«Методы экспериментальной физики конденсированного состояния Часть 2 Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом Учебное пособие Егранов А.В. Иркутск 2013 УДК53.072 ББК32.97:53 Печатается по решению Ученого совета ...»

Министерство образования и науки Российской федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Иркутский государственный университет»

(ФБГОУ ВПО ИГУ)

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт геохимии им. А.П. Виноградова

Сибирского отделения Российской академии наук

(ИГХ СО РАН)

Методы экспериментальной физики конденсированного состояния Часть 2 Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом Учебное пособие Егранов А.В.

Иркутск 2013 УДК53.072 ББК32.97:53 Печатается по решению Ученого совета физического факультета Иркутского государственного университета Редактор серии Зам.директора ИГХ СО РАН, засл. деятель науки России, профессор, Лауреат премии правительства РФ, д.ф.м.н. А.И.Непомнящих Рецензенты:

Заведующий лабораторией рентгеновских методов анализа Института геохимии им. А.П. Виноградова, доктор технических наук А.Л.

Финкельштейн Зав. кафедрой электроники твердого тела ИГУ, доктор. физ.-мат. наук А.А.Гаврилюк Издание подготовлено при частичной поддержке Программы стратегического развития ИГУ на 2013-2016 гг., проект Р132-ОУ-002 и Министерства образования и науки Российской Федерации, в рамках научно-образовательного центра “НОЦ физического материаловедения и спектроскопии конденсированного состояния” А.В. Егранов Методы экспериментальной физики конденсированного состояния Часть 2. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом – учебное пособие – Иркутск. Изд-во Иркутский ун-т, 2013. с.

Рассматриваются теоретические и экспериментальные основы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом и их дозиметрические характеристики. Пособие предназначено для бакалавров и магистров физического факультета, специализирующихся в области радиофизики, микро- и твердотельной электроники, общей, медицинской и теоретической физики.

Библиогр.: назв. Табл. Рис.

УДК53. ББК32.97: © А.В. Егранов, © ФБГОУ ВПО «Иркутский государственный университет», © ИГХ СО РАН, Оглавление Глава 1 Введение 1.1 Предмет и задачи курса 1.2 Исторический экскурс в становление ядерной физики, радиологии и радиационной безопасности 1.3 Дозиметрия ионизирующих излучений – общая характеристика Глава 2 Основные величины и единицы в области ионизирующих излучений 2.1 Дифференциальные и интегральные характеристики поля излучения 2.2 Сечение взаимодействия (поперечное сечение) ионизирующих излучений с веществом 2.3 Закон ослабления узкого пучка 2.4 Радиактивный распад (активность) 2.5 Термины и определения 2.6 Дозовые характеристики поля излучения 2.7 Контрольные вопросы и задачи Глава 3 Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом 3.1 Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом 3.1.1 Фотоэффект 3.1.2 Эффект Комптона 3.1.3 Историческое отступление 3.1.4 Образование электрон - позитронных пар 3.1.5 Аннигиляция позитрония 3.1.6 Квантовая запутанность и Квантовая телепортация 3.1.7 Образование фотонейтронов 3.1.8 Общая характеристика взаимодействия фотонов с веществом 3.2.1 Общая характеристика взаимодействия нейтронов с веществом 3.2.4 Захват нейтрона с последующим испусканием заряженных и не заряженных частиц 3.2.5 Вынужденное деление атомных ядер нейтронами 3.2.7 Общая характеристика прохождения нейтронов через вещество 3.3 Взаимодействие заряженных частиц с веществом 3.3.1 Ионизационное торможение заряженных частиц. Уравнение Бете - Блоха 3.3.2 Пробег заряженных частиц в веществе.-электроны 3.3.3 Упругое рассеяние заряженных частиц на ядрах. Ядерное взаимодействие 3.3.6 Излучение сверхсветовых источников в вакууме 3.3.7 Переходное излучение на границе раздела двух сред 4.2.1 Требования к ограничению техногенного облучения в контролируемых условиях Формирование биосферы и зарождение жизни на Земле происходило в условиях радиационного воздействия различной природы. После фундаментальных открытий конца XIX в. – природной радиоактивности и рентгеновских лучей – началось бурное развитие атомной и ядерной физики. После открытия и получения искусственной радиоактивности стала очевидной возможность практического использования атомной энергии. Очередной вехой в этом направлении стало осуществление управляемой цепной реакции деления тяжёлых ядер. На фоне исследования ядерно-физических процессов в научных целях в США было создано атомное оружие, что повлекло за собой безудержную гонку ядерных вооружений. В ряде стран создавалась ядерная промышленность, строились атомные электростанции, и в настоящее время ядерная энергетика стала одной из важнейших характеристик современного мира.

Параллельно происходило широкое внедрение ядерно-физических методов исследования в других областях знания: химии, биологии, геологии, медицины и др. Источники излучений используются в медицине, промышленности, сельском хозяйстве. Разработка месторождений полезных ископаемых, сжигание топлива (угля, нефти, газа), использование искусственных источников излучения в мирных целях с возникающими при этом нештатными ситуациями, испытание атомного и термоядерного оружия привело к увеличению вероятности (дополнительно к фоновому) радиационного воздействия на всё живое на Земле. На протяжении всего прошлого века шло накопление научной информации о пагубном воздействии высоких доз ионизирующих излучений на биообъекты, в том числе на людей.

Международная Комиссия по радиологической защите (МКРЗ), основываясь на данных крупнейших научных центров в области радиобиологии и радиационной безопасности, считает, что недооценка опасности ионизирующих излучений совершенно нетерпима и недопустима, что с ионизирующим излучением следует обращаться с большой осторожностью, но риск от его использования следует оценивать в сравнении с другими видами риска, чтобы не впасть в другую крайность – радиофобию. Последнее очень важно понимать, так как дальнейшее развитие человечества уже немыслимо без использования радиационных методов и технологий.

В настоящее время доступные методы контроля ионизирующих излучений достаточны для того, чтобы при их правильном использовании убедиться, что ионизирующие излучения являются лишь одним из многообразных видов риска, которым мы подвергаемся и с которыми найдены способы сосуществования.

В связи с этим на основе научных знаний о взаимодействии ионизирующих излучений с веществом, о действии радиации на организм человека и его потомство, на основе разработанных к настоящему времени методов дозиметрии и спектрометрии излучений сформированы и приняты принципы и критерии радиационной безопасности, разработана система мероприятий по радиационной защите и обеспечению радиационной безопасности населения и людей, работающих в области исследования и практического использования ядерно-физических процессов и технологий, включая прежде всего ядерную энергетику. Разработаны и приняты регулярно корректирующиеся нормы радиационной безопасности и основные санитарные правила работы с источниками ионизирующего излучения а также разработано законодательство по обеспечению радиационной безопасности.

Всё это и представляет собой предмет лекционных курсов «Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом» и «Радиационная безопасность». Важнейшими задачами курсов являются изучение вопросов взаимодействия ионизирующих излучений (заряженных частиц, нейтронов, рентгеновских и -квантов) с веществом, их действия на биологические объекты различного уровня сложности (от молекулы до уровня целостного организма), а также изучение методов дозиметрического контроля ионизирующих излучений и на этой основе изучение принципов и мероприятий по обеспечению радиационной безопасности людей.

1.2 Исторический экскурс в становление ядерной физики, радиологии и радиационной безопасности 1895 г. Открытие рентгеновских лучей. Вильгельм Конрад Рентген 1.

1896 г. Открытие радиоактивности. Антуан Анри Беккерель Беккерель.

1897 г. Открытие электрона. Джозеф Джон Томсон.

1898 г. Открытие новых радиоактивных элементов радия и полония.

Пьер и Мария Кюри.

1911 г. Открытие атомного ядра. Эрнест Резерфорд.

1919 г. Осуществление первой ядерной реакции. Эрнест Резерфорд.

Нобелевскую же премию по физике, которую ему, первому из физиков, присудили в 1901 году в знак признания исключительных услуг, которые он оказал науке открытием замечательных лучей, названных впоследствии в его честь, Вильгельм принял, но отказался приехать на церемонию вручения, сославшись на занятость. Премию ему переслали почтой.

1930 г. Запуск первого циклотрона. Эрнест Орландо Лоуренс и Милтон Стэнли Ливингстон.

1932 г. Открытие нейтрона. Джеймс Чедвик.

1932 г. Обоснование протон-нейтронной модели ядра. Вернер Карл Гейзенберг и Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

1935 г. Обоснование капельной модели ядра. Карл Фридрих фон Вайцзеккер.

1938 г. Открытие деления ядер. Отто Ган и Фриц (Фридрих Вильгельм) Штрассман.

1940 г. Обнаружение спонтанного деления ядер. Георгий Николаевич Флёров и Константин Антонович Петржак.

Открытие первого трансуранового элемента (Z=93, нептуний).

Эдвин Маттисон Макмиллан и Филипп Хауге Абельсон.

1942 г. Запущен первый ядерный реактор. Энрико Ферми.

Осуществлена управляемая ценная реакция деления тяжелых ядер.

1945 г. Первый взрыв атомной бомбы. США в Хиросиме. Через 3 дня второй – в Нагасаки.

1949 г. Первый взрыв атомной бомбы в СССР.

Обоснование оболочечной модели ядра. Мария Гёпперт – Майер и Йоханнес Ханс Даниель Йенсен.

1952 г. Обоснование обобщенной модели ядра. Оге Нильс Бор, Бенджамин (Бен) Рой Моттельсон и Лео Джеймс Рейнуотер.

Первый взрыв наземного водородного (термоядерного) устройства. США.

1953 г. Первый взрыв водородной бомбы в СССР.

1954 г. Запуск первой атомной электростанции. Обнинск. СССР.

1956 г. Обнаружение антиядер действия. США.

1970 г. Обнаружение антиядер гелия–3. СССР.

1975 г. Обнаружение антиядер трития. СССР.

1984 г. Обнаружение кластерной радиоактивности (самопроизвольное испускание тяжелыми ядрами углерода). Роуз. Джонс. Позже – испускание Ne, Mg, Si, S.

1994 2000 гг. – Синтез сверхтяжелых элементов с Z=110, 111, 112, 114, 116, 118 (А=271, 272, 277, 285, 289, 293). Германия. Россия. США.

2000 г. Получение кварк-глюонной плазмы в столкновениях ультрарелятивистских тяжелых ядер. Европейский центр ядерных исследований. Швейцария.

В пятидесятых (и последующих десятилетиях) разрабатываются мощные ускорители заряженных частиц.

