18. Явления микромира.

18.1. Радиоактивность.

Под радиоактивностью обычно понимают самопроизвольное

превращение неустойчивых изотопов одного вещества в изотопы

другого; при этом происходит испускание элементарных частиц и

жесткого электромагнитного излучения. Различают естественную

и искуственную радиоактивность. Процессы, происходящие при

естественной радиоактивности позволяют судить о структуре и

свойствах радиоактивных веществ.В настоящее время все большее

значение получают процессы,связанные с искуственной радиоак-

тивностью.Практически все вещества имеют радиоактивные изото-

пы, поэтому, не изменяя химического строения вещества можно

его пометить, сделав часть ядер радиоактивными. Это позволяет

с большей точностью следить за перемещением этого вещества

или изучать его внутреннюю структуру.

А.с. 234 740: Способ определения концентрации пылевых

частиц с осаждением этих частиц в осадительном устройстве,

отличающийся тем, что с целью расширения диапазонав измере-

ния, в исследуемый газ добавляют радиоактивный газ, например,

радон, а после осаждения частиц определяют их радиоактивность

по величчине которой судят о концентрации пылевых частиц в

газе.

А.с. 242 324: Способ ускоренного определения годности

защитно-моющих и лекарственных веществ наружного применения,

при котором на кожу наносят слой исследуемого вещества, отли-

чающийся тем, что с целью определения времени проникновения

вещества сквозь кожу и времени выполнения им барьерных функ-

ций, в исследуемое вещество предварительно вводят радиоизото-

пы, например, йода, фояфора или серы, и проводят радиометри-

ческие измерения исследуемого обьекта.

18.2. Рентгеновское и гамма излучения.

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком

Рентгеном, имеет ту же электромагнитную природу, что гамма

излучение испускаемые ядрами атомов радиоактивных элементов,

поэтому оба вида изучения подчиняются одинаковым закономер-

ностям при взаимодействии с веществом. Принципиальная разница

между двумя этими видами излучения заключения в механизме их

возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного проис-

хождения, гамма излучение - продукт распада ядер.

18.2.1. Рентгеновское излучение возникает либо при тор-

можении заряженных частиц (электронов) высокой энергии в ве-

ществе (сплошной спектр) (см. 18.4.3. "Тормозное излучение"),

либо при высоко-энергетических переходах внутри атома (линей-

чатый спектр). Недавно установлено, что рентгеновское излуче-

ние может также возникать в результате явления адгезолюминес-

ценции, которыая наблюдается при очень быстром отрыве от

гладкой поверхности липкой ленты. Такой быстрый отрыв может

происходить, например, при быстром качени по металлической

поверхности цилиндра, покрытого липкой лентой. В этом случае

пленка и металлическая поверхность образуют как бы обкладки

микроскопического конденсатора, напряженность поля в котором

может достигать сотни тысяч электрон вольт. Электроны, разог-

нанные в миниконденсаторе, тормозятся, затем в веществе, ис-

пуская при этом рентгеновское излучение.

18.2.2. Рентгеновские лучи применяют для просвещения

различных веществ с целью выявления скрытых эффектов. При де-

формации неподвижного микрокристалла, на рентгенограммах наб-

людается размытие в определенных направлениях интерференцион-

ных пятен (явление астеризма). Появление астеризма

обьясняется тем, что монокристалл в процессе деформации раз-

бивается на отдельные участки (фрагменты) размером 1-0,1 мкм.

С увеличением деформации монокристалла интерференционные пят-

на удлиняются. По направлению и степени растяжения пятна мож-

но судить о колличестве размере и форме фрагмента и исследо-

вать характер протекания деформации.

Из других областей применения рентгеновских лучей можно

назвать:

- рентгеновскую дефектоскопию; занимающеся просвечивани-

ем твердых тел с целью установления размера и места нахожде-

ния эффекта внутри материала;

- рентгеновскую спектроскопию рентгено-спектральный ана-

лиз. Основная цель - исследование электронного строения

веществ

по их рентгеновским спектрам. Области применения - исследова-

ния химического строения веществ, технологические процессы

горнорудной и металлургической промышленности

- рентгеновскую микроскопию широко прменяющихся для исс-

ледования обьектов непрозрачных для видимого света и электро-

нов (биология,медицина,минералогия,химия, металлургия).

А.с. 427 698: Способ измерения моментов инерции неодно-

родных, несвободных тел, заключающийся в поступательном пере-

мещении исследуемого тела относительно пространственной оси,

отличающийся тем, что с целью устранения влияния напряжения

мускулатуры исследуемого, поперек оси перемещения исследуемо-

го передвигают источник гамма излучения с детектором, регист-

рирующим интенсивность прошедшего через равные участки тела

гамма излучения.

18.3. Взаимодействие рентгеновского и гамма излучения с

веществом происходят посредством трех основных процессов: фо-

тоэлектрического поглощения (фотоэффекта), рассеяния и эффек-

та образования пар.

