книги из ГПНТБ / Румянцев, С. В. Радиационная дефектоскопия

протона н нейтрона приблизительно равны единице. Число про­ тонов в ядре определяет заряд ядра, который, как уже указы­ валось выше, численно равен порядковому номеру элемента Z. Число нейтронов в ядре равно разности между массовым чис­ лом А и порядковым номером элемента Z ( N=A—Z). Ядра хи­ мических элементов в книге обозначены соответствующим симво­ лом элемента с цифрами внизу слева и вверху справа от сим­ вола. Верхняя цифра означает массовое число, нижняя — заряд

Рис. 1.2. Зависимость энергии связи, приходящейся на нуклон, от массового числа А.

ядра. Например, ядро железа 26Fe56 состоит из 26 протонов и

56—26= 30 нейтронов.

Атомы, ядра которых обладают одинаковыми зарядами, но разными массовыми числами, называют изотопами. Закономер­ ности, определяющие изотопный состав элемента, в настоящее время неизвестны. Чаще всего в природе встречаются изотопы

•с четными Z и N. Такие изотопы составляют большинство эле­ ментов в земной коре.

Протоны и нейтроны, образующие ядро, взаимодействуют друг с другом посредством ядерных сил. Особенность ядерных сил состоит в том, что они действуют на очень коротких рас­ стояниях, порядка размера .ядра (10-13 см). При этом энергия связи нуклонов в ядрах имеет величину порядка нескольких мегаэлектронвольт, а энергия связи электрона в атоме благода­ ря кулоновскому взаимодействию составляет всего несколько десятков килоэлектронвольт.

На рис. 1.2 приведена зависимость средней энергии связи на один Нуклон от массового числа. Ядро тем устойчивее, чем выше энергия связи в расчете на один нуклон; в частности, из приведенной кривой следует, что ядра со средними значениями массового числа более устойчивы, чем ядра, расположенные на

12

краях кривой. Устойчивость ядер, начиная с наиболее легких элементов, характеризующихся низкой энергией связи, резко возрастает с увеличением массового числа А и постепенно до­ стигает максимальной величины, оставаясь примерно постоян­ ной при изменениях массового числа в широком интервале от 50 до ПО; при массовом числе выше 120 устойчивость ядер уменьшается.

По мере увеличения атомного номера в ядре растет число протонов и кулоновские силы отталкивания между протонами в ядрах тяжелых элементов становятся существенными. У элемен­ тов с Z > 8 2 ядерные силы уже не способны обеспечить полную устойчивость ядер, и начинаются процессы их внутренней пере­ стройки, в результате которых тяжелые ядра переходят в более легкие с меньшим порядковым номером, т. е. происходит есте-

i ственный радиоактивный распад.

2. Радиоактивность и закон радиоактивного распада

а. Естественная радиоактивность

Самопроизвольный (спонтанный) распад неустойчивых ядер называется радиоактивностью [2, 3]. Неустойчивые ядра распа­ даются, испуская обычно а- и (3-частицы и у-излучение.

у-Излучение представляет собой фотонное излучение с ди­ скретным спектром, возникающее при изменении энергетическо­ го состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц.

Различают два типа естественной радиоактивности: а- и 13распад.

(3-Частицы — поток электронов или позитронов. В первом случае говорят об электронном распаде (|3_), во втором — о по­ зитронном (|3+). Естественным радиоактивным изотопам присущ только (3~-распад.

сс-Частицы — ядра атомов гелия гНе4, испускаемые ядрами некоторых радиоактивных элементов. а-Частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, поэтому она обладает зарядом, рав­ ным 2, и массовым числом, равным 4. Выбрасывая а- или (3-частицы, ядро освобождается от избытка энергии, но может оставаться в возбужденном состоянии. Излучение энергии в ви­ де у-фотонов (у-излучение) переводит ядро из возбужденного состояния в основное с более низким уровнем энергии. Приме­ ром радиоактивного превращения, сопровождающегося выбра­ сыванием а-частиц и у-излучением, может служить распад ра­ дия:

ssRa22G seRn222-f 2Не4 у.

