Рентгеновское излучение. Радиоактивность. Элементы дозиметрии.

1. Замечания о единицах.

Любая единица физических величин в некоторых ситуациях может выглядеть нелепо. Так, если сообщение о продолжительности жизни подать как t = 2,2110⁹ секунд = 2,21 Гс = 2210 Мс, то все это верно, но выглядит странно, а сообщение о том же, что t = 70 лет, воспринимается должным образом. Не очень хорош для сопоставлений в микромире 1 метр, но здесь выручает то, что дробная доля «нано» достаточно хорошо вошла в обиход, и только уж вовсе дремучие не знают, что 1 нм = 10^-9 м. Сообщение, что диаметр какой-нибудь биологической клетки равен d = 15 нм воспринимается хорошо, а то, что d = 1,510^-8 м – заметно хуже.

Единицей, которая, при всем к ней уважении, в микромире неудобна, является единица энергии Джоуль. В атомной и ядерной физике прочнейшие позиции единицы энергии имеет электрон-вольт.

Один электрон-вольт (1 эВ) – это энергия, которую приобретает электрон в ускоряющем электрическом поле с разностью потенциалов  = 1 В, из состояния покоя и при отсутствии помех.

При этом совершенно не важно, далеки или близки друг к другу точки старта и финиша, важна лишь разность потенциалов  между ними. Над зарядом q, «прогулявшимся» в таком поле , силы поля совершают работу

А = q

Применительно к электрон-вольту, q = e = 1,610^-19 Кл; и если  = 1 В, то А = 1 эВ = 1,610^-19 Кл1В = 1,610^-19 Дж – такова работа сил поля, и такова приобретенная им кинетическая энергия , поскольку до начала прогулки он был в состоянии покоя.

Если же до попадания в поле с  = 1 В электрон уже имел энергию, то она изменится на Е = 1 эВ = 1,610^-19 Дж.

Единица энергии 1 эВ хороша тем, что делает представимыми ситуации, которые она описывает. Например, если на электронно-лучевой трубке телевизора ускоряющее напряжение 15000 В = 15 кВ, то сразу ясно, что электроны, подлетая к экрану, имеют энергию Е = 15000 эВ = 15 кэВ; и мы сознаем, что это – солидная энергия, поскольку ведь 15 киловольт – дело не шуточное. Если мы об этой же энергии будем вести разговор в джоулях, а пересчитать не сложно:

Е = 15000 эВ1,610^-19 Дж/эВ = 2,410^-15 Дж,

то такая оценка энергетических достижений электрона оставит нас, скорее всего, безучастными.

Если выясняется, что на одной из спектральных линий радиоактивного изотопа кобальта – Со⁶⁰ – гамма-кванты имеют энергию Е = 1,2 МэВ, то любой вправе внутренне поежиться, почуяв, каково энергетическое пекло в таких атомных ядрах: такую же энергию, какую имеет такой квант, электрон смог бы получить в ускоряющем поле с напряжением 1,2 миллиона вольт! На образование одной пары ионов в веществе расходуется в среднем 32,5 эВ. Не трудно подсчитать, сколько ионов способен создать один такой гамма-квант, прежде чем прекратит свое существование.

В отношении единицы измерения масс – одного килограмма, тоже можно сказать, что в атомной и ядерной физике он производит впечатление слона в посудной лавке. Вместо него в ядерной физике, в химии и ряде других областей широко применяется атомная единица массы, такая, что

1 а.е.м. = 1,6605710^-27 кг

Приведем значения масс основных элементарных частиц в этих единицах.

протон: m_p = 1,007276 а.е.м.

нейтрон: m_n = 1,008665 а.е.м.

электрон: m_e = 0,000549 а.е.м.

Значения масс частиц, представленные в атомных единицах массы с округлением до ближайшего целого, называются массовыми числами этих частиц. Так что массовые числа протона и нейтрона одинаковы и равны единице, а электрону не повезло: его массовое число равно нулю, поскольку он почти в 2000 раз легче своих родственников. Массовыми числами оперируют при анализе ядерных реакций и реакций взаимопревращения частиц. Например, запись

(1)

следует признать корректной, потому что:

а) сумма массовых чисел в левой и правой частях одинакова

б) алгебраическая сумма зарядов (нижние индексы) в левой и правой частях одинаковы.

За пунктами (а) и (б) стоят требования закона сохранения масс и закона сохранения заряда.

Примечание: Последнее слагаемое в уравнении (1) – антинейтрино - первоначально появилось в нем как предполагаемая частица, без которой не выполнялись законы сохранения импульса и энергии; реальное существование этой частицы удалось подтвердить экспериментально гораздо позже.

Опираясь на самую знаменитую формулу 20 века E = mc², массу элементарных частиц иногда представляют в энергетических единицах. Так, масса электрона получается

m_e = 0,511 МэВ

От атомной единицы массы, в обход килограмма, легок переход к такой представительной единице количества вещества, как моль. Для Со⁶⁰ один моль – это 60 г этого изотопа. В одном моле любого вещества число частиц (атомов, молекул) одинаково и равно числу Авогадро N_A = 6,0210²³ шт/моль.

При всякой подстановке длины, массы, энергии в формулы, связывающие их с другими характеристиками (скорость, частота, длина волны, и т.п.) необходимо пересчитать их предварительно на соответствующие основные единицы системы СИ: метр – для длины, килограмм – для массы, джоуль – для энергии. Иначе Вы получите результат в таких новых единицах, о которых никто, включая и Вас, никогда не слышал.