Ядерные иследования
т различного рода превращения .
Экспериментальные измерения масс атомных ядер, выполненные с большой
точностью, показывают, что масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих
его нуклонов.
Энергия связи - это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить
ядро на составляющие его нуклоны.
Энергия связи, отнесенная к массовому числу А, называется средней энергией
связи нуклона в атомном ядре (энергия связи на один нуклон).
Энергия связи приблизительно постоянна для всех стабильных ядер и примерно
равна 8 МэВ. Исключением является область легких ядер, где средняя энергия
связи растет от нуля (А=1) до 8 МэВ для ядра 12С.
Аналогично энергия связи на один нуклон можно ввести энергию связи ядра
относительно других составных его частей.
В отличие от средней энергии связи нуклонов количество энергии связи
нейрона и протона изменяется от ядра к ядру.
Часто вместо энергии связи используют величину, называемую дефектом массы
и равную разности масс и массового числа атомного ядра.
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 (?(10 -8 см) и вследствие этого ярко выраженными
корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя подобно потоку частиц – гамма
квантов, или фотонов, с энергией h? (? – 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 ? – кванта равна разности энергий ??
состояний, между которыми происходит переход.
Возбужденное состояние
Е2
h?
Основное состояние ядра Е1
Испускание ядром ?-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 ?0- 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.
В межзвёзном пространстве гамма-излучение может возникать в результате
соударений квантов более мягкого длинноволнового, электромагнитного
излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями
космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою энергию
электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жесткое
гамма-излучение.
Аналогичное явление может иметь место в земных условиях при столновении
электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого
света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает
энергию световому фотону, который превращается в ?-квант. Таким образом,
можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма-
излучения высокой энергии.
Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т.е. может
проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные
процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом, -
фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-
эффект) и образавание пар электрон-позитрон. При фотоэффекте происходит
поглощение ?-кванта одним из электронов атома, причём энергия ?-кванта
преобразуется ( за вычетом энергии связи электрона в атоме ) в кинетическую
энергию электрона, вылетающего за пределы атома. Вероятность фотоэффекта
прямо пропорциональна пятой степени атомного номера элемента и обратно
пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. Таким образом,
фотоэффект преобладает в области малых энергии ?-квантов ( (100 кэв ) на
тяжелых элементах ( Pb, U).
При комптон-эффекте происходит рассеяние ?-кванта на одном из электронов,
слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте ?-
квант не исчезает, а лишь изменяет энергию ( длинну волны ) и направление
распрастранения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта
становится более широким, а само излучение - более мягким (длинноволновым
). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов
в 1см3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна
атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с
малым атомным номером и при энергиях гамма-излучения, превышвют энергию
связи электронов в атомах. Так, в случае Pb вероятность комптоновского
рассеяния сравнима с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии
~ 0,5 Мэв. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших
энергиях.
Если жнергия ?-кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс
образования электрон-позитроновых пар в электрическом поле ядер.
Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и
увеличивается с ростом h?. Поэтому при h? ~10 Мэв основным процессом в
любом веществе оказывается образование пар.
100
50
0
0,1 0,5 1 2 5 10
50
Энергия ?-лучей ( Мэв )
Обратный процесс аннигиляция электрон-позитронной пары является источником
гамма-излучения.
Для характеристики ослабления гамма-излучения в веществе обычно пользуются
коэффициентом поглощения, который показывает, на какой толщине Х
поглотителя интенсивность I0 падающего пучка гамма-излучение ослабляется в
е раз:
I=I0e-?0x
Здесь ?0 – линейный коэффициент поглощения гамма-излучения. Иногда вводят
массовый коэффициент поглощения, равный отношению ?0 к плотности
поглотителя.
Экспоненциальный закон ослабления гамма-излучения справедлив для узкого
направления пучка гамма-лучей, когда любой процесс, как поглощения, так и
рассеяния, выводит гамма-излучение из состава первичного пучка. Однако при
высоких энергиях процесс прохождения гамма-излучения через вещество
значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой
энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать гамма-излучение
благодаря процессам торможения и аннигиляциии. Таким образом в веществе
возникает ряд чередующихся поколений вторичного гамма-излучения, электронов
и позитронов, то есть происходит развитие каскадного ливня. Число вторичных
частиц в таком ливне сначала возрастает с толщиной, достигая максимума.
Однако затем процессы поглощения начинают преобладать над процессами
размножения частиц и ливень затухает. Способность гамма-излучения развивать
ливни зависит от соотношения между его энергией и так называемой
критической энергией, после которой ливень в данном веществе практически
теряет способность развиваться.
Для изменения энергии гамма-излучения в эксперементальной физике
применяются гамма-спектрометры различных типов, основанные большей частью
на измерении энергии вторичных электронов. Основные типы спектрометров
гамма-излучения: магнитные, сцинтиляционные, полупроводниковые, кристал-
дифракционные.
Изучение спектров ядерных гамма-излучений дает важную информацию о
структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием внешней среды на
свойства ядерного гамма-излучения, используется для изучения свойств
твёрдых тел.
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
| |  скачать работу |
Ядерные иследования |
