ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 21.07.2024
Просмотров: 86
Скачиваний: 0
Легче всего двигаться атому водорода. Это самый лег кий из атомов. Теряя в твердом теле единственный элек трон, атом водорода становится просто ядром или про тоном, который по размерам почти не отличается от элек трона (оставаясь в 2000 раз тяжелее его). Поскольку протоны намного меньше ионов, образующих остов ре шетки, они довольно легко могут перемещаться по кана
лам |
кристаллической |
решетки. |
В |
последнее |
время |
это |
|||||||
свойство протонов |
стали широко |
использовать |
в |
физике. |
|||||||||
В частности, |
разработаны |
новые методы |
анализа |
строе |
|||||||||
ния |
кристаллической |
решетки, основанные на дифрак |
|||||||||||
ции |
протонов |
н |
прохождении |
их |
предпочтительно |
по |
|||||||
открытым каналам |
кристаллической |
решетки |
(снятие |
||||||||||
протонограмм, эффект |
«теней» и т. д.). |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
Г Л А В А |
II |
|
|
|
|
|
|
|
В З А И М О Д Е Й С Т В ИЕ |
ИЗЛУЧЕНИЯ |
С |
ВЕЩЕСТВОМ |
||||||||||
|
|
§ 1. Пороговая энергия смещения атомов |
|
|
|||||||||
При |
попадании |
быстрых |
частиц |
в кристаллическую |
ре |
||||||||
шетку |
происходит |
Еыбивание некоторых |
атомов из узлов |
||||||||||
решетки. Энергия, которую необходимо затратить на выби вание одного атома, примерно в четыре-пять раз превы шает ту энергию, которую должен приобрести поверхност
ный атом, чтобы в процессе |
тепловых |
колебаний покинуть |
||||
поверхность |
твердого тела |
и перейти |
в |
окружающий |
газ. |
|
Поскольку энергия сублимации большинства атомов |
сос |
|||||
тавляет 5 зв, |
то пороговая |
смещения |
атомов |
должна |
быть |
|
равна 20 — 25 эв. Таким образом, для |
того, |
чтобы |
смес |
|||
тить атом внутри твердого тела, требуется большое коли чество энергии, сконцентрированной на чрезвычайно малой площади, соизмеримой с площадью ядра атома (посколько именно в ядре сосредоточена основная масса атома). Такая работа посильна только энергичным маленьким снарядам, ко торыми являются специально ускоренные протоны; а — час тицы, электроны и другие частицы или компаненты «жест кого» радиоактивного излучения (у —кванты, р — и а — час тицы).
В окружающей нас природе трудно найти аналогич ный процесс в увеличенном масштабе . Например, град может сбивать некоторые ягоды вишни или винограда,
но частота удачных попаданий льдинок в этом случае намного больше частоты удачных попаданий частиц в атомы . Это можно заключить из сопоставления относи
тельной |
плотности, |
с которой |
на |
дереве |
расположены |
|||
ягоды |
вишни |
или |
винограда |
и |
льдинок |
в |
падающем |
|
граде, с |
одной стороны, и относительной |
плотности уз |
||||||
лов кристаллической решетки и потока |
бомбардирую |
|||||||
щих |
частиц, |
с другой. Если в |
первом случае |
примерно |
||||
одной из десяти льдинок, выпавших иа крону с плодами
придется столкнуться |
с ягодой, |
то |
во |
втором |
случае |
|||||||||||
удачливой |
окажется |
одна |
из |
многих |
тысяч |
частиц. |
По |
|||||||||
д а в л я ю щ е е |
число |
частиц |
погасит |
свою |
энергию |
непро |
||||||||||
изводительно — за |
счет |
электронного |
торможения |
и при |
||||||||||||
косых ударах с узлами кристаллической решетки. |
|
|||||||||||||||
|
Если обстреливать |
решетку |
таким |
числом |
частиц в |
|||||||||||
секунду, что на |
каждый |
см2 площади |
твердого |
тела |
бу |
|||||||||||
дет приходиться их столько же, |
сколько |
приходится |
на |
|||||||||||||
ту ж е площадь атомов, т. е. примерно |
101 5 част./см2 |
сек, |
||||||||||||||
то |
и тогда |
только |
ничтожная |
часть частиц |
имеет |
шан |
||||||||||
сы |
попасть |
в ядра |
атомов, т. к. размеры |
ядра |
по |
поряд |
||||||||||
ку величины равны |
1СН3 см, а размеры атома |
~ 1 0 - 8 |
с ж , |
|||||||||||||
т. е. в 105 раз различаются друг от друга. Таким |
обра |
|||||||||||||||
зом, если частица — это |
камень |
размером |
в |
1 см, |
то |
|||||||||||
кристаллическая |
решетка |
должна |
иметь |
ячейку |
разме |
|||||||||||
ром в 105 см, т. е. в один километр. Безусловно, в этом случае скорее промахнешься, чем попадешь в узел ре шетки.
