Uchebnoe_posobie_Optika

Таким образом, чем меньше период полураспада радиоактивного элемента, тем больше пробег, а следовательно, и энергия испускаемых им – частиц. Пробег –частиц в воздухе (при нормальных условиях) составляет несколько сантиметров, в более плотных средах он гораздо меньше – сотые доли миллиметра ( –частицы можно задержать обычным листом бумаги).

Опыты Резерфорда по рассеянию –частиц на ядрах урана показали, что –частицы вплоть до энергии 8,8 МэВ испытывают на ядрах резерфордовское рассеяние, т.е. силы, действующие на –частицы со стороны ядер, описываются законом Кулона. Подобный характер рассеяния –частиц указывает на то, что они еще не вступают в область действия ядерных сил, т. е. можно сделать вывод, что ядро окружено потенциальным барьером, высота которого не меньше 8,8 МэВ. С другой стороны, –частицы, испускаемые ураном, имеют энергию 4,2 МэВ. Следовательно, –частицы вылетают из а- радиоактивного ядра с энергией, заметно меньшей высоты потенциального барьера. Классическая механика этот результат объяснить не могла.

Объяснение –распада дано квантовой механикой, согласно которой вылет –частицы из ядра возможен благодаря туннельному эффекту – проникновению –частицы сквозь потенциальный барьер. Всегда имеется отличная от нуля вероятность того, что частица с энергией, меньшей высоты потенциального барьера, пройдет сквозь него, т.е., действительно, из – радиоактивного ядра –частицы могут вылетать с энергией, меньшей высоты потенциального барьера. Этот эффект обусловлен волновой природой – частиц.

2.7. - – Распад. Нейтрино.

Явление -–распада (существует и +–распад) подчиняется правилу смещения: ZAX Z A1Y 01e и связано с выбросом электрона. Пришлось преодолеть целый ряд трудностей с трактовкой -–распада.

Протонно–нейтронное строение ядра исключает возможность вылета электрона из ядра, поскольку в ядре электронов нет. Предположение же, что электроны вылетают не из ядра, а из электронной оболочки, несостоятельно, поскольку тогда должно было бы наблюдаться оптическое или рентгеновское излучение, что не подтверждают эксперименты. Необходимо было объяснить непрерывность энергетического спектра испускаемых электронов (типичная для всех изотопов кривая распределения -–частиц

по энергиям приведена на рисунке).

Гипотеза о том, что при -–распаде электроны покидают ядро со строго определенными энергиями, но в результате каких-то вторичных взаимо-

101

действий теряют ту или иную долю своей энергии, так что их первоначальный дискретный спектр превращается в непрерывный, была опровергнута прямыми калориметрическими опытами. Так как максимальная энергия Етвх определяется разностью масс материнского и дочернего ядер, то распады, при которых энергия электрона Е < Етах, как бы протекают с нарушением закона сохранения энергии.

Необходимо разобраться с несохранением спина в -–распаде. При -– распаде число нуклонов в ядре не изменяется (так как сохраняется массовое число А), поэтому не должен изменяться и спин ядра, который равен целому числу при четном А и полуцелому при нечетном А. Однако выброс элек-

трона, имеющего спин , должен изменить спин ядра на величину .

2 2

Последние два затруднения привели В. Паули к гипотезе (1931) о том, что при -–распаде вместе с электроном испускается еще одна нейтральная частица – нейтрино. Нейтрино имеет нулевой заряд, спин 1/2 (в единицах )

и нулевую (а скорее < 10 4 me ) массу; обозначается 00 . Впоследствии оказа-

лось, что при -–распаде испускается не нейтрино, а антинейтрино (анти-

частица по отношению к нейтрино; обозначается 00 ~e ).

Нейтрино – единственная частица, не участвующая ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях; единственный вид взаимодействий, в котором может принимать участие нейтрино, – слабое взаимодействие. Поэтому прямое наблюдение нейтрино весьма затруднительно. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится на 500 км пути. Проникающая же способность нейтрино столь огромна (пробег нейтрино с энергией 1 МэВ в свинце составляет примерно 1018 м), что затрудняет удержание этих частиц в приборах.

