Медведев Физические основы радиохимии 2011

тронном уровне. Эта вакансия может быть заполнена электроном с более слабой связью с внешней орбиты j-го уровня. Такое изменение энергетического уровня сопровождается испусканием рентгеновского кванта – кванта с энергией Еi – Ео или испусканием ожеэлектронов с энергией Еi – 2Ео. Доля вакансий на i-м уровне, вызывающих испускание рентгеновских квантов, называется выходом флуоресценции ωi. На рис. 4.13 представлено изменение выхода флюоресценции K-оболочки в зависимости от атомного номера элемента. Испускание рентгеновских квантов более вероятно для элементов с высоким Z (для Z > 70 ωк > 95 %).

Так как K-, L-, M-уровни являются дискретными, и им соответствует строго определенная энергия, зависящая от Z, то и соответствующие спектры рентгеновского излучения также дискретны и являются однозначной характеристикой данного элемента. Это используется при рентгено-флуоресцентном анализе (РФА), когда неизвестный образец облучают спектром тормозного излучения и возбуждают соответствующие K- и L-линии элементов, содержащихся в образце.

Рис. 3.13. Изменение выхода флюоресценции K-оболочки ωк с увеличением атомного номера

Те, в свою очередь, испускают вторичное – флуоресцентное излучение, которое и регистрируется. По полученным спектрам определяют энергию перехода, а по ней – атомный номер элемента, а

72

по интенсивности линии – относительное содержание элемента в пробе.

Другой причиной возникновения рентгеновского излучения является радиационное торможение заряженных частиц, особенно электронов, заключающееся в том, что при быстром торможении заряженной частицы, движущейся в поле ядра и орбитальных электронов, испускается рентгеновское излучение, называемое в данном случае тормозным. Боле подробно этот вопрос изложен в гл. 6 при рассмотрении прохождения β-частиц через вещество.

3.4. Спонтанное деление ядер

Делением атомных ядер называют их распад на два осколка сравнимой массы. Деление может быть самопроизвольным (спонтанным) или вынужденным (вызванным взаимодействием с налетающей частицей).

В 1940 г. советскими учеными К.А. Петржаком и Г.Н. Флеровым было открыто спонтанное деление. При этом процессе ядра радионуклида самопроизвольно распадаются на осколки деления. Возможность этого процесса обусловлена тем, что удельная энергия связи Eсв/A, начиная с середины периодической таблицы, уменьшается с ростом массового числа A из-за кулоновского

ру оказывается энергетически выгодно распадаться на более легкие фрагменты.

Однако выигрыш в удельной энергии связи только необходимое, но не достаточное условие деления. Рассмотрим упрощенно механизм деления. В процессе деления форма ядра изменяется, последовательно проходя несколько стадий (рис. 3.14): шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка. Изменение энергии ядра при этом определяется не только изменением кулоновской энергии отталкивания, но и действующей в обратном направлении поверхностной энергии. Так, при изменении формы ядра из сферической в эллипсоидальную объем его не меняется, а поверхность увеличивается, поверхностная энергия возрас-

73

тет по абсолютной величине, и поверхностные силы будут стремиться вернуть ядро в исходное сферическое состояние.

Рис. 3.14. Механизм деления ядра

С другой стороны, кулоновская энергия ядра, наоборот, уменьшится по абсолютной величине из-за увеличения среднего расстояния между протонами, и кулоновские силы отталкивания будут стремиться увеличить деформацию ядра. При малых деформациях преобладают силы поверхностного натяжения, а при больших –

74

силы кулоновского отталкивания. Таким образом, возникает типичный потенциальный барьер, препятствующий мгновенному делению тяжелых ядер. И для того чтобы ядро разделилось, ему необходимо передать энергию возбуждения, равную или большую высоты потенциального барьера (рис. 3.15). Необходимая энергия возбуждения уменьшается при переходе к более тяжелым ядрам.

