книги / Физика для бакалавра. Ч. 2-1

следующее деление, то будет атомный реактор, который можно использоватьдляполучениятеплаиэлектроэнергии.

В результате реакции деления высвобождается энергия, составляющая 0,9 MэВ на один нуклон, т.е. около 200 MэВ на ядро. При одновременном делении многих ядер энергия будет огромная. Первую самоподдерживающуюся цепную реакцию осуществил в 1942 году в Чикаго Энрико Ферми на построенном им атомном реакторе. При этом необходимо было разрешить три существенные проблемы:

1. 23592U поглощает, в основном, медленные нейтроны,

нейтроны же, испускаемые при делении, – быстрые, в связи с этим нужны замедлители нейтронов. В качестве последних ис-

пользуются вода (21H ), тяжелая вода (21D ), углерод (126C ).

2.Необходимо обогащение природного урана изотопом 23592U (диффузия, центрифугирование).

3.Часть нейтронов вылетает из реактора, не вызывая деления, т.е. для начала цепной реакции нужна так называемая критическая масса – минимальное количество урана, при котором возможна цепная реакция (≈1кг). Коэффициент размножения нейтронов – отношение числа нейтронов в данном и предыдущем поколениях – k > 1. В реакторе должны быть подвижные управляющие стержни, которые делают k <1. Существует особый класс реакторов, которые работают на быстрых нейтронах ислужат для получения оружейного плутония. Такие реакторы используют сильно обогащен-

ный уран (до 15% 23592U) и производят плутоний Рu, который обра- зуетсяврезультатеβ-распаданептуния:

23992U 23993Np 01 ;23993Np 23994Pu 01 .

23992U легко захватывает медленные нейтроны и быстро делит-

ся. Сферу из плутония сжимают взрывом, плотность увеличивается и происходит мгновенная цепная реакция – взрыв атомной бомбы.

371

33.5. Ядерные силы и модели ядер

Между составляющими ядро нуклонами действуют особые, специфические для ядер силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонам. Они называются

ядерными силами.

С помощью экспериментальных данных (рассеяние нуклонов на ядрах, ядерные превращения и т.д.) доказано, ядерные силы намного превышают гравитационные, электрические и магнитные взаимодействия и не сводятся к ним. Ядерные силы относятся к классу так называемых сильных взаимодействий.

Перечислим основные свойства ядерных сил:

1)ядерные силы являются силами притяжения;

2)ядерные силы являются короткодействующими – их действие проявляется только на расстоянии примерно 10–15 м. При увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших радиуса действия, оказываются примерно в 100 раз больше кулоновскихсил,действующихмеждупротонаминатомжерасстоянии;

3)ядерным силам свойственна зарядовая независимость: ядерные силы, действующие между двумя протонами, двумя нейтронами или, наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы величине. Отсюда следует, что ядерные силы имеют не-

электрическую природу;

4)ядерным силам свойственно насыщение, т.е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение проявляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре (если не учитывать легкие ядра) при увеличении числа нуклонов не растет, а остается приблизительно постоянной;

5)ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон только при условии параллельной ориентации спинов;

372

6) ядерные силы не являются центральными, т.е. действу-

ющими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

Попытки построения теории ядра наталкиваются на две серьезные трудности: 1) недостаточность знаний о силах, действующих между нуклонами; 2) чрезвычайную громоздкость квантовой задачи многих тел (ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел). Эти трудности вынуждают идти по пути создания ядерных моделей, позволяющих описывать с помощью сравнительно простых математических средств определенную совокупность свойств ядра. Ни одна из подобных моделей не может дать исчерпывающего описания ядра. Поэтому приходится пользоваться несколькими моделями, каждая из которых описывает свою совокупность свойств ядра и свой круг явлений. В каждой модели содержатся произвольные параметры, значения которых подбираются так, чтобы они были согласованы с экспериментальными.

Рамки курса общей физики не позволяют описать все имеющиеся модели ядра. Мы вынуждены ограничиться кратким рассказомлишьо двухизних–капельнойиоболочечноймоделях.

Капельная модель. Эта модель была предложена Я.И. Френкелем в 1939 году и развита затем Н. Бором и другими учеными. Френкель обратил внимание на сходство атомного ядра с капелькой жидкости, заключающееся в том, что в обоих случаях силы, действующие между составными частицами – молекулами

вжидкости и нуклонами в ядре, являются короткодействующими. Кроме того, практически одинаковая плотность вещества

вразных ядрах свидетельствует о крайне малой сжимаемости ядерного вещества. Столь же малой сжимаемостью обладают и жидкости. Указанное сходство дало основание уподобить ядро заряженной капельке жидкости.

Капельная модель позволила вывести полуэмпирическую формулу для энергии связи частиц в ядре. Кроме того, эта модель помогла объяснить многие другие явления, в частности процесс деления тяжелых ядер.

