Классификация и характеристика элементарных частиц γ-излучений

Министерство  образования и науки РТ

Альметьевский государственный нефтяной институт

Кафедра физики

 

 

 

 

 

 

Реферат

На  тему «Классификация и характеристика элементарных частиц γ-излучений»

 

 

 

 

 

 

 

                                                               Выполнил студент:

                                                       группы 29-01

                                                     Волкова Л.Г.

                                                                                Проверил: Мухетдинова З.З.

 

 

Альметьевск 2010 г.

 

Содержание 

 

Введение 

1. Элементарные частицы……………………………………………………4
2. Механизм возникновения и характеристики излучения………………...8
3. Вред и польза гамма-излучений…………………………………………10
4. Материалы для защиты от гамма-излучения …………………………...13
5. Нововведение XXI века для защиты от электромагнитного излучения в быту………………………………………………………………………..16

Заключение 

Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

               

 

Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра  электромагнитных волн.

На шкале  электромагнитных волн гамма-излучение  соседствует с рентгеновскими лучами, но имеет более короткую длину  волны. Первоначально термин “гамма-излучение” относился к тому типу излучения  радиоактивных ядер, который не отклонялся при прохождении через магнитное  поле, в отличие от  α- и β-излучений.

Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10^-10 м. При столь малых длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные свойства излучения. Гамма-излучение представляет собой поток частиц - гамма-квантов или фотонов, с энергиями Е=hν. Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам.    Частота гамма-излучения (> 3∙10¹⁸ Гц) отвечает скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и с участием элементарных частиц. Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица-античастица. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, дает важную информацию о структуре этих микрообъектов.

Для более  ясного представления гамма-излучения мы рассмотрим так же элементарные частицы, а так же попытаемся рассказать о пользе и вреде этих излучений.

 

1. Элементарные частицы

 

В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые  заняты изучением фундаментальной  структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.

Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и  нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время  их жизни чрезвычайно мало, оно  составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно  короткого времени они распадаются  на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.

В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь  открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия  показало, что в существовании  такой структуры нет никаких  сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.

Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами  были электрон, протон, а затем нейтрон. Казалось, что этих частиц и фотона (кванта электромагнитного поля) достаточно для построения известных форм вещества - атомов и молекул. Вещество при таком подходе строилось из протонов, нейтронов и электронов, а фотоны осуществляли взаимодействие между ними. Однако, вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (пример - фотон). Далее, по мере развития экспериментальной ядерной физики к этим частицам добавилось еще свыше 300 частиц

Характеристиками субатомных частиц являются масса, электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни частицы, магнитный  момент, пространственная четность, лептонный  заряд, барионный заряд и др.

Когда говорят о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку  эта масса не зависит от состояния  движения. Частица, имеющая нулевую  массу покоя, движется со скоростью  света (фотон). Нет двух частиц с одинаковыми  массами. Электрон - самая легкая частица  с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона  почти в 2000 раз. А самая тяжелая  из известных элементарных частиц (Z -частицы) обладает массой в 200 000 раз  больше массы электрона.

Электрический заряд меняется в  довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице  заряда - заряду электрона(-1). Некоторые  частицы 
(фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

Важная характеристика частицы - спин. Он также всегда кратен некоторой  фундаментальной единице, которая  выбрана равной Ѕ .Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин Ѕ , а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0, 3 / 2 , 2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частицы со спином 1 принимают тот же вид после полного оборота на 360° . Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 
720° и т.д. Частица со спином 2 принимает прежнее положение через пол- оборота (180° ). Частиц со спином более 2 не обнаружено, и возможно их вообще не существует. В зависимости от спина, все частицы делятся на две группы:

- бозоны - частицы со спинами  0,1 и 2;

- фермионы - частицы с полуцелыми спинами (Ѕ ,3 / 2 )

Частицы характеризуются и временем их жизни. По этому признаку частицы  делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы- это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все остальные известные частицы - нестабильны; время их жизни колеблется от нескольких микросекунд до 1 0 n сек (где n = - 2 3 ).

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие  равенство между определенными  комбинациями величин, характеризующих  начальное и конечное состояние  системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической. Он пополнился законами сохранения различных четностей (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействия.

Выделение характеристик отдельных  субатомных частиц - важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще  понять, какова роль каждой отдельной  частицы, каковы ее функции в и  структуре материи.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. 
Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы 
- переносчики взаимодействий.

Миру субатомных частиц присущ глубокий и рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные  физические взаимодействия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Механизм возникновения и характеристики излучения

 

 

Источником  гамма-излучения являются:

-       торможение быстрых заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер вещества) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение);

-       процессы в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд;

-       переходы ядра из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения обычно лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ и спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра;

-       при распадах частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с большими энергиями - десятки-сотни МэВ.

-       при соударении электронов большой энергии от ускорителей с интенсивными пучками видимого света, создаваемых лазерами. При этом электрон передает свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.

Энергия γ–кванта равна разности энергий состояний, между которыми происходит переход.

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. Гамма-излучение от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр. Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии и спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий.

Гамма-излучение  обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь большие  толщи вещества. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом:

·        фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект);

·        комптоновское рассеяние (Комптон-эффект);

·        образование пар электрон-позитрон.

При фотоэффекте  гамма-квант выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При Комптон-эффекте гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1,02 МэВ, то возможно его превращение в электрическом поле ядер в пару электрон-позитрон (процесс обратный аннигиляции).

 

 

3. Вред и польза гамма-излучений

       Гамма-излучение находит применение в технике, например для обнаружения дефектов в металлических деталях – гамма-дефектоскопия. В радиационной химии гамма-излучение применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации. Гамма-излучение используется в пищевой промышленности для стерилизации продуктов питания. Основными источниками гамма-излучения служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы, а также электронные ускорители.

        Действие на организм гамма-излучения подобно действию других видов ионизирующих излучений. Гамма-излучение может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния гамма-излучения зависит от энергии γ-квантов и пространственных особенностей облучения, например, внешнее или внутреннее. Относительная биологическая эффективность гамма-излучения составляет 0,7-0,9. В производственных условиях (хроническое воздействие в малых дозах) относительная биологическая эффективность гамма-излучения принята равной 1. Гамма-излучение используется в медицине для лечения опухолей, для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов. Гамма-излучение применяют также для получения мутаций с последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков ) и растений.

          Современные возможности лучевой теропии расширились в первую очередь за счёт средств и методов дистанционной гамма-теропии. Успехи дистанционной гамма-теропии достигнуты в результате большой работы в области использования мощных искусственных радиоактивных источников гамма-излучения (кобальт-60, цезий-137), а также новых гамма-препаратов.