1956 г. Запущен синхрофазотрон в Дубне (энергия 10 Гэв, длина орбиты частиц около 200м, вес кольцевого электромагнита 40 тысяч тонн).

СССР.

1967 г. Построен синхротрон в Протвино (близ Серпухова). СССР.

Энергия частиц 70 Гэв, длина орбиты 1.5км, вес электромагнита 22 тысячи тонн. Он и поныне остается крупнейшим в России.

В США, Японии, Германии, а также в Европейской организации ядерных исследований (Церн, Швейцария) работают коллайдерыускорители на встречных пучках.

1983 г. В Протвино начались работы по сооружению УНК (ускорительно-накопительный комплекс) с предполагаемой энергией частиц 3000 Гэв (или 3Тэв). Энергия частиц в самом мощном в мире ускорителе лаборатории имени Э.Ферми (ФНАЛ) в США – 1Тэв (1012 эв).

Для УНК прорыли кольцевой тоннель длинной 21км и диаметром ~5м. Работы затормозились в связи с распадом СССР.

2010 г. Завершено сооружение большого адронного коллайдера (БАК) в Женеве. В 27км-м (под землей) тоннеле между Швейцарией и Францией ожидается получение энергии частиц ~10 триллионов (1013 эв) электронвольт. Только один из детекторов частиц и излучений – АТЛАС имеет диаметр 20м и длину цилиндра, расположенного под землей, ~26м. Вес его вместе с аппаратурой ~7 тысяч тонн. На начало 2010 года БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена — протон-антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 года работал в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США).

В России и в США разрабатываются бланкеты – устройства, объединяющие возможности ускорителя заряженных частиц и ядерного реактора, т.е. комплексы из ускорителей и реакторов.

И это далеко не полный перечень открытий и достижений в области ядерной физики (т.е. практически не приведены достижения в физике элементарных частиц, термоядерного синтеза и т.п.). Однако и приведенных фактов достаточно, чтобы оценить стремительный характер накопления знаний в этой области и их практического использования.

Параллельно шло накопление информации о характере воздействия излучений на живые объекты, в т.ч. и на организм человека.

Уже в 1896 г. Броун и Осгоуд обнаружили азооспермию у молодых мужчин, работавших с рентгеновскими лучами (на заводах по производству рентгеновских трубок). В печати появились сведения о поражении кожи, выпадении у них волос.

В 1902 г. Фрибен описал первый лучевой рак кожи (перед этим появились сведения о том, что Х-лучи поражали клетки опухоли).

Крупнейшие ученые, работавшие с радиоактивными веществами, подверглись воздействию излучений, которые генерировались в ходе распада ядер. С трудом спасли Беккереля, умерли от лучевой болезни Мария, Кюри, Ирен и Фредерик Жолио – Кюри. Пьер Кюри рано погиб в катастрофе, но перед смертью жаловался на характерную болезнь рук.

В 1903 г. Альберс–Шонберг (умерший впоследствии от лучевого рака) обнаружил азооспермию у кроликов и нарушения семяродного эпителия.

В 1903 г. Боун определил важнейшую роль поражения ядра клетки при облучении.

В 1903 г. Лондон (русский исследователь) обнаружил смертельное действие лучей Ra (а Хейнеке Х-лучей) на мышей.

В 1905 г. Хальберштадтер наблюдал атрофию яичников у облученных животных.

В 1906 г. Бергонье и Трибондо сформулировали принцип: “чем быстрее делятся клетки и чем менее они дифференцированы, тем они чувствительнее к радиации”.

К 1910 г. Было показано пагубное действие радиации на эмбриогенез.

В 1911 г. Опубликована Лондоном первая в мире монография по радиобиологии “Радий в биологии и медицине”.

И так, в начале 20-ого века начато интенсивное накопление качественного экспериментального материала по действию радиации на живые объекты.

В 1922 г. Дессауэр предложил первую теорию радиобиологического эффекта, которая была развита Циммером, Ли, Тимофеевым-Ресовским и др. и нашла свое отражение в теории попадания, теории мишени в последующих десятилетиях.

В 1925 г. Надсон и Филиппов в опытах на дрожжах показал поражение генетических структур клети, передающееся по наследству. Но нобелевскую премию в 1945 г. за открытие передачи по наследству радиационных дефектов в клетке получил Меллер, установивший радиационный мутагенез на дрозофилах – традиционном объекте исследований в этой области.

Все эти сведения в последующие годы многократно проверялись и были подтверждены. Опасное для жизни радиационное воздействие потребовало разработки методов дозиметрии излучений, методов защиты людей (исследователей, рабочих) от радиации в высоких дозах.

Характерен такой факт, свидетельствующий об эффективности разрабатываемых мер по радиационной защите. В 1936 г. в Гамбурге напротив рентгеновского института поставили памятник радиологам и рентгенологам, физикам, техникам, химикам, медикам, погибшим от лучевой патологии. В списках сотни имен. В последующие 20 лет, когда исследования в этой области многократно расширились, а число людей, работающих в этой области, колоссально возросло, смертность последних возросла только в 2 раза. После бомбардировок американцами 6 и августа 1945 г. японских городов Хиросимы и Нагасаки, когда только в Хиросиме сразу погибло 78 000 и были ранены и облучены человек, т.е. когда радиационному воздействию подверглось огромное количество людей, резко возрос объем и уровень исследований в области радиологии, радиобиологии и радиационной защиты (или безопасности).

Изучены различные аспекты действия излучений на биообъекты.

Возникают новые направления науки, такие как радиационная медицина, радиационная генетика, молекулярная радиобиология, радиационная биофизика, радиационная химия, радиоэкология, радиационная безопасность.

К сожалению, этому способствовало не только развитие атомной энергетики, использование радиационно–физических методов в медицине, промышленности и сельском хозяйстве, но и гонка вооружений с накоплением ядерных зарядов, испытанием атомных и водородных бомб.

Международному сообществу удалось добиться прекращения таких испытаний, однако остается актуальной проблема нераспространения технологий по производству ядерного оружия. Остается актуальной и проблема обеспечения радиационной безопасности людей.

1.3 Дозиметрия ионизирующих излучений – общая Дозиметрия ионизирующих излучений - раздел прикладной ядерной физики, в котором рассматриваются свойства ионизирующих излучений, физические величины, характеризующие поле излучения и взаимодействие излучения с веществом (дозиметрические величины). В более узком смысле слова Дозиметрия ионизирующих излучений совокупность методов измерения этих величин. Важнейший признак дозиметрических величин - их связь с радиационно-индуцированными эффектами, возникающими при облучении объектов живой и неживой природы. Под радиационно-индуцированными эффектами в общем смысле понимают любые изменения в облучаемом объекте, вызванные воздействием ионизирующих излучений. Основной дозиметрической величиной является доза ионизирующего излучения и ее модификации.

Задача дозиметрия ионизирующих излучений - описание дозного поля, сформированного в живом организме в реальных условиях облучения.

Необходимость разработки дозиметрия ионизирующих излучений возникла вскоре после открытия Рентгеном (W.К. Rntgen) в 1895 г.

излучения, названного его именем. Интенсивное накопление данных по биологическому действию рентгеновского излучения, с одной стороны, открывало реальную перспективу его применения в медицине, а с другой - указывало на опасность неконтролируемого облучения живого организма. В результате встал вопрос о дозиметрическом обеспечении практического применения источников ионизирующих излучений. В начале 20 в. основными источниками излучения были радий и рентгеновские аппараты, и дозиметрия ионизирующих излучений сводилась фактически к дозиметрии фотонного ионизирующего излучения (рентгеновского и гамма-излучения). Затем по мере развития технических средств ядерной физики, создания и усовершенствования ускорителей заряженных частиц и особенно после пуска в 1942 г.

первого ядерного реактора число источников и связанных с ними видов ионизирующих излучений существенно расширились. В соответствии с этим появились методы дозиметрии потоков заряженных частиц, нейтронов, высокоэнергетического тормозного излучения и др. Стал расти и список дозиметрических величин, соответствующих задачам многообразного практического применения ионизирующих излучений различной природы.

Физической основой дозиметрия ионизирующих излучений является преобразование энергии излучения в процессе его взаимодействия с атомами или их ядрами, электронами и молекулами облучаемой среды, в результате которого часть этой энергии поглощается веществом. Поглощенная энергия является первопричиной процессов, приводящих к наблюдаемым радиационно-индуцированным эффектам, и потому дозиметрические величины оказываются связанными с поглощенной энергией излучения.

Глава 2 Основные величины и единицы в области ионизирующих излучений 2.1 Дифференциальные и интегральные характеристики поля Сформулируем определения наиболее часто применяемых величин для характеристики полей ионизирующих излучений с использованием понятия элементарной сферы.

Поток ионизирующих частиц F (r ) - отношение числа ионизирующих частиц dN, проникающих за интервал времени dt :

Плотность потока ионизирующих частиц (r ) - отношение числа ионизирующих частиц dN, проникающих за интервал времени dt в элементарную сферу с центром в точке r и площадью центрального сечения dS, к интервалу времени dl и площади центрального сечения dS элементарной сферы:

Плотность потока энергии ионизирующих части (интенсивность) I (r ) - отношение энергии ионизирующего излучения dE, проникающей за интервал времени dt в элементарную сферу с центром в точке r и площадью центрального сечения dS, к интервалу времени dt и площади центрального сечения dS элементарной сферы:

При решении многих практических задач, таких, как, например, изучение воздействия излучений на материалы, определение ресурсов корпуса ядерного реактора, используется понятие флюенса ионизирующих частиц. В нормативных документах вместе с термином «флюенс частиц»

рекомендован менее удачный термин «перенос частиц».

Флюенс ионизирующих частиц - отношение числа ионизирующих частиц dN, проникающих в элементарную сферу с площадью центрального сечения dS, к площади центрального сечения dS :

Это понятие эквивалентно проинтегрированной по некоторому определенному интервалу времени плотности потока ионизирующих частиц. Аналогично можно ввести понятие флюенса энергии ионизирующих частиц E. Флюенсу соответствуют пространственные, энергетические и угловые зависимости и величины.

можно описать дифференциальными характеристиками.

Рассмотрим распространение излучения около точки A пространства, определяемой радиус-вектором r, в пределах телесного угла d в направлении единичного вектора, который задан плоскими углами и (рис. 2.1).

Пусть i (r, E,, ) есть число частиц излучения вида i, обладающих перпендикулярно расположенную к направлению единичного вектора.

Функция i (r, E,, ) выражает дифференциальное энергетическое и угловое распределение флюенса частиц около точки A пространства.

