М. Г. Валишев а. А. Повзнер
 Скачать 10.33 Mb.
|
|
11.2.4. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ Под ядерной реакцией понимают процесс взаимодействия ядер или ядра и элементарной частицы, приводящий к их взаимному превращению. Общая схема ядерной реакции выглядит таким образом 2 1 3 1 2 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 (11.24 а) или в краткой форме, b)Y, (11.24 б) где X, Y исходное и образующееся в результате реакции ядро a, b — известные частицы, которые часто встречаются в различных ядерных реакциях: электрон (e – ), позитрон (e + ), протон (p), нейтрон (n), a частица 4 2 1 2 12 и т. д. При протекании ядерной реакции выполняются следующие законы сохранения) энергии W (W 1 + W 2 = W 3 + W 4 ); 2) импульса 1 2 1 1 1 1 1 1 2 3 4 1 23 1 1 1 1 3) момента импульса 2 1 1 1 1 1 1 2 3 4 1 23 1 1 1 1 4) электрического заряда Z (Z 1 + Z 2 = Z 3 + Z 4 ); 5) массового числа А (числа нуклонов, A 1 + A 2 = A 3 + A 4 ) — это следствие закона сохранения барионного заряда (см. п. 11.1.7). МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Можно также отметить выполнение законов сохранения, введенных для описания взаимодействий между элементарными частицами (см. п. Речь идет о законах сохранения лептонного заряда, изоспина (только в сильном взаимодействии, четности (за исключением реакций, происходящих с участием слабого взаимодействия, это b распады) и т. д. Вводится понятие энергии ядерной реакции W p , которая выделяется или поглощается при протекании ядерной реакции. По определению она равна разности энергий покоя исходных ядер (частиц) и ядер (частиц, образующихся в результате ядерной реакции 2 3 2 1 2 3 3 P МэВ а. ем Учитывая закон сохранения энергии и разделение полной энергии на энергию покоя и кинетическую энергию (W = W 0 + W K ), можно записать следующую формулу 2 3 2 K3 K4 K1 K2 1 2 1 Согласно выражению (11.26) энергия при ядерной реакции выделяется 0) в виде кинетической энергии продуктов реакции. Если же W p < 0, то энергия при протекании ядерной реакции поглощается. 11.2.5. ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ Явление радиоактивности (р а) заключается в самопроизвольном распаде ядер с испусканием элементарных частиц. Выделяют бета ( b) и альфа) распады, они сопровождаются испусканием гамма (g) лучей. Атомное ядро, испытывающее р а распад, называют материнским, а образующееся при этом ядро — дочерним. Различают естественную и искусственную радиоактивности, первая соответствует распадам ядер радиоактивных веществ, существующих в природе, а второй вид наблюдается для радиоактивных ядер, полученных искусственным способом за счет бомбардировки исходного ядра различными частицами. Для того чтобы определить параметры ядра, получаемого при р а распаде, применяют правила смещения, они позволяют правильно установить изменение таких параметров ядра, как его заряди массовое число. Эти правила были введены задолго до открытий частиц нейтрино и антинейтрино. Однако в связи стем, что массовое число и электрический заряд нейтрино и антинейтрино равны нулю, их присутствие в реакциях распада не сказывается на правилах смещения (см. п. Выделяют три вида b распада — это распад (из ядра вылетает электрон, распад (из ядра вылетает позитрон e + ) и электронный захват захват, ядро захватывает один электрон с K слоя, L слоя, M слоя и т. д.). При a распаде из ядра вылетает a частица, представляющая собой ядро атома гелия ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 403 Для этих видов распада правила смещения записываются следующим образом: b – распад: 1 2 3 1 0 1 1 1 1 2 2 3 4 5; (11.27 а) b + распад: 1 2 3 1 0 1 1 1 2 2 3 4 5 ; (11.27 б) e захват: 1 1 2 3 0 1 1 1 1 2 2 3 4 5; (11.27 в распад 1 1 2 3 4 4 2 2 He. 1 1 2 2 3 4 (11.27 г) Из этих правил следует, что все радиоактивные ядра объединяются в р а семейства, число которых равно четырем — это семейства (или ряды) тория 90 Th (n £ 58), нептуния 237 93 Np (n £ 59), урана 238 92 U (n £ 59) и актиния 235 89 Ac (n Ј 58). Для них массовое число определяется следующим образом 4n, A 2 = 4n + 1, A 3 = 4n + 2, A 4 = 4n + где n принимает целочисленные значения. Ряд нептуния состоит из изотопов, которые не встречаются в природе, они получены искусственным путем. Это приводит к тому, что ряд нептуния заканчивается изотопом висмута, в отличие от других рядов — они заканчиваются стабильными изотопами свинца. Каждый член ряда получается из предыдущего путем a или b распадов. Поэтому у соседних членов ряда массовые числа или одинаковы (они являются изобарами, или отличаются на четыре. 11.2.5.1. ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. АКТИВНОСТЬ РАДИОАКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА Основной закон радиоактивного распада. Для любого радиоактивного вещества нельзя предсказать момент времени распада того или иного ядра, известна лишь вероятность его распада. Причем на распад ядра не влияет тип вещества, его нагрев, сжатие — ядро распадается само по себе, независимо от других ядер. Все это свидетельствует о том, что все процессы р а распада подчиняются общим законам, согласно которым вероятность распада одного ядра в единицу времени является для данного типа ядра постоянной величиной. Ее принято называть постоянной распада, она дает вероятность распада одного ядра за единицу времени. Если обозначить число ядер, не распавшихся в радиоактивном веществе к моменту времени t, через N, а число распавшихся за время (t, t + dt) ядер через dN (dN < 0), то для вероятности распада ядра за единицу времени можно записать) = откуда следует основной закон радиоактивного распада 23 4 1 23 4 1 2 3 4 5 5 0 0 1 234 5 234 5 1 2 1 31 1 32 3 1 32 3 1 32 N = где N 0 — начальное число радиоактивных ядер в веществе МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Период полураспада Т. Среднее время жизни радиоактивного ядра. Для количественного описания явления р а вводят понятия периода T полураспада и среднего времени t жизни ядра Период полураспада T — это время, за которое распадается половина первоначального количества ядер T Þ N = N 0 /2. Он связан с постоянной распада l формулой l = ln Получим формулу для среднего времени t жизни ядра. За время (t, t + распадается dN ядер, их время жизни можно считать одинаковыми равным, это связано с малостью интервала dt. Суммарное время жизни этих ядер будет равно (–tdN). Суммируя время жизни ядер по всем интервалам от нуля до бесконечности и деля эту сумму на первоначальное количество частиц N 0 , получим 1 1 23 4 5 2 5 3 5 3 5 3 6 6 6 0 0 0 0 0 1 1 1 1 2 1 2 1 2 3 4 1 123 1 321 1 4 21 3 3 t = 1/l = T/ln Активность радиоактивного вещества. Для описания интенсивности протекания процессов распада в радиоактивном веществе вводят понятие активности радиоактивного вещества. Активность р а вещества определяет число распадов в р а веществе за единицу времени 12 3 1 3 2 3 4 3 1 0 0 1 2 1 2 34 31 4 2 5 2 2 где начальная активность A 0 р а вещества 0 0 2 12 Единицей измерения активности в СИ является беккерель (Бк). При активности р а вещества в 1 Бк в веществе происходит один распад за одну секунду (1 Бк = 1 распад/с). Применяется и более крупная единица, кюри, она составляет 1 Ku = 3,7 × 10 10 распад/с. 11.2.5.2. БЕТА РАСПАД ЯДЕР Как известно, электроны и позитроны не входят в состав ядра, поэтому они образуются в момент вылета из ядра при распаде нуклонов за счет слабого взаимодействия (см. 11.10 а, б. Следовательно, b распад — это внутрину клонный процесс. При этом протекают следующие реакции распада распад 1 2 1 1 3 1 2 3 1 ; (11.34 б) e захват: 1 2 3 2 41 1 1 2 1 3 (11.34 в) Реакция (11.34 а) протекает с выделением энергии, поэтому она может протекать и для нейтрона, находящегося в свободном состоянии. Реакция б) происходит с поглощением энергии и поэтому протекает только внутри ядра, где протон может получить необходимую энергию от других нуклонов ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 405 Периоды полураспада b активных ядер варьируются от 10 –2 с до 10 18 лет. Отметим, что реакция распада, в отличие от распада, протекает только для радиоактивных элементов, полученных искусственным путем. Приведем пример создания искусственно радиоактивного ядра с последующим его распадом. При бомбардировке a частицами ядер бора получается искусственно радиоактивное ядро азота 7 N, оно затем претерпевает распад 1 2 2 1 3 2 1 1 4 10 4 14 13 1 13 13 0 0 5 2 7 7 0 7 6 1 0 B He N N N C 1 Электронный захват сопровождается характеристическим рентгеновским излучением, вызванным переходами электронов на освободившееся место либо в K слое, либо в L слое и т. д. Нужно отметить, что исторически нейтрино (антинейтрино) были открыты в реакциях распада ядер. На существование этих частиц указывали сплошной спектр энергий вылетающих из атома электронов, а также нарушение законов сохранения импульса и момента импульса в этих реакциях. Так, энергетический спектр электронов (он дает распределение числа электронов dN по кинетическим энергиям W K ) оказался сплошным, кинетическая энергия вылетающих электронов изменялась непрерывно от нуля до максимального значения W K макс (рис. 11.7). Указанный факт можно было объяснить тем, что при такой реакции образуется еще одна частица (антинейтрино, которая и забирает у электрона часть освобождающейся при реакции энергии (такое предположение