6. Полупроводниковые детекторы

Приборы такого типа основаны на свойстве полупроводников изменять свою электропроводность под действием облучения нейтронами или γ – лучами, для регистрации которых они и применяются.

Законы радиоактивных превращений

α-, β- и γ- частицы вылетают из ядра и являются продуктами его радиоактивного превращения. Поскольку α- и β- частицы заряжены, то при их вылете изменяется заряд и атомный номер ядра, и оно превращается в ядро другого химического элемента. Такие радиоактивные превращения элементов подчиняются определенным закономерностям.

Обозначим заряд ядра распадающегося элемента через «Z», а его атомный вес через «А». При дальнейшем рассмотрении атомные веса будем округлять до ближайших целых чисел, и понимать под «А» не типичный атомный вес, а так называемое «массовое число» ядра. Значок «Z» будем помещать внизу, а значок «А» – вверху около химического символа данного элемента Х, т.е. .

α-частица – это ядро гелия с Z=2 и атомным весом 4,00388 (А=4). Она обозначается как или .

Электрон, имеющий заряд Z=-1 и атомный вес 1/1836 (А=0) обозначим, как .

При α - распаде распадающееся ядро испускает α-частицу и превращается в другое ядро. С учетом сохранения заряда и массы эта реакция записывается так

. (1)

Элемент Y имеет атомный номер на две единицы меньшей и, следовательно, сдвинут относительно Х на две клетки влево по таблице Менделеева.

Уравнение β – распада записывается аналогичным образом

. (2)

При испускании отрицательно заряженного электрона заряд и номер элемента Y увеличиваются на единицу, и он сдвигается относительно Х на одну клетку вправо по таблице Менделеева, сохраняя массовое число неизменным.

Оба эти уравнения ((1) и (2)) носят название правил (или законов) радиоактивного смещения. Выраженные ими изменения химических свойств при радиоактивном распаде полностью подтверждены на опыте.

Закономерности α- и β- распада

α – распад

Рассмотрим механизм α – распада, исходя из особенностей взаимодействия α – частицы с ядром-остатком . Будем считать, α – частицу материальной точкой.

Факт длительного существования α – частицы, обладающим положительным электрическим зарядом, указывает на наличие сил притяжения неэлектрической природы, обеспечивающих устойчивость ядер.

Как показывает опыт, даже для самых больших ядер, на расстоянии порядка 1,5*10^-12 см от центра ядра ядерные силы уже неощутимы. На таких расстояниях действуют только электрические силы отталкивания, и общая потенциальная энергия частицы имеет вид:

, (1)

где 2е – заряд частицы;

r – расстояние до центра ядра.

График этой функции представлен на рисунке.

Т аким образом, α – распад представляет собой просачивание α – частицы через потенциальный барьер.

Согласно квантовой механике, как бы ни был высок потенциальный барьер, имеется отличная от нуля вероятность того, что частица с энергией меньшей высоты барьера, проникнет сквозь него путем туннельного перехода.

Как мы уже знаем, вероятность прохождения частицы через потенциальный барьер (или прозрачность барьера) выражается формулой

,

где d – ширина,

U – высота барьера,

Е – полная энергия частицы.

С прозрачностью барьера можно связать постоянную распада λ, вспомнив, что прозрачность барьера – это вероятность вылета α – частицы при одном ударе о барьер, а постоянная распада – это вероятность распада ядра в единицу времени.

Следовательно,

, (2)

где n – число ударов α – частицы о стенку барьера.

Величина « n » обратна времени, в течение которого α – частица пролетает расстояние равное диаметру ядра, т.е.

,

где v – скорость α – частицы,

r_o - радиус ядра.

Представив V как , где Е – энергия α – частицы ( ), получим

(3)

Подставив D и n из уравнений (1) и (3) в выражение (2), получим

Эта формула выражает зависимость постоянной распада от энергии выбрасываемых частиц: чем больше энергия α – частиц, тем больше постоянная распада.

В заключение следует отметить, что, подобно тому, как фотон не существует в готовом виде в недрах атома и возникает лишь в момент излучения, α – частица также возникает в момент радиоактивного распада ядра.