В настоящее время известно более 40 естественных радиоак­ тивных элементов. Радиоактивностью обладают в основном изо­ топы очень тяжелых элементов. Однако известно несколько ра­

13

диоактивных изотопов с атомным номером меньше 83, например:

19K40, srRb87, 62Sm152.

Для объяснения (3-распада общепринятой является гипотеза о том, что (З-частмцы возникают в результате превращения нейт­ ронов и протонов.

В отличие от а-частнц, которые испускаются различными ядрами одного и того же вещества всегда с определенной энер­ гией, (3-частицы обладают разной энергией, от нуля до некоторо­ го максимального значения, т. е. энергетический спектр * [3-ча- стиц непрерывный. Этот спектр для данного радиоактивного изо­ топа характеризуется вполне определенной максимальной энер­ гией (3-частиц В'максНепрерывность спектра (3-частиц обусловле­ на тем, что при (3-распаде часть избыточной энергии ядра уно­ сится нейтрино или антинейтрино. Максимальная энергия (3-ча- стиц для различных радиоактивных элементов колеблется в ши­ роких пределах — от нескольких десятков килоэлектронвольт до нескольких мегаэлектронвольт.

Рассмотрим, что происходит с атомами в результате радио­ активного а- и |3~-распада. Так как а-частица есть ядро атома гелия с зарядом т 2 и массовым числом 4, а |3_-частица — элект­ рон, то при а-распаде в результате превращения уменьшается на две единицы число протонов в ядре и на столько же единиц — число нейтронов; при |3~-распаде нейтрон ядра переходит в про­ тон, в результате чего число протонов в ядре возрастает на еди­ ницу, а массовое число остается неизменным, так как суммар­ ное число протонов и нейтронов в ядре не изменилось. Следо­ вательно, в результате а-распада образуется новое ядро, поряд­ ковый номер которого будет на две единицы, а массовое число

При (3~-распаде образуется новое ядро с порядковым номе­ ром на единицу больше исходного и тем же массовым числом. Так, в результате |3“ -распада igK40 число протонов во вновь об­ разованном ядре будет уже не 19, а 20, т. е. образуется новый элемент 2оСа40.

Как отмечалось выше, в результате радиоактивного распада вновь образованное (дочернее) ядро может находиться в воз­ бужденном состоянии, т. е. обладать избытком энергии. Пере­ ход ядра из возбужденного состояния в основное сопровожда­ ется испусканием одного или нескольких у-фотонов, в зависимо­ сти от характера перехода. Энергия у-фотонов у различных ра­ диоактивных элементов колеблется в широких пределах — от нескольких десятков килоэлектронвольт до нескольких мега­ электронвольт.

* Энергетический спектр ионизирующего излучения — распределение по энергиям частиц корпускулярного излучения или фотонов.

14

б. Искусственная радиоактивность

Искусственные превращения ядер элементов могут быть вы­ званы бомбардировкой их а-частицами, протонами, ядрами тя­ желого водорода (дейтронами), нейтронами и у-фотонами высо­ ких энергий [4].

Атомные ядра искусственных радиоактивных изотопов, так же как и естественных, претерпевают спонтанные превращения. Основными видами ядерных превращений, наблюдаемых у ис­ кусственных радиоактивных изотопов, являются позитронный (|3+) и электронный (|3~) распад. (3+-Распад, связанный с выде­ лением позитронов, наблюдается у искусственных радиоактив­ ных изотопов, соотношение числа нейтронов и протонов которых меньше величины, соответствующей стабильным изотопам дан­ ного элемента.

В некоторых случаях получаемые искусственные радиоактив­ ные изотопы находятся в возбужденном состоянии и претерпе­ вают так называемые изомерные переходы (ИП). При этом атомное ядро переходит из более высокого энергетического со­ стояния в более низкое, что сопровождается у-излучением.