Рис. 3.15. Потенциальная энергия V(r) деления ядра 235U

Вероятность же спонтанного деления определяется величиной

за счет эффекта просачивания через барьер подобно α-распаду. За счет туннельного эффекта спонтанное деление, как и α-распад, осуществляется крайне медленно. Более того, как правило, периоды полураспада по каналу спонтанного деления намного превышают периоды полураспада по каналу α-распада. Например, в случае 238U период полураспада по каналу спонтанного деления составляет 5,9 1015 лет, а по α-каналу 4,5 109 лет. В случае очень тяжелых ядер периоды их полураспада по каналу спонтанного деления намного превышают периоды полураспада с испусканием α-частиц.

В табл. 3.1 представлены основные характеристики трансурановых нуклидов, наиболее подходящих для создания образцовых мер активности спонтанноделящихсянуклидов.

75

Примечание: MZ – атомная масса нуклида в атомных единицах массы, Тα и Tс.д – периоды полураспада нуклидов путем α-превращений и спонтанного деления соответственно, год (1 год = 365,2422 cyт); Qα – средняя энергия, выделяющаяся на акт α-распада (в виде кинетических энергий α-частиц, кинетической энергии дочернего ядра отдачи, β-, γ- и других видов излучений).

При делении тяжелых ядер выделяется энергия, что следует из зависимости энергии связи ε = W ( AA, Z ) от массового числа А. При

этом энерговыделение составляет величину порядка 1 МэВ на один нуклон делящегося ядра, что превосходит энерговыделение всех других источников энергии. При делении ядра М(A,Z) на осколки

массами М1(A1,Z1), М2(A2,Z2) и энергиями связи W1(A1,Z1), W2(A2,Z2) выделяется энергия

Qf = M (A, Z )c2 −[M1 (A1, Z1 ) − M2 (A2 , Z2 )]c2 = =W1 (A1, Z1 ) +W2 (A2 , Z2 ) −W (A, Z).

76

Например, если разделить ядро с А = 240 (ε = 7,6 МэВ) на два осколка равной массы А1 = А2 = 120 (ε = 8,5 МэВ) выделяется энергия порядка 220 МэВ.

Кроме осколков деления, испускаются нейтроны и γ-кванты. γ-Кванты уносят значительную часть энергии, выделяющейся при делении. Нейтроны, которые вылетают в момент деления, называются мгновенными нейтронами деления. Вместе с тем, было установлено, что около 1 % нейтронов испускается не в момент деления, а спустя некоторое время. Эти нейтроны были названы запаздывающими нейтронами. Было установлено, что источниками запаздывающих нейтронов являются некоторые, как правило, β- излучающие осколки деления. При их β-распаде могут появляться нейтронно-избыточные ядра в сильно возбужденных состояниях. Возбужденные ядра переходят в основное состояние либо путем испускания γ-квантов, либо путем испускания нейтронов. Оба процесса происходят практически мгновенно, поэтому промежуток времени между испусканием мгновенных нейтронов и запаздывающих нейтронов практически равен периоду полураспада β- излучающего нуклида-предшественника.

В качестве примера решим задачу.

Пример. С помощью уравнения Вайцзеккера: а) вычислите энергию, высвобождаемую при делении ядра 238U на два одинако-

становится энергетически возможным деление ядра на два одинаковых осколка.

Для процесса (A,Z) → 2 (A/2, Z/2) высвобождаемая энергия равна

Q = 2Eсв(A/2, Z/2) – Eсв(A,Z) = (1 – 21/3)a2А2/3 + (1 – 22/3)a3 Z2А–1/3, где a2 = 17,8 МэВ, а3 = 0,71 МэВ.

Подставляя сюда численные значения констант a2 и a3, находим

Q = –4,6А2/3 + 0,26Z2А–1/3 МэВ.

Для ядра 238U энергия Q, вычисленная по этой формуле, равна

178 МэВ.

77

Критическое значение Z2/A, при котором становится энергетиче-

ски возможным деление ядра на два одинаковых осколка, находит-

ся из условия Q = –4,6А2/3 + 0,26Z2А–1/3 > 0, что дает Z2/A > 17,7.

Вопросы для самоконтроля

1. Изобразите схемы распада нуклидов, в которых представлены: а) α- и γ-излучения; б) β–- и γ-излучения; в) β+- и γ-излучения. Приве-

дите конкретные примеры.