Тем не менее такие события случаются, и выбитых атомов в кристаллической решетке может накопиться довольно много, если облучение проводить долго и ис пользовать потоки с большой плотностью частиц на еди ницу площади.
Кроме того, нельзя забывать, что кристаллическая решетка твердого тела — это не плоская решетка, а объемная решетка, где отдельные узлы идут внахлест
друг к другу и большей частью не |
экранируют |
друг |
друга. |
|
|
Атомы в кристаллической решетке |
расположены |
упо |
рядочение и только местами этот порядок нарушается. Если отвлечься пока от дефектных участков и рассматривать иде альные участки кристаллической решетки, то пороговая энергия смещения атомов Eg должна зависеть от направления движения выбитого атома и меняться в зависимости от
места, занимаемого этим атомом внутри кристаллической решетки. Д л я меди, например, ^ м е н я е т с я от 18 до43э<? в зависимости от направления удара и дрижения выбитого атома.
§ 2. Облучение различными типами частиц
Фотоны или у— кванты, сами непосредственно не сме щают атомы. Они передают скачала свою энергию электро нам твердого тела, а те уже действуют как вторичные сна ряды, приводящие к смещениям атомов. Поскольку фото ны мало поглощаются ЕЄЩЄСТВОМ, ,ИХ действия в объеме материала можно считать распределенным равномерно. При этом виде облучения вещество как бы находится в состоянии внутреннего облучения энергичными электронами. Энер гичные электроны при облучении ЕЄЩЄСТБЗ у — КЕантами Еозникают, в основном, за счет трёх эффектов:
«Г |
Ь КОМПЇОТІ-зффеКТ .. |
• |
, |
2.фотоэлектрический эффект
3.рождение пары позитрон-электрон.
Мы |
не будем здесь |
подробно останавливаться на каж |
дом из |
этих эффектов. |
С природой этих эффектов можно |
познакомиться в специальной литературе. Отметим только,
что при комптон-зффекте |
происходит |
упругое |
рассеяние |
у — кванта на электроне из |
оболочки атома. При этом элек |
||
трону сообщается энергия, |
а у — квант |
теряет |
энергию. В |
случае фотоэлектрического эффекта атом воспринимает энергию у — кванта в целом и затем испускает один ич своих электронов, передавая ему полученный избыток энер гии. Последний эффект более редкий, он связан с превра
щением |
Рысокоэнергичных |
у — квантов |
в |
пару |
позитрон- |
||||||||
электрон |
вблизи |
ядра |
атома. В области |
энергий |
фотонов |
||||||||
до |
10 |
Мэв |
рассматривают |
обычно |
только |
КОМПТОНОЕСКИЙ |
|||||||
и фотоэлектрический |
эффект, а при больших энергиях |
более |
|||||||||||
вероятно возникновение электроп-позитронных |
пар. |
Д л я |
|||||||||||
облучения |
у — квантами |
характерным является то, что на |
|||||||||||
каждый удачно прореагировавший у — квант |
в твердом теле |
||||||||||||
приходится |
не -более |
чем |
1 или 2 |
выбитых |
атомов. То ж е |
||||||||
самое |
относится к |
электронам. |
|
|
|
|
|
||||||
ч |
Нейтроны относятся |
к |
нейтральным |
частицам и |
обла |
||||||||
дают массой протона. В силу своей нейтральности они глу
боко |
проникают |
в твердое тело (подобно |
у — квантам), а |
из-за |
большой |
массы производят более |
сильные повреж- |
дения в |
кристаллической |
решетке, |
чем |
у — кванты. |
При |
|
лобовом |
столкновении |
нейтрона с узлом решетки последний |
||||
неизбежно покидает |
свое |
насиженное |
место. Более |
того, |
||
этот выбитый атом, как |
правило, |
получает энергию в д е |
||||
сятки и сотни раз превышающую пороговую энергию сме
щения Еа |
и |
поэтому сам |
становится |
снарядом внутри ре |
||||
шетки. Причем эффективность вторичных |
снарядов, |
обла |
||||||
дающих большой массой, намного выше первичной |
частицы. |
|||||||
При |
нейтронном |
облучении может действовать |
так |
|||||
же специфический |
механизм, связанный |
с ядерными ре |
||||||
акциями. |
Поглощение |
нейтрона |
некоторыми |
я д р а м и |
||||
приводит |
к их распаду и осколкам ядер |
|
|
|
||||
сообщается колоссальная энергия, за |
|
|
|
|||||
трачиваемая |
ими при |
торможении |
в |
|
|
|
||
решетке |
на |
электронное возбуждение |
|
|
|
|||
исмещение атомов.
