Основные свойства ионизирующих излучений и их сравнительная характеристика

 

 

Нейтроны.

 

Нейтрон был открыт английским физиком  Джеймсом Чедвиком в 1932г. Масса нейтрона равна 1,675·10-27кг, что в 1839 раз больше массы электрона. Нейтрон не имеет  электрического заряда.

Среди химиков принято пользоваться единицей атомной массы, или дальтоном (d), приблизительно равной массе протона. Масса протона и масса нейтрона приблизительно равны единице атомной  массы.

При реакции деления ядра элемента кроме новых ядер могут появляться g-кванты, b-частицы распада, g-кванты распада, нейтроны деления и нейтрино. С точки зрения цепной ядерной реакции наиболее важным является образование нейтронов. Среднее число появившихся в результате реакции деления нейтронов обозначают uf . Эта величина зависит от массового числа делящегося ядра и энергии взаимодействующего с ним нейтрона. образовавшиеся нейтроны обладают различной энергией (обычно от 0,5 до 15 МэВ), что характеризуется спектром нейтронов деления. Для U235 среднее значение энергии нейтронов деления равно 1.93 МэВ.

В процессе ядерной реакции могут  появляться как ядра способствующие поддержанию цепной реакции (те которые испускают запаздывающий нейтрон), так и ядра, оказывающие неблагоприятное воздействие на ее ход (если они обладают большим сечением радиационного захвата).

Заканчивая рассмотрение реакции  деления, нельзя не упомянуть о таком важном явлении как запаздывающие нейтроны. Те нейтроны, которые образуются не непосредственно при делении тяжелых нуклидов (мгновенные нейтроны), а в результате распада осколков называются запаздывающими нейтронами. Характеристики запаздывающих нейтронов зависят от природы осколков. Обычно запаздывающие нейтроны делят на 6 групп по следующим параметрам: T - среднее время жизни осколков, bi - доля запаздывающих нейтронов среди всех нейтронов деления, bi/b - относительная доля запаздывающих нейтронов данной группы, E - кинетическая энергия запаздывающих нейтронов.

В следующей таблице приведены  характеристики запаздывающих нейтронов при делении U235

 

№ группы	T, сек.	bi	bi/b , %	E, МэВ
1	80.0	0.21	3.3	0.25
2	32.8	1.40	21.9	0.56
3	9.0	1.26	19.6	0.43
4	3.3	2.52	39.5	0.62
5	0.88	0.74	11.5	0.42
6	0.33	0.27	4.2	-

 

В целом:

Nзап / (Nзап + Nмгн) = b = 0.0065;  Tзап » 13 сек.; Tмгн » 0.001 сек.

 

Протоны.

 

Протон – устойчивая элементарная частица с положительным элементарным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона (1,6*10¹⁹ Кл); обозначается символом р или ₁Н¹. Протон является ядром самого лёгкого изотопа водорода – протия, следовательно, масса протона равна массе атома водорода без массы электрона и составляет 1,00759 а.е.м., или 1,672*10^-27 кг.

Протоны вместе с нейтронами входят в состав всех атомных ядер. Протон относят к стабильным элементарным частицам.

Протоны испускаются ядрами атомов в результате бомбардировки их заряженными частицами, нейтронами, гамма-квантами и т.д. Например, протон впервые был обнаружен Резерфордом при расщеплении ядра азота с помощью α-частиц. В состав космических лучей входят протоны с энергией до 10¹⁸ – 10¹⁹ Эв.

 

 

 

Альфа-частицы.

 

α-- частицы, выбрасываемые веществами активных элементов представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости α -частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся  заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются  к другим  молекулам, заряжая их отрицательно. Таким  образом, в воздухе на  пути  α -частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность α -частиц ионизировать воздух  была использована английским физиком  Вильсоном  для  того,  чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их.

Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона. (Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие Вильсона камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В дальнейшем вытеснена другими трековыми детекторами.)

Исследуя пути движения частиц с  помощью камеры, Резерфорд заметил, что в камере они параллельны (пути), а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили через тонкую пластинку. [ 1, 7 ]

Рис. 1. Модель атома Бор-Резерфорд

Исходя из этих наблюдений, Резерфорд  предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное  ядро, вокруг которого по разным орбиталям  вращаются отрицательные электроны. (рис.1.)

Центростремительные силы, возникающие  при их вращении удерживают их на своих  орбиталях и не дают им улететь. Эта  модель атома легко объясняет  явление отклонения α - частиц. Размеры  ядра  и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома,  которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство α -частиц  пролетает через атомы без заметного  отклонения. Только в тех случаях, когда α -частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое   отклонение ее от первоначального пути. Таким  образом, изучение рассеяние α -частиц  положило  начало ядерной теории атома.

 

Электроны и позитроны.

 

Представление о содержащихся в  веществах электрических частицах было высказано в качестве гипотезы английским ученым Г. Джонстоном Стонеем. Стоней знал, что вещества можно разложить электрическим током, – например, воду можно разложить таким способом на водород и кислород. Ему было известно также о работах Майкла Фарадея, установившего, что для получения некоторого количества элемента из того или иного его соединения требуется определенное количество электричества. Обдумывая эти явления, Стоней в 1874г. пришел к выводу о том, что они указывают на существование электричества в виде дискретных единичных зарядов, причем эти единичные заряды связаны с атомами. В 1891г. Стоней предложил название электрон для постулированной им единицы электричества. Экспериментально электрон был открыт в 1897г Дж. Дж. Томсоном (1856-1940) в Кембриджском университете. [5] 

Электрон представляет собой частицу  с отрицательным зарядом величиной  –0,1602   10-18 Кл.

Масса электрона равна 0,9108   10-30кг, что составляет 1/1873 массы атома  водорода.

