Лекция 1. Ионизирующее излучение. Понятие, природа, свойства.

1. Понятие и виды ионизирующих излучений.

2. Природа и виды рентгеновского излучения. Рентгеновская трубка.

3. Механизм образования и спектры тормозного и характеристического излучений.

4. Радиоактивность и её характеристики.

5. Виды радиоактивного распада.

Понятие и виды ионизирующих излучений.

Ионизирующие излучения - все излучения, которые при действии на вещество непосредственно вызывают его ионизацию.

Виды ионизирующих излучений:

1. Коротковолновое ультрафиолетовое

2. Рентгеновское излучение

3. Радиоактивные излучения:

   1. Альфа-излучение

   2. Бэтта-излучение

   3. Гамма-излучение

   4. Нейтронные излучения.

Природа и виды рентгеновского излучения. Рентгеновская трубка.

Рентгеновское излучение – коротковолновое электромагнитное излучение, которое на шкале ЭМВ расположено между ультрафиолетовыми и гамма-лучами.

Виды рентгеновского излучения:

1. по длине волны и проникающей способности:

   1. мягкое (длина волны больше, чем у жесткого, а проникающая способность меньше)

   2. жёсткое

2. по механизмам излучения и спектрам:

   1. тормозное

   2. характеристическое

Все виды рентгеновского излучения можно получить с помощью рентгеновской трубки. Рентгеновская трубка – двухэлектродный вакуумный прибор, в основе работы которого лежит явление термоэлектронной эмиссии:

Электрические токи разогревают катод, и он испускает электроны. Вылетевшие электроны образуют электронное облако у катода. Электроны летят к аноду. У анода происходит их взаимодействие с атомарным электроном и веществом анода, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Анод выполняется из тугоплавких теплопроводных металлов с высокой молекулярной массой (например, вольфрама). Применяется специальное охлаждение анода водой, маслом, либо используется технология «вращающегося анода».

Механизм образования и спектры тормозного и характеристического излучений.

Тормозное рентгеновское излучение – излучение, которое образуется при торможении быстрых электронов атомарным электрическим полем анода (полем атомарных электронов).

Теория Максвелла: вокруг движущихся заряженных частиц существует электрическое и магнитное поле. Когда скорость электронов уменьшается, уменьшается и индукция магнитного поля, следовательно, в пространстве происходит цепочка взаимосвязанных изменений электрического и магнитного полей, т.е. порождается электрическая волна.

В рамках закона превращения энергии: при тормозном излучении уменьшающаяся кинетическая энергия электронов переходит в энергию электромагнитного излучения, а также внутреннюю энергию атомов анода, вызывая его нагревание.

, где е – заряд электрона; U – напряжение между катодом и анодом; Q – выделяющееся на аноде тепло; eU – энергия ускоренного электрона.

Соотношение между слагаемыми случайно, следовательно, при торможении большого числа электронов образуется радиоактивное излучение различных длин волн.

Зависимость потока рентгеновского излучения от его длины волны – спектр рентгеновского излучения. .

Спектр тормозного радиоактивного излучения непрерывный (сплошной). Этот спектр имеет чёткую границу со стороны коротких волн, так как энергия фотона радиоактивного излучения меньше энергии ускоренного электрона. Определить эту границу можно из условия перехода всей энергии электрона в энергию фотона (Q = 0).

Характеристики спектра можно получить двумя способами:

1. Изменить напряжение на трубке (между анодом и катодом)

2. Изменить температуру накала катода

Увеличение напряжения на трубке вызовет два эффекта: 1) увеличатся скорость и энергия электрона, следовательно, увеличится число квантов тормозного излучения, следовательно, произойдёт изменение спектральных свойств излучения в сторону увеличения жёсткости (коротковолновая граница сместится в область меньших длин волн). 2) увеличится число электронов из электронного облака вокруг катода, которые достигнут анода, следовательно, произойдёт возрастание потока энергии тормозного излучения.

Увеличение температуры накала катода вызовет увеличение эмиссии электронов, следовательно, увеличится поток излучения без изменения спектрального состава.

Характеристическое рентгеновское излучение: увеличение напряжения между катодом и анодом => электрон в поле трубки сильнее ускорится и приобретёт большую энергию => электрон преодолевает отталкивание поля атомарных электронов анода и проникает внутрь атома => внутри атома электрон выбивает новый электрон из внутреннего слоя. На место выбитого электрона обязательно переходит электрон из более удалённого от ядра слоя. Так как энергия внешних электронов больше, чем энергия внутренних электронов, то избыток энергии высвечивается в виде кванта электромагнитного излучения.

Характеристическое рентгеновское излучение всегда образуется при возникновении свободного места в одном из внутренних электронных слоёв атома.

Распределение электронных слоёв определено, следовательно, спектр характеристического излучения дискретный (линейный). Внутренние электронные слои атомов заполнены, а значит одинаковы у атомов разных элементов, следовательно, особенности характеристических рентгеновских спектров атомов сравнимы с относительными атомными спектрами.

Характеристические спектры различных элементов однотипны по форме и отличаются лишь положением на оси длины волн. С увеличением порядкового номер испускаемого электрона (в трубке – вещество анода) спектры сдвигаются в сторону меньших длин волн (в зону больших частот). Причина сдвига – усиление влияния ядра на электронные оболочки.