Введение нейтрино (антинейтрино) позволило не только объяснить кажущееся несохранение спина, но и разобраться с вопросом непрерывности энергетического спектра выбрасываемых электронов. Сплошной спектр -– частиц обусловлен распределением энергии между электронами и антинейтрино, причем сумма энергий обеих частиц равна Етах.

Поскольку электрон не вылетает из ядра и не вырывается из оболочки атома, было сделано предположение, что -–электрон рождается в резуль-

тате процессов, происходящих внутри ядра. Так как при -–распаде число нуклонов в ядре не изменяется, a Z увеличивается на единицу, то единственной возможностью одновременного осуществления этих условий является превращение одного из нейтронов -–активного ядра в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино:

01n 11p 10e 00 ~e . В этом процессе выполняются законы сохранения зарядовых чисел, импульса и массовых чисел.

102

2.8. Гамма-излучение и его свойства

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

–излучение испускается дочерним (а не материнским) ядром. При – излучении А и Z ядра не изменяются, поэтому оно не описывается никакими правилами смещения. Излучение большинства ядер является столь коротковолновым, что его волновые свойства проявляются весьма слабо. На первый план выступают корпускулярные свойства, поэтому –излучение рассматривают как поток частиц – –квантов. В квантовой электродинамике доказывается, что основными процессами, сопровождающими прохождение – излу-

чения сквозь вещество, являются фотоэффект, комптон-эффект (комптоновское рассеяние) и образование электронно-позитронных пар.

2.9. Дозиметрия радиоактивного излучения

Только та часть энергии радиоактивного излучения, которая поглощается телом, оказывает на него воздействие. Эта часть энергии характеризует-

ся поглощённой дозой.

Поглощённая доза Dпог – это энергия радиоактивного излучения, по-

Измерение поглощённой дозы затруднительно, т.к. не ясно, какую часть энергии организм поглотил, а какая часть прошла через тело без взаимодействия. Поэтому вводят экспозиционную дозу или просто дозу облучения.

Экспозиционная доза D0 – представляет собой поглощённую дозу для

Наиболее употребительна внесистемная единица экспозиционной дозы

– рентген. Ренген Р – это доза ренгеновского или γ–излучения, которая в результате полного ионизирующего действия в 1 см3 сухого воздуха при нормальных условиях (00С, 760 мм.рт.ст.) образует 2 миллиарда пар ионов.

1Р 2,58 10 4 Кл . Переход от экспозиционной дозы к поглощённой дозе осу-

кг

ществляется с помощью коэффициентов, имеющих различное значение для различных тканей и длин волн излучения: Dпог fD0 .

103

В связи с тем, что биологическое действие нейтронного, протонного,–, β– излучений отличается от R– и γ–излучений вводят понятие эквивалентной или биологической дозы.

Биологическая доза Dб – это энергия нейтронного, протонного, –, β – излучений, поглощённая единицей массы тела организма и оцениваемая по

биологическому действию излучения. Dб Дж Зв – Зиверт.

кг

Распространена внесистемная единица измерения – бэр (биологический эквивалент рада). 1Зв=100бэр. Бэр – энергия ионизирующего излучения по своему биологическому действию эквивалентная 1 раду R – или γ– излучения.

Переход от поглощённой дозы к биологической дозе осуществляется с помощью коэффициентов k – относительная биологическая эффектив-

ность, имеющих различное значение для различных видов излучения Dб kDп . Часто используют понятие мощность дозы.

Мощность дозы – это доза радиоактивного излучении, получаемая телом в единицу времени.

Безопасная мощность дозы 12-14 мкР/час. При мощности дозы 30-50

мкР/час, получаемой длительно, возникают болезненные явления в организме. В онкологии при локальном терапевтическом облучении дают суммарную поглощённую дозу ~ 40-70 Гр в зависимости от вида опухоли.