373

Оболочечная модель. Оболочечная модель ядра была развита Марией Гепперт-Майер и другими учеными. В этой модели нуклоны считаются движущимися независимо друг от друга в усредненном центрально-симметричном поле. В соответствии с этим имеются дискретные энергетические уровни (подобные уровням атома), заполняемые нуклонами с учетом принципа Паули (напомним, что спин нуклонов равен 1/2). Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов. Полностью заполненная оболочка образует особо устойчивое образование.

В соответствии с опытом особо устойчивыми оказываются ядра, у которых число протонов либо число нейтронов (либо оба эти числа) равно 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Эти числа получили название магических. Ядра, у которых число протонов Z или число нейтронов N является магическим (т.е. особо устойчивые ядра), также называются магическими. Ядра, у которых магическими являются и Z, и N, называются дважды магическими.

Дважды магических ядер известно всего пять:

42He (Z = 2, N = 2), 168O (Z = 8, N = 8),

4020Ca (Z = 20, N = 20), 2048Ca (Z = 20, N = 28),

20882Pb (Z = 82, N =126).

Эти ядра особенно устойчивы. В частности, особенная устойчивость ядра гелия 42He проявляется в том, что это един-

ственная составная частица, испускаемая тяжелыми ядрами при радиоактивном распаде (она называется α-частицей).

33.6. Детектирование ядерных излучений

Детекторы ядерных излучений, приборы для регистрации альфа- и бета-частиц, рентгеновского и гамма-излучения, нейтронов, протонов и т.п. служат для определения состава из-

374

лучения 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 детекторы ядерных излучений, позволяющие запечатлевать траектории отдельных частиц: камера Вильсона и ее разновидность – диффузионная камера, искровая камера, пузырьковая камера, ядерные фотографические эмульсии. Действие всех детекторов ядерных излучений основано на ионизации или возбуждении заряженными частицами атомов вещества, заполняющего рабочий объем детекторов ядерных излучений.

В случае γ-квантов и нейтронов ионизацию и возбуждение производят вторичные заряженные частицы, возникающие в результате взаимодействия гамма-квантов или нейтронов с рабочим веществом детектора. Прохождение всех ядерных частиц через вещество сопровождается образованием свободных электронов, ионов, возникновением световых вспышек, сцинтиляцией, а также химическими и тепловыми эффектами. В результате этого излучения могут быть зарегистрированы по появлению электрических сигналов (тока или импульсов напряжения) на выходе детектора ядерных излучений либо по почернению фотоэмульсии и др. Электрические сигналы обычно невелики и требуют усиления. Мерой интенсивности потока ядерных частиц является сила тока на выходе детектора ядерных излучений, средняя частота следования электрических импульсов, ее в рабочий объем детекторов ядерных излучений. Нередко необходимо, чтобы детектор был чувствителен только к частицам одного вида (например, нейтронный не должен регистрировать γ-кванты).

Таким детектором является ионизационная камера. Она представляет собой помещенный 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

375

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.

При увеличении разности потенциалов между электродами камеры электроны, возникающие в рабочем объеме камеры, при своем движении к электроду приобретают энергию, достаточную для вторичной ионизации нейтральных молекул газа. Благодаря этому импульс напряжения на выходе возрастает и его легче регистрировать.

В счетчике Гейгера–Мюллера напряженность электрического поля между электродами имеет еще большую величину, что приводит к возрастанию ионизационного тока за счет вторичной ионизации. Амплитуда импульса на выходе перестает быть пропорциональной энергии первичной частицы, однако эта амплитуда становится весьма большой, что облегчает регистрацию импульсов. Счетчики Гейгера–Мюллера благодаря простоте конструкции получили широкое распространение для регистрации α-, β-частиц и γ-квантов.

Действие сцинтилляционного детектора основано на явлении флуоресценции, возникающей при взаимодействии ядерных частиц со сцинтилляторами – специальными жидкостями, пластмассами, кристаллами, а также благородными газами. Световая вспышка регистрируется фотоэлектронным умножителем, преобразующим ее в электрический импульс.

33.7. Понятие о дозиметрии

Первопричиной радиационных эффектов является поглощение энергии излучения облучаемым объектом, и доза как мера поглощенной энергии является основной дозиметрической величиной. Поэтому основной физической дозиметрической

376

величиной, используемой для оценки меры воздействия излучения на среду, является поглощенная доза излучения.

Поглощенная доза излучения (D) – это величина, определя-

емая энергией излучения (Дж), поглощаемой единицей массы (кг) облучаемого вещества. За единицу дозы в системе СИ принят грей (Гр):

D = 1 Дж/1 кг = 1 Гр.

Грей – это такая доза ионизирующего излучения, при которой участку вещества массой 1 кг передается энергия 1 Дж. Внесистемной единицей является рад: 1 рад = 0,01 Гр.

