Радиоактивность и структура ядра. Ядерные силы

Переходя в основное состояние, оно испускает гамма-фотон. Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате возникает рентгеновское излучение.

Примером электронного захвата может служить следующая реакция:

Бета-частицы, испускаемые при бета-распаде, имеют различную энергию, поэтому и пробег их в веществе не одинаков. Путь, проходимый бета-частицей в веществе, представляет собою не прямую линию, как у альфа-частиц, а ломаную. Взаимодействуя с веществом среды, бета-частицы проходят вблизи ядра. В поле положительно заряженного ядра отрицательно заряженная бета-частица резко тормозится и теряет при этом часть своей энергии. Эта энергия излучается в виде тормозного рентгеновского излучения. С увеличением энергии бета-частиц и атомного номера вещества интенсивность рентгеновского излучения возрастает.

Ионизирующая способность бета-частиц много меньше, а длина пробега много больше, чем у альфа-частиц.

 

В) Взаимодействие Гамма-излучения с веществом.

В литературе часто встречаются термины радиоактивных излучений: рентгеновские или гамма-лучи, или общее название — электромагнитные волны с короткими длинами волн, которые обладают большой проникающей способностью в веществе. Различные названия рентгеновские и гамма лучи — связаны не с различными физическими свойствами этих лучей, а со способом их получения. Наиболее часто употребляется гамма-излучение, которое не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает альфа- и бета- распады. Оно возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц и т.д.

Гамма-излучение испускается дочерним ядром. Дочернее ядро в момент своего образования оказывается возбуждённым, а затем за время с оно переходит в основное состояние с испусканием гамма-излучения. Возвращаясь в основное состояние, ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому гамма-излучение может содержать несколько групп гамма-квантов, отличающихся значениями энергии.

Гамма-кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, они или поглощаются или рассеиваются. Гамма-излучение не имеет заряда и тем самым не испытывает влияния кулоновских сил. При прохождении пучка гамма-квантов через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность.

Основными процессами, сопровождающими прохождение гамма-излучения через вещество является фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электронно-позитронных пар.

Фотоэффектом называется процесс, при котором атом полностью поглощает гамма квант с энергией hv и испускает электрон с кинетической энергией Ek , равной

где I — энергия ионизации соответствующей атомной оболочки. Если энергия hv достаточна для вырывания электрона из любой атомной оболочки (hv > ), то наиболее вероятным будет испускание сильно связанных, т.е. глубинных атомных электронов. С ростом энергии hv вероятность фотоэффекта понижается.

Комптоновским рассеянием называется такой процесс, при котором гамма-квант, взаимодействуя со слабо связанным электроном, передает ему часть своей энергии hv и рассеивается под углом q к первоначальному направлению, а электрон покидает атом, обладая кинетической энергией.

Увеличение энергии гамма квантов приводит к монотонному убыванию вероятности Комптон-эффекта.

Рождение электронно-позитронной пары — процесс, при котором гамма-квант превращается в пару частиц — электрон и позитрон, в результате взаимодействия с электрическим полем ядра или электрона. Процесс рождения пары частиц в поле ядра возможен при энергиях гамма-квантов превышающих 1,02 МэВ.

Механизм поглощения гамма-излучения зависит от его энергии. Если энергия кванта меньше 100-200 кэВ, то наиболее вероятным механизмом поглощения является фотоэффект. Образовавшийся при фотоэффекте электрон способен вызвать ионизацию среды, в которой он движется. При энергиях, больших 200 кэВ и вплоть до 100 МэВ, основным механизмом поглощения энергии гамма квантов является Комптон-эффект. Начиная с энергии гамма кванта 1,02 МэВ появляется вероятность образования электронно-позитронных пар. Энергия кванта, равная 1,02 МэВ, расходуется на образование пары, а избыток энергии кванта переходит в кинетическую энергию образующихся частиц, которые теряют эту энергию при столкновении с электронами.

 

Г) Взаимодействие нейтронов с веществом.

