Ядерные реакции. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение.

Элементы физики атомного ядра. Модели атомного ядра. Ядерные силы. Виды радиоактивного излучения. Закон радиоактивного распада.

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Современные представления о строении ядра. Описание строения ядра с помощью моделей: гидродинамическая модель ядра, оболочечная модель ядра, обобщенная модель. Обоснование ядерных моделей с помощью микроскопической теории ядра.

Ядерные силы, их свойства: короткодействие, зарядовая независимость, зависимость от ориентации спинов ядер, насыщение. Основные характеристики ядер: электрический заряд, масса, спин, магнитный момент и радиус ядра. Четность. Изотопический спин. Нуклоны: протон, нейтрон.

Дефект массы и энергия связи ядер: , удельная энергия связи. Стабильность ядер. Деление ядер. Энергия активации процесса деления ядер. Слияние ядер, термоядерная реакция.

Радиоактивность. Основной закон радиоактивного распада:

Период полураспада и постоянная распада. Активность – , единица активности – беккерель.

Естественная и искусственная радиоактивность. Основные типы радиоактивного распада.

Альфа-распад , скорости вылетающих альфа-частиц, теория альфа-распада, основанная на туннельном эффекте. Радиоактивный распад ядер некоторых тяжелых элементов сопровождается испусканием a-частиц, представляющих собой ядра атома гелия. Энергия испускаемых a-частиц сравнительно велика и составляет несколько миллионов электронвольт. Проходя через вещество, a-частицы теряют свою энергию при неупругих соударениях с молекулами и атомами среды, вызывая их возбуждение и ионизацию. Таким образом, двигаясь в среде, a-частицы постепенно тормозятся, приобретая в конечном итоге тепловую скорость окружающих молекул. Известно, что при торможении быстрых частиц в воздухе одна пара ионов образуется на каждые 35 эВ энергии, потерянной частицей. Таким образом, a-частица, обладающая энергией в несколько миллионов электронвольт, способна образовать громадное количество пар ионов. Поэтому величина импульса тока, возникающего в ионизационной камере, практически обусловлена только этими ионами, а не зарядом самой a-частицы.

Начальные энергии всех a-частиц, испускаемых ядрами определенного элемента, одинаковы, поэтому можно предположить, что и средние длины их пробегов должны быть одинаковы. Существует несколько экспериментальных методов определения энергии a-частиц и, следовательно, средней длины пробега, например по числу электронно-ионных пар, создаваемых a-частицей в ионизационной камере, или по анализу траектории a-частицы в магнитном поле камеры Вильсона. Между длиной пробега R и энергией E a-частицы существует приближенная зависимость, выраженная эмпирической формулой Гейгера, где R выражается в см, а E — в МэВ.

Бета-распад, разновидности бета-распада. Электронный бета-распад . Энергия бета-электронов, нейтрино. Позитронный распад . Электронный захват .

Бета-распадом называется радиоактивное превращение ядер, при котором их массовое число не изменяется, а заряд увеличивается или уменьшается на единицу. «Лишний» заряд передается электрону или позитрону, покидающему ядро.

Кроме электрона, при b-распаде испускается антинейтрино (при позитронном распаде - нейтрино) - частица, не имеющая электрического заряда, с массой покоя, равной нулю. Освобождающаяся при b-распаде энергия делится между электроном, антинейтрино и дочерним ядром, однако доля энергии, передаваемой ядру, исчезающе мала, по сравнению с энергией, уносимой электроном и антинейтрино. Практически можно считать, что эти две частицы делят между собой всю освобождающуюся энергию. При обычной постановке опытов антинейтрино не регистрируются, и наблюдаются только электроны, энергия которых может принимать любое значение — от нулевого до некоторого максимального Е_{э макс}.

Бета-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, имеют непрерывный энергетический спектр. Максимальная энергия Е_макс b-частиц для различных радиоактивных изотопов может меняться в широких пределах от нескольких тысяч до нескольких миллионов электронвольт. Для каждого изотопа Е_макс имеет вполне определенную величину и является его важной характеристикой.