β – распад

Существуют три разновидности β–распада: в одном случае, ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон; в другом – позитрон; в третьем, называемом электронным захватом, ядро поглощает один или несколько электронов заполненной внешней оболочки атома.

П ервый вид распада (обозначается как β^-)протекает по схеме

.

Здесь ядро Y имеет атомный номер на 1 больший, чем ядро Х. Массовые числа обоих ядер одинаковы; - электрон, - антинейтрино. На физическом смысле этой частицы мы остановимся несколько позднее.

Энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при β–распаде, имеет вид: (см.рис.).

Площадь, охватываемая кривой, дает общее число электронов, испускаемых в единицу времени.

dN – это число электронов, энергия которых заключена в интервале dE.

Энергия Е_max соответствует разности между массой ядра Х и массами электрона и ядра Y.

Следовательно, распады, при которых энергия электрона меньше Е_max, протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

Чтобы объяснить это исчезновение энергии Е_max – Е Паули в 1932г. высказал предположение, что при β–распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, которая и уносит с собой энергию Е_max – Е. Так как эта частица никак себя не обнаруживает, то она нейтральна и обладает очень малой массой. По предложению Э.Ферми, эту частицу назвали нейтрино (маленький нейтрон).

Согласно современным данным, частицей, испускаемой при электронном β–распаде, является не нейтрино, а антинейтрино, т.е. частица, обладающая спином , нулевым зарядом и нулевой массой.

Энергия, выделяемая при электронном β^--распаде, распределяется между электроном и антинейтрино в соответствии с нашей кривой таким образом, что сумма энергий этих частиц всегда равна Е_max .

Для подтверждения гипотезы о существовании антинейтрино необходима была экспериментальная проверка. Здесь возникли большие трудности. Электрическая нейтральность и ничтожно малая масса приводят к очень слабому взаимодействию антинейтрино с веществом.

Для опытного обнаружения антинейтрино был использован закон сохранения импульса. Идея опыта состояла в следующем: если бы ядро при β^--распаде испускало только один электрон, то оно испытывало бы отдачу в направлении прямо противоположном вылету электрона.

Е сли же ядро, кроме электрона, испускает еще и антинейтрино, то, по закону сохранения импульса, векторная сумма трех импульсов – электрона, антинейтрино и ядра отдачи – равна нулю, как и до распада. Ядро до распада считаем неподвижным. Таким образом, если антинейтрино действительно испускаются, то отдача ядра будет происходить не в направлении прямой, по которой летит электрон. Опыты полностью подтверждают это.

Второй вид β–распада протекает по схеме

,

где - позитрон – это античастица электрона. Ее заряд и энергия противоположны заряду и энергии электрона;

ν – нейтрино, т.е. частица, обладающая энергией и зарядом противоположным антинейтрино.

Следовательно, обе частицы, испускаемые при распаде, представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при электронном β^--распаде.

Третий вид β–распада - электронный захват, заключается в том, что ядро поглощает один из электронов, находящихся в ближайшей к ядру оболочке атома. При этом один из протонов превращается в нейтрон, т.е. происходит реакция

,

где p – протон, т.е. ядро атома водорода;

е – электрон;

n – нейтрон – частица, не обладающая электрическим зарядом, массой близкая к массе протона;

ν – нейтрино.

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя в более низкие энергетические состояния, оно испускает γ – частицы. Схема этого процесса выглядит следующим образом

.

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электроном из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи. Таким образом, электронный захват легко обнаруживается по сопровождающему его рентгеновскому излучению.

Сравнивая эти три вида β–распада, мы видим, что каждый из этих процессов нельзя объяснить делением системы на составные части, т.к. при этом происходит взаимопревращение частиц. Электрон, позитрон и нейтрино не содержатся в протоне или нейтроне, а порождаются при их взаимном превращении.

Близость масс нейтрона и протона, наличие их взаимных превращений с испусканием и поглощением различных легких частиц дает возможность трактовать нейтрон и протон не как различные частицы, а как два квантовые состояния одной и той же ядерной частицы или нуклона. Массовое число и спиновой механический момент по величине одинаковы для обоих состояний, а электрический заряд может принимать значения Z=1 (протон) и Z=0 (нейтрон).