Электронный захват.
Электронный захват – это процесс, при котором ядро с избытком протонов поглощает электрон с электронной оболочки атома (обычно это K-оболочка или L-оболочка, что называется “К-захват” или “L-захват”). При этом протон ядра превращается в нейтрон и происходит излучение нейтрино. Здесь необходимо отметить, что свободный протон не может быть превращен в свободный нейтрон в результате электронного захвата – для этого необходимо, чтобы протон и нейтрон были в составе ядра. В результате число нейтронов в ядре увеличивается на 1, а число протонов уменьшается на 1, так что массовое число (А) остается неизменным, но изменяется атомный номер (Z), т.е. - за счет изменения числа протонов электронный захват трансформирует нуклид в новый элемент, который располагается на одно место левее в периодической системе элементов. Новое ядро может оказаться в возбужденном состоянии, которое снимается гамма- излучением. В то же время атом (не ядро) также может оказаться в энергетически возбужденном состоянии с внутренней электронной оболочкой, потерявшей электрон (с вакансией). При переходе атома в невозбужденное (стабильное) состояние вакансия на внутренней оболочке замещается электроном с более удаленной оболочки, что приводит к освобождению энергии возбуждении. Эта энергия реализуется в виде фотонного (характеристического или X) излучения, однако есть вероятность того, что X излучение будет поглощено электроном этого же атома и в результате уже этот электрон будет излучен атомом (с соответствующей вероятностью). Такого рода электроны называются Ожэ электронами. Итак, при снятии энергетического возбуждения атома, возникшего в результате электронного захвата происходит излучение характеристической электромагнитной энергии (X-излучение) и/или излучается Ожэ-электрон. Если при этом новое образовавшееся ядро также находится в энергетически возбужденном состоянии, то это возбуждение снимается гамма-излучением.
Характеристическое излучение (X-излучение).
Характеристическое излучение является разновидностью электромагнитного (или что то же - фотонного) излучения и возникает в ситуациях, когда образуется вакансия на одной из внутренних электронных оболочках атома. Такого рода вакансии могут образовываться либо в результате внутренней конверсии, либо в результате электронного захвата, либо же при воздействии на атом внешним фотонным или электронным облучением. В результате атом оказывается в энергетически возбужденном состоянии с внутренней электронной оболочкой, потерявшей электрон (с вакансией). При переходе атома в невозбужденное (стабильное) состояние вакансия на внутренней оболочке замещается электроном с более удаленной оболочки, что приводит к освобождению энергии возбуждении. Эта энергия реализуется в виде фотонного (характеристического или X) излучения, однако есть некоторая вероятность того, что X излучение будет поглощено электроном этого же атома и в результате уже этот электрон будет излучен атомом (с соответствующей вероятностью). Такого рода электроны называются Ожэ электронами. Итак, при снятии энергетического возбуждения атома, возникшего в результате одного из перечисленных выше процессов происходит излучение характеристической электромагнитной энергии (X-излучение) и/или излучаются Ожэ-электроны.
Характеристическое излучение моноэнергетично и специфично (характерно) для атомов, имеющего вакансию на внутренней электронной оболочке, следовательно может быть использовано для идентификации этих атомов. Этот феномен используется в различных спектроскопических методиках (”рентгеновская спектроскопия”) для целей определения элементного состава вещества.
Ожэ-электроны.
Так же как и характеристическое излучение, Ожэ-электроны излучаются в ситуациях, когда образуется вакансия на одной из внутренних электронных оболочках атома (K, L, M). Такого рода вакансии могут образовываться либо в результате внутренней конверсии, либо в результате электронного захвата, либо же при воздействии на атом внешним фотонным или электронным облучением. В результате атом оказывается в энергетически возбужденном состоянии с внутренней электронной оболочкой, потерявшей электрон (с вакансией). При переходе атома в невозбужденное (стабильное) состояние вакансия на внутренней оболочке замещается электроном с более удаленной оболочки, что приводит к освобождению энергии возбуждении. Эта энергия реализуется в виде фотонного (характеристического или X) излучения, однако есть некоторая вероятность того, что X излучение будет поглощено электроном этого же атома и в результате уже этот электрон будет излучен атомом (с соответствующей вероятностью). Такого рода электроны называются Ожэ электронами. Итак, при снятии энергетического возбуждения атома, возникшего в результате одного из перечисленных выше процессов происходит излучение характеристической электромагнитной энергии (X-излучение) и/или излучаются Ожэ-электроны.
