2413

используется биологический эквивалент рентгена (1 бэр). Величина дозы в 1 бэр связана с дозой в 1 фэр через коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ). Например, для -излучения ОБЭ = 1. Для тепловых нейтронов ОБЭ = 5, а для протонов и -частиц ОБЭ = 11.

1.Заметная часть общей энергии потока заряженных частиц или

-квантов, как и значительная доля энергии потока нейтронов, попа-

дающих в вещество, затрачивается на необратимое изменение его структуры. Вся совокупность этих изменений называется радиационным повреждением. Его механизмы в твёрдом теле следующие:

а) Главныммеханизмомявляетсяударноевыбиваниеатомовизкристаллической решетки. Заряженные частицы и нейтроны выбивают атомы непосредственно, а -кванты – через промежуточные фотоэлектроны или

комптоновские электроны.

б) Очень часто в кристаллической решетке появляются новые атомы за счетвнедренияпадающихтяжелыхчастиц, атакжезасчетядерныхреакций с возможными последующими распадами продуктов реакций. Эти явления, как правило, существенны только при облучении нейтронами.

в) На кристаллическую решетку может оказать влияние ионизация. Так, отрицательный ион в ионном кристалле (например, ион хлора в кристалле поваренной соли) при выбивании из него двух электронов приобретает положительныйзарядипокидаетсвоеместоврешетке. Конечныйрезультат такого воздействия не отличается от прямого выбивания атома.

Все эти процессы, создавая дефекты решетки, приводят к изменению микроструктуры кристалла. При достаточно мощном облучении за счёт этого заметно изменяются механические и тепловые свойства кристалла. Изменение решетки влияет также на структуру электронных энергетических зон, т.е. на электрические и оптические свойства.

Рассмотрим эти явления подробнее. Под действием больших доз облучения изменяется плотность кристалла, а в некоторых случаях и его геометрическая форма. Так, под действием интегрального потока 1020 реакторных нейтронов на 1 см2 плотность кварца снижается на 15%. Монокристалл альфа-модификации урана под действием облучения в реакторе сжимается в одних направлениях и расширяется в других, причем размеры могут изменяться больше чем вдвое.

Обычно облучение приводит к упрочнению материалов. Оно возникает из-за того, что образующиеся дефекты тормозят движение дислокаций. Модуль упругости растет, разрушение вместо пластического становится хрупким. На создание вакансий и атомов в междоузлиях тратится значительная энергия.

При больших дозах облучения эта так называемая скрытая энергия становится большой уже в макроскопическом масштабе. В некоторых случаях наблюдается самопроизвольное выделение скрытой энергии, приводящее к саморазогреву материала.

291

В металлах при облучении возрастает остаточное (не зависящее от температуры) электрическое сопротивление. Проводимость диэлектриков после облучения в одних случаях увеличивается, а в других – уменьшается. Увеличению проводимости способствует возрастание числа ионных носителей тока. Но если облучение создает сложные комплексы дефектов, то носители застревают в них и проводимость понижается.

После облучения неметаллов их теплопроводность уменьшается. Это явление происходит из-за рассеяния фононов на дефектах.

Изменения оптических и электрических свойств кристалла существенны только для диэлектриков и полупроводников. Для металлов они роли не играют, так как свободные электроны, определяющие электрические и оптические свойства металлов, практически не подвержены действию точечных дефектов решетки.

Особенно сильно влияет облучение на электрические свойства полупроводниковых материалов. Это объясняется тем, что действие вакансийиатомоввмеждоузлияхвомногомсходносдействиемпримесных атомов, к которому проводимость полупроводников крайне чувствительна.

Основной вред воздействия облучения для технических приложений на полупроводникисостоитвтом, чтопоявляющиесяподвлиянием облучения дефектысоздаютновыеэлектронныеэнергетическиеуровнивзапрещенной зоне. Эти уровни являются ловушками для носителей зарядов. Дефектыловушки сильно укорачивают времена жизни носителей тока, снижая проводимость. Кроме того, в ловушках накапливается пространственный заряд, искажающий электрическое поле внутри полупроводника и резко ухудшающий его технические характеристики.

Оптические проявления влияния излучений разнообразны. Примером являются так называемые центры окраски (F-центры) в кристаллах поваренной соли. Эти кристаллы при облучении окрашиваются в желтый цвет.

Механизм этого явления заключается в следующем. Вакансия на месте выбитого отрицательного иона хлора замещается электроном. На этот электрон действуют примерно те же силы, что и на ион хлора. Если данные

силы одинаковые, то квадраты частот колебаний 2 обратно пропорциональны массам m : 2 ~ m1 .