Одним из видов радиоактивных превращений, претерпевае­ мых искусственными радиоактивными изотопами, является так называемый электронный захват (ЭЗ), например /(-захват — захват атомными ядрами электрона с /(-оболочки. Может про­ исходить захват электрона и с других энергетических уровней (L- и М-оболочек), но он менее вероятен, /(-захват может про­ исходить одновременно с р+- пли ^--распадом. В результате /(-захвата протон ядра переходит в нейтрон, т. е. число прото­ нов в ядре уменьшается на единицу и, следовательно, образу­ ется новый элемент с порядковым номером на единицу меньше исходного, но с тем же массовым числом.

Как и в случае естественных радиоактивных изотопов, ядро, образованное при /(-захвате, а также |М-распаде, может нахо­ диться в возбужденном состоянии и переход ядра из возбужден­ ного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких у-фотоиов.

Число у-фотонов данной энергии, приходящееся на одно рас­ падающееся ядро, определяется схемой распада радиоактивного изотопа, которая представляет собой энергетическую диаграмму и содержит сведения о количественных характеристиках излуче­ ния, последовательности испускания у-фотонов и последова­ тельных энергетических состояниях атомного ядра. Схему распа­ да обычно изображают графически (см. табл. 4.4). За начало отсчета берут энергетическое состояние конечного ядра, обозна­ чаемое горизонтальной чертой внизу графика. Остальные со­ стояния ядра, обладающие более высокой энергией, изображают горизонтальными линиями, расположенными выше, причем рас­ стояние по вертикали между линиями обычно соответствует в

15

масштабе графика разности энергии. Наверху изображают энер­ гетическое состояние исходного ядра, причем оно сдвигается вле­ во или вправо в зависимости от того, уменьшается или увеличи­ вается значение Z при распаде. Переход из одного состояния в другое, сопровождающийся излучением, обозначают на схе­ ме стрелкой между соответствующими уровнями. Наклонные стрелки означают радиоактивный распад, приводящий к об­ разованию нового элемента, вертикальные — испускание ядром у-фотонов.

Схемы распада радиоактивных изотопов разнообразны. Име­ ются изотопы сэ сложным спектром у-излучеиия, например спектр излучения Та182 состоит из 31 линии. У других изотопов (Cs137, Hg203 и др.) спектр у-излучения состоит всего из одной линии.

Следует указать, что радиоактивные превращения сопровож­ даются обычно характеристическим излучением.

При бомбардировке исходных изотопов различными частица­ ми пли облучении фотонами происходят ядерные реакции. В об­ щем виде типы ядерных реакций записываются следующим об­

вой указывается бомбардирующая корпускулярная частица или фотон, а второй — частица, выбрасываемая образующимся со­ ставным ядром, или фотон; символ f обозначает деление ядра.

Чтобы происходили ядерные реакции, ядра бомбардируют частицами, обладающими определенной кинетической энергией. Сообщение бомбардирующим частицам достаточной кинетиче­ ской энергии осуществляется в специальных ускорителях заря­ женных частиц.

Наиболее широко распространены реакции под действием нейтронов и дейтронов. Благодаря отсутствию заряда нейтрон легко проникает в атомное ядро и поэтому может быть наиболее эффективно использован для осуществления ядерных реакций. Источниками нейтронов являются ядерные реакторы, нейтронные генераторы, а также радиоактивные источники излучения.

При бомбардировке нейтронами ядро атома захватывает нейтрон, при этом массовое число ядра возрастает, а атомный номер остается без изменения, т. е. образуется изотоп.элемента, подвергаемого бомбардировке. Примером может служить реак­ ция превращения нерадпоактивного кобальта 27С059 в радиоак­ тивный 27С060, сопровождаемая излучением у-фотонов:

27Со5в -)- п —>- 2,Со80-)- у,

или сокращенно 27Со59(п, у )27Со60.

