8. Искусственные преобразования атомных ядер.

Впервые искусственное превращение ядра осуществил Э. Резерфорд в 1919 г. При изучении взаимодействия альфа-частиц с ядрами азота он выявил случаи, когда альфа-частица, попадая в атомное ядро, остается в нем, выбивая протон.

В 1934 г. И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри обнаружили, что при бомбардировке алюминия, магния и бора альфа-частицами полония эти элементы сами становятся на некоторое время радиоактивными, о чем можно судить по испускаемому излучению. Этот процесс происходит следующим образом: альфа-частицы, проникая в ядра бомбардируемых атомов, вызывают коренную перестройку атомного ядра, сопровождающуюся выделением нейтронов и увеличением числа протонов. В результате образуются атомные ядра новых элементов.

И. Кюри и Ф. Жолио-Кюри открыли не только искусственную радиоактивность, но и новый вид радиоактивного распада — позитронный распад, который не наблюдается у естественных радиоактивных элементов.

Радиоактивные изотопы можно получить при разнообразных ядерных реакциях с использованием в качестве бомбардирующих ядерных частиц протонов, дейтронов и нейтронов, а также гамма-квантов.

Сущность ядерных реакций состоит в том, что ядра—мишени стабильных атомов, подвергаясь бомбардировке элементарными частицами, захватывают их и получают дополнительную энергию (кинетическую энергию частиц-снарядов). В результате образуется составное ядро с избытком энергии (возбужденное ядро). Переход ядра из возбужденного состояния в стабильное осуществляется путем излучения избыточной энергии в виде альфа-, бета-частиц и гамма-квантов, т. е. происходит процесс радиоактивного распада.

Особенно удачной бомбардирующей частицей для ядерных превращений оказались свободные нейтроны, получаемые обычно в атомных реакторах. Обладая достаточной массой и не имея заряда, они не отталкиваются ядром, а беспрепятственно взаимодействуют с ним, преобразуя ядро-мишень стабильного элемента в радиоактивный изотоп. При бомбардировке ядра-мишени стабильного элемента всеми вышеуказанными частицами происходит или превращение одного элемента в другой (трансмутация элементов), или же образуется изотоп исходного элемента. В ряде случаев один и тот же радиоактивный изотоп может быть получен при использовании различных ядерных реакций. Например, при бомбардировке природного фосфора медленными нейтронами происходит захват нейтрона, причем ядро теряет часть избыточной энергии в форме γ-квантов «реакции радиационного захвата или реакции активации».

9. Взаимодействие альфа- и бета-излучений с веществом. Закон ослабления пучка бета-частиц. Слой половинного ослабления бета-частиц в веществе. Обратное рассеивание. Самопоглощение.

Проходя через любую среду, все ионизирующие излучения действуют, в принципе, одинаково: все они передают свою энергию атомам, вызывая их возбуждение и ионизацию. Но распределение ионов по пути следования будет различным в зависимости от вида и энергии излучения. Для понимания принципов этих явлений необходимо знать, каким образом различные по природе излучения взаимодействуют с веществом.

Корпускулярные излучения представляют собой поток атомных или элементарных частиц: альфа-частиц, электронов, нейтронов. Они характеризуются массой, зарядом и скоростью частиц.

Выделяют упругое и неупругое взаимодействие корпускулярных излучений с веществом.

Под упругим понимают такое взаимодействие, при котором частица лишь изменяет направление своего движения, но не теряет свою кинетическую энергию.

Неупругое взаимодействие — это процесс, при котором наряду с изменением направления движения частица теряет

свою энергию.

Альфа_частицы. Альфа-частицам присущи оба вида взаимодействия.

Упругое взаимодействие:

• α -частица с достаточно большой энергией, проходя вблизи ядра легкого элемента, под действием кулоновских сил отталкивания одноименных зарядов (положительный заряд альфа-частицы и ядра) изменяет направление своего движения, практически не теряя энергию.

Неупругое взаимодействие:

• Взаимодействие α - частицы с ядром атома – редко, но возможно, если она обладает очень высокой энергией (например, если ее разогнать в ускорителе). При этом α- частица, преодолев силы отталкивания, долетает до ядра легкого элемента и выбивает из него протон или нейтрон.

• Взаимодействие с электрическим полем ядра возникает, если α -частица обладает достаточно высокой энергией и сталкивается с атомами тяжелых элементов. При этом она тормозится в электронном поле ядра, меняет направление своего движения, а часть ее энергии выделяется в виде излучения, которое по своей длине волны близко к рентгеновскому и называется тормозным рентгеновским излучением.

• Взаимодействует с электронами атома - если энергия частицы невелика, то она, растрачивая свою энергию в основном на ионизацию и возбуждение атомов.

При переходе атомов из возбужденного в нормальное состояние избыток энергии испускается в виде характеристического рентгеновского излучения.

Бета_частицы. При взаимодействии бета-частиц с веществом наблюдаются те же варианты, что и у α- частиц.

Упругое взаимодействие - возможно у β-частиц небольших энергий с плотными материалами.

Бета-частицы, имея малую массу (в 7000 раз легче альфа-частицы), большую скорость и отрицательный заряд, значительно отклоняются от первоначального направления в результате соударения с орбитальными электронами и ядрами встречных атомов (эффект рассеяния). Претерпевая многократное рассеяние, бета-частицы могут даже двигаться в обратном направлении — обратное рассеяние.

Этот эффект называют эффектом обратного рассеяния и используют в радиометрии с целью увеличения скорости счета от β-излучающих препаратов.

Спектр бета-частиц непрерывен, поэтому с увеличением толщины поглотителя А число бета-частиц в параллельном пучке, проходящем через единицу поверхности, уменьшается постепенно, так как бета-частицы различной энергии будут поглощаться различными слоями поглотителя.

Ослабление интенсивности потока бета-частиц в веществе приближенно подчиняется экспоненциальной зависимости:

где N — число бета-частиц, прошедших через слой поглотителя толщиной d (см);

N₀ — число бета-частиц, поступающих за 1 с на поверхность поглотителя площадью 1 см2;

е — основание натуральных логарифмов,

е = 2,72; — линейный коэффициент ослабления излучения, характеризующий относительное ослабление интенсивности потока бета-частиц после прохождения слоя поглотителя толщиной 1 см.

Обычно толщину слоя поглотителя выражают не в единицах длины (см или мм), а в г/см2 или мг/см2, т. е. указывают массу поглотителя, приходящуюся на 1 см² его поверхности.