Электрон в десятки тысяч раз легче атома хлора. Поэтому частота колебаний этого электрона e в сотни раз больше частоты колебаний атома

и соответствует оптической области частотного диапазона.

Изучение радиационных повреждений, их зависимостей от вида облучения, температуры и т.д. важно для практических задач, связанных с работой различных приборов и других устройств в условиях облучения, а также для изучения многих вопросов физики твердого тела.

292

полиэтилен при 150°С и давлении 20 МПа выстаивает 10 часов и является прекрасным изоляционным материалом.

3. Ядерные излучения оказывают поражающее действие на все живые организмы, нанося повреждение его макромолекулам.

При достаточно большой дозе облучения гибнет любой организм. Смертельная доза для человека составляет 600 Р. Дозы ниже смертельной вызывают различные заболевания, объединяемые общим термином «лучевая болезнь».

Действие радиации на клетку обладает очень высокой эффективностью. Клетка теряет способность делиться, получив дозу, тепловой эквивалент которой вызвал бы ее нагревание всего лишь на тысячную долю градуса. При такой дозе в клетке поражается только одна белковая молекула из миллиона. Механизмтакого необычноэффективного воздействия радиации на жизненные процессы в клетке до сих пор остается неясным.

Действие одной и той же дозы облучения зависит от промежутка времени ее получения. Если промежуток большой, то общее поражающее действие меньше, чем при однократном облучении суммарной дозой (за исключением необратимых генетических повреждений, это действие частично блокируется восстанавливающими и компенсаторными реакциями организма.

Так как ядерные излучения действуют разрушающе на организм человека, то при работе с источниками радиации необходима защита работающего персонала. Для расчета любой защиты устанавливается предельно допустимая доза (ПДД), облучение которой безвредно для здоровья.

Главными задачами прикладной радиационной химии являются защита материалов от воздействий ядерных излучений, разработка методов получения материалов с новыми полезными свойствами и создание эффективных и экономически выгодных методов производства уже известных веществ.

Врамках первого направления осуществляется поиск материалов, стойких по отношению к облучению. Например, было найдено, что в условиях облучения хорошо сохраняют антикоррозийные свойства цирконий и его сплавы. Радиационно стойкими являются некоторые полимеры (например, полистирол).

Кдостижениям исследований по двум другим направлениям относится освоениепроизводствасшитогополиэтиленаирадиационнойвулканизации каучука, увеличивающейсрокслужбыавтопокрышекнадесяткипроцентов.

Встадиипромышленногоосвоениянаходятсярадиационно-химические процессы, позволяющие увеличивать в несколько раз прочность дерева, получать термостойкие эпоксидные смолы и т. д.

Прямое превращение ядерной знергии в химическую может осуществляться в так называемых хемоядерных реакторах. Активная зона у таких реакторов заполнена урансодёржащими металлическими волокнами

294

илилистамифольгитолщиной0,3–10 мкм. Вещества, транспортирующиеся между волокнами или листами фольги, вступают в химическую реакцию благодаря энергии излучения и отводят выделяющуюся тепловую энергию, которая может быть преобразована в электрическую или использована непосредственно.

Возможно применение газообразного или жидкого горючего реагенты в этих случаях смешиваются с горючим. Продукты химической реакции выводятся из реактора через специальные устройства.

Вследствие сложности отделения продуктов химической реакции от радиоактивных осколков деления и искусственных радиоактивных элементов, образующихся при поглощении нейтронов реагирующими веществами, промышленные хемоядерные реакторы пока не построены.

В лабораторных масштабах изучены фиксация азота N2 из воздуха, получение водорода Н при радиолизе воды, синтезы озона О и гидразина H2N-NH2 и др. Радиационно-химический. выход для таких реакторов определяемый числом молекул, образующихся при поглощении энергии 100 МэВ, составляет от 2 до 30.

Поэтому хемоядерные реакции, вызываемые осколками деления ядер, еще не получили широкого освоения. Главным препятствием является малость пробега осколков, из-за которой реагирующие вещества нужно располагать очень тонкими слоями

Ядерные излучения оказывают поражающее действие на все живые организмы, нанося повреждение его макромолекулам. При достаточно большой дозе облучения гибнет любой организм. Смертельная доза для человека составляет 600 Р. Дозы ниже смертельной вызывают различные заболевания, объединяемые общим термином «лучевая болезнь».