Электрон имеет очень небольшие  размеры. Радиус электрона точно  не определен, но известно, что он значительно меньше 1·10-15м.

В 1925г. было установлено, что электрон вращается вокруг собственной оси  и что он имеет магнитный момент. [5]

Число электронов в электронейтральном атоме закономерно повышается при  переходе элемента от Z к Z + 1. Эта закономерность подчиняется квантовой теории строения атома.

Максимальная устойчивость атома, как системы электрических  частиц, отвечает минимуму его полной энергии. Потому электроны при заполнении энергетических уровней в электромагнитном поле ядра будут занимать (застраивать) в первую очередь наиболее низкий из них (К – уровень; n=1). В электронейтральном невозбужденном атоме электрон в этих условиях имеет наименьшую энергию (и, соответственно, наибольшую связь с ядром). Когда К – уровень будет заполнен (1s2 – состояние, характерное для атома гелия), электроны начнут застраивать уровень L (n = 2), затем M – уровень (n=3). При данном n электроны должны застраивать сначала s-, затем p-, d- и т. д. подуровни.

Однако, как показывает рис. 3, энергетические уровни в атоме элемента не имеют ясных грани. Более того, здесь наблюдается даже взаимное перекрывание энергий отдельных подуровней. Так, например, энергетическое состояние электронов в подуровнях 4s и 3d, а так же 5s и 4d очень близки между собой, а 4s1 и 4s2 – подуровни отвечают более низким значениям энергии, чем 3d. Поэтому электроны, застраивающие, M- и N- уровни, в первую очередь попадут на 4s – оболочку, которая относится к внешнему электронному слою N (n=4), и лишь по ее заполнении (т. е. после завершения построения оболочки 4s2) будут размещаться в 3d – оболочке, относящейся к предвнешнему слою M (n=3). Аналогичное наблюдается и в отношении электронов 5s- и 4d – оболочек. Еще более своеобразно идет заполнение электронами f – оболочек: они при наличии электронов на внешнем уровне n (при n, равном 6 или 7) застраивают уровень n=2, т. е. предпревнешний слой, - пополняют оболочку 4f  (при n=6) или соответственно оболочку 5f (при n=7).

Обобщая, можно высказать  следующие положения.

Уровни ns, (n-1)d и (n-2)f близки по энергии и лежат ниже уровня np.

С увеличением числа  электронов в атоме (по мере повышения  величины Z) d – электроны «запаздывают»  в построении электронной оболочки атома на один уровень (застраивают  предвнешний слой, т. е. уровень n-1), а f – электроны запаздывают на два уровня: достраивают второй снаружи (т. е. предвнешний) слой n – 2. Появляющиеся f – электроны часто как бы вклиниваются между (n-1)d1 и (n-1)d2¸10 – электронами.

Во всех указанных случаях n – номер внешнего уровня, на котором уже содержатся два электрона (ns2 – электроны), причем n одновременно и номер того периода по таблице Менделеева, который включает данный элемент.

Элементы, в атомах которых  при наличии электронов во внешнем  слое n (ns2 – электроны) идет достройка одного из подуровней (3d, 4d, 4f, 5d или 5f), находящихся на предвнешних слоях (n-1) или (n-2), называются переходными.

Общая картина последовательности заполнения электронами оболочек атомов элементов, принадлежащих к периоду n, имеет вид:

ns1¸2(n-1) d1 (n-2)/1¸14(n-1)d2¸10 np1¸6 (a) 1¸7           4¸7      6¸7         4¸7       2¸7

 

В показателе степени при s-, p-, d- и f – обозначениях в строке (а) указано  возможное число электронов в  данной оболочке. Например, в оболочке s может содержаться либо один, либо два электрона, но не больше; в оболочке f – от 1 до 14 электронов и т. д.

Известно, что минимальное значение коэффициента при обозначении d –  электронов равно трем. Следовательно, d-электроны могут в атомное  структуре появится не ранее четырем. В связи с этим указанные электроны могут появиться в атомах не ранее как в элементах шестого периода (т. е. при n-2=4; n=4+2=6). Это обстоятельство и отмечено во второй строке.

Позитрон является античастицей электрона. В отличие от электрона позитрон имеет положительный элементарный электрический заряд и считается недолговечной частицей. Обозначается позитрон символами е⁺ или β⁺.

 

 

Гамма-излучение

 

Гамма-излучение – это коротковолновое  электромагнитное излучение. На шкале  электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Гамма-излучение обладает чрезвычайно малой длинной волны (λ<10 ^-8 см) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя подобно потоку частиц – гамма квантов, или фотонов, с энергией hν (ν – частота излучения, h – Планка постоянная).

Гамма- излучение возникает при  распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц,  при аннигиляции пар частицы-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество.

Гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается  при переходах ядра из более возбужденного  энергетического состояния в менее возбужденное или в основное. Энергия  γ – кванта равна разности энергий Δε состояний, между которыми происходит переход.

Возбужденное состояние

                                                 Е2           

 

                                                        hν

 

 

              Основное состояние ядра    Е1 

Испускание ядром γ-кванта не влечет за собой изменения атомного номера или массового числа, в отличие от других видов радиоактивных превращений. Ширина линий гамма-излучений чрезвычайно мала (~10^-2 эв). Поскольку расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма-излучения является  линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров гамма-излучения позволяет установить энергии возбужденных состояний ядер. Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося π⁰- мезона возникает гамма-излучение с энергией ~70Мэв. Гамма-излучение от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми с скоростью света. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии и спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий. Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением к кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное гамма –излучение, также как и тормозное рентгеноовское излучение, характерезуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона. В ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма- излучение с максимальной энергией до нескольких десятков Гэв.