN (Control Area
Network)
интерфейс
—
последовательная
магистраль,
обеспечивающая увязку в сеть «интеллектуальных» устройств
ввода/вывода, датчиков и исполнительных устройств некоторого
механизма или даже предприятия. CAN характеризуется протоколом,
обеспечивающим возможность нахождения на магистрали нескольких
ведущих устройств, обеспечивающим передачу данных в реальном
масштабе
времени
и
коррекцию
ошибок,
высокой
помехоустойчивостью.
Интерфейс зарегистрирован в международной организации по
стандартизации как ISO 11898 для высокоскоростных приложений и
ISO 11519-2 для низкоскоростных приложений. Широко применяется
в промышленности, энергетике и на транспорте. Позволяет строить
как дешевые мультиплексные каналы, так и высокоскоростные сети.
Скорость передачи задается программно и может достигать 1 Мбит/с.
Такая система позволит вести непрерывный мониторинг в
автоматическом режиме ландшафта или территории, потенциально
опасной в радиационном отношении. Более того, при наличии
управляющей связи с управлением источника радиационного
воздействия на окружающую среду, она позволит управлять
процессами снижения негативного воздействия.
8.2.2.9 Приборы радиационного контроля общего
назначения
Измеритель-сигнализатор гамма-излучения поисковый РМ1401М/РМ-1703 – рисунок 55 – предназначен для поиска и
обнаружение источников гамма-излучения. ИСП-РМ1401М (РМ1703)
является прибором следующего поколения по сравнению с хорошо
известным и зарекомендовавшим себя поисковым дозиметром ДРСРМ1401. Сохранив все положительные качества и характеристики
своего предшественника, РМ1401М (РМ1703) превосходит его по
114
ряду показателей:
обладает функцией запоминания в своей энергонезависимой
памяти истории работы и ее передачи в персональный компьютер по
инфракрасному каналу связи;
имеет меньшие размеры и массу; содержит только один элемент
питания;
имеет люминесцентную подсветку ЖКИ.
Рисунок 55 - Измеритель-сигнализатор гамма-излучения
поисковый РМ-1401М/РМ-1703
Отличие между двумя приборами заключается в том, что
РМ1401М соответствует требованиям российского ГОСТ Р*.516352000 по чувствительности. В то же время РМ1703 является одним из
двух приборов в мире наряду с РМ1401, который в своем классе
карманных мониторов, успешно прошел испытания по программе
ITRAP и имеет соответствующий сертификат.
В приборе предусмотрены два режима работы: поиск
(обнаружение и локализация) радиоактивных источников по их
внешнему гамма излучению и оценка уровня излучения в мкЗв/час.
Прибор может также поставляться с удлинителем телескопическим,
предназначенным для проведения радиационного контроля в
труднодоступных местах и обеспечения более высокой радиационной
защиты оператора, что позволяет эффективно его использовать для
проведения радиационного контроля металлолома и других видов
вторичного сырья.
Для работы с прибором не требуется специальная квалификация
и подготовка пользователя, так как все операции после включения
прибора выполняются автоматически (самодиагностика, измерение
115
фона, расчет порога, сравнение текущих измерений с порогом).
Сигнализация подается только в случае превышения порога, что не
отвлекает внимания и облегчает работу пользователя.
В конструкции прибора реализована возможность измерения и
запоминания радиационного фона (калибровки по уровню фона) в
любой момент по желанию пользователя. Это обеспечивает
адекватную автоматическую адаптацию прибора к изменению уровня
фона и соответственно локализацию радиоактивного источника в
новых условиях: например, при уменьшении фона вследствие
экранировки излучения металлоломом либо в условиях повышенной
интенсивности излучения (локализация точечного источника в
упаковке значительных размеров).
Измеритель-сигнализатор
поисковый
ИСП-РМ1401К-01
(РМ1401ГН) PM1401К-01 – рисунок 56 - обладает высокой
чувствительностью как к гамма, так и нейтронному излучению. Это
достигается использованием в приборе двух детекторов:
сцинтиллятора на основе кристалла CsI для регистрации гамма
квантов и газоразрядного датчика на основе Не-3 для регистрации
нейтронов. Нейтронная чувствительность прибора также может быть
значительно увеличена путем применения внешнего замедлителя в
виде полиэтиленовой камеры. Это дает возможность обнаружить и
локализовать такое же количество оружейного плутония и других
нейтронных источников, которые вызывают срабатывание больших
высокочувствительных стационарных радиационных мониторов.