сделал Паули, а название частице было дано Ферми. Причем распределение энергии между этими частицами будет различным для отдельных актов распада. Для случая К W K макс электрон забирает практически всю энергию. Отметим, что для разных ядер К макс изменяется в пределах (0,018 ¸ 15,5) МэВ. Как уже было отмечено в п. 11.1.7 (формула (11.10)), отсутствие нейтрино (антинейтрино) в реакциях (11.34 а, б) приводит к невыполнению закона сохранения лептонного заряда частицы распространяются в среде со скоростью порядка (1–2,89) 10 8 м/с, что составляет 0,29–0,99 скорости света. При прохождении b излучения через вещество большая часть энергии тратится на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды. Присутствуют также и радиационные потери (при столкновениях изменяется скорость частицы и происходит излучение фотонов. Интенсивность пучка электронов за счет этих процессов плавно убывает до нуля. Пробег b частиц в средах различен и зависит от энергии частиц и плотности среды. b частицы с энергией меньше 0,1 МэВ проходят ввоз духе путь, равный 10 см, в биологических тканях 0,16 мм, а b частицы с энергией больше 1 МэВ соответственно и 17,5 мм. Рис. 11.7 МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ 11.2.5.3. АЛЬФА РАСПАД ЯДЕР Альфа распад наблюдается для ядер, содержащих большое число нуклонов число таких ядер превышает 200, имеется также около радиоактивных ядер среди лантанидов. Среднее время жизни р а ядер колеблется в широких пределах от 3 × с 212 Po) 1 до (2 ¸ 5) × 10 лет Энергия a частиц, испускаемых тяжелыми ядрами, составляет порядка 9) МэВ, а ядрами лантанидов — (2 ¸ 4,5) МэВ. Широкие пределы изменения среднего времени t жизни (периода полураспада) р а ядер при сравнительно малых изменениях энергии W a вылетающих частиц находят свое отражение в экспериментально установленной формуле (Гейгер и Неттолла, 1911): 1 2 3 12 3 4 1 из нее, в частности, следует, что 2 3 1234 5 В формуле (11.36) постоянные величины b, c определяются опытным путем. Из выражения (11.37) видно, что малые изменения энергии a частицы (показателя экспоненты) приводят к существенному изменению периода полураспада, то есть самой экспоненты. Теоретическое объяснение a распад получил на основе туннельного эффекта частица, которая образуется в момент вылета из ядра, встречает на границе ядра высокий потенциальный барьер, который она преодолевает за счет туннельного эффекта (см. п. 9.8, пример 2). Для вероятности выхода a частицы из ядра, то есть для коэффициента прозрачности D, в п. 9.8 была записана следующая формула 2 3const 1234 Из формулы (11.38) можно получить формулу Гейгера–Неттолла (если учесть, что коэффициент прозрачности D прямо пропорционален постоянной распада Отметим, что для р а ядер одного семейства, испытывающих a распад, энергия вылетающих a частиц изменяется незначительно относительно определенного значения W 0 : W a = W 0 + DW a , DW a = W 0 . В соответствии с формулой) малые изменения энергии a частиц должны привести к существенным изменениям периодов T полураспада (на несколько порядков, что также подтверждается экспериментом. Энергия, выделяемая при a распаде (11.27 г, делится между a частицей и дочерним ядром обратно пропорционально их массам. Если дочернее ядро образуется в возбужденном состоянии, то кинетическая энергия a частицы уменьшается на энергию возбуждения и, напротив, возрастает, если распадается возбужденное ядро. Дискретность энергетических уровней энергии ядра приводит к тому, что возникает несколько групп a частиц, имеющих одну и туже кинетиче ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 407 скую энергию. Следовательно, тонкая структура спектров a частиц позволяет определить энергию возбужденных состояний ядер. Проходя через вещество, a частицы вызывают ионизацию и возбуждение атомов и молекула также диссоциацию молекул. Потери энергии a частиц на образование ядер отдачи и тормозное излучение будут незначи тельными. Большая начальная скорость a частиц (v » 10 мс) приводит к тому, что до остановки они успевают образовать на своем пути примерно 10 пар ионов. Траектория движения a частиц представляет собой отрезок прямой, причем интенсивность пучка a частиц остается постоянной, если пройденный ими путь меньше длины пробега R это расстояние, проходимое в веществе частицей до ее полной остановки, то есть до момента времени, когда она приходит в тепловое равновесие с окружающей средой. В воздухе длина пробега частиц составляет несколько сантиметров, для плотных веществ порядка 0,01 мм. 11.2.5.4. ГАММА ИЗЛУЧЕНИЕ ЯДЕР Гамма излучение не представляет собой самостоятельный вид радиоактивного распада. Оно сопровождает a и b распады, а