Нейтроны, имеющие нулевой заряд, не взаимодействуют с электронной оболочкой встреченных атомов, а поэтому могут проникать вглубь их. Проникающая способность нейтронов весьма велика. При этом нейтроны могут либо поглощаться ядрами, либо рассеиваться на них. При упругом рассеивании на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтроны теряют лишь 10-15% энергии, а при столкновении с почти равными с ними по массе ядрами водорода — протонами — энергия нейтрона уменьшается в среднем вдвое. Поэтому, с одной стороны, вещества, содержащие большое количество атомов водорода (вода, парафин), используют для замедления нейтронов. С другой стороны, процесс упругого соударения нейтронов с протонами используется для регистрации быстрых нейтронов. В самом деле, при упругом ударе нейтрона с неподвижным протоном последнему передаётся большая часть кинетической энергии нейтрона — нейтрон практически останавливается, а протон начинает двигаться в том направлении, в котором двигался нейтрон. Движущийся протон на своём пути производит интенсивную ионизацию, которая регистрируется счётчиком или камерой Вильсона.

Испытавшие столкновение нейтроны совершают хаотическое движение с тепловыми скоростями. Такие тепловые нейтроны могут быть зарегистрированы с помощью ядерных реакций, при которых нейтрон, проникая в ядро, способствует вылету из него высокоэнергетической альфа-частицы. По количеству ионизации, производимых этими альфа-частицами, можно судить о прохождении через камеру медленных нейтронов.

Кроме упругих взаимодействий нейтронов с ядрами, возможны и неупругие взаимодействия. При таком взаимодействии нейтрон поглощается ядром. В результате этого поглощения (радиационного захвата) образуется нестабильный тяжёлый изотоп, который испытывает бета-распад, сопровождающийся гамма-излучением. Процесс радиационного захвата нейтронов используется в технике для получения искусственных радиоактивных нуклидов, например, кобальта  (радиоактивный распад сопровождается испусканием бета-частиц с максимальной энергией 1,33 МэВ).

Представляет интерес реакция, протекающая в атмосфере постоянно под действием нейтронов, содержащихся в космическом излучении. Возникающий при этом углерод радиоактивен, его период полураспада составляет 5730 лет. Радиоуглерод усваивается растениями в результате фотосинтеза и участвует в круговороте веществ в природе. Установлено, что равновесная концентрация в различных местах земного шара одинакова и соответствует примерно 14 распадам в минуту на каждый грамм углерода. Когда организм умирает, процесс усвоения углерода прекращается, и концентрация в организме начинает убывать по закону радиоактивного распада. Таким образом, измерив концентрацию в останках организмов, тканей и т.д. можно определить их возраст.

Захватом нейтрона сопровождается также одна из важнейших реакций — реакция деления, в результате которой ядро делится на две примерно равные по массе части. При делении ядра образуются новые вторичные нейтроны: два-три на каждый акт деления, которые могут, в свою очередь, вызвать деление других ядер вещества, что в соответствующих условиях может вызвать цепную реакцию.

В заключение заметим, что при попадании нейтронов на тело человека, так же как гамма квантов или альфа, бета-частиц, их воздействие сводится, в конечном счете, к ионизации биологической ткани. Напомним кратко свойства трех видов излучений.

Альфа излучение — проникающая способность невелика, задерживается листом бумаги, одеждой, неповрежденной кожей; оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества не попадут внутрь организма с пищей или вдыхаемым воздухом. При попадании внутрь организма альфа-излучение приводит к серьезному повреждению близлежащих клеток.

Бета излучение — быстрые, движущиеся с огромной скоростью электроны, проходит в ткани организма на глубину 1-2 см, однако от него можно защититься тонким слоем металла — 1,25 см, слоем дерева или плотной одеждой.

Гамма излучение и рентгеновское излучение — электромагнитное излучение, обладает очень большой энергией и проникающей способностью, оно проходит сквозь биологические ткани человека и его можно задержать лишь свинцовыми или бетонными плитами.

Основную дозовую нагрузку на организм человека в результате Чернобыльской катастрофы на территории Гомельской и Могилевской областей определяют следующие радионуклиды и виды излучений:

цезий-137 — 90%- гамма-частиц, 10% бета-частиц,

стронций-90 — 100% альфа-частиц,

плутоний — 100% альфа-частиц,

калий-40 — (естественный радионуклид) 10% — гамма-частиц, 90% — бета-частиц.