Рисунок 56 - Измеритель-сигнализатор поисковый ИСПРМ1401К-01
Алгоритм,
используемый
в
мониторе,
обеспечивает
автоматическое запоминание радиационного фона и вычисление
порога срабатывания по заданным пользователем исходным
116
параметрам. При превышении этого порога прибор подает звуковой
или вибрационный сигнал, частота которого меняется по мере
приближения к источнику или удаления от него, что позволяет
пользователю даже без специальной подготовки легко локализовать
источник. В мониторе предусмотрены два режима работы: поиск
радиоактивных источников по их гамма и нейтронному излучениям и
оценка уровня гамма излучения в мкЗв/ч. Он имеет
энергонезависимую память, в которой сохраняется история работы
прибора для последующей передачи ее в компьютер через встроенный
или внешний IRDA адаптер для формирования базы данных. Из этой
базы данных пользователь может получить информацию о состоянии
всех параметров прибора, времени включения/выключения, времени
срабатывания сигнализации, уровня излучения и т.д., а также
использовать эти данные для контроля, обработки и анализа. Прочный
герметичный корпус и наличие люминесцентной подсветки ЖКИ
позволяют использовать монитор в неблагоприятных климатических и
жестких условиях эксплуатации и при отсутствии внешнего
освещения.
Прибор снабжен набором различных аксессуаров, в том числе
внешним
вибрационным
сигнализатором,
телескопическим
удлинителем, обеспечивающим поиск и измерение источников в
труднодоступных местах. Также в комплект аксессуаров входит
внешний
замедлитель
нейтронов,
представляющий
собой
полиэтиленовую камеру, внутрь которой помещается прибор. Это
дает возможность обнаружить и локализовать источники быстрых
нейтронов, вызвавших срабатывание больших стационарных
радиационных мониторов.
117
Заключение
Радиационные действия всеобъемлющи. В теле любого
организма, в том числе пишущего и читающего эти строки, в любом
камне, в воде и воздухе, в звездах и космическом пространстве
постоянно происходят явления, которые мы относим к радиационным
изменениям. В звездах атомы рождаются, увеличиваются в размерах,
чтобы потом превратиться в более простые и более устойчивые
конфигурации протонов и нейтронов.
Основные закономерности этих процессов необходимо знать,
прежде чем начать проведение радиационных исследований, так как
невозможно без понимания основ физического, химического и
биологического проявления радиоактивности и взаимодействия
ионизирующего излучения с веществом сделать какие-либо выводы из
полученных результатов. Кроме того, нужно иметь представление о
взаимодействии ионизирующего излучения с веществом и основы
дозиметрии. Это позволит получать адекватные результаты и
интерпретировать их в соответствии со свойствами объектов.
118
Приложение А Радиоактивность и положение в таблице
Менделеева
Периодичность свойств химических элементов обусловлена
периодическим повторением конфигурации внешних электронных
оболочек атомов. С положением элемента в системе связаны его
химические и многие физические свойства. В свою очередь общее
число нейтрального атома обусловлена количеством протонов в ядре
атома. Сумма протонов ядра обеспечивает также его положение в
периодической таблице. При изменении количества протонов, которое
сопутствует α или β – распадам изменяются и химические свойства
атомов и их положение в таблице Менделеева. Некоторые ядерные
реакции и результаты естественной радиоактивности приведены в
раздел 5.
Изменения также происходят и с тяжелыми ядрами, которые
неустойчивы, поэтому, распадаются с образованием других
элементов. Суммарное содержание протонов и нейтронов при таких
ядерных превращениях остается неизменным. На рисунке А1
приведена периодическая система элементов Д.И.Менделеева.
Начиная с америция (Z = 95) и последующие элементы не
обнаружены в природе; их получают искусственно при ядерных
реакциях.
119
120
Литература
Основная
1 Бодровский В.А., Бурсиан Э.В. Общая физика. — М. : Владос,
2001. — 295 с.
2 Пивоваров Ю.П., Михалев В.П. Радиационная экология. —
М. : Академия, 2004. — 437 с.
3 Радиация: Дозы, эффект, риск. — М. : Мир, 1988. — 79 с.
4 Сивухин Д. В. Атомная и ядерная физика. — М. : 2002. —
782 с.
5 Экология и безопасность жизнедеятельности. — М. :
ЮНИТИ-ДАНА. 2002. — 447 с.
Дополнительная
1 Войткевич Г.В. Радиоактивность в истории Земли. — М. :
Наука, 1970. — 168 с.
2 Максимов М.Т., Оджагов Г.О. Радиоактивные загрязнения и
их измерение. — М. : Энергоатомиздат, 1989. — 304 с.
3 Моисеев А.А., Иванов В.И. Справочник по дозиметрии и
радиационной гигиене. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 252 с.
4 Николайкин Н. И. и др. Экология. — М. : Дрофа, 2003. —
624 с.
5 Платонов А.П., Платонов В.А. Основы общей и инженерной
экологии. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2002. — 350 с.
6 Черных Н.А. Экологический мониторинг токсикантов в
биосфере. — М. : РУДН, 2003. — 432 с.
121
Содержание
1
2
2.1
2.2
2.3
3
3.1
3.2
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.7.1
4.7.2
4.7.3
4.7.4
4.7.5
4.8
5
5.1
5.1.1
5.1.2
5.1.3
5.2
5.7.1
5.3
5.4
5.4.
5.4.2
5.4.
5.4.4
5.4.5
5.5
5.5.1
5.5.2
Основные понятия, термины и определения ....................... 4
Из чего сделано вещество. Немного истории ...................... 5
Атомы ....................................................................................... 5
Элементарные частицы .......................................................... 5
Кварки ...................................................................................... 6
Элементарные частицы .......................................................... 7
Фундаментальные взаимодействия ....................................... 9
Аннигиляция .......................................................................... 10
Атом........................................................................................ 11
Состав атомных ядер ............................................................ 17
Изотопы .................................................................................. 18
Атом водорода ....................................................................... 19
Дефект массы......................................................................... 21
Постулаты Бора ..................................................................... 23
Корпускулярно-волновой дуализм..................................... 24
Энергия связи ядер................................................................ 25
Энергетические уровни ядра .............................................. 27
Насыщение ядерных сил ..................................................... 27
Импульс движения ............................................................... 28
Магнетон Бора ...................................................................... 29
Спин ядра .............................................................................. 30
Единицы атомной и ядерной физики ................................. 31
Радиоактивность................................................................... 32
Естественная радиоактивность ........................................... 34
α- распад ................................................................................ 35
β- распад ................................................................................ 38
γ- излучение .......................................................................... 40
Превращения ядерных частиц ............................................. 41
Устойчивость ядер ................................................................ 42
Закон радиоактивного распада ............................................ 43
Ядерные реакции ................................................................... 46
Первая ядерная реакция ...................................................... 48
Ядерные реакции под действием α- частиц ...................... 49
Ядерные реакции под действием протонов....................... 50
Ядерные реакции под действием нейтронов..................... 50
Реакция деления тяжелых ядер.......................................... 50
Синтез атомных ядер ........................................................... 55
Протон - протонная реакция .............................................. 56
Углеродно – азотный цикл ................................................. 58
122
5.5.3 Управляемый термоядерный синтез ................................... 60
6
Проявление радиоактивности .............................................. 61
6.1 Ионизация .............................................................................. 62
6.1.1 Потенциал ионизации ........................................................... 62
6.2 Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом 65
6.2.1 Радиолиз воды ....................................................................... 66
8.2.2 Свободные радикалы ............................................................ 67
6.3 Наведенная радиоактивность............................................... 68
7
Дозиметрия радиационных явлений................................... 69
7.1 Радиоактивность, единицы измерения ............................... 69
7.2 Доза излучения ...................................................................... 70
6.2.1 Экспозиционная доза ............................................................ 71
6.2.2 Поглощенная доза ................................................................. 72
6.2.3 Эквивалентная доза............................................................... 73
6.2.4 Мощность дозы ..................................................................... 75
8
Дозиметрия ионизирующих излучений .............................. 76
8.1 Детекторы ионизирующих излучений ............................... 76
8.1.1 Ионизационные камеры ...................................................... 78
8.1.2 Химические детекторы ........................................................ 82
8.1.3 Сцинтилляционные счетчики .............................................. 82
8.1.4 Фотографические детекторы ............................................... 86
8.1.6 Другие виды детекторов ....................................................... 87
8.2 Дозиметрические приборы .................................................. 88
8.2.1 Некоторые дозиметрические приборы ............................... 90
8.2.2 Современные дозиметрические приборы ........................... 91
Заключение .......................................................................... 118
Приложение А Радиоактивность и положение в
таблице Менделеева ......................................................... 119
123
Рисунок А1 - Таблица Менделеева. Номер ячейки соответствует количеству протонов в ядре
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
2 994 Кб
Теги
bondarenko, osnovy, ekologia, radiacionnoy
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа