Распределение вещества. Фбгоу впо игу федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геохимии им. А. П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук
 Скачать 1.96 Mb.
|
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 2 УДК53.072 ББК32.97:53 Печатается по решению Ученого совета физического факультета Иркутского государственного университета Редактор серии Замдиректора 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 Завкафедрой электроники твердого тела ИГУ, доктор. физмат. 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 унт, 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. УДК53.072 ББК32.97:53 © А.В. Егранов, 2013 © ФБГОУ ВПО Иркутский государственный университет, 2013 © ИГХ СО РАН, 2013 3 Оглавление Глава 1 Введение 1.1 Предмет и задачи курса 1.2 Исторический экскурс в становление ядерной физики, радиологии и радиационной безопасности Дозиметрия ионизирующих излучений – общая характеристика Глава 2 Основные величины и единицы в области ионизирующих излучений 11 2.1 Дифференциальные и интегральные характеристики поля излучения 2.2 Сечение взаимодействия (поперечное сечение) ионизирующих излучений с веществом Закон ослабления узкого пучка Радиактивный распад (активность Термины и определения Дозовые характеристики поля излучения 2.7 Контрольные вопросы и задачи 27 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 Взаимодействие нейтронов с веществом 3.2.1 Общая характеристика взаимодействия нейтронов с веществом 49 3.2.2 Кинематика рассеяния нейтронов 53 3.2.3 Радиационный захват 54 3.2.4 Захват нейтрона с последующим испусканием заряженных и незаряженных частиц 55 3.2.5 Вынужденное деление атомных ядер нейтронами 56 3.2.6 Естественный атомный реактор в Окло 59 3.2.7 Общая характеристика прохождения нейтронов через вещество 62 3.3 Взаимодействие заряженных частиц с веществом 64 3.3.1 Ионизационное торможение заряженных частиц. Уравнение Бете - Блоха 65 3.3.2 Пробег заряженных частиц в веществе.δ-электроны 69 3.3.3 Упругое рассеяние заряженных частиц на ядрах. Ядерное 4 взаимодействие 3.3.4 Тормозное излучение 72 3.3.5 Излучение Вавилова - Черенкова 73 3.3.6 Излучение сверхсветовых источников в вакууме 77 3.3.7 Переходное излучение на границе раздела двух сред Контрольные вопросы и задачи 85 Глава 4 Радиационная безопасность 86 4.1 Радиационный фон 86 4.1.1 Естественный радиационный фон 86 4.1.2 Техногенный радиационный фон 91 4.1.3 Искусственный радиационный фон 93 4.2 Нормы радиационной безопасности 95 4.2.1 Требования к ограничению техногенного облучения в контролируемых условиях 96 4.2.2 Историческое отступление 98 4.3 Радиация и человек 102 4.3.1 Радиочувствительность 103 4.3.2 Воздействие радиации на человека 107 Литература 112 5 Глава 1 Введение 1.1 Предмет и задачи курса 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, ив 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 6 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. 1 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. 7 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. 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, 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 м, вес кольцевого электромагнита 40 тысяч тонн. СССР. 8 1967 г. Построен синхротрон в Протвино (близ Серпухова. СССР. Энергия частиц 70 Гэв, длина орбиты км, вес электромагнита 22 тысячи тонн. Они поныне остается крупнейшим в России. В США, Японии, Германии, а также в Европейской организации ядерных исследований (Церн, Швейцария) работают коллайдеры- ускорители 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 (10 12 эв). Для УНК прорыли кольцевой тоннель длинной км и диаметром м. 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 (10 13 эв) электрон- вольт. Только один из детекторов частиц и излучений – АТЛАС имеет диаметр ми длину цилиндра, расположенного под землей, м. 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 ив США разрабатываются бланкеты – устройства, объединяющие возможности ускорителя заряженных частиц и ядерного реактора, те. комплексы из ускорителей и реакторов. И это далеко неполный перечень открытий и достижений в области ядерной физики (те. 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 входе 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. 9 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. Кг. Было показано пагубное действие радиации на эмбриогенез. В 1911 г. Опубликована Лондоном первая в мире монография по радиобиологии Радий в биологии и медицине. Итак, вначале 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 радиологами 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 9 августа 1945 г. японских городов Хиросимы и Нагасаки, когда только в Хиросиме сразу погибло 78 000 и были ранены и облучены 164 000 человек, те. 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 10 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 характеристика 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 Кв г. излучения, названного его именем. Интенсивное накопление данных по биологическому действию рентгеновского излучения, с одной стороны, открывало реальную перспективу его применения в медицине, ас другой - указывало на опасность неконтролируемого облучения живого организма. В результате встал вопрос о дозиметрическом обеспечении практического применения источников ионизирующих излучений. Вначале 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 сними видов ионизирующих излучений существенно расширились. В соответствии с 11 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 эффектами потому дозиметрические величины оказываются связанными с поглощенной энергией излучения. Глава 2 Основные величины и единицы в области ионизирующих излучений |