Проинтегрировав эту функцию по углам, получим энергетическое распределение флюенса частиц:

Зная соотношение между флюенсом и плотностью потока частиц, можем записать энергетическое распределение плотности потока Формулы (2.5) и (2.6) характеризуют распределение частиц по рис.

2.1. Функции (r, E, t ) и N (r, E ) представляют собой энергетический спектр излучения. Если эти функции определены не только для фиксированной точки A при определенном значении радиус-вектора r, но и для различных точек пространства, так что r выступает в качестве независимой переменной, то они выражают пространственноэнергетическое распределение излучения. Первоначально введенная функция i (r, E,, ) в этом случае характеризует пространственное ( r ), энергетическое ( E ) и угловое (, ) распределения излучения.

2.2 Сечение взаимодействия (поперечное сечение) ионизирующих излучений с веществом Под взаимодействием излучений с веществом обычно понимаются лишь первичные элементарные акты взаимодействия ионизирующих частиц с веществом, которые происходят под действием кулоновских, электромагнитных и ядерных сил. Взаимодействие данного вида излучения (нейтроны, фотоны, электроны и т. д.) классифицируют по типу взаимодействия и по тем микрочастицам вещества, с которыми происходит взаимодействие, т. е. мишеням. Такими мишенями являются электроны, ядра или атомы в целом. В некоторых случаях определенное значение имеет связь электрона в атоме и атома в молекуле или кристалле.

В других случаях этой связью можно пренебречь. В результате взаимодействия заряженных частиц с веществом энергия теряется ими, как правило, небольшими порциями и в основном на ионизацию и возбуждение атомов среды. С увеличением энергии заряженных частиц существенным становится процесс образования тормозного излучения.

Нейтроны и фотоны не имеют электрического заряда и поэтому не создают заметных ионизационных эффектов непосредственно. Но в результате упругих и неупругих (ядерных, электромагнитных) взаимодействий с атомами и ядрами среды нейтроны и фотоны образуют свободные заряженные частицы электроны, ядра отдачи, - частицы и т. д. При этом доля передаваемой энергии в результате только одного акта взаимодействия может быть весьма значительной.

В силу статистической природы взаимодействия излучения с веществом для количественного описания этого процесса удобно пользоваться понятиями, имеющими вероятностный характер.

Основополагающим при этом является понятие сечения взаимодействия (поперечное сечение).

Пусть в определенную точку пространства, где каким-либо источником создается поле излучения с плотностью потока частиц, помещается na атомов какого-либо элемента. Предположим, что полное число частиц, испытывающих взаимодействие с этими атомами в единицу времени, равно v. Тогда сечением взаимодействия называется отношение оно имеет размерность квадрата длины. Единицей измерения сечения взаимодействия в СИ является квадратный метр.

В практике расчетов в настоящее время широкое распространение получила внесистемная единица барн (б) (1б = 10-28 м2). Ниже значения микросечений приводятся в барнах, а формулы для них обычно в квадратных метрах. Для большей наглядности полезно также выразить смысл сечения взаимодействия через понятие вероятности. Поместим на пути мононаправленного пучка ионизирующих частиц с плотностью потока образец вещества в виде цилиндра высотой dl и площадью основания S так, чтобы частицы падали нормально к основанию. Если в единице объема данного вещества находится na атомов, то, исходя из формулы (2.7), полное число взаимодействий, которое будет иметь место в этом образце объемом dV в единицу времени, Тогда вероятность взаимодействия для одной частицы на пути в данном веществе представляется в виде:

Теперь, если в формуле (2.9) положить na и dl равными единице, то вероятность окажется численно равной сечению. Таким образом, сечение взаимодействия численно равно вероятности взаимодействия ионизирующей частицы на единичном пути в веществе, в единичном объеме которого находится один атом. Наряду с сечением взаимодействия, отнесенным к одному атому, используются сечения, отнесенные к одному электрону e.

Полное сеченые взаимодействия является суммой парциальных сечений, соответствующих различным процессам (упругое и неупругое рассеяние, деление, ядерные реакции и т. п.). Эти парциальные процессы для неделящихся ядер часто объединяют в две группы: рассеяние и поглощение. В соответствии с такой группировкой где s - сечение рассеяния; а a - сечение поглощения.

В свою очередь сечение рассеяния принято разделять на сечение упругого el рассеяния, при котором сохраняется сумма кинетических энергий частиц до взаимодействия и после, и сечение неупругого рассеяния in, при котором эта сумма не сохраняется, так как часть энергии идет на возбуждение ядер. Таким образом, Сечения типа (2.10) и (2.11) описывают вероятность отдельных процессов взаимодействия, не характеризуя энергетические и угловые распределения частиц после актов взаимодействия. В часто встречающемся случае упругого рассеяния пучка частиц, движущихся с одинаковой скоростью, на некотором центре, используется дифференциальное эффективное поперечное сечение ( ), характеризующее вероятность рассеяния в определённый телесный угол ( d ). Оно равно отношению числа частиц, рассеянных в единицу времени в единицу телесного угла, к плотности потока падающих частиц. Интегрирование по полному телесному углу даёт полное поперечное сечение, для рассеяния на любые углы:

При наличии неупругих взаимодействий полное сечение складывается из сечения для упругих и неупругих рассеяний. Для каждого типа (канала) неупругих взаимодействий может быть введено отдельное эффективное сечение.

Все введенные выше сечения нормировались на взаимодействии с микроскопическим объектом (атомом, электроном или ядром), поэтому их часто называют микроскопическими сечениями. При прохождении ионизирующего излучения через конкретное вещество вероятность взаимодействия для ионизирующей частицы на единице пути в данном веществе в силу аддитивности вероятностей взаимодействия на отдельных атомах будет равна Эту величину называют макроскопическим сечением взаимодействия и обозначают через. В случае фотонов ее более предпочтительно называть линейным коэффициентом ослабления и обозначать через.

Единицей и в СИ является метр в минус первой степени.

Наряду с линейным коэффициентом ослабления на практике нередко применяется массовый коэффициент ослабления m, где плотность вещества.

Макроскопические сечения взаимодействия, так же как и микроскопические, подразделяют на интегральные и дифференциальные.

Смысл и обозначения макроскопических дифференциальных сечений и микроскопических дифференциальных сечений (2.10) - (2.12) аналогичны.

Сечение (обозначается буквой ), как и всякая площадь, измеряется в квадратных метрах. Типичный радиус атомного ядра составляет порядка 1012 см, то есть поперечное сечение ядра - порядка 1024 см. Можно ожидать, что сечения взаимодействий частиц с ядром должны иметь примерно такую величину. Она получила своё собственное наименование барн, - и обычно используется как единица измерения сечения ядерных реакций. Однако, на самом деле, сечения реакций могут изменяться в очень широких пределах.

Сечение взаимодействия отличается от геометрического сечения мишени (атома, ядра, электрона и т.д.). Это во многом зависит от типа взаимодействия между частицами. В ядерной физике встречаются примеры, когда эффективное сечение процесса заметно больше, чем геометрическое сечение ядра. Например, сечение захвата медленного нейтрона ядром бора-10 превышает геометрическое сечение ядра в десятки тысяч раз. Если радиус ядра больше, чем длина волны де Бройля налетающей частицы (большие энергии), то максимальное сечение определяется геометрическими размерами ядра (R2). В области малых энергий максимальное сечение определяется, наоборот, длиной волны де Бройля. Реальные значения сечений могут быть намного меньше максимальных, они зависят от энергии налетающих частиц, типа реакции, ориентации спинов частиц и т. п.

2.2 Взаимодействие параллельного пучка – квантов участке Формула (2.15) представляет собой закон ослабления нерассеянного излучения. Этот закон называют законом ослабления из учения в геометрии узкого пучка или в «хорошей» геометрии.

При решении некоторых задач удобно вместо или использовать значения слоев ослабления 1/ l, ослабляющих излучение в 1 / l раз. Из соотношения (2.15) можно получить Например, при l 2 связь между или и слоем половинного ослабления 1/ Следует отметить, что в оптике существует аналогичный закон Бугера - Ламберта – Бера, определяющий ослабление параллельного монохроматического пучка света при распространении его в поглощающей среде.

Закон выражается следующей формулой:

где I 0 - интенсивность входящего пучка света; I (l ) - интенсивность выходящего пучка; l - толщина слоя вещества, через которое проходит свет, k - коэффициент поглощения.

2.4 Радиоактивный распад (активность) В 1911 году Резерфорд и Содди показали, что атомы некоторых веществ испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные ряды, где каждый член этого ряда возникает из предыдущего, причем никакими внешними физическими воздействиями (температура, электрические и магнитные поля, давление) нельзя повлиять на характеристики распада.

Позже, способность некоторых ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов излучения и элементарных частиц называли радиоактивностью. При этом различают два вида радиоактивности - естественную, наблюдающуюся у нестабильных изотопов атома, существующих в природе, и искусственную, наблюдающуюся у изотопов, образующихся в результате ядерных реакций. Оба вида радиоактивности ничем принципиально не отличаются друг от друга и описываются одними и теми же законами радиоактивных превращений.

Процесс естественного, самопроизвольно происходящего радиоактивного превращения называется радиоактивным распадом, или просто распадом. Ядра, испытывающие распад, называются радионуклидами. Исходное атомное ядро называется материнским, а ядро, образовавшееся в результате распада, называется дочерним.

Радиоактивный распад происходит со строго определённой скоростью, характерной для каждого данного элемента. Время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада Т1/2. Периоды полураспада различных ядер колеблются в очень широких пределах. Так, например, период полураспада урана 238U составляет 4,5 млрд. лет, радия 226 Ra - 1620 лет, радона - 86 Rn 3,8 суток. Более того, периоды полураспада у изотопов одного и того элемента могут сильно различаться - у 226 Ra Т1/2 = 1620 лет, а у 88 Ra Т1/2= 0,001 с.

Поскольку отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то закон радиоактивного распада носит статистический характер. Можно показать, что закон убывания во времени числа радиоактивных ядер данного вещества (закон радиоактивного распада) имеет вид Здесь N 0 - число радиоактивных ядер в момент времени, принятый за начало отсчёта, т.е. при t = 0. N — число радиоактивных ядер в момент времени t. - постоянная для данного радиоактивного вещества величина, носящая название постоянной радиоактивного распада. Между постоянной радиоактивного распада и периодом полураспада существует простая связь:

Среднее время жизни радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада.

Радиоактивный распад происходит в соответствии с правилами смещения, установленными опытным путём. Правила смещения: => для альфа - распада (превращения ядер, сопровождающиеся испусканием альфа-частиц) ZA X Z 4Y 24He :=> для бета распада (превращения ядер, сопровождающиеся, испусканием бета-частиц) ZA X Z A1Y 1 e, где X химический символ материнского ядра; 24 He - ядро атома гелия; 1 e - символическое обозначение электрона (заряд его равен -1, массовое число равно 0).