При анализе действия радиоактивного излучения на человека можно использовать следующие данные: 25 Р – предельная доза, поражения клинически не наблюдаются; 50 Р– небольшое снижение количества лимфоцитов в крови; 75-100 Р – критическая доза, наблюдается плохое самочувствие, усталость; 100-200 Р – продолжительная лимфопения, иногда смертельный исход; 200 Р – снижение форменных элементов крови (cмертельный исход в 5% случаев); 400 Р – полулетальная доза (cмертность 50% через месяц); 600 Р однократно – летальная доза, приводит к смерти в 100% случаев.

2.10. Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений и частиц

Практически все методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений ( –, –, ) и частиц основаны на их способности производить ионизацию и возбуждение атомов среды.

Приборы, применяемые для регистрации радиоактивных излучений и частиц, делятся на две группы:

1)приборы, позволяющие регистрировать прохождение частицы через определенный участок пространства и в некоторых случаях определять ее ха-

рактеристики, например энергию (сцинтилляционный счетчик, черепковский счетчик, импульсная ионизационная камера, газоразрядный счетчик, полупроводниковый счетчик);

2)приборы, позволяющие наблюдать, например фотографировать, сле-

104

ды (треки) частиц в веществе (камера Вильсона, диффузионная камера, пузырьковая камера, ядерные фотоэмульсии).

Сцинтилляционный счетчик

Сцинтилляционный счетчик – детектор ядерных частиц, основными элементами которого являются сцинтиллятор (кристаллофосфор) и фотоэлектронный умножитель, позволяющий преобразовывать слабые световые вспышки в электрические импульсы, регистрируемые электронной аппаратурой. Сцинтилляционные счётчики обладают высоким разрешением по времени (10 10 10 5 с), определяемым родом регистрируемых частиц, сцинтиллятором и разрешающим временем используемой электронной аппаратуры. Применяют для измерения энергии регистрируемых частиц.

Черенковский счетчик

Принцип его работы основан на свойствах излучения Черенкова–Вавилова. Назначение черенковских счетчиков – это измерение энергии частиц, движущихся в веществе со скоростью, превышающей фазовую скорость света в данной среде, и разделение этих частиц по массам. Для черенковских счетчиков разрешение по скоростям (по энергиям) составляет 10 3 10 5 . Счетчики Черенкова устанавливаются на космических кораблях для исследования космического излучения.

Импульсная ионизационная камера

Импульсная ионизационная камера – это детектор частиц, действие которого основано на способности заряженных частиц вызывать ионизацию газа. Ионизационная камера представляет собой заполненный газом электрический конденсатор, к электродам которого подается постоянное напряжение. Регистрируемая частица, попадая в пространство между электродами, ионизует газ. Ионизационные камеры бывают двух типов: ин-

тегрирующие (в них измеряется суммарный ионизационный ток) и импульсные, являющиеся, по существу, счетчиками (в них регистрируется прохождение одиночной частицы и измеряется ее энергия, правда, с довольно низкой точностью, обусловленной малостью выходного импульса).

Газоразрядный счетчик

Газоразрядный счетчик обычно выполняется в виде наполненного газом металлического цилиндра (катод) с тонкой проволокой (анод), натянутой по его оси. Хотя газоразрядные счетчики по конструкции похожи на ионизационную камеру, однако в них основную роль играет вторичная ионизация, обусловленная столкновениями первичных ионов с атомами и молекулами газа и стенок.

Можно говорить о двух типах газоразрядных счетчиков: пропорциональных [в них газовый разряд несамостоятельный, т. е. гаснет при прекращении действия внешнего ионизатора] и счетчиках Гейгера–Мюллера [в них разряд самостоятельный, т.е. поддерживается после прекращения действия внешнего ионизатора].