Действие радиации на клетку обладает очень высокой эффективно-

стью. Клетка теряет способность делиться, получив дозу, тепловой эквивалент которой вызвал бы ее нагревание всего лишь на тысячную долю градуса. Притакойдозевклеткепоражаетсятолькооднабелковаямолекула из миллиона. Механизм такого необычно эффективного воздействия радиации на жизненные процессы в клетке до сих пор остается неясным.

Действие одной и той же дозы облучения зависит от промежутка времени ее получения. Если промежуток большой, то общее поражающее действие меньше, чем при однократном облучении суммарной дозой (за исключением необратимых генетических повреждений, это действие частично блокируется восстанавливающими и компенсаторными реакциями организма.

Так как ядерные излучения действуют разрушающе на организм человека, то при работе с источниками радиации необходима защита работающего персонала. Для расчета любой защиты устанавливается предельно допустимая доза (ПДД), облучение которой безвредно для здоровья.

295

Принятая сейчас предельно допустимая доза от внешних источников облучения для лиц, непосредственно работающих с излучениями, составляет 5 бэр в год. Для возможного облучения населения установлена в тридцать раз меньшая предельно допустимая доза 5 бэр в 30 лет, близкая к естественному фону.

Помимо внешнего, возможно также внутреннее облучение организма, создаваемое радиоактивными веществами, попадающими в организм в процессах обмена с внешней средой. Предельно допустимые дозы внутреннего облучения зависят от того, в каких органах концентрируется радиоактивный изотоп и как долго этот изотоп удерживается в организме.

Ядерные излучения коварны тем, что даже их большие дозы не воспринимаются органами чувств человека. Для измерения доз облучения используются дозиметры. Дозиметр является детектором ядерных частиц, к которому предъявляется ряд специфических требований.

Во-первых, достаточно, чтобы дозиметр регистрировал только суммарный поток частиц.

Во-вторых, такой регистратор должен измерять именно дозу, т.е. либо выделяемую энергию, либо ионизационный ток.

В-третьих, для точных дозиметрических измерений необходимо учитывать зависимость поглощения энергии ядерных излучений в веществе от рода вещества и от рода энергии излучения. Поэтому в дозиметрах стремятся использовать датчики, имитирующие живые ткани в отношении поглощения радиации.

По назначению дозиметрическая аппаратура делится на несколько типов, наиболее распространенными из которых являются:

а) приборы, измеряющие дозу внешнего излучения; б) приборы для измерения потоков - и -частиц с загрязненных

поверхностей; в) приборы (обычно карманные) для измерения индивидуальных доз.

Простейшим методом защиты является удаление от источника излучения на достаточное расстояние (без поглощения интенсивность

излучения уменьшается с расстоянием r от источника по закону ~ 1 / r2 ).

Поэтому с радиоактивными препаратами работают с использованием специальных щипцов с длинной ручкой. Если удаление от источника на достаточное расстояние невозможно, то для защиты от излучения используются преграды из поглощающих материалов.

Наиболее проста защита от -излучений. Альфа-частицы, вылетающие из радиоактивных ядер, имеют ничтожно малые пробеги.

Пробег -распадных электронов в воздухе не так уж мал (более 3 м для электроновсэнергией3 МэВ). Поэтому -активныепрепараты, дажемалых

активностей (порядка 10 мкКи), надо экранировать. Для экранировки от электронов с энергиями до 4 МэВ достаточен слой пластмассы в 0,25 см.

296

Более массивная защита требуется при работе с радиоактивными источниками -излучений. В этом случае толщина защиты зависит не только от

энергии излучения, но и от его интенсивности, так как поток -частиц

экспоненциально ослабевает с глубиной проникновения внутрь вещества защиты.

Наилучшими поглотителями тепловых нейтронов являются бор и кадмий. Быстрыенейтроныслабопоглощаютсявсемивеществами. Поэтому длязащитыотбыстрыхнейтроновихсначалазамедляют(обычноводойили графитом), а уж после замедлителя ставят поглотитель.

Защита от протонов р и других тяжелых заряженных частиц высоких

энергий должна предусматривать существование потоков вторичных частиц, возникающих при ядерных столкновениях. Особенно сложны вопросы защиты от излучений ядерного реактора. Специфической является проблема радиационной защиты космических кораблей.

Подавляющее большинство применений ядерных излучений основано на четырех физических явлениях:

Первое из них состоит в том, что любой радиоактивный изотоп является меченым атомом одного из элементов. За движением этого атома можно проследить по его радиоактивности.

Второе явление заключается в том, что любое радиоактивное излучение обладает проникающей способностью.

Сущность третьего явления сводится к тому, что ядерные излучения, проходя через вещество производят его ионизацию.