Правила смещения являются следствиями двух законов сохранения, возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

Активностью А нуклида в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих с ядрами образца в единицу времени:

где dN - число ядер, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t + dt. Единица активности в системе СИ - беккерель (Бк): 1 Бк - активность нуклида, при которой за 1 с происходит один распад. Внесистемная единица активности - кюри (Ки): 1 Ки=3,7·1010 Бк. 1 кюри равен числу распавшихся ядер, содержащихся в 1 г радия за 1 с.

Семейство урана.

Полоний-214 0,000164 секунды Три основных радиоактивных ряда (семейства), наблюдающихся в природе, обычно называются рядом тория (начинается с 232Th ), рядом радия или урана (начинается с 92 U ) и рядом актиния (начинается с 235U ).

Каждый из этих рядов заканчивается образованием различных стабильных изотопов свинца 208 Pb, 206 Pb, 207 Pb, соответственно. Массовый номер каждого из нуклидов в этих рядах может быть представлен в виде A 4n, A 4n 2 и A 4n 3, соответственно, в зависимости от остатка целочисленного деления массового числа нуклида на четыре. Имеется еще один искусственный ряд (семейство) - ряд нептуния A 4n 1, который начинается с 237 Np 2 и заканчивается изотопом висмута 209 Bi 3.

Нептуний-237 — радиоактивный нуклид химического элемента нептуния с атомным номером 93 и массовым числом 237. Это наиболее долгоживущий изотоп нептуния, период полураспада 2,144(7)·106 лет. Был открыт в 1942 году Гленом Сиборгом и Артуром Валем в результате бомбардировки урана-238 нейтронами.

Период полураспада этого нуклида мал по сравнению с возрастом Земли, поэтому в природных минералах нептуний встречается лишь в ничтожных количествах;

В таблице 2.1 в качестве примера представлена цепочка семейства урана.

Ионизирующее излучение - излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Заметим, что общепринято видимый свет и ультрафиолетовое излучение не включать в понятие «ионизирующее излучение».

Частицы корпускулярного ионизирующего излучения или фотоны принято называть ионизирующими частицами.

Ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц, например электронов, протонов, -частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении, называется непосредственно ионизирующим излучением.

Ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц, например нейтронов или фотонов, которые могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения, называется косвенно ионизирующим излучением.

К фотонному ионизирующему излучению относится гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц, тормозное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц, характеристическое излучение, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. На практике часто используется рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений.

К корпускулярному излучению, состоящему из частиц с массой, отличной от нуля, относятся, например, альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное.

Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или из частиц и фотонов, называется смешанным ионизирующим излучением.

первичный (существовавший в момент образования Земли) нептуний-237 давно распался, и в настоящее время в природе существует лишь радиогенный нептуний.

Источником изотопов нептуния в природе являются ядерные реакции, протекающие в урановых рудах под воздействием нейтронов космического излучения и спонтанного деления урана-238. Максимальное соотношение 237 Np к урану в природе составляет 1,2·1012.

Природный висмут состоит из одного изотопа 209Bi, который считался самым тяжёлым из существующих в природе стабильных изотопов. Однако в 2003 году было экспериментально доказано, что он является альфа-радиоактивным с периодом полураспада 1,9±0,2·1019 лет на много порядков превышающий возраст Вселенной.

Принято различать первичное и вторичное ионизирующее излучение.

Под первичным понимается ионизирующее излучение, которое в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается за исходное. Вторичное ионизирующее излучение возникает в результате взаимодействия первичного ионизирующего излучения с данной средой. Вторичное излучение также может инициировать вторичное по отношению к нему излучение или третичное по отношению к первичному. Подобным образом можно рассматривать излучение четвертого и т. д. поколений по отношению к первичному. Распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде называется полем ионизирующего излучения. В зависимости от величины, характеризующей ионизирующее излучение, различают характеристики поля по плотности потока ионизирующих частиц, мощности поглощенной дозы, мощности кермы и т. д.

В заключение параграфа приведем определения ряда основных понятий. Нуклид — вид атомов с данными числами протонов и нейтронов в ядре. Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивого нуклида в другой нуклид, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения. Радионуклид - нуклид, обладающий радиоактивностью. Изотоп - нуклид с числом протонов в ядре, свойственным данному элементу. Радиоизотоп - изотоп, обладающий радиоактивностью.

Вещество радиоактивное - вещество в любом агрегатном состоянии, содержащее радионуклиды с активностью, на которые распространяются требования Норм и Правил радиационной безопасности.

Источник ионизирующего излучения - радиоактивное вещество или устройство, испускающее или способное испускать ионизирующее излучение, на которые распространяется действие Норм и Правил радиационной безопасности.

Радиационная авария потеря управления источником неправильными действиями работников (персонала), стихийными бедствиями или иными причинами, которые могли привести или привели к облучению людей выше установленных норм или радиоактивному загрязнению окружающей среды.

Радиационная безопасность населения - состояние защищенности настоящего и будущего поколений людей от вредного для их здоровья воздействия ионизирующего излучения.

Работа с источником ионизирующего излучения - все виды обращения с источником излучения на рабочем месте, включая радиационный контроль.

При расширении круга известных видов ионизирующего излучения и сфер его приложения, оказалось, что мера воздействия ионизирующего излучения на вещество не поддается простому определению из-за сложности и многообразности протекающих при этом процессов. Важным из них, дающим начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определенному радиационному эффекту, является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом. В результате этого возникло понятие поглощённая доза. Она показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы облучаемого вещества и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения к массе поглощающего вещества.

2.6 Дозовые характеристики поля излучения Основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия на человека, является поглощенная доза ионизирующего излучения.

Доза поглощенная (D) - величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу:

где dE - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; dm - масса вещества в этом объеме.

Энергия может быть усреднена по любому определенному объему, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объему, деленной на массу этого объема. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях на килограмм массы (Дж·кг-1), и имеет специальное название – грей (Гр)4. Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад равна 0,01 Гр.

Для оценки поля фотонного излучения долгое время пользовались понятием экспозиционная доза, в связи с тем, что с момента открытия Рентгеном своих лучей до создания ядерного реактора основным видом ионизирующего излучения было рентгеновское излучение.

Основная характеристика взаимодействия ионизирующего излучения со средой — это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень ионизации воздуха. Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза.

Экспозиционная доза (Х) – полный заряд dQ ионов одного знака, возникающих в воздухе при полном торможении всех вторичных Луис Гарольд Грей (1905-1965 гг.) сделал фундаментальное открытие в бласти радиационной дозиметрии, известное в настоящее время как принцип Брегга - Грея.

электронов, которые были образованы фотонами в малом объеме воздуха, деленный на массу воздуха dm в этом объеме:

Единица экспозиционной дозы в Международной системе единиц (СИ) — кулон на килограмм (Кл/кг, C/kg). До этого в качестве единицы дозы рентгеновского излучения был введён рентген в 1928 г. на II Международном конгрессе радиологов. Рентген равен экспозиционной дозе фотонного излучения, при которой в 1 см3 воздуха, находящегося при нормальном атмосферном давлении и 0 °C, образуются ионы, несущие заряд, равный 1 единице заряда СГСЭ (3,33564·1010 Кл) каждого знака.

При дозе рентгеновского или гамма-излучения, равной 1 Р, в 1 см3 воздуха образуется 2,082·109 пар ионов.

1 Кл/кг = 3876 Р; 1 Р = 2,57976·104 Кл/кг.

Термин экспозиционная доза используется для фотонного излучения с энергией фотонов от 1 кэВ до 3 МэВ.

Несмотря на то, что ГОСТ 8.417-815 прямо запретил использование большинства внесистемных единиц измерения, рентген продолжает достаточно широко использоваться в технике, отчасти потому, что многие имеющиеся измерительные приборы (дозиметры) отградуированы именно в рентгенах. Впрочем, широкого распространения единица Кл/кг не получила в связи с выходом из употребления самой физической величины экспозиционной дозы. Кл/кг используется главным образом для формального перевода из рентген в системные единицы (там, где исходная величина указана в единицах экспозиционной дозы). На практике сейчас чаще пользуются системными единицами поглощённой, эквивалентной и эффективной (а также групповой, коллективной, амбиентной и др.) дозы, т.

е. грэями и зивертами (а также кратными/дольными производными от них).

Из определения единиц экспозиционной дозы нетрудно найти их энергетические эквиваленты: принимая, что:

заряд электрона равен 1,602·10-19 Кл=4,803·10-10 СГСЕ;

масса 1см3 воздуха равна 0,001293 г;

средняя энергия образования одной пары ионов в воздухе равна 33, эВ, Тем не менее, позднее в Российской Федерации рентген был допущен к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «ядерная физика, медицина» (Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации Утверждено Постановлением Правительства РФ от 31 октября 2009 г. N 879). Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) в своих рекомендациях относит рентген к единицам измерения, «которые могут временно применяться до даты, установленной национальными предписаниями, но которые не должны вводиться, если они не используются».

получаем соотношения между поглощенной и экспозиционной дозами в виде:

1 Р=0,873 рад (в воздухе);

1 Кл/кг=33,85 Гр (в воздухе).

Значения экспозиционной дозы в рентгенах и поглощенной дозы в радах отличается во внесистемных единицах всего лишь в 1,14 раза и в практических измерениях это различие обычно игнорируется.

Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм.

Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице длины пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же поглощенной дозе разрушительный радиобиологический эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества, а в последних редакциях просто взвешивающий коэффициент.

Доза эквивалентная (НТ,R) - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, WR:

где DT,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т; WR взвешивающий коэффициент для излучения R.

При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв)6.

Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы (WR) - используемые в радиационной защите множители поглощенной дозы, учитывающие относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов.

Рольф Максимилиан Зиверт (нем. Rolf Maximilian Sievert; 6 мая 1896 — 3 октября 1966) — шведский радиофизик, изучавший воздействие радиационного излучения на биологические организмы, один из родоначальников науки радиобиологии. один из основателей МКРЗ.

В 1979 г. в честь Рольфа Зиверта названа единица измерения СИ эффективной и эквивалентной доз ионизирующего излучения - зиверт (Зв, Sv).

Фотоны любых энергий

Электроны и мюоны любых энергий

Нейтроны с энергией менее 10 кэВ

от 10 кэВ до 100 кэВ

от 100 кэВ до 2 МэВ

от 2 МэВ до 20 МэВ

более 20 МэВ

Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи. Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра.. П р и м е ч а н и е : Все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения - испускаемому при ядерном превращении.

Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем тканям и органам, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект для организма.

Доза эффективная (Е) - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты:

где НT - эквивалентная доза в органе или ткани Т; WT - взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т. Единица эффективной дозы - зиверт (Зв).

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы (WT) - множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учета различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации:

Гонады

Костный мозг (красный)

Толстый кишечник

Легкие

Желудок

Мочевой пузырь

Грудная железа

Печень

Пищевод

Щитовидная железа

Кожа

Клетки костных поверхностей

Остальное

* При расчетах учитывать, что Остальное включает надпочечники, головной мозг, экстраторокальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку. В тех исключительных случаях, когда один из перечисленных органов или тканей получает эквивалентную дозу, превышающую самую большую дозу, полученную любым из двенадцати органов или тканей, для которых определены взвешивающие коэффициенты, следует приписать этому органу или ткани взвешивающий коэффициент, равный 0,025, а оставшимся органам или тканям из рубрики Остальное приписать суммарный коэффициент, равный 0,025.

Взвешенные коэффициенты устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы. Она также измеряется в зивертах или бэрах.

Задача 1. Активность 60Co с периодом полураспада 5,27 лет составляет ГБк. Рассчитать число радиоактивных атомов этого препарата через 5 лет.

Задача 2. Определить активность 1 г 226Ra, период полураспада которого 1600 лет.

Задача 3. В воздухе на высоте уровня моря за счет космического излучения в среднем образуется 2 пары ионов в 1 см3 в 1 с. Определить поглощенную дозу в воздухе за год, если на образование одной пары ионов затрачивается энергия 33,85 эВ. Плотность воздуха принять равной 1,29·10-3 г/см3.

Задача 4. Микроскопическое сечение взаимодействие фотонов с энергией 1 МэВ для свинца равно 2,34·10-23 см2. Определить линейный и массовый коэффициенты ослабления фотонов, если плотность свинца 11,34 г/см3.

Глава 3 Взаимодействие ионизирующих 3.1 Взаимодействие электромагнитного излучения с При прохождении через вещество фотоны (гамма-кванты) взаимодействуют с атомами, электронами и ядрами, в результате их интенсивность уменьшается. В области энергий до 10 Мэв наиболее существенными процессами, связанными с передачей энергии фотона веществу, являются:

- фотоэффект, - эффект Комптона и - образование электрон-позитронных пар.

При энергии - квантов больше 10 Мэв превышается порог фотоядерных реакций и в результате взаимодействия фотонов с ядрами становятся возможны реакции типа (,р), (,n), (,). Сечения фотоядерных реакций в области энергий до 100 Мэв составляют 1% полного сечения взаимодействия - квантов с атомом. Однако фотоядерные реакции необходимо учитывать в процессах преобразования фотонного излучения в веществе, так как вторичные заряженные частицы, такие как протоны и альфа-частицы, могут создавать высокую плотность ионизации.

При фотоэффекте фотон поглощается атомом и высвобождается электрон. Энергетические соотношения при этом выглядят следующим образом:

где E - энергия первичного фотона; Ei - энергия связи электрона в атоме (энергия ионизации); Ee - кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Вероятность эффекта увеличивается по мере приближения энергии фотона к энергии связи электрона с атомом. Для фотоэффекта важна относительная связанность электрона ~ I i / h, где I i - энергия ионизация i - оболочки; E h - энергия фотона. По мере увеличения энергии кванта это отношение для электронов данной оболочки становится всё меньше. С другой стороны, если это отношение больше единицы, то квант вообще не может выбить электрон этой оболочки из атома и поглощение электронами этой оболочки вовсе не происходит. Зависимость коэффициента поглощения от энергии -квантов показана на рис. 3. Рис. 3.1 Зависимость массового коэффициента поглощения в ходе фотоэффекта от энергии падающих фотонов того как энергия -квантов стала больше энергии связи электронов Коболочки, скачков больше не наблюдается. В этом случае -кванты (до %) поглощаются электронами К-оболочки, т.е. наиболее сильно связанными. Мелкие скачки на рис. 3.1 обусловлены различной энергией связи электронов, находящихся в разных подоболочках одной и той же оболочки. При очень больших энергиях -квантов поглощение за счёт фотоэффекта становится малым по сравнению с поглощением за счёт других эффектов.

Так как с увеличением порядкового номера Z элемента растёт и общее число электронов в атомах и энергия связи электронов внутренних оболочек, то с ростом Z поглощение -квантов за счёт фотоэффекта сильно увеличивается (при равном числе атомов в единице объёма вещества примерно пропорционально Z5, если энергия -квантов больше энергии ионизации К-оболочки).

Применяя методы нерелятивистской квантовой механики и используя приближение Борна (не учитывая притяжения к ядру, когда электрон покидает атом, а волновые функции фотоэлектрона принимаются в виде плоских волн) и пренебрегая связью К-электронов, Гайтлер получил для малых энергий ( I k h me c 2 ) -квантов выражение для сечения фотоэффекта на К-оболочке ( ): k соответствующая массе покоя электрона.

В релятивистской области ( h me c 2 ) полученные выражения для k (Заутера, Гаврила - Пратта) свидетельствуют о том, что k ~ 1 / h, например:

выражение Гаврила – Пратта. Таким образом, k убывает в релятивистской области с возрастанием энергий E медленнее (как E1 ), чем в нерелятивистской (как E7 / 2 ).

Чтобы получить сечение реакции для всего атома, т.е. для учёта всех Рис. 3.23 Линейная плотность ионизации для протонов (140 МэВ, биологическая ткань) – 1; частиц создаётся -электронами.

дейтронов (190 МэВ, Н2О) – способна возбуждать атомы, расположенные на большем удалении от её траектории, чем при ионизации. Поэтому на каждый акт ионизации приходится несколько актов возбуждения, на которые расходуется энергия летящей частицы. В среднем одна пара ионов образуется при поглощении в веществе биологического объекта примерно 33-34 эВ, что больше среднего потенциала ионизации ( J 10-17 эВ). Соответственно этому энергия, теряемая падающей частицей на образование одного скопления ионов (шпор), составляет в среднем 100 эВ.

3.3.3 Упругое рассеяние заряженных частиц на ядрах. Ядерное При пролёте заряженной частицы вблизи ядра передача энергии ядру за счёт кулоновских сил будет невелика. Траектория частицы будет заметно отличаться от прямолинейной, но приближённо и в этом случае можно пользоваться выражением Бете - Блоха (с тем отличием, что mч < Mя, передаваемый ядру импульс будет в Zя раз больше. Zяe – заряд ядра; Ze – заряд падающей частицы; Mя = A mp).

Отношение энергий, передаваемых при столкновениях частицы с ядром и электроном, равно Поскольку ядер в Zя раз меньше, чем электронов, то это отношение станет равным т.е. вклад потерь энергии из-за столкновений с ядрами в общие потери энергии незначителен. Но эти столкновения вызывают рассеяние падающих частиц. Электроны претерпевают многократное рассеяние. Угол результирующего рассеяния (отклонения) является статистической суммой малых углов отклонения при индивидуальных актах рассеяния. (для малых углов отклонения) при индивидуальном рассеянии на угол i определяется как 2 i 2 (взято по большому числу траекторий).

Средний угол многократного рассеяния после прохождения в веществе 2. Определяя в веществе, можно оценить энергию частицы и её Потери энергии за счёт ядерного взаимодействия играют существенную роль только в случае сильно взаимодействующих частиц:

-мезонов, протонов высоких энергий и т.п. - и -излучение в радиоактивных распадах практически не испытывает ядерных взаимодействий. Поскольку это короткодействующие силы, значит, частица должна приблизиться на расстояние ~ 10-12 см. Для ионизационных потерь аналогичное расстояние ~ 10 -8 см. Поэтому для ядерных взаимодействий сечение взаимодействия я ~ 10-24 см2, а для ионизационного торможения и ~ 10-16 см2, откуда я/и 10-8, т.е. только в одном случае из 107 – 108 столкновений произойдёт ядерная реакция.

Однако в ядерных соударениях частица теряет очень большую энергию, тогда как при столкновениях с атомом ~35 – 60 эВ.

Любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает электромагнитные волны. При рассеянии кулоновским центром (ядром) (масса ядра M N и его заряд Z N e ) частица массы m, заряда e и скорости претерпевает отклонение и, значит, получает ускорение. В классической электродинамике показано, что заряд, испытывающий ускорение в течение времени dt излучает энергию означает, что радиационные потери энергии наиболее существенны у самых лёгких частиц (электронов и позитронов). Для протонов при той же энергии эффект уже в 4106 раз меньше.

Релятивистский квантовый расчёт Бете и Гайтлера для потери энергии электроном на тормозное излучение показал:

где n – число атомов в 1 см3 вещества; E – полная энергия излучающего Отношение потери энергии на тормозное излучение к потерям энергии на ионизацию равно Из этого отношения видно, что, например, в воздухе потери энергии на излучение сравнимы с потерями на ионизацию при Eкр 80 МэВ, тогда как, например, для свинца - при Eкр 10 МэВ. Eкр – это энергия, при которой потери на тормозное излучение будут равны потерям энергии на ионизацию (эту энергию называют критической).

Невелики потери энергии на световое излучение Вавилова Черенкова, которое возникает при движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде.

Заряженная частица, двигаясь внутри диэлектрика с постоянной скоростью, создаёт вдоль своего пути локальную поляризацию его атомов.

Сразу же после прохождения частицы поляризованные атомы возвращаются в исходное состояние и излучают электромагнитные волны.

При определённых условиях эти волны складываются и наблюдается излучение. Когда скорость частицы больше фазовой скорости света в среде, наблюдается эффект запаздывающей поляризации среды, в результате чего диполи ориентируются преимущественно вдоль направления движения частицы, и волны, испускаемые на различных участках, оказываются в фазе. Таким образом, в отдалённых точках будет существовать результирующее поле, причём излучение будет наблюдаться под углом относительно траектории частицы, при котором волны будут когерентны и образуют плоский волновой фронт. Диапазон относительных скоростей, при которых наблюдается излучение Вавилова-Черенкова = 0,75. Для электронов > 0,75 выполняется при Максимальный угол, под которым наблюдают излучение ВавиловаЧеренкова в воде возникнуть только при наличии среды с n > 1 (т.к. < 1). Пороговая скорость заряженной частицы для наблюдения эффекта ВавиловаЧеренкова: мин. Эффект нашёл применение для детектирования быстрых заряженных частиц, определения их скорости и направления Рис.3.24. Формирование излучения Вавилова-Черенкова:

проходимого зарядом (источником) за то же время превышает фазовую скорость света в рассматриваемой прозрачной среде где n( ) - показатель преломления света (на частоте ) в среде ( c скорость света в вакууме). Упомянутая специфичность углового распределения излучения состоит в том, что волновой вектор излучаемых волн k образует со скоростью v угол, причем К результатам (3.64)-(3.65) можно прийти, используя принцип Гюйгенса: каждая точка на пути заряда, движущегося равномерно и прямолинейно со скоростью v, служит источником сферической волны, испускаемой в момент прохождения через нее заряда (рис. 3.24). При условии (3.64) эти сферы имеют общую огибающую - конус с вершиной, совпадающей с мгновенным положением заряда, причем угол определяется выражением (3.65).