Поглощенная доза характеризует не само излучение, а степень воздействия его на среду. В принципе один и тот же поток излучения в различных средах и даже в различных участках одной среды может сформировать различную величину поглощенной дозы. Поэтому, когда говорят о поглощенной дозе, необходимо указывать, в какой среде она сформирована: в воздухе, воде или мягкой биологической ткани.

Для характеристики распределения дозы облучения во времени используют величину мощности поглощенной дозы или интенсивности облучения. Под этим понимают количество энергии излучения, поглощаемое в единицу времени единицей массы облучаемого вещества (Гр/ч; Гр/год).

При практическом использовании излучений человек, исключая специальные случаи медицинских воздействий и радиационные аварии, подвергается воздействию малых доз облучения. Условия работы профессионалов в настоящее время чаще всего отвечают ситуации, когда чувствительные мишени клеток их организма единичных треков ионизирующих частиц, формирующих дозу облучения, существенно больше того времени, на протяжении которого работают репаративные (восстановительные) системы клеток, устраняющие нарушения, вызванные прошедшей частицей.

В этих условиях индуцируемые биологические эффекты не зависят от таких факторов, как мощность дозы, ее распределе-

377

ние, условия и ритм облучения. Выход эффектов определяется только суммарной накопленной дозой (независимо от времени облучения), т.е. последствия облучения будут одинаковыми при однократном облучении данной дозой, либо при ее получении

втечение нескольких дней, месяцев и даже года. На степень выраженности эффекта будет влиять только пространственное распределение актов ионизации и возбуждения, создаваемых

втреках, т.е. линейной передачи энергии (ЛПЭ) ионизирующего излучения. Поэтому для таких условий введена специальная величина дозы, учитывающая оба этих фактора – эквивалентная доза. Этой величиной можно однозначно связать выход радиационных последствий облучения с дозой облучения.

Эквивалентная доза (Н) определяется как произведение поглощенной дозы (D) данного вида излучения на среднее значение взвешивающего фактора (коэффициента качества) ионизи-

рующего излучения (WR) в данном элементе – объема биологической ткани.

Значения радиационных взвешивающих факторов (WR):

Эта доза есть мера выраженности стохастических эффектов облучения. Она применима для оценки радиационной опасности хронического облучения излучением произвольного состава (и острого облучения дозой, менее 0,25 Зв) и определяется по формуле

Н = D·WR.

378

За единицу эквивалентной дозы в системе СИ принят зиверт (Зв). Зиверт равен такой эквивалентной дозе, при которой величина произведения поглощенной в биологической ткани дозы ионизирующего излучения на среднее значение взвешивающего фактора для этого излучения равна 1 Дж/кг. Внесистемной единицей является бэр (биологический эквивалент рентге-

на). 1 бэр = 0,01 Зв.

Из определения следует, что для излучения с WR = 1, эквивалентная доза 1 Зв реализуется при поглощенной дозе 1 Гр, т.е. для этого случая 1 Зв = 1 Гр. Если же WR отлично от 1, то эквивалентная доза 1 Зв будет сформирована в биологической ткани при величине поглощенной дозы в ней равной (1/WR) Гр. Допускается суммирование эквивалентных доз для оценки общего уровня облучения за длительный промежуток времени, если каждая разовая доза, имевшая место при фракционированном остром облучении, за это время не превышала 0,25 Зв.

Для смешанного излучения эквивалентная доза определяется как сумма произведений поглощенных доз отдельных видов излучений на соответствующие значения взвешивающих факторов этих излучений. При заданной эквивалентной дозе облучения вероятность выхода стохастических последствий зависит от облучаемой им ткани или органа. Поэтому введен еще один коэффициент, учитывающий специфику различных тканей с точки зрения вероятности индукции в них стохастических последствий облучения – тканевый взвешивающий фактор (Wт). Тканевые взвешивающие факторы используются исключительно для расчета эффективной дозы, введены, исходя из концепции беспорогового действия излучений, а их величины соответствуют выходу стохастических последствий для различных органов и тканей, полученному на основе линейной экстраполяции имеющихся данных из области больших доз облучения (поскольку реальный выход стохастических последствий в области малых доз неизвестен).

379

В отличие от стохастических эффектов нестохастические (детерминированные) проявляются только при получении определенных доз (табл. 33.1).

Таблица 33.1

Значения доз, ниже которых исключено возникновение нестохастических (детерминированных) эффектов

Абсолютные значения факторов подобраны так, чтобы их суммарная величина равнялась единице. Это позволяет трактовать тканевые взвешивающие факторы как набор коэффициентов, определяющих относительные вклады соответствующих органов в суммарный выход стохастических последствий, возникающих при равномерном облучении всего организма. Самым радиочувствительным органом по критерию выхода этих последствий являются половые железы, полностью ответственные за генетические эффекты и часть соматических стохастических последствий облучения.

380