18.3.1. Фотоэффект. (см. так же 14.1.1.)

При фотоэффекте рентгеновский или гамма-квант передает

всю энергию электрону атома. При этом, если электрон получает

энергию, большую, чем энергияч связи его в атоме, то он выле-

тает из атома. Этот электрон называется фотоэлектроном. При

потере атомами фотоэлектронов освободившиеся места в элект-

ронных оболочках в дальнейшем заполняются электронами с внеш-

них оболочек. Переход электронов на более близкую к ядру обо-

лочку сопровождается испусканием кванта характреристического

излучения, которое можно зарегистрировать, например, фотоэм-

мульсией.

США патент 3 580 745: Способ и устройство для маркировки

банок в контейнере путем облучения чувствительной эммульсией.

Перед упаковкой с траспортировочной картонный контейнер, то-

рец каждой банки покрывают чувствительной к облучению эммуль-

сией. Банки, упакованные в контейнер облучают рентгеновскими

или гамма- лучами. При этом, покрытие эммульсией торцы банок

облучаются через экран с прорезями, имеющими форму маркиро-

вочных обозначений (например цены). Таким образом, маркировка

упакованных в картонный контейнер банок осуществляется без

вскрытия этого контейнера и последующей индивидуальной марки-

ровки каждой банки.

При малых энергиях квантов (Е 0,5 Мэв) фотоэлектроны вы-

летают преимущественно в направлениях, перпендикулярных нап-

равлению распространения излучения. Чем выше энергия квантов,

тем ближе к их первоначальному направлению движение выбрасы-

ваемых фотоэлектронов. Процесс образования фотоэлектронов

приводит к ионизации облучаемого вещества, что находит боль-

шее применение для интенсификации различных технологических

процессов.

А.с. 241 010: Способ получения политокарбонилфторида по-

лимиризацией тиокарбонилфторида, отличающийся тем, что с

целью упрощния процесса и получения более чистого полимера,

полимиризацию осуществляют под действием гамма излучения Со

60.

А.с. 375 295: Способ получения алтилгалогенидов германия

взаимодействия четырехгалоидного германия с триалкалгерманием

при нагревании, отличающийся тем, что с целью увелечения вы-

хода и чистоты целевого продукта, процесс ведут при гамма об-

лучении.

18.3.2. Рассеяние рентгеновского и гамма излучения.

Различают два основных процесса рассеяния: комптновское

или кекогерентное (камптон эффект) и корентное рассеяние.

При камптон-эффекте происходит упругое соударение пер-

вичного кванта со свободным электроном вещества. камптоновс-

кое рассеяние представляет собой взаимодействие кванта с

электроном, при котором, в отличии от фотоэффекта, квант пе-

редает электрону не всю энергию, а только ее часть, отклоня-

ясь при этом от своего первоначального направления в некото-

рый угол а электрон, получивший некоторое количество энергии,

начинает двигаться под углом к напрвлению движения рентге-

новского или гамма-кванта. В результате камптон-эффекта появ-

ляется рассеянный квант

большей длиной волны, изменившей первоначальное направление,

и электрон отдачи (камптоновский электрон), получивший часть

энергии кванта. Камптоновские электроны характеризуются неп-

рерывным спектром от ничтожномалых значений до максимальной

величины (если они выбрасываются в направлении движения кван-

та).

18.3.3. В случае, если энергия кванта сравнима с энерги-

ей связи электрона в атоме, происходит когерентное рассеяние

квантов. При этом, когда электромагнитная волна встречается с

электроном, последний начинает колебаться с частотой этой

волны и излучает: энергию ввиде рассеянной волны. Энергия

кванта при этом не изменяется. Движение электронов в атоме

взаимосвязано, поэтому излучение, рассеянное одним электро-

ном, будет интерферировать с излучением, рассеяным другими

электронами этого же атома. Рассеянные гамма кванты несут ин-

формацию о структуре облучаемого вещества, поэтому рассеянное

излучение можно использовать для различных измериельных це-

лей.

А.с. 120 675: Способ определния угла смачивания и по-

верхностного или межфазового натяжения непрозрачных систем

при высоких температурах фотографирование контура, которое

осуществляется в пучках мягких гамма лучей полученных от ра-

диоактивных изотопов, например иридин, 192, тулия 170 или ев-

ропия 154 или 156.

18.3.4. Эффект образования пар.

При взаимодействии с атомами ядра

кванты рентгеновского и гамма излучения достаточно высокой

энергии (не менее 1,02 Мэв) вызывают одновременное появление

электронов и позитронов. Процесс образования электронно-по-

зитронных пар происходит в поле атомного ядра или поле элект-

рона. Позитрон существует лишь очень короткий промежуток вре-

мени; вслед за образованием пары наблюдается явление

аннигиляции - исчезновение позитрона и какого либо электрона

среды, сопровождаемое излучением двух квантов с энергией 0,51

Мэв.