Если пренебречь дисперсией, т.е. зависимостью n от, то угол одинаков для всех частот и излучение имеет резкий фронт, образующий конус с углом раствора 2 0 и зарядом (источником) в его вершине ( рис.

3.24). Этот конус вполне аналогичен конусу Маха, характеризующему ударную волну, возникающую при сверхзвуковом движении источника (пули, снаряда, самолета, ракеты) в воздухе или другой среде. При этом, конечно, роль фазовой скорости света v в выражениях (3.64) и (3.65) играет скорость ударной волны или звука u. Поскольку дисперсия звука, т.е. зависимость его скорости и от частоты обычно очень мала, гидродинамический (акустический) фронт на конусе Маха является резким и часто наблюдается (скажем, при пролете сверхзвукового самолета).

Итак, излучение Вавилова-Черенкова - это электродинамический (оптический) аналог давно известного (еще с прошлого века) акустического явления. Почему же оно было обнаружено и объяснено лишь около 80 лет назад? Несомненно, это можно было сделать раньше, но Рис. 3.25 К выводу уравнений сохранения энергии и импульса для процесса черенковского излучения.

гидродинамики и акустики) движение источников (зарядов) в первую очередь и чаще всего рассматривается в вакууме. Поскольку скорость частиц v всегда меньше скорости света с=31010см/с (гипотетических и по всей вероятности несуществующих сверхсветовых частиц — тахионов мы не касаемся), эффект Вавилова-Черенкова в вакууме невозможен. Здесь, правда, тоже нужны некоторые оговорки, но в общем - вполне понятно существовавшее в прошлом утверждение: «равномерно движущийся заряд не излучает».

Рассмотрим теперь условия возникновения излучение движущейся заряженной частицы, пользуясь квантовыми представлениями об излучении. С квантовой точки зрения излучение света происходит порциями - фотонами. Фотон, как любая частица, обладает энергией Ec и импульсом pc, которые даются соотношениями где - круговая частота фотона. k - волновой вектор, n - показатель преломления, vc - скорость света в среде с показателем преломления n.

Пусть заряженная частица c энергией E и импульсом p движется вдоль оси z со скоростью v и в некоторой точке траектории излучает фотон с энергией Ec под углом (рис. 3.25). При этом сама частица отклоняется от первоначального направления на угол и ее энергия становится равной E ', а импульс p. Напишем, пользуясь рисунком 3.25, уравнения сохранения энергии и импульса для процесса излучения фотона:

Подставляя для энергии и импульса выражения (3.7) и (3.6) получаем:

- закон сохранения проекции импульса на ось z, - закон сохранения проекции импульса на ось, перпендикулярную оси z, Решение этой системы уравнений относительно после не сложных, но громоздких преобразований приводит к следующему окончательному результату:

Как видно, квантовое выражение (3.72) для угла черенковского излучения отличается от "классической" формулы (3.65) наличием дополнительного слагаемого, которое учитывает отдачу (изменение импульса) частицы при излучении. Оценим, насколько важен этот член, например, при излучении фотона в видимом диапазоне (к примеру 400 нм) в обычном стекле с n 1,5. Заметим, что максимальные значения второго члена достигается для электрона, как самой легкой частицы и при скорости, близкой к порогу черенковского излучения Теперь легко оценить, что поправка к cos не превышает 2·10-6. Столь малой величиной всегда пренебрегают и для определения угла черенковского излучения используют формулу (3.65).

Из вышеизложенного следует, что объяснение излучения Черенкова весьма просто. Более того, оно имеет хорошо изученные аналоги в других областях физики волн и, могло быть предсказано за десятки лет до открытия. Так неужели никто до Тамма и Франка не догадался о возможности излучения "сверхсветового" заряда? Оказывается, догадывались. Но эти работы были прочно забыты после создания А.

Эйнштейном в 1905 году теории относительности.

После работ Черенкова, Тамма и Франка начался лавинообразный рост числа экспериментальных и теоретических исследований в этой области. В частности, В.Л. Гинзбург создал квантовую теорию излучения "сверхсветового" заряда. Были разработаны новые методы регистрации элементарных частиц, использующие черенковское излучение.

Признанием выдающейся роли Черенкова, Тамма и Франка в обнаружении и объяснении излучения заряда, движущегося в веществе с постоянной сверхсветовой скоростью, явилось присуждение им в 1958 году Нобелевской премии.

3.3.6 Излучение сверхсветовых источников в вакууме Уже достаточно давно был осознан тот факт, что равномерно движущийся источник, создающий поля возмущения в среде, может излучать направленные волны, если скорость источника превосходит скорость распространения волн в той среде, где движется источник. Повидимому, раньше всего это явление было рассмотрено в гидродинамике на примере волн, расходящихся от движущегося корабля. Позднее Эрнст Мах рассмотрел звуковые волны, порожденные снарядом, летящим со сверхзвуковой скоростью. Э. Мах показал, что эти волны распространяются в направлении, которое составляет со скоростью снаряда угол, причем cos, где u - скорость звука; v - скорость снаряда. Э. Маху даже удалось сфотографировать возникающую при этом коническую волну. Эти работы получили высокую оценку физиков того времени, что видно, в частности, из статьи А. Эйнштейна, посвященной памяти Э. Маха.

Рис. 3.26 Отражение плоской волны, падающей на поверхность Исходя из аналогии [4], можно было бы предположить, что подобные явления имеют место в электродинамике, а именно, заряженное тело, движущееся со скоростью, превышающей скорость световых волн, становится источником излучения направленных электромагнитных волн.

Однако осознание этого факта пришло значительно позднее. По-видимому, можно назвать несколько причин этого. Одна из причин заключается в том, что скорость света, как в пустоте, так и в преломляющей среде достаточно велика, поэтому трудно было представить себе материальное тело, скорость которого превышала бы скорость света. Возможно, по этой причине работа О. Хевисайда 1888 г., в которой такая возможность была рассмотрена, не привлекла внимание физиков. Другая причина заключается в том, что по теории относительности скорость материальных тел не может превышать скорость света. Поэтому сама возможность сверхсветовой скорости ставилась под сомнение. Однако в действительности теория относительности запрещает движение материальных тел со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, равную приблизительно 300 000 кмс-1. В преломляющей среде скорость света оказывается значительно меньше. Например, в стекле с показателем преломления 1,5 скорость света равна приблизительно 200 000 кмс-1. При достаточно большой энергии частицы ее скорость может превышать скорость света в среде и при этом оставаться меньше скорости света в пустоте. С полной ясностью это было осознано после работы И.Е. Тамма и И.М. Франка, объяснившей результаты экспериментов Вавилова Черенкова.

В настоящее время теория излучения Вавилова - Черенкова разработана достаточно полно, возможно, полнее, чем теории аналогичных явлений в других областях физики (например, теория волн Маха). Это объясняется как практическим значением этого явления для физики высоких энергий, так и тем обстоятельством, что в гидродинамике и акустике рассмотрение подобных явлений оказалось значительно сложней из-за сильного влияния нелинейных процессов.

В 1904 г. А. Зоммерфельд рассмотрел электромагнитное поле частицы, движущейся в пустоте со скоростью, превышающей скорость света. Он показал, что при этом возникает направленное излучение.

Излучаемые волны распространяются под углом к направлению скорости заряженной частицы, причем cos, где c — скорость света в пустоте, а v - скорость частицы. В следующем, 1905 г. была окончательно сформулирована специальная теория относительности. Движение материальных тел со сверхсветовой скоростью оказалось под запретом, и поэтому работа А. Зоммерфельда была надолго забыта. Тем не менее, вопрос о том, могут ли существовать источники излучения, скорость которых превышает скорость света в вакууме, оказался не таким простым.

По-видимому, первой моделью такого источника стала модель, рассмотренная О. Хевисайдом в книге "Электромагнитная теория", изданной в 1912 г.

Модель Хевисайда. На рисунке 3.26 приведена иллюстрация из книги О. Хевисайда [4]. Горизонтальная линия, на которой расположены точки P, A, Q, изображает плоскую идеально проводящую поверхность. На эту поверхность падает плоский волновой импульс, изображенный на рисунке справа. Падающий импульс соприкасается с плоскостью на отрезке РАQ.

Направление распространения падающего импульса задается вектором X и составляет угол с нормалью к плоскости. Область РАQ не стоит на месте, а движется вправо по идеально проводящей поверхности. Нетрудно видеть, что скорость v, с которой движется область РАQ, определяется равенством где c - скорость света в пустоте.

Поскольку sin 1, то v c, т.е. скорость движения области РАQ по плоскости равна или превышает скорость света в пустоте. В то же время под действием падающей волны в области РАQ возбуждаются токи и заряды. Область РАQ перемещается вдоль поверхности со скоростью, превышающей скорость света в пустоте, следовательно, эта область должна стать источником излучения Вавилова-Черенкова. Излучаемая волна показана в правой части рисунка. Направление, в котором эта волна распространяется, задается вектором Y. Нетрудно убедиться, что вектор Y составляет с нормалью к границе раздела такой же угол, как и вектор X, характеризующий падающую волну.

Рис. 3.27 Отражение и преломление волн как эффект Франк [4] рассмотрел Вавилова -Черенкова. Геометрия задачи. 1 — падающая волна, 2 - отраженная волна, 3 - преломленная волна сверхсветовой скоростью, принимая во внимание не только падающую и отраженную, но и преломленную волну. Отметим, что и О. Хевисайд, и И.М. Франк рассматривали токи и заряды, наведенные падающей волной на границе раздела. Но падающая волна может также создавать токи и заряды в области, примыкающей к пятну РАQ и движущейся вдоль границы раздела. Эти объемные токи и заряды также представляют собой сверхсветовой источник. Ниже мы приведем пример И.М. Франка.