16

риод полураспада и постоянную распада:

Периоды полураспада различных радиоактивных изотопов меняются в широких пределах — от многих миллионов лет до долей секунды. Зная период полураспада или постоянную рас­ пада, можно легко рассчитать изменение числа радиоактивных атомов вещества со временем.

г. Рентгеновское и у-излучения

При прохождении заряженных частиц через вещество обра­ дуется фотонное излучение с непрерывным спектром, возникаю­ щее при изменении кинетической энергии заряженных частиц, —• так называемое тормозное излучение и фотонное излучение с дискретным спектром, возникающее при изменении энергетиче­ ского состояния атома, — так называемое характеристическое излучение. Рентгеновским излучением называется совокупность характеристического и тормозного излучений.

Рентгеновское излучение, открытое в 1895 г. физиком Рент' геном, имеет ту же электромагнитную природу, что и у-излуче ние, испускаемое ядрами атомов радиоактивных элементог [1, 5—7]. Эти два вида излучения отличаются от других разно­ видностей электромагнитных колебаний малой длиной волны, обычно измеряемой в ангстремах (1 А=0,1 «лг=10-8 см) (см. рис. 1.6). Обладая одинаковой природой, рентгеновское и у-излу- чения подчиняются одинаковым закономерностям при взаимо­ действии с веществом. Разница между этими двумя видами из­ лучений заключается в механизме их возникновения: рентге­ новское излучение — внеядерного происхождения, у-нзлученне—■ продукт распада ядра.

В практике рентгенодефектоскопии для получения рентгенов­ ского излучения наиболее широко применяют электронные рент­ геновские трубки (рис. 1.3). Рентгеновская трубка представляет собой стеклянный баллон с высокой степенью разрежения газа (1СИ6— 10~7 мм рт. ст,). В трубке впаяны электроды — анод А н катод К. Катод служит источником электронов, анод — мишеныо для торможения электронов. Катод изготовляют в виде спирали из вольфрамовой проволоки, а анод — из вольфрамовой пла­ стинки. Анод впаивают в пустотелый медный стержень, который во время работы охлаждается водой.

Спираль катода при работе нагревается до температуры око­ ло 3000° С током 3—6 а от трансформатора накала напряже­ нием 5— 12 в. Для создания определенной направленности в дви­ жении электронов и придания им необходимой скорости к элект­ родам трубки прикладывают высокое напряжение с разностью

18

потенциалов порядка нескольких десятков или сотен киловольт. Кинетическая энергия электронов, попадающих на аиод, нахо­ дится в прямой зависимости от напряжения, приложенного к трубке. При соударении движущихся с большой скоростью электронов с атомами материала анода электроны резко за­ медляются, теряя кинетическую энергию, которая частично пре­ вращается в лучистую энергию, выделяемую в виде фотонов

Рис. 1.3. Схема получения рентгеновского излучения в элек­ тронной трубке.

рентгеновского излучения, а частично тратится на нагревание анода.

Полученное таким образом рентгеновское излучение харак­ теризуется двумя самостоятельными энергетическими спектра­ ми: непрерывным и дискретным. Излучение с непрерывным спектром (тормозное излучение) возникает в результате измене­ ния скорости движения электронов (их торможения на аноде). Дискретный спектр (характеристическое излучение) возникает в результате процессов, протекающих в возбужденных ускоренны­ ми электронами атомах материала анода и сопровождающихся энергетическими переходами (см. стр. 11).

Так как при соударении с веществом анода электрон может отдать на излучение любую часть своей энергии, то энергетиче­ ский спектр тормозного излучения будет непрерывным. Спект­ ральное распределение тормозного излучения не зависит от ве­ щества анода и определяется только разностью потенциалов на рентгеновской трубке. Чем больше скорость электронов, движу­ щихся от катода к аноду, тем выше максимальная энергия фо­ тонов тормозного излучения. Максимальная энергия фотона и соответствующая длина волны определяются анодным напряже­ нием. С увеличением анодного напряжения трубки жесткость и интенсивность тормозного излучения возрастают. Увеличение

19