Ожэ-электроны моноэнергетичны, а их энергия зависит от типа атомов, а также от химического состава вещества, в котором локализован возбужденный атом. Соответственно, спектроскопия Ожэ-электронов заключается в следующем: образцы исследуемого вещества облучаются Х-излучением или электронами соответствующей энергии. Измерение интенсивности излучаемых при этом Ожэ электронов в зависимости от их энергии (т.е. измерение спектра) может быть использовано для идентификации излучающих атомов и для получения некоторой информации об их окружении.
Ожэ-электроны, так же как и электроны Костера-Кронига, представляют большой интерес в связи с тем, что, обладая малой энергией (от десятых долей кэВ до единиц кэВ) они могут излучаться возбужденными атомами с большой интенсивностью (за счет того, что при снятии энергетического возбуждения атома число Ожэ-электронов может достигать нескольких электронов на один акт снятия возбуждения – это имеет место, если вакансии образованы на нескольких внутренних электронных оболочках). В результате, если излучающий атом присоединен к биологически важным субклеточным структурам (например, к ДНК), то на расстояниях от единиц до сотен нанометров может быть создана очень большая плотность ионизации, что вызывает тяжелые, плохо восстанавливаемые (плохо репарируемые) повреждения ДНК, подобно биологическим эффектам, вызываемым альфа-частицами. Это свойство Ожэ-излучателей может быть использовано для радиотерапии злокачественных новообразований.
Физический Ожэ эффект был впервые открыт швейцарским физиком, лауреатом Нобелевской премии Феликсом Блохом (Felix Bloch, 1905) и американским физиком-экспериментатором Перли Асоном Россом (Perley Ason Ross, 1883). Затем этот эффект был изучен и описан в 1922 году австрийским физиком Лиз Мейтнер (Lise Meitner, 1878). Однако, несмотря на это, Ожэ-электроны названы так по имени французского физика Пьера Виктора Ожэ (Pierrre Victor Auger, 1899 ), который, после получения высшего образования в 1922 году, включил эту тему в качестве главной в свою диссертацию (1923 год).
Электроны Костера-Кронига.
Излучение возбужденными атомами электронов Костера-Кронига являются специальным случаем Ожэ процесса. При этом образовавшаяся вакансия на внутренней электронной оболочке замещается электроном с более удаленной от ядра субоболочки той же самой электронной оболочки, где образовалась вакансия. Электроны Костера-Кронига названы так в честь голландского физика Дирка Костера (Dirk Coster, 1889), соавтора открытия элемента Hf, и немецко-американского физика Ральфа Кронига (Ralph Kronig, 1904), изучившими и описавшими этот эффект.
Нейтронное излучение.
Нейтроны излучаются как в результате ядерных реакций, так и в результате спонтанного (самопроизвольного) распада тяжелых ядер (например, ядер природного урана). Ядерная реакция, в результате которой тяжелое ядро разделяется на две отдельные части называется реакцией деления. В процессе реакции деления излучаются 2 или 3 нейтрона и выделяется энергия. Если эти нейтроны снова поглощаются, то имеет место индуцированная реакция. Цепная реакция деления возникает, если она самоподдерживается за счет излучения и поглощения достаточного для этого числа нейтронов. Контролируемая цепная реакция имеет место в ядерных реакторах.
В результате спонтанного деления, например ядер природного урана, излучается весьма малое число нейтронов. Вместе с тем, в ядерном реакторе, число излучаемых нейтронов может быть очень большим. Если необходимо получить нейтронное излучение с интенсивностью большей, чем при спонтанном делении, но меньшей, чем при цепной реакции, то могут быть использованы иные типы ядерных реакций. Например, весьма распространено использование реакции альфа-частиц (ядер 4He) c бериллием (9Be) , в результате чего образуется 12С, излучается нейтрон и выделяется энергия. В качестве источников альфа-излучения могут быть использованы радионуклиды радия (Ra), полония (Po), америция (Am) или плутония (Pu). В этом случае нейтронные источники называются Ra-Be, Po-Be, Am-Be или Pu-Be.
Период физического полураспада.
Важной характеристикой радионуклидов является время, за которое их число уменьшается на половину. Этот период времени называется “периодом полураспада” радионуклида. Период полураспада (T1/2, имеет размерность единицы времепни) и константа распада (λ, имеет размерность обратную единице времени) связаны следующим соотношением:
T1/2 = ln2/λ
где ln – обозначение натурального логарифма.
Выражение, описывающее изменение активности радионуклида (A) со временем t, имеет следующий вид:
A(t) = A(0)×exp( -ln2×t/T1/2 )
где A(0) – начальная активность радионуклида, exp – обозначение экспоненты.
Величины T1/2 для различных радионуклидов представлены в соответствующих справочниках.