Рассмотрим импульс, составленный из плоских электромагнитных волн. Предположим, что электромагнитное поле отлично от нуля между двумя параллельными плоскостями, а в остальном пространстве обращается в нуль. Импульс распространяется в среде с диэлектрической постоянной 1 и падает на плоскую границу раздела со средой, у которой диэлектрическая постоянная равна 2. Геометрия задачи изображена на рис. 3.27. Фронт падающей волны обозначен на рисунке цифрой 1. Угол падения импульса на границу обозначен через 0. Скорость импульс а в первой среде равна v1. Нетрудно видеть, что область пересечения импульса с поверхностью раздела (пятно - зайчик) перемещается вдоль границы со скоростью Эта скорость превышает скорость света в среде, а если 1 1, то скорость перемещения пятна превышает скорость света в вакууме.

Никакого противоречия со специальной теорией относительности здесь нет, поскольку пятно на границе раздела не является материальным телом в каждый момент времени пятно создается различными участками фронта импульса. Этот импульс, тем не менее, наводит в области пятна реальные токи и заряды, и эта область наведенных токов и зарядов перемещается вдоль границы раздела вместе с пятном. Таким образом, получается движущийся источник излучения, скорость которого всегда превышает скорость света в первой среде. Такой источник должен давать излучение Вавилова - Черенкова. Фронт волны Вавилова - Черенкова, распространяющейся в первой среде, обозначен на рисунке цифрой 2. Угол 1(V Ch) между направлением распространения волны 2 и скоростью пятна определяется формулой Подставляя в (3.74) значение скорости у из формулы (3.73), находим, что Нетрудно видеть, что волна 2 уходит от границы раздела, причем направление ее распространения составляет с нормалью к границе раздела угол 1 0. Таким образом, волна 2 есть в точности отраженная волна, если импульс 1 является падающей волной.

Рассмотрим теперь поле по другую сторону границы раздела, т.е. в среде с диэлектрической постоянной 2. Пятно, бегущее вдоль границы раздела со скоростью, определяемой (3.73), может стать источником излучения во второй среде лишь в том случае, если скорость пятна превышает скорость света во второй среде, т.е. если выполняется неравенство В этом случае во второй среде возникает волна Вавилова - Черенкова, обозначенная на рисунке цифрой 3. Угол между направлением распространения этой волны и скоростью пятна определяется формулой известное соотношение Это есть не что иное, как закон Снеллиуса. Таким образом, во второй среде излучение Вавилова-Черенкова от пятна образует преломленную волну. Если же скорость пятна оказывается меньше, чем скорость света во второй среде, т.е.

то волна Вавилова - Черенкова во второй среде не образуется, и падающий импульс 1 во вторую среду не проходит. Очевидно, что неравенство (3.79) эквивалентно условию полного внутреннего отражения Таким образом, отражение и преломление волн на границе раздела можно рассматривать как излучение Вавилова-Черенкова от зарядов и токов, наведенных на поверхности раздела падающей волной.

3.3.7 Переходное излучение на границе раздела двух сред При равномерном и прямолинейном движении заряженной частицы в среде - излучение Вавилова – Черенкова возникает лишь при сверхсветовой скорости. Однако при этом предполагается, что среда является везде однородной, а также не изменяется во времени. Если же среда неоднородна или (и) изменяется во времени, то некоторое излучение возможно и при досветовой скорости равномерно движущегося заряда.

Такое излучение, на возможность существования которого было указано лишь в 1945г. Гинзбургом В.Л. и Франком И.М. [7,9], называется переходным.

Простейший случай переходного излучения таков: заряд, движущийся прямолинейно и равномерно с любой скоростью пересекает границу раздела двух сред с разными диэлектрическими проницаемостями 1 и 2.

Тогда точка пересечения зарядом границы и становится источником переходного излучения. К такому выводу легче всего прийти, если заряд падает из вакуума на хороший (высокопроводящий) металл, играющий роль идеального зеркала (рис. 3.28). Из электродинамики известно, что в таких условиях поле заряда в вакууме представляет собой сумму полей заряда q, движущегося в вакууме в отсутствие зеркала и заряда - q, движущегося в зеркале навстречу заряду q (т. е. со скоростью - v); о заряде - q говорят как об «зеркальном изображении» заряда q. При пересечении зарядом q границы раздела он попадает в хорошо проводящую среду и практически никакого поля в вакууме уже не создает; изображение - q также, конечно, пропадает. Таким образом, «с точки зрения» наблюдателя, в вакууме происходит как бы аннигиляция пары зарядов q и - q. Но из той же электродинамики известно, что при аннигиляции, как и при любом ускорении зарядов (в данном случае оба «заряда» q и - q резко останавливаются на границе раздела), возникает излучение - это и есть переходное излучение для рассматриваемого случая.

Рис. 3.28 Переходное излучение заряда при пересечении Переходное излучение возникает и при пересечении зарядом границы двух диэлектриков с разными 1 и 2 диэлектрическими проницаемостями.

Это можно представить себе как резкую остановку заряда на границе раздела в веществе с 1 и одновременно его мгновенный старт в веществе с 2 диэлектрической проницаемостью. При 1 2 поля остановки и старта не будут полностью "гасить" друг друга и возникнут электромагнитные волны, которые будут распространяться как вперед, так и назад относительно направления движения заряда.

В области высоких (рентгеновских) частот диэлектрическая проницаемость веществ зависит от частоты излучения следующим образом:

электронов в веществе, e и me - заряд и масса электрона. Из формулы (3.81) следует, что 1 при Следовательно, интенсивность переходного излучения W ( ) стремится к нулю с ростом и полная энергия излучения оказывается конечной.

Приведенное выше наглядное объяснение возникновения переходного излучения устанавливает его связь с излучением при ускорении. Однако в действительности никаких остановок и стартов заряда не происходит: он движется с постоянной скоростью. На самом деле при пересечении границы двух сред скачком меняется фазовая скорость распространения втором ( c - скорость света в вакууме; n - показатель преломления).

Таким образом, излучение происходит не только при изменении скорости частицы v, но и при изменении скорости света, а точнее, при изменении их отношения. Поскольку скорость света зависит от свойств среды, то любое изменение этих свойств в пространстве или времени будет приводить к излучению находящегося в среде заряда. В частности, будет излучать и покоящийся заряд, если в среде, например, распространяется волна диэлектрической проницаемости, то есть диэлектрическая проницаемость среды меняется со временем пропорционально к примеру sin(t ). Это излучение было названо переходным рассеянием: волна диэлектрической проницаемости как бы рассеивается на заряде.

Переходное излучение представляет собой классический эффект, все свойства которого можно получить из уравнений Максвелла. И хотя более 100 лет назад английский физик О. Хевисайд качественно рассмотрел один частный случай возникновения переходного излучения. И оно наблюдалось задолго до работы Гинзбурга и Франка как "свечение" анодов в рентгеновских трубках, которое не было правильно понято. Заслуга Гинзбурга и Франка, которым по праву принадлежит приоритет открытия переходного излучения, состоит в том, что они создали количественную теорию переходного излучения и выявили его физическую суть.

Дальнейшее развитие теория переходного излучения получила только в конце 50-х годов прошлого столетия после работ Гинзбурга и Франка 1945 года. Тогда же были выполнены первые опыты по его регистрации. В 1959 году П. Голдсмит и Л. Джелли наблюдали оптическое переходное излучение, образованное пучком протонов при пересечении металлической поверхности, и показали, что его характеристики совпадают с предсказанными теорией Гинзбурга и Франка. Применение переходного излучения в физических экспериментах для детектирования частиц началось почти 20 лет спустя.

Рис. 3.29 Устройство детектора переходного излучения: 1 – пластинка или пленка, 2 – детектор рентгеновских фотонов Переходное излучение широко применяется в настоящее время для регистрации ультрарелятивистских (с Лоренц фактором этом используется излучение только в области рентгеновских частот Схема одного из часто используемых типов детекторов переходного излучения показана на рис. 3.29. Он состоит из нескольких модулей радиатор - детектор рентгеновских фотонов. Радиатор состоит из большого числа пленок с малым атомным номером Z. Это существенно для уменьшения поглощения излучения в радиаторе, связанного главным образом с фотоэффектом: коэффициент поглощения рентгеновских фотонов пропорционален Z 4. Обычно используются пленки из полиэтилена, майлара, полипропилена и других органических материалов, реже - из лития и бериллия. Обычно стремятся, чтобы толщина a пленок и расстояние b между ними превышали зоны формирования излучения в соответствующих материалах. Только в этом случае полная интенсивность переходного излучения будет пропорциональна. В качестве детекторов рентгеновских фотонов чаще всего используются пропорциональные газовые счетчики. Детекторы должны содержать как можно меньше вещества, чтобы эффекты взаимодействия в них заряженной частицы были минимальными и не мешали регистрации рентгеновских лучей. Для увеличения эффективности регистрации переходного излучения в детекторы добавляется газ ксенон, имеющий достаточно большой атомный номер.

Задача 1. В результате комптоновского рассеяния на свободном покоящемся электроне длина волны фотона с энергией E увеличилась в раз. Найти кинетическую энергию Ee электрона отдачи.

Задача 2. Фотон рентгеновского излучения с энергией E в результате комптоновского рассеяния на свободном покоящемся электроне отклонился от первоначального направления на угол. Определить кинетическую энергию Ee и импульс pe электрона отдачи. Показать на основе геометрических соображений, что импульс электрона по абсолютной величине окажется больше импульса падающего фотона, если фотон отклонится от первоначального направления на угол.

Задача 3. Определить длину волны k, при которой энергия светового кванта равна энергии покоя электрона. Такая длина волны называется комптоновской длиной для электрона Глава 4 Радиационная безопасность Радиационный фон Земли формируют природные и антропогенные ионизирующие излучения, которые испускают не только космические, но и разнообразные земные источники – ядерные взрывы, выбросы предприятий атомной энергетики, отработанное ядерное топливо и др.

Население нашей планеты постоянно подвергается внешнему и внутреннему облучению. Дозы этого облучения в зависимости от уровней космического излучения и содержания естественных и антропогенных радионуклидов в литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере различаются в широком диапазоне. Современный подход к оценке влияния ионизирующих излучений на здоровье человека основывается на рекомендациях Научного комитета по действию атомной радиации при ООН (НКДАР), Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ), а также национальных комиссий.

Можно выделить несколько составляющих радиационного фона, которые приводят к облучению людей, не работающих с источниками ионизирующего излучения:

1. Естественный радиационный фон.

2. Техногенный радиационный фон.

3. Искусственный радиационный фон.

Кроме того, мы получаем заметную дозу облучения в медицине.

4.1.1 Естественный радиационный фон Космическое пространство пронизано заряженными частицами разного происхождения: галактическим излучением, корпускулярным излучением Солнца и захваченными частицами, удерживаемыми на околоземных орбитах магнитным полем Земли. Галактическое излучение состоит главным образом из протонов с небольшим количеством ионов гелия и более тяжелых металлов, а также электронов, фотонов, нейтронов.

Энергетический спектр космических лучей простирается до огромных энергий - свыше 1020 эВ/нуклон9. Корпускулярное излучение Солнца по На большом адронном коллайдере (БАК) предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·1012 электронвольт) в системе центра масс налетающих частиц, а также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5· электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 г., БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена - протонантипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 г. работал в Национальной составу близко к галактическому, но имеет заметный временной ход и ограничено более низкими энергиями частиц – до 5·1010 эВ/нуклон.

Эмиссия излучения протекает непрерывно и отражает 11 - летний цикл солнечной активности.

Первичные космические лучи в результате процессов ионизации и ядерных взаимодействий быстро теряют свою энергию и практически исчезают на высоте около 20 км. Образуется вторичное излучение, интенсивность которого падает по мере снижения в атмосфере. Мощность дозы, поглощаемой воздухом на уровне моря в средних широтах, составляет всего 32 нГр/ч (с высотой она удваивается через каждые 1, тыс. м); для людей это соответствует средней мощности эквивалентной дозы 355 мкЗв/ч (для всего населения Земли – 1,9·106 чел Зв/ч).

В атмосфере, литосфере, биосфере под воздействием космических лучей (как первичных, так и вторичных) протекают ядерные реакции, в которых образуются нейтроны, протоны, пионы, каоны, а также радионуклиды: ЗН, 14С, 7Ве, 22Nа и др. Из 20 космогенных радионуклидов наиболее значим 14С (Т1/2 = 5730 лет) как изотоп основного биогенного элемента.

Доза внутреннего облучения от космогенных радионуклидов. Под действием как первичных, так и вторичных космических излучений в атмосфере образуются космогенные радионуклиды. Важнейшие среди них Н (T1/2 = 12,3 года), 7Ве (53,3 суток), 14С(5730 лет), 22Na(2,6 года). 3Н и 14С - низкоэнергетические -излучатели. Внутреннее облучение от них формируется в основном по сложным пищевым и биологическим цепочкам вследствие накопления их в поверхностных водах континентальных водоемов, в растительности и биосфере в целом - они являются важнейшими биогенными элементами. Оцененные значения эквивалентных доз внутреннего облучения от 3Н и 14С равны 0,01 и мкЗв в год соответственно.

ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (США). Несмотря на то, что наладка оборудования растягивается на годы и ещё не завершена, БАК уже стал самым высокоэнергичным ускорителем элементарных частиц в мире, на порядок превосходя по энергии остальные коллайдеры, в том числе и релятивистский коллайдер тяжёлых ионов RHIC, работающий в Брукхейвенской лаборатории (США). В настоящее время это наибольшая энергия, которую можно будет достичь на ускорителях в обозримом будущем. Протон же с энергией в 3·1020 эВ (или 3·108 ТэВ) (такова наивысшая энергия, наблюдавшаяся в космических лучах), сталкивающийся с покоящимся нуклоном, в системе центра масс имеет энергию только около 400 ТэВ, так как частицы релятивистские.

Основные составляющие естественного радиационного фона Источник облучения Годовая эквивалентная доза частицы частицы;

*В радиоактивных рядах указаны этапы распадов, вносящих основные вклады в формирование доз.

В суммарных дозах учтены вклады от остальных радионуклидов, не указанных в таблице.

Внутреннее облучение от 7Ве и 22Na формируется за счет вдыхания с воздухом, где их средняя концентрация оценена в 3000 и 0,3 Бк/м3, а годовая эквивалентная доза 3 и 0,2 мкЗв соответственно. Таким образом, суммарный вклад космогенных радионуклидов в эквивалентную дозу составляет около 15 мкЗв (таб. 4.1).

Земная радиация обусловлена естественными радионуклидами, которые содержатся в ее коре. Из не распавшихся к настоящему времени сохранились 23 радиоизотопа. Они получили название примордиальных (табл.4.1), сроки их жизни сопоставимы с возрастом Земли. В трех семействах - урана, тория и актиния - по мере их распада образуются еще 40 радиоизотопов. Радионуклиды постоянно присутствуют во всех компонентах окружающей среды: воздухе, почве, воде, растительных и животных организмах, включая человека. Основной источник их поступления в биосферу - горные породы, образующие толщу земной коры. Благодаря деструктивным процессам метеорологического, гидрологического, геохимического и вулканического характера радионуклиды широко рассеиваются в окружающей среде. Важную роль в этих процессах играет вода как универсальный растворитель.

Концентрация радионуклидов в почве определяется содержанием их в материнской породе, а в природных водах - условиями их образования. В воздухе присутствуют радионуклиды как космогенного, так и земного происхождения. Особое значение имеет поступление из верхних слоев почвы радиоактивных газов: радона (222Rn), торона (220Tn), актинона (219An) и продуктов их распада10. Радионуклиды, находясь в смеси со стабильными элементами, поступают с пищей, водой и воздухом в организм человека и становятся источником постоянного облучения. С течением времени благодаря обменным процессам в организме устанавливается равновесное содержание радионуклидов, уровень которого зависит еще от концентрации их в продуктах питания, воде и воздухе, а дозные нагрузки еще и от физико-химических свойств изотопов.

Наибольшее значение в облучении имеют 40K, 238U, 232Th и продукты их распада. По оценкам НКДАР, за счет радона и торона формируется годовой индивидуальной дозы, получаемой от земных источников. Радон по сравнению с тороном вносит в суммарную дозу значительно больший вклад, а дозы формируются в основном за счет дочерних продуктов распада этих изотопов. Уровни радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в земной коре.

Мощность дозы варьирует от 15 до 160 нЗв/ч и в некоторых случаях значительно выше. Эквивалентные дозы от естественных источников в регионах с нормальным радиационным фоном приведены в табл. 4.1.

На Земле существуют населенные области с повышенным радиационным фоном (рис.4.1). Это, например, высокогорные города Богота, Лхаса, Кито, где уровень космического излучения примерно в 5 раз выше, чем на уровне моря.

Это также песчаные зоны с большой концентрацией минералов, содержащих фосфаты с примесью урана и тория - в Индии (штат Керала) и Бразилии (штат Эспириту-Санту).

Радон не имеет стабильных изотопов. Наиболее устойчив 222Rn (T1/2=3,8235 дня), входящий в природное радиоактивное семейство урана-238 (семейство урана-радия) и являющийся непосредственным продуктом распада радия-226. Иногда название «радон» относят именно к этому изотопу. В семейство тория-232 входит 220Rn (T1/2=55,6 с), иногда его называют торон (Tn). В семейство урана-235 (урана-актиния) входит 219Rn (T1/2=3,96 с), его называют актинон (An). В одну из побочных ветвей семейства урана-радия входит также очень короткоживущий (T1/2=35 мс) радон-218.

Все отмеченные изотопы радона испытывают альфа-распад. Этими четырьмя нуклидами исчерпывается список природных изотопов радона.

Гуарапари (Guarapari) - муниципалитет в Бразилии, входит в штат Эспириту-Санту. Регион обладает аномально-высоким уровнем фоновой радиации. Мощность поглощенной дозы ионизирующего излучения в среднем составляет 0,63 мкЗв/ч. В отдельных местах уровень повышается до 6,2 мкЗв/ч, в так называемых «горячих пятнах» до 15-20 мкЗв/ч.

Рис. 4.1 Районы на Земле с минимальным и максимальным естественным радиационным фоном Прибрежная полоса в штате Керала11 в Индии известна высоким радиационным фоном от торий - содержащего монацитового песка12. В некоторых прибрежных районах уровни радиации более 4 мЗв/год, а в некоторых местах на побережье, это выше, чем 70 мЗв/год.

Можно упомянуть участок выхода вод с высокой концентрацией радия в Иране (г. Рамсар). Рамсар город на севере Ирана в провинции Керала (Kerala) - штат, расположенный на Малабарском берегу на юго-западе Индии, с одним из самых высоких показателей плотности населения в стране.

Монацит, монацитовый песок - минерал, фосфат редкоземельных элементов, главным образом, цериевой группы — (Се, La, Nd, Th) PO4. Впервые монацит был открыт в 1826 г. на Южном Урале в Ильменских горах, в окрестностях города Миасса (Челябинская область) немецким минералогом Йоханнесом Менге Во время Второй Мировой войны германские войска использовали монацитовый песок (под обозначением «Tarnsand») для отметки мест установки мин типа «Topfmine», не содержащих металлических деталей и не обнаруживающихся обычными миноискателями. Мешочек монацитового песка входил в комплект мины. Мина, присыпанная им после установки, легко обнаруживалась при помощи миноискателя типа Stuttgart 43, который работал по принципу счётчика Гейгера.

Мазендеран, административный центр шахрестана Рамсар. Расположен на южном берегу Каспийского моря. Население - 34,5 тыс. человек. Известен как место с наивысшей концентрацией естественной радиации в мире.

Жители города и его окрестностей получают годовые дозы, достигающие 260 мЗв.

Дозы радиации, получаемой населением на открытом воздухе в различных странах и районах Земли Iran, Ramsar населения) тыс. населения) тыс. посещений ежегодно) Хотя в некоторых из этих районов мощность поглощенной дозы в 1000 раз превышает среднюю по поверхности Земли, обследование населения не выявило сдвигов в структуре заболеваемости и смертности.

4.1.2 Техногенный радиационный фон Под этим термином понимается доза облучения, обусловленная естественными радионуклидами, содержащимися в строительных материалах, каменном угле, фосфатных рудах и в удобрениях. В отличие от собственно природной радиации доза от этих источников сильно зависит от местных условий, масштаба применения и особенностей технологий.

Техногенный радиационный фон Земли постоянно растет и происходит это главным образом за счет того, что на поверхность Земли постоянно извлекаются огромные количества полезных ископаемых: руды черных и цветных металлов, строительные материалы, органические энергоносители, минеральные удобрения. Рассеивание радиоактивных веществ из этих источников в биосфере и включение в биогеохимические циклы привело к повышению внешнего и внутреннего облучения всех растительных и животных организмов, включая человека. Повысились уровни ионизирующего излучения не только на поверхности Земли, но и в жилых и производственных помещениях.

Использование строительных материалов в домостроении.