Закон Мозли:

, где А и В – постоянные, учитывающие взаимное расположение электронных слоёв и влияние ближних к ядру электронов.

Характеристический спектр элемента не зависит от того, в какие химические соединения он входит.

Радиоактивность и её характеристики.

Радиоактивность – самопроизвольный распад атомных ядер с образованием новых дочерних ядер и различных излучений.

Естественный распад – свойственен неустойчивым ядрам, существующим в природе.

Искусственный распад – свойственен ядрам, возникающим при ядерных реакциях.

Протекание процесса радиоактивного распада во времени описывает основной закон радиоактивного распада:

, где N – число целых ядер, dN – изменение числа N за промежуток времени dt, - постоянная распада, «-» - со временем число ядер уменьшается.

Число ядер уменьшается тем сильнее, чем дольше идёт распад и чем больше подвержено распаду ядер.

Окончательный вид: . В процессе радиоактивного распада число материнских ядер уменьшается по экспоненциальному закону.

Количественные характеристики радиоактивного распада:

Постоянная распада - . Пусть t – время релаксации, т.е. среднее время жизни изотопа. За это время по определению число ядер уменьшится в e раз.

Физический смысл: постоянная распада обратна времени релаксации. Чем больше постоянная распада, тем меньше время релаксации и тем быстрее идёт распад, независимо от исходного количества ядер. Постоянная распада – характеристика способности ядра к распаду или вероятности распада ядра.

Для различных веществ постоянная распада различна. А процесс распада – статистический процесс.

Период полураспада ( ) – время, за которое распадётся половина от исходного количества ядер. Связь между постоянной распада и периодом полураспада:

Чем больше постоянная распада, тем меньше период полураспада ядер у данного вещества.

Активность (А) – скорость распада, т.е. число ядер, распадающихся в единицу времени.

Внесистемные ед.: 1 Рд = 10⁶ Бк (резерфорд); 1 Ки = 3,7 ^. 10¹⁰ Бк (кюри).

Связь между активностью и другими единицами:

, где А₀ – исходная активность.

Активность уменьшается во времени по экспоненциальному закон.

Активность тем выше, чем больше число радиоактивных ядер и чем меньше период полураспада.

Удельная массовая активность – активность единицы массы вещества.

Удельная объёмная активность – активность единицы объёма вещества.

Виды радиоактивного распада.

Существует два основных типа распада:

1. Альфа-распад

2. Бэтта-распад

   1. электронный ( )

   2. позитронный ( )

   3. электронный захват (е-захват)

Основные характеристики микрочастиц.

Элементарные частицы и атомные ядра принято характеризовать зарядом и массой, выраженных в элементарных единицах.

В состав атома входят протоны (р), нейтроны (n) и электроны (е). Протоны и нейтроны – нуклоны. Заряды: протона 1, нейтрона 0, электрона -1. Массы: протона 1, нейтрона 1, электрона 0.

Позитрон (антиэлектрон) не входит в состав элемента, но образуется при позитронном распаде. Его заряд 1, масса 0.

Заряд ядра равен числу протонов в ядре и определяется порядковым номером элемента в периодической таблице Д.И.Менделеева (Z).

Масса ядра равна сумме числа протонов и числа нейтронов в ядре (общему числу нуклонов) – массовое число (А).

Излучения, образующиеся при радиоактивном распаде.

Альфа-излучение – имеет корпускулярную природу, состоит из быстродвижущихся альфа-частиц – ядер атома гелия. Характеристики альфа-частицы: Z = 2, A = 4, образуется при альфа-распаде.

Электронное излучение ( ) – имеет корпускулярную природу, состоит из быстродвижущихся -частиц (электронов), образующихся при -распаде.

Позитронное излучение ( ) – имеет корпускулярную природу, состоит из быстродвижущихся -частиц (позитронов), образующихся при -распаде.

Гамма-излучение – имеет электромагнитную (волновую) природу, может сопровождать как альфа-, так и бэтта-распад.

Элементарная частица нейтрино ( ). Характеристики: заряд 0, масса 0. Образуется при позитронном распаде.

Элементарная частица антинейтрино ( ). Характеристики: заряд 0, масса 0. Отличается от нейтрино направлением спина. Образуется при электронном распаде.

Характерное рентгеновское излучение сопровождает электронный захват.

Альфа-распад – превращение ядра одного элемента в ядро другого элемента с испусканием альфа-частицы. Х – материнское ядро, У – дочернее ядро.

Дочернее ядро может образовываться в возбуждённой системе, затем энергия возбуждения высвечивается в виде гамма-фотонов.

Бэтта-распад – внутриядерное взаимное превращение нейтрона и протона с возможностью возникновения гамма-излучения.

Электронный распад – в ядре происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино.

Дочернее ядро имеет ту же массу, но на 1 э.е. больше заряд.

Позитронный распад – в ядре происходит превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.

Дочернее ядро имеет ту же массу, но на 1 э.е. меньше заряд.

Электронный захват – ядро захватывает электрон с одной из внутренних орбит атома.

Вакансия во внутреннем слое сразу заполняется электроном из более удалённого слоя, возникает характерное рентгеновское излучение. Масса ядра не изменяется, а заряд уменьшается на 1 э.е..