Кроме вышеперечисленных радионуклидов в почвах и растениях гамма-излучения определяют также цезий-134, церий-144, рутений-106.

При прохождении ионизирующего излучения через вещество происходит потеря энергии излучения. Среднюю энергию частицы, теряемую на единице длины её пути в веществе называют линейной передачей энергии (ЛПЭ). Понятие ЛПЭ было введено в 1954 году. За единицу ЛПЭ принимают 1 кэВ на 1 км пути: 1 кэВ/мкм = 62 Дж/м. Все ионизирующие излучения в зависимости от значения ЛПЭ делятся на редко- и плотно ионизирующие. К редко ионизирующим излучениям принято относить все виды излучения, для которых ЛПЭ = 10 кэВ/мкм, а к плотно ионизирующим — те, для которых ЛПЭ > 10 кэВ/мкм. Для заряженных частиц ЛПЭ возрастает с уменьшением их скорости.

 

7. Ядерные силы.

Ядерные силы относятся к так называемым сильным взаимодействиям и существенно отличаются по своим свойствам от электромагнитных и гравитационных. В полной мере природа ядерных сил до настоящего времени не выяснена. Даже для простейшей системы из двух нуклонов неизвестна зависимость ядерных сил от расстояния между нуклонами. Короткодействие ядерных сил и свойство насыщения, многообразие свойств ядерных сил не позволяют создать законченную теорию, подобную квантовой электродинамики для расчета свойств атомов. 
Свойства ядерных сил:

1. Огромная энергия связи  нуклонов в ядре свидетельствует  о том, что между нуклонами  действуют силы притяжения, что  подтверждается существованием  стабильных ядер. Эти силы самые  интенсивные в природе.

2. Уже первые опыты  Резерфорда показали, что ядерные  силы – короткодействующие. Это  свойство ядерных сил подтверждается  многочисленными данными по измерению  размеров атомных ядер.

3. На расстояниях, где  между протонами действуют ядерные  силы притяжения, они превосходят  кулоновские силы отталкивания  приблизительно в 100 раз, действие  которых на этих расстояниях  также очень велико. Короткое действие ядерных сил приводит к резкому разграничению областей, где действуют только дальнодействующие кулоновские силы, или только ядерные, которые подавляют кулоновские силы на малых расстояниях.

4.Ядерные силы зависят  от взаимной ориентации спинов  взаимодействующих нуклонов и  от взаимной ориентации орбитального  и спинового моментов каждого  из нуклонов. Это означает, что  внутри ядра следует учитывать  спин-орбитальное взаимодействие  нуклонов. Зависимость ядерных сил  от спина хорошо видна на  примере Дейтона, который имеет спин, равный единице, т.е. нейтрон и протон могут существовать в связанном состоянии только при параллельных спинах. При антипараллельных спинах нейтрон и протон не образует связанной системы, но притяжение между ними всё же существует, что приводит к значительной эффективности рассеяния нейтронов на протонах. Поэтому рассеяние нейтронов на водородосодержащих средах оказывается также эффективным и широко используется для замедления нейтронов в ядерных реакторах.

5. Интенсивность ядерного  взаимодействия не зависит от  электрического заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие между  двумя протонами (р – р), протоном  и нейтроном (р – n) и двумя нейтронами (n – n), находящихся в одинаковых  пространственных и спиновых  состояниях, одинаковы по величине. Это свойство называется зарядовой  независимостью ядерных сил. Другими  словами, протон и нейтрон оказываются  равноправными относительно ядерного  взаимодействия.

6. Постоянство средней  энергии связи на нуклон указывает на свойство насыщения ядерных сил. Это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом соседних нуклонов. Свойство насыщения ядерных сил имеет парный характер. Например, пара нейтронов и пара протонов образует одно из самых прочных легких ядер - a-частицу. Присоединение еще одного нейтрона к a-частице оказывается невозможным.

7. Ядерные силы имеют  нецентральный характер. Центральными  называются силы, которые действуют  вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие  тела. Центральные силы могут  зависеть от относительной ориентации  спинов частиц, но не должны  зависеть от ориентации спинов  относительно линии, соединяющей  частицы.