также любые взаимные превращения ядер, при которых происходит переход ядра из возбужденных состояний в основное. Оказывается, что уровни энергии ядра, также как и уровни энергии атома, квантуются, то есть принимают дискретный набор значений, но расстояние между ядерными уровнями энергии враз превышает расстояния между электронными уровнями энергии. При р а распаде ядер обычно наблюдаются g кванты с длиной волны l » (0,1 ¸ 0,00025) нм, а при ядерных реакциях встречаются g кванты с длинами волн, достигающими l » 0,00006 нм. g излучение ядер имеет линейчатый спектр, связанный с дискретными уровнями энергии возбужденных ядер. Установлено, что g излучение испускается дочерним (а не материнским) ядром при его переходе из возбужденного состояния в основное состояние. Возможен также переход ядра из возбужденного состояния в основное, при котором энергия передается непосредственно электрону атома, без излучения кванта. При этом электрон покидает атом. Это явление называется внутренней конверсией, а выбиваемый электрон — конверсионным. Внутренняя конверсия сопровождается характеристическим рентгеновским излучением за счет перехода электронов атома на образовавшееся вакантное место во внутренней оболочке атома кванты не имеют электрического заряда, поэтому на них не действуют кулоновские силы. Масса покоя g квантов равна нулю, поэтому они могут двигаться только со скоростью света c, то есть не могут замедляться в веществе, как a частицы и электроны. Для зависимости интенсивности пучка g излучения от расстояния, пройденного в веществе, можно также записать формулу (7.42), которая применяется при рассмотрении рассеяния света веществом МГ. ВАЛИШЕВ, А. А. ПОВЗНЕР. КУРС ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Параллельный пучок g квантов при прохождении через вещество рассеивается за счет таких процессов, как фотоэффект, эффект Комптона и образование электронно позитронной пары. При фотоэффекте электрон в атоме поглощает фотон и использует его энергию для вылета из атома этот процесс рассеяния преобладает для энергий квантов W g £ 0,01 МэВ и сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. При эффекте Комптона рассеяние g кванта происходит за счет его неупругого столкновения с атомом, со свободным электроном этот процесс преобладает для энергий g квантов, принимающих значения, равные W g » 0,5 МэВ. Для образования электронно позитронной пары ( g ® e – + e + ) требуется энергия кванта, равная W g = 1,02 МэВ, — это минимальная энергия, необходимая для образования электронно позитронной пары. Поэтому данный процесс наблюдается при энергиях W g ³ 1,02 МэВ и является при таких энергиях практически единственным процессом поглощения g излучения в веществе. 11.2.5.5. ВЛИЯНИЕ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЧЕЛОВЕКА Любые радиоактивные излучения оказывают вредное влияние на живую ткань, на человека. Они вызывают гибель клеток, выбивают из сложных биологических молекул атомы, приводят к ионизации атомов, к смещению их в молекуле. Все это приводит к возникновению несвойственных организму, живой ткани процессов ив итоге к возникновению различных опухолей и раковых заболеваний. Для количественной характеристики воздействия р а излучения на вещество вводится понятие поглощенной дозы (D), онаопределяет энергию излучения, которая поглощается единицей массы вещества. Единицей поглощенной дозы является грей (1 Гр. Один грей — это такая доза облучения, при которой 1 кг вещества поглощает энергию излучения в 1 Дж. Широко распространена внесистемная единица рад 1 рад = 0,01 Гр. Для того чтобы оценить биологическое воздействие различных видов р а излучения на живую ткань, на организм человека, вводят понятие коэффициент качества излучения (K), который показывает, во сколько раз биологический эффект отданного вида излучения превышает биологический эффект от электромагнитного излучения при одной и той же поглощенной дозе. Приведем значения K для разных видов р а излучений. g излучение, K = 1 — обладает большой проникающей способностью, пронизывает тело человека насквозь. b излучение, K = 1 — обладает меньшей проникающей способностью, проникает в тело человека на глубину порядка 2 см и g излучения дают наибольший вклад во внешнее облучение человека, они вызывают ионизацию и возбуждение атомов тканей человека. a излучение, K = 20, проникающая способность равна нулю, оно задерживается одеждой и кожей человека. a излучение может попасть внутрь человека вместе с пищей или через слизистые оболочки носа или глаз, либо через легкие. Это излучение дает наибольший вклад во внутреннее облуче ЧАСТЬ 11. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ |