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.
|
|
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 г. Гинзбургом В.Л. и Франком ИМ. [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 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 (те. 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, сточки 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. 83 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 разделав веществе си 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, таки назад относительно направления движения заряда. В области высоких (рентгеновских) частот диэлектрическая проницаемость веществ зависит от частоты излучения следующим образом 2 2 1 ) ( p , p , (3.81) где 2 / 1 2 4 e e p m e N - плазменная частота вещества, e N - плотность электронов в веществе, e и e m - заряди масса электрона. Из формулы (3.81) следует, что 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 электромагнитных волн она равна 1 n c в первом диэлектрике и 2 n c во 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 Рис. 3.28 Переходное излучение заряда при пересечении границы раздела вакуума с металлом 84 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 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. Переходное излучение широко применяется в настоящее время для регистрации ультрарелятивистских с Лоренц - фактором Рис. 3.29 Устройство детектора переходного излучения 1 – пластинка или пленка, 2 – детектор рентгеновских фотонов 85 1 1 1 2 2 2 c v mc E ) заряженных частиц, ив основном для электронов. При 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 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. Контрольные вопросы и задачи Задача 1. В результате комптоновского рассеяния на свободном покоящемся электроне длина волны фотона с энергией E увеличилась враз. Найти кинетическую энергию e E 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 e E и импульс e p 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 86 Глава 4 Радиационная безопасность 4.1 Радиационный фон 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, неработающих 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 10 20 эВ/нуклон 9 . Корпускулярное излучение Солнца по На большом адронном коллайдере (БАК) предполагается сталкивать протоны с суммарной энергией 14 ТэВ (то есть 14 тераэлектронвольт или 14·10 12 электронвольт) в системе центра масс налетающих частица также ядра свинца с энергией 5 ГэВ (5·10 9 электронвольт) на каждую пару сталкивающихся нуклонов. На начало 2010 г, БАК уже несколько превзошел по энергии протонов предыдущего рекордсмена - протон- антипротонный коллайдер Тэватрон, который до конца 2011 г. работал в Национальной 87 составу близко к галактическому, но имеет заметный временной ходи ограничено более низкими энергиями частиц – до 5·10 10 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 1,5 тыс. м для людей это соответствует средней мощности эквивалентной дозы 355 мкЗв/ч (для всего населения Земли – 1,9·10 6 чел Зв/ч). В атмосфере, литосфере, биосфере под воздействием космических лучей (как первичных, таки вторичных) протекают ядерные реакции, в которых образуются нейтроны, протоны, пионы, каоны, а также радионуклиды З Н, С, 7 Ве, аи др. Из 20 космогенных радионуклидов наиболее значим СТ лет) как изотоп основного биогенного элемента. Доза внутреннего облучения от космогенных радионуклидов. Под действием как первичных, таки вторичных космических излучений в атмосфере образуются космогенные радионуклиды. Важнейшие среди них Н (T 1/2 = 12,3 года) , 7 Ве (53,3 суток, Слет года) . Ни С - низкоэнергетические излучатели. Внутреннее облучение от них формируется в основном по сложным пищевыми 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 Ни С равны 0,01 и 12 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 3·10 20 эВ (или 3·10 8 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. 88 Внутреннее облучение от 7 Ве и 22 Na формируется за счет вдыхания с воздухом, где их средняя концентрация оценена в 3000 и 0,3 Бк/м 3 , 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, 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 Таблица 4.1 Основные составляющие естественного радиационного фона Источник облучения Годовая эквивалентная доза облучения, мкЗв/чел внешнего внутреннего всего Космические лучи ионизирующие частицы частицы 300 - 300 Нейтроны 55 - 55 Космогенные радионуклиды - 15 15 14 C - 12 12 7 Be - 3 3 3 H - 0.01 0.01 22 Na - 0.2 0.2 Земные радионуклиды К 150 180 330 87 Rb 6 6 Уран-радиевый ряд 238 U 234 U 5 5 распад 230 Th 7 7 распад 226 Ra 100 7 107 222 Rn 214 Po 1100 1100 210 Pb 210 Po 120 120 Ториевый ряд распад 232 Th 3 3 228 Ra 224 Ra 160 13 173 220 Rn 208 Tl 160 160 Всего 800 1600 2400 В радиоактивных рядах указаны этапы распадов, вносящих основные вклады в формирование доз. В суммарных дозах учтены вклады от остальных радионуклидов, неуказанных в таблице. 89 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, таки земного происхождения. Особое значение имеет поступление из верхних слоев почвы радиоактивных газов радона ( 222 Rn), торона ( 220 Tn), актинона ( 219 An) и продуктов их распада. Радионуклиды, находясь в смеси со стабильными элементами, поступают с пищей, водой и воздухом в организм человека и становятся источником постоянного облучения. Стечением 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 40 K, 238 U, 232 Th и продукты их распада. По оценкам НКДАР, за счет радона и торона формируется ¾ годовой индивидуальной дозы, получаемой от земных источников. Радон по сравнению с тороном вносит в суммарную дозу значительно больший вклада 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 ив 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. Это, например, высокогорные города Богота, Лхаса, Кито, где уровень космического излучения примерно враз 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 222 Rn (T 1/2 =3,8235 дня, входящий в природное радиоактивное семейство урана (семейство урана-радия) и являющийся непосредственным продуктом распада радия. Иногда название радон относят именно к этому изотопу. В семейство тория входит 220 Rn (T 1/2 =55,6 с, иногда его называют торон (Tn). В семейство урана (урана-актиния) входит 219 Rn (T 1/2 =3,96 сего называют актинон (An). В одну из побочных ветвей семейства урана-радия входит также очень короткоживущий (T 1/2 =35 мс) радон. Все отмеченные изотопы радона испытывают альфа-распад. Этими четырьмя нуклидами исчерпывается список природных изотопов радона. 90 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. Прибрежная полоса в штате Керала 11 в Индии известна высоким радиационным фоном от торий - содержащего монацитового песка. 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 11 Ке́рала (Kerala) - штат, расположенный на Малабарском берегу на юго-западе Индии, с одним из самых высоких показателей плотности населения в стране. 12 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 Вовремя 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. Рис. 4.1 Районы на Земле с минимальными максимальным естественным радиационным фоном 91 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. Таблица 4.2 Дозы радиации, получаемой населением на открытом воздухе в различных странах и районах Земли Страна Максимальная мощность дозы, мкЗв/ч Максимальная доза. мЗв/год Индия 0,038 9,6 Япония 0,042 1,26 США 0,046 0,88 Австрия 0,050 Польша 0,058 Италия 0,078 Швейцария 0,080 Германия 0,090 3,8 Иран, Рамсар Iran, Ramsar 140 260 Индия (шт. Керала, 70 тыс. населения) 1,40 70 Бразилия (г. Гуарапари, город, 13 тыс. населения) 1,70 5,5 Бразилия (г. Гуарапари, пляж, 30 тыс. посещений ежегодно) 20 35 Хотя в некоторых из этих районов мощность поглощенной дозы враз превышает среднюю по поверхности Земли, обследование населения не выявило сдвигов в структуре заболеваемости и смертности. |