Гамма–излучение (гамма–лучи) – жесткое электромагнитное излучение, энергия которого испускается при переходах ядер из возбужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденные состояния, а также в ходе ядерных реакций. В первом случае, согласно правилу частот Бора, энергия фотона гамма-излучения равна разности энергий конечного и начального энергетических уровней ядра:

где - частота фотона, соответствующего переходу ядра из состояния с энергией в состояние с энергией . Величина имеет порядок 0,1 МэВ и значительно превышает разность энергий электронных уровней в атоме. Поэтому гамма-лучи являются коротковолновым электромагнитным излучением с длиной волны, не превышающей 10^-² нм, то есть 0,1 Ả. Гамма-излучение обладает дискретным линейчатым спектром.

Гамма-излучение не относится к самостоятельному типу радиоактивности. Оно лишь сопутствует процессам и распадов и не вызывает изменения заряда и массового числа ядер. Обнаружено, что -лучи испускаются возникающим в процессе распада дочерним ядром (ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским), которое в момент своего образования оказывается возбужденным. Снятие энергии возбужденного ядра происходит за время, значительно меньшее (10^-¹³¸10^-¹⁴ с), чем время жизни возбужденного ядра (~10^-⁸ с).

Происхождение и свойства -лучей подтверждаются закономерностями фотоэффекта на электронах внутренних оболочек атома под действием гамма-излучения его ядра, так называемой внутренней конверсией -лучей. Электроны, образовавшиеся в результате такого внутреннего фотоэффекта, называются конверсированными. В некоторых случаях вся энергия -лучей расходуется на явление внутренней конверсии и вместо гамма-излучения регистрируются только электроны конверсии. Энергия фотоэлектрона конверсии связана с энергией фотона -лучей уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:

где - работа выхода электрона с n-ой электронной оболочки атома, численно равная энергии электронов, находящихся на определенных энергетических уровнях в атоме. Эти энергии являются известными из данных о характеристических рентгеновских спектрах атомов.

Гамма-фотон с энергией может удалить электрон из любой внутренней оболочки (К-, М- и т.д.) атома. Электронным слоем называется совокупность электронных состояний в атоме с одинаковым значением главного квантового числа n. Они носят условные обозначения К при n = 1, L при n = 2, М при n=3 и т.д. Соответственно энергии электронов конверсии выражаются следующим образом:

и т. д.,

где и т. д. – энергии рентгеновских уровней атома.

Результатом внутренней конверсии является потеря электронов из внутренних оболочек атома и, следовательно, создание условий для излучения линий рентгеновского характеристического спектра. Внутренняя конверсия сопровождается испусканием характеристических рентгеновских лучей. Измерения энергии конверсированных электронов и данные о величинах и т. д. позволили убедиться в том, что ядро может испускать определенный ряд монохроматических γ-лучей, т. е. что γ-лучи имеют линейчатый спектр. Также эти данные доказали, что γ-лучи испускаются не материнским, а дочерним ядром.

Все возбужденные энергетические уровни ядра имеют значения энергии, определенные с точностью до величины , определяемой из соотношения неопределенностей:

где – время жизни ядра в возбужденном состоянии. Известно, что только для основного состояния стабильного ядра и , то есть ядро имеет значение энергии, в точности равное . Например, ядро иридия за время , которое можно принять равным периоду полураспада T = 10^-10 c, переходит из возбужденного состояния с энергией W = 129 кэВ в основное состояние, испуская γ-фотон. Величина неопределенности энергии оказывается равной ≈ 5·10^-6 эВ.

Конечное время жизни возбужденных энергетических состояний ядра приводит к немонохроматичности γ-излучения, сопровождающего переход ядра из возбужденного в нормальное состояние. Эта немонохроматичность называется естественной шириной линии γ-излучения, а неопределенность величины энергии возбужденного состояния называется естественной шириной Г энергетического уровня ядра.

Ядерные реакции, энергия реакции, упругое и неупругое рассеяние. Эффективное сечение реакции. Радиоуглерод, реакция , определение возраста органических материалов. Реакция деления ядер урана. Выделение мгновенных и запаздывающих нейтронов, радиационный захват. Цепная ядерная реакция. Два способа осуществления цепной ядерной реакции в уране, ядерные бомбы и ядерные реакторы. Схема ядерного реактора и схема атомной электростанции. Синтез атомных ядер.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Биологическое действие ионизирующего излучения. Детекторы ионизирующих излучений: трековые детекторы, счетчики, интегральные приборы.

Ускорители заряженных частиц и их применение.

Дозиметрия ионизирующих излучений. Доза излучения и экспозиционная доза. Мощность дозы. Количественная оценка биологического действия ионизирующего излучения. Эквивалентная доза. Защита от ионизирующего излучения.