2.Опишите внутриядерный процесс, в результате которого возникает: а) β–-излучение; б) β+ -излучение.

3.Почему β-спектры непрерывны?

4.Приведите соотношение между кинетической энергией α- частицы и кинетической энергией ядра отдачи.

5.В каких случаях образуются длиннопробежные α-частицы?

6.Приведите зависимость между периодом полураспада и энергией α-частицы.

7.Каков вид зависимости потенциальной энергии между α- частицей и ядром отдачи от расстояния между их центрами?

8.Каковы условия β-распада?

9.Приведите эмпирическую формулу Вайцзеккера.

10.Какова природа γ-излучения? Что такое ядерная изомерия? Приведите примеры ядерных изомеров.

11.Укажите место γ-излучения в электромагнитном спектре.

12.Опишите механизм спонтанного деления. Приведите примеры.

78

Глава 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Ионизирующим излучением называется любое излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе ионов разных знаков.

Ионизирующее излучение делится на корпускулярное, к которому относится излучение, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (т.е. α- и β-частицы, нейтроны, протоны, мезоны и др.) и электромагнитное – фотонное излучение, в которое входит рентгеновское и γ-излучение. По виду взаимодействия ионизирующее излучение подразделяется на непосредственное и косвенное ионизирующее.

Непосредственное ионизирующее излучение состоит из заряжен-

ных частиц, например, из электронов, протонов, α-частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении с атомами среды. В результате такого взаимодействия выбиваются орбитальные электроны из атомов прямо при кулоновском взаимодействии, и образуются ионы.

Косвенное ионизирующее излучение состоит из незаряженных частиц, например, из нейтронов или фотонов, создающих непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывающих ядерные превращения с образованием ионизирующих частиц. Энергия этих частиц передается вначале заряженной частице (электрону или протону), а затем эти вторичные частицы уже производят ионизацию атомов и (или) вызывают ядерные превращения.

Проходя через вещество, ядерное излучение взаимодействует с орбитальными электронами атома и ядром посредством различных физических процессов. Характер взаимодействия зависит от вида и энергии излучения, а также от свойств среды, в которой происходит взаимодействие.

Различают два типа взаимодействия – упругое и неупругое. При упругом взаимодействии сумма кинетических энергий и взаимодействующих частиц не изменяется, а происходит лишь перераспределение энергии между ними. При неупругом взаимодействии сумма кинетических энергий участников взаимодействия уменьша-

79

ется, так как часть кинетической энергии переходит в другие формы (энергию возбуждения, энергию разрыва связей и др.) и, в конечном счете, рассеивается в виде теплоты и длинноволнового излучения.

Ионизирующее излучение, в зависимости от массы и заряда, можно подразделить на четыре группы:

1)тяжелые заряженные частицы: α-частицы, протоны, ядра отдачи и др.;

2)легкие заряженные частицы: электроны и позитроны;

3)фотонное излучение: рентгеновское и γ-излучение;

4)нейтронное излучение: нейтроны различных энергий. Рентгеновское излучение бывает двух видов:

а) характеристическое излучение, возникающее при переходе

электронов с одного атомного уровня на другой; б) тормозное излучение, возникающее при торможении заря-

женных частиц в веществе.

Характеристическое излучение является дискретным, тогда как тормозное излучение имеет непрерывный спектр.

4.1. Взаимодействие α-частиц с веществом

α-Частицы, как и другие тяжёлые заряженные частицы (например, протоны, дейтоны), взаимодействуют главным образом с орбитальными электронами атомов, вызывая их ионизацию и возбуждение. Вероятность же протекания ядерных реакций при энергиях α-частиц, испускаемых радиоактивными ядрами (до 9 МэВ), примерно в 103 раз меньше и зависит от заряда ядер материала.

Проходя через вещество, α-частица совершает десятки тысяч соударений, постепенно теряя энергию. Из законов механики следует, что максимальная энергия, которую может получить атомарный электрон при взаимодействии с α-частицей, равна

рия ее движения в веществе практически не отклоняется от первоначального направления (рис. 4.1).

80