- •Основы радиационной экологии
- •Введение
- •1 Основные понятия, термины и определения
- •2 Из чего сделано вещество. Немного истории
- •2.1 Атомы
- •2.2 Элементарные частицы
- •2.3 Кварки
- •3 Элементарные частицы
- •3.1 Фундаментальные взаимодействия
- •3.2 Аннигиляция
- •4.1 Состав атомных ядер
- •4.2 Изотопы
- •4.3 Атом водорода
- •4.4 Дефект массы
- •4.5 Постулаты Бора
- •4.6 Корпускулярно-волновой дуализм
- •4.7 Энергия связи ядер
- •4.7.1 Энергетические уровни ядра
- •4.7.2 Насыщение ядерных сил
- •4.7.3 Импульс движения
- •4.7.4 Магнетон Бора
- •4.7.5 Спин ядра
- •4.8 Единицы атомной и ядерной физики
- •5 Радиоактивность
- •5.1 Естественная радиоактивность
- •5.2 Превращения ядерных частиц
- •5.7.1 Устойчивость ядер
- •5.3 Закон радиоактивного распада
- •5.4 Ядерные реакции
- •5.4.1 Первая ядерная реакция
- •5.4.2 Ядерные реакции под действием α- частиц
- •5.4.3 Ядерные реакции под действием протонов
- •5.4.4 Ядерные реакции под действием нейтронов
- •5.4.5 Реакция деления тяжелых ядер
- •5.4.5.1 Цепная реакция
- •5.4.5.2 Критическая масса
- •5.4.5.3 Ядерные реакторы
- •5.5 Синтез атомных ядер
- •5.5.1 Протон - протонная реакция
- •5.5.2 Углеродно – азотный цикл
- •5.5.3 Управляемый термоядерный синтез
- •6 Проявление радиоактивности
- •6.1 Ионизация
- •6.1.1 Потенциал ионизации
- •6.2 Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом
- •6.2.1 Радиолиз воды
- •8.2.2 Свободные радикалы
- •6.3 Наведенная радиоактивность
- •Дозиметрия радиационных явлений
- •7.1 Радиоактивность, единицы измерения
- •7.2 Доза излучения
- •6.2.1 Экспозиционная доза
- •6.2.2 Поглощенная доза
- •6.2.3 Эквивалентная доза
- •6.2.4 Мощность дозы
- •8 Дозиметрия ионизирующих излучений
- •8.1 Детекторы ионизирующих излучений
- •8.1.1 Ионизационные камеры
- •8.1.1.1 Газоразрядные счетчики
- •8.1.2 Химические детекторы
- •8.1.3 Сцинтилляционные счетчики
- •8.1.4 Фотографические детекторы
- •8.1.6 Другие виды детекторов
- •8.2 Дозиметрические приборы
- •8.2.1 Некоторые дозиметрические приборы старшего поколения
- •8.2.2 Современные дозиметрические приборы
- •8.2.2.1 Многофункциональные приборы для контроля альфа, бета, гамма и нейтронного излучения
- •8.2.2.2 Приборы для контроля альфа - излучения
- •8.2.2.3 Приборы для контроля гамма – излучения
- •8.2.2.4 Системы индивидуальной дозиметрии
- •8.2.2.5 Приборы радиационного дозиметрического контроля
- •8.2.2.6 Радиометры
- •Приборы ветеринарного контроля
- •8.2.2.8 Системы радиационного контроля и мониторинга
- •8.2.2.9 Приборы радиационного контроля общего назначения
- •Заключение
- •Литература
- •Содержание
4.6 Корпускулярно-волновой дуализм
Корпускулярно-волновой дуализм - это лежащее в основе квантовой механики положение о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые черты. Экспериментально доказано, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции света) свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как бы из частиц — фотонов. В этом проявляется дуализм света, его сложная корпускулярно-волновая природа. По представлениям классической (неквантовой) физики, движение частиц и распространение волн различаются принципиально. Однако опыты по вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект), изучение рассеяния света на электронах (Комптона эффект) и ряд др. экспериментов убедительно показали, что свет - объект, имеющий, согласно классической теории, волновую природу, - ведёт себя подобно потоку частиц.
Также оказалось, что пучок электронов, падающих на кристалл, даёт дифракционную картину, которую нельзя понять иначе, как на основе волновых представлений. Позже было установлено, что это явление свойственно вообще всем микрочастицам. Таким образом, характерной особенностью микромира является своеобразная двойственность, дуализм корпускулярных и волновых свойств, который не может быть понят в рамках классической физики. Так, возникновение дифракционной картины при рассеянии частиц несовместимо с представлением о движении их по траекториям.
Двойственность содержится уже в формуле E = hυ, не позволяющей выбрать какую-либо одну из двух концепций: в левой части равенства энергия E относится к частице, а в правой — частота υ является характеристикой волны. Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было считать, что свет имеет волновую природу, а для объяснения других — корпускулярную. По существу разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.
4.7 Энергия связи ядер
Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными. Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов. Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер. Ядерные силы заметно проявляются, как показали опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц, лишь на расстояниях порядка размеров ядра (10–12–10–13 см). На больших расстояниях проявляется действие сравнительно медленно убывающих кулоновских сил.
На основании опытных данных можно заключить, что протоны и нейтроны в ядре ведут себя одинаково в отношении сильного взаимодействия, т. е. ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.
Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра. Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.
Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время измеряют массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов (см 4.4 дефект массы)
Eсв = ΔMc2 = (Zmp + Nmn – Mя)c2. Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов.
На примере ядра гелия 2He4, в состав которого входят два протона и два нейтрона можно рассчитать энергию их связи. Масса ядра гелия Mя = 4,00260 а. е. м. Сумма масс двух протонов и двух нейтронов составляет 2mp + 2mn = 4, 03298 а. е. м. Следовательно, дефект массы ядра гелия равен ΔM = 0,03038 а. е. м. Расчет по формуле Eсв = ΔMc2 приводит к следующему значению энергии связи ядра 2He4: Eсв = 28,3 МэВ. Это огромная величина. Образование всего 1 г гелия сопровождается выделением энергии порядка 1012 Дж. Примерно такая же энергия выделяется при сгорании почти целого вагона каменного угля. Энергия связи ядра на много порядков превышает энергию связи электронов с атомом. Для атома водорода 1Н1, например, энергия ионизации равна 13,6 эВ.
В таблицах обычно указывают удельную энергию связи, т. е. энергию связи на один нуклон. Для ядра гелия удельная энергия связи приблизительно равна 7,1 МэВ/нуклон. На рисунке 11. приведен
Рисунок 11 - Удельная
энергия связи ядер
график зависимости удельной энергии связи от массового числа A. Как видно из графика, удельная энергия связи нуклонов у разных атомных ядер неодинакова. Для легких ядер удельная энергия связи сначала круто возрастает от 1,1 МэВ/нуклон у дейтерия 1Н2 до 7,1 МэВ/нуклон у гелия 2He4. Затем, претерпев ряд скачков, удельная энергия медленно возрастает до максимальной величины 8,7 МэВ/нуклон у элементов с массовым числом A = 50–60, а потом сравнительно медленно уменьшается у тяжелых элементов. Например, у урана 92U238 она составляет 7,6 МэВ/нуклон.