Четвёртое явление состоит в наведении радиоактивности в веществе излучениями высокой энергии.

Метод меченых атомов состоит во введении в исследуемый элемент радиоактивной примеси, химически неотличимой от основной массы элемента. За этой примесью следят с помощью одного из детекторов радиоактивных излучений. Применение меченых атомов открыло принципиально новые возможности исследования, позволяя проследить за перемещениями и химическими превращениями атомов элемента в средах, содержащих этот элемент. Одним из примером использования данного метода явились измерения коэффициента самодиффузии.

В биохимии меченые атомы помогли установить ряд важнейших моментов сложного и фундаментального для всего растительного мира процесса фотосинтеза. Только методом меченых атомов удается получать информацию о скорости обмена веществ в тканях живого организма, выяснить, каким путем и в каком количестве попадает в растение тот или иной удобряющий элемент.

Изотопные приборы, основанные на использовании проникающей способности -излучения (реже р-излучения), в настоящее время зани-

мают более половины всех поставок радиационной техники.

297

В основу почти всех этих приборов положен один и тот же принцип: счет в детекторе изменяется, если меняется толщина или вид материала между детектором и источником. На основе этого принципа конструируются и выпускаются толщиномеры, плотномеры, уровнемеры, счётчики предметов, дефектоскопы и многие другие приборы.

На этом принципе основаны многочисленные -релейные устройства,

автоматически контролирующие и регулирующие ход производственных процессов.

Одним из основных методов разведки новых месторождений нефти и некоторых других полезных ископаемых является радиоактивный каротаж скважин. В его основе заложена оценка различий процессов распространения нейтронов и -лучей в разных породах.

Ионизирующие излучения, проходя через газ, делают его электропроводным. На этом свойстве основана работа нейтрализаторов статического электричества. В настоящее время нейтрализаторы статического электричества составляют 13% поставок радиационной техники. Они широко применяются в текстильной, полиграфической и других отраслях промышленности.

Использованиенаведеннойрадиоактивностиразвиваетсявдвухнаправлениях. Первым из них является элементный анализ, вторым – создание меченых атомов.

Принцип активационного элементного анализа состоит в том, что исследуемое вещество и образец – эталон с известным количеством определяемого элемента облучают фиксированной дозой, а затем измеряют возникшую наведенную активность. Присутствие нужного элемента идентифицируетсяповидуиспускаемыхчастиц, поихэнергииипопериоду полураспада Т1/2 .

Наиболее широко используется активация нейтронами, так как нейтроны, особенно медленные, энергично поглощаются всеми ядрами

(кроме 42 He ), причем поглощение в большинстве случаев приводит к образованию -активных изотопов (а часто и -активных изотопов).

Поэтому активация излучением используется для получения меченых атомов.

В естественных условиях происходит слабая активация некоторых изотопов вторичными нейтронами от космических лучей.

Важнейшей из реакций активации является образование радиоуглерода

(T1/2 = 5700 лет) из азота 147 N (n,p) 146 С. Этот углерод окисляется и через 10–15 лет полностью перемешивается с основной массой углекислого газа

атмосферы. Через углекислый газ радиоуглерод попадает в растения, а оттуда – в живые организмы.

Если считать, что поток космических лучей примерно постоянен во времени, то во всех органических тканях образуется равновесная

298

концентрацияизотопац4С, прикоторойпроисходитпримерно15 распадов в минуту в 1 г углерода органического происхождения. Эта равновесная концентрация начинает падать при прекращении обмена веществ. На этом основан разработанный В. Либби метод датировки археологических предметов органического происхождения.

Чем меньше концентрация радиоуглерода, тем больше возраст пред-

мета. Метод Либби позволяет определять возраст от 103 до 5 104 лет с точностью до 100 лет.

Взаключениеследуетотметить, чтов рамках даннойкнигиневозможно детально охарактеризовать все конкретные направления применений ядерных излучений. Они очень разнообразны. Это разнообразие становится все более богатым, а эффективность применения ядерных излучений в различных сферах деятельности человека неуклонно возрастает.

299

5.ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ИСВЯЗЕЙ МЕЖДУ НИМИ НА ОСНОВЕ ЗАКОНОВ

5.1.Основы молекулярной физики и термодинамики

Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов

рV const при T const и m const – закон Бойля – Мариотта.

n

p pi – закон Дальтона для давления смеси идеальных газов.

i 1

pVm RT (для 1 моль газа) – уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона – Менделеева).

pV (m / )RT (для произвольной массы газа).

p nkT – основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов и его разные формы:

молекул.

0 32 kT – средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы идеального газа.

300