Всилу того, что нейтроны имеют свободный пробег между столкнове ниями в несколько сантиметров, про изводимые ими повреждения в решет ке, с одной стороны, равномерно рас пределены по объему, с другой сто роны, в районе каждого первичного столкновения повреждение крайне не однородно. Первично выбитые атомы производят вторичные, третичные и т. д. смещения на таком близком расстоя нии друг от друга, что получается це
лый каскад |
или |
ливень |
смещения |
|
|
|
||
(рис. 2), затем опять |
следует |
непов |
|
|
|
|||
режденный участок решетки. В месте |
|
|
|
|||||
нового столкновения картина |
каскада |
|
|
|
||||
повторяется. |
На |
один |
бомбардирую |
|
|
|
||
щий нейтрон |
могут приходиться |
сотни |
|
|
|
|||
смещенных атомов. |
|
|
|
Р и с . |
2. Каскад |
сме |
||
Электроны, эти легчайшие |
заряжен |
|||||||
ные частицы, входящие |
как кирпичики |
щений |
атомов |
при,- |
||||
нейтронном облуче |
||||||||
в строение |
отдельных |
атомов, |
т а к ж е |
|
нии. |
|
||
могут выступать в роли снарядов, вы бивающих атомы с насиженных мест. Правда, д л я этого-
они должны обладать огромной кинетической энергией, достаточный уровень которой достигается только при ре лятивистских скоростях движения . Ускоренные до таких.
скоростей электроны, |
обладающие |
энергией |
порядка |
||
1 Мэв |
и выше, осуществляют атомные смещения |
путем |
|||
прямого кулоновского |
взаимодействия с ядрами |
твердого |
|||
тела. |
|
|
|
|
|
Д л я |
целей радиационной физики |
твердого тела |
элек |
||
троны являются наиболее удобными частицами. Дело в
том, |
что энергию |
падающих |
электронов можно |
точно |
|
контролировать, а |
это в свою |
очередь |
позволяет |
опре |
|
делять такие величины как пороговая |
энергия |
смеще |
|||
ния |
атомов, тип возникающих |
повреждений и д а ж е та |
|||
кую тонкую вещь, как расстояние, на которое вылетает
выбитый атом из |
своего |
узла |
в |
решетке. К |
удобствам |
||||
электронного облучения |
дл я некоторых |
целей |
относится |
||||||
т а к ж е и то, что на один |
бомбардирующий |
электрон |
при |
||||||
ходится |
один, от силы два смещенных |
атома. Это |
поз |
||||||
воляет |
проводить |
количественные |
измерения. |
|
|
||||
К недостаткам |
электронной |
бомбардировки |
относит |
||||||
ся быстрое замедление этого типа |
частиц |
в веществе в |
|||||||
силу того, что они несут |
заряд |
и |
интенсивно |
обменива |
|||||
ются энергией с электронами твердого тела. Поэтому
лишь только на тонких образцах |
(порядка |
0,5—2 |
мм, в |
||||||
зависимости |
от |
атомного |
номера |
мишени |
и |
энергии |
|||
электронов) можно получить объемный эффект. |
|
|
|||||||
Примечательно, |
что интенсивность |
пучка |
электро |
||||||
нов измеряют |
в |
единицах |
электрического тока, т. е. в |
||||||
•амперах и его частях, при |
этом плотности тока, напри |
||||||||
мер, в 1 мка/см"2 |
|
отвечает |
плотность |
бомбардирующих |
|||||
частиц 6,24101 2 электрон/см2 |
сек. |
|
|
|
|
|
|||
К недостаткам |
электронной |
бомбардировки |
отно |
||||||
сится т а к ж е интенсивный нагрев материала, |
который воз |
||||||
никает во время облучения, если не принять |
специаль |
||||||
ные меры |
для |
охлаждения |
образцов. Так, |
металли |
|||
ческие образцы, |
облучаемые |
в |
условиях |
|
комнатных |
||
температур электронами энергии |
~ 4 Мэв," |
нагреваются |
|||||
на несколько градусов у ж е при токе 2 мка/см2, |
|
а при токе |
|||||
100—150 мка/см2 |
они могут |
расплавиться. |
|
|
|||
Ионы |
и осколки ядер, |
как |
уж е указывалось, могут |
||||
возникать при рассеянии нейтронов и некоторых других •частиц на ядрах узлов решетки. При этом из выбитого
атома или с осколка |
ядра |
мгновенно |
срывается элек |
||
тронная |
оболочка — вся |
или частично, |
в зависимости |
||
ют энергии, которую |
получил |
вторичный снаряд от на |
|||
летевшей |
частицы или в |
результате ядерной реакции. |
|||