В пропорциональных счетчиках рабочее напряжение выбирается так, чтобы они работали в области вольт-амперной характеристики, соответствующей несамостоятельному разряду, в которой выходной импульс пропорционален первичной ионизации, т. е. энергии влетевшей в счетчик частицы. Поэтому они не только регистрируют частицу, но и измеряют ее энергию. Счетчик Гейгера–Мюллера по конструкции и принципу действия существенно не отличается от пропорционального счетчика, но работает в области вольтамперной характеристики, соответствующей самостоятельному разряду, когда выходной импульс не зависит от первичной ионизации. Счетчики Гейгера–Мюллера регистрируют частицу без измерения её энергии.

Полупроводниковый счетчик

Полупроводниковый счетчик – это детектор частиц, основным элементом которого является полупроводниковый диод. Время разрешения составляет примерно 10 -9 с. Полупроводниковые счетчики обладают высокой надежностью, могут работать в магнитных полях. Малая толщина рабочей области (порядка сотни микрометров) полупроводниковых счетчиков не позволяет применять их для измерения высокоэнергетических частиц.

105

2.11. Ядерные реакции и их основные типы

Ядерные реакции – это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с –квантами) или друг с другом.

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является реакция, записываемая символически следующим образом:

X + a Y + b, или X (а, b) Y, где X и Y – исходное и конечное ядра; а и b – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

1). по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (например, протонов, дейтронов,–частиц); реакции под действием –квантов; 2). по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых энергиях (поряд-

ка электрон-вольт), происходящие в основном с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (до нескольких мегаэлектрон-вольт), происходящие с участием –квантов и заряженных частиц (протоны, –частицы); реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи мегаэлектрон-вольт), приводящие к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц и имеющее большое значение для их изучения; 3). по роду участвующих в них ядер – реакции на легких ядрах (А < 50); ре-

акции на средних ядрах (50 < А < 100); реакции на тяжелых ядрах (А > 100); 4). по характеру происходящих ядерных превращений – реакций с испуска-

нием нейтронов; реакции с испусканием заряженных частиц; реакции захвата (в этих реакциях составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько –квантов).

2.11.1. Реакции деления ядра

Было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины Периодической системы – лантан и барий.

Этот результат положил начало ядерным реакциям совершенно нового типа – реакциям деления ядра, заключающимся в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось и других частиц, делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Замечательной особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых ней-

тронами деления.

Испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными.

Большинство нейтронов при делении испускается практически мгновенно (t 10 -14 с), а часть (около 0,7 %) испускается осколками деления спустя некоторое время после деления (0,05 с t 60 с). Первые из них называ-

107

ются мгновенными, вторые – запаздывающими. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущенных нейтронов. Они имеют сравнительно широкий энергетический спектр в пределах от 0 МэВ до 7 МэВ, причем на один нейтрон в среднем приходится энергия около 2 МэВ. Деление ядер сопровождается выделением большого количества энергии. При делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон. Эксперименты подтверждают, что при каждом акте деления действительно выделяется огромная энергия, которая распределяется между осколками (основная доля), нейтронами деления, а также между продуктами последующего распада осколков деления. Вероятность деления ядер определяется энергией нейтронов. Нейтроны, обладающие энергией активации (минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра) порядка 1 МэВ, вызывают деление ядер урана 23892U , тория 23290Th, протактиния 23191 Pa и плутония 23994 Pu .

2.11.2. Цепная реакция деления

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления – ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требо-

вание k 1.

Не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Вопервых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа – от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется

критической массой.

При k > 1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k = 1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменя-

ется. При k < 1 идет затухающая реакция.

108

Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией.

2.11.3. Понятие о ядерной энергетике

Большое значение в ядерной энергетике приобретает не только осуществление цепной реакции деления, но и управление ею. Устройства, в которых осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления,

называются ядерными реакторами.

Ядерный реактор является мощным источником проникающей радиации (нейтроны, –излучение), примерно в 1011 раз превышающей санитарные нормы. Поэтому любой реактор имеет биологическую защиту – систему экранов из защитных материалов (например, бетон, свинец, вода), располагающуюся за его отражателем, и пульт дистанционного управления.

Ядерные реакторы различаются: 1) по характеру основных материалов, находящихся в активной зоне (ядерное топливо, замедлитель, теплоноси-

тель); 2) по характеру размещения ядерного топлива и замедлителя в актив-

ной зоне: гомогенные (оба вещества равномерно смешаны друг с другом) и гетерогенные (оба вещества располагаются порознь в виде блоков); 3) по энергии нейтронов (реакторы на тепловых и быстрых нейтронах; в по-

следних используются нейтроны деления и замедлитель вообще отсутствует); 4) по типу режима (непрерывные и импульсные); 5) по назначению (энергетические, исследовательские, реакторы по производству новых делящихся материалов, радиоактивных изотопов и т.д.).

В соответствии с рассмотренными признаками и образовались такие названия, как уран-графитовые, водо-водяные, графито-газовые реакторы и др. Среди ядерных реакторов особое место занимают энергетические реак- торы-размножители. В них наряду с выработкой электроэнергии идет процесс воспроизводства ядерного горючего. Это означает, что в реакторе на естественном или слабообогащенном уране используется не только изотоп 23592U , но и изотоп 23892U . В настоящее время основой ядерной энергетики с воспроизводством горючего являются реакторы на быстрых нейтронах.

Впервые ядерная энергия для мирных целей была использована в

СССР. В Обнинске под руководством И. В. Курчатова введена в эксплуатацию (1954) первая атомная электростанция мощностью 5 МВт.

2.11.4. Реакции синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций.

Источником огромной энергии может служить реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер более тяжелых. Удельная энергия связи ядер резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дейтерия 12H и трития 13H ) к литию 36Li и особенно к гелию 24He, т. е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны сопровождаться выделением большого количества энергии, что действительно подтверждается расчетами.

109

Реакции синтеза атомных ядер обладают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях

238U

деления тяжелых ядер. Если при делении ядра 92 выделяется энергия примерно 200 МэВ, что составляет на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то в реакции синтеза эта величина равна 3,5 МэВ.

Для протекания реакции синтеза атомных ядер достаточно температуры порядка 107 К. Это связано с двумя факторами: 1) при температурах, характерных для реакций синтеза атомных ядер, любое вещество находится в состоянии плазмы, распределение частиц которой подчиняется закону Максвелла; поэтому всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение; 2) синтез ядер может происходить вследствие туннельного эффекта.

Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 107 К и выше), называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, являющегося неуправляемой реакцией. Начало широкого международного сотрудничества в области физики высокотемпературной плазмы и управляемого термоядерного синтеза положено работами И. В. Курчатова.

3. Элементы физики элементарных частиц

3.1. Космическое излучение

Развитие физики элементарных частиц тесно связано с изучением космического излучения – излучения, приходящего на Землю практически изотропно со всех направлений космического пространства.

Измерения интенсивности космического излучения, проводимые методами, аналогичными методам регистрации радиоактивных излучений и частиц приводят к выводу, что его интенсивность быстро растет с высотой, достигает максимума, затем уменьшается и с h 50 км остается практически постоянной.

Различают первичное и вторичное космическое излучение. Излучение, приходящее непосредственно из космоса, называют первичным космическим излучением. Исследование его состава показало, что первичное излучение представляет собой поток элементарных частиц высокой энергии, причем более 90% из них составляют протоны с энергией примерно 109–1013 эВ, около 7% – –частицы и лишь небольшая доля (около 1%) приходится на ядра более тяжелых элементов (Z > 20).

С приближением к Земле интенсивность космического излучения возрастает, что свидетельствует о появлении вторичного космического излучения, которое образуется в результате взаимодействия первичного космического излучения с ядрами атомов земной атмосферы. Во вторичном космическом излучении встречаются практически все известные элементарные час-

110