ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 110
Скачиваний: 1
б. Искусственная радиоактивность
Искусственные превращения ядер элементов могут быть вы званы бомбардировкой их а-частицами, протонами, ядрами тя желого водорода (дейтронами), нейтронами и у-фотонами высо ких энергий [4].
Атомные ядра искусственных радиоактивных изотопов, так же как и естественных, претерпевают спонтанные превращения. Основными видами ядерных превращений, наблюдаемых у ис кусственных радиоактивных изотопов, являются позитронный (|3+) и электронный (|3~) распад. (3+-Распад, связанный с выде лением позитронов, наблюдается у искусственных радиоактив ных изотопов, соотношение числа нейтронов и протонов которых меньше величины, соответствующей стабильным изотопам дан ного элемента.
В некоторых случаях получаемые искусственные радиоактив ные изотопы находятся в возбужденном состоянии и претерпе вают так называемые изомерные переходы (ИП). При этом атомное ядро переходит из более высокого энергетического со стояния в более низкое, что сопровождается у-излучением.
Одним из видов радиоактивных превращений, претерпевае мых искусственными радиоактивными изотопами, является так называемый электронный захват (ЭЗ), например /(-захват — захват атомными ядрами электрона с /(-оболочки. Может про исходить захват электрона и с других энергетических уровней (L- и М-оболочек), но он менее вероятен, /(-захват может про исходить одновременно с р+- пли ^--распадом. В результате /(-захвата протон ядра переходит в нейтрон, т. е. число прото нов в ядре уменьшается на единицу и, следовательно, образу ется новый элемент с порядковым номером на единицу меньше исходного, но с тем же массовым числом.
Как и в случае естественных радиоактивных изотопов, ядро, образованное при /(-захвате, а также |М-распаде, может нахо диться в возбужденном состоянии и переход ядра из возбужден ного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких у-фотоиов.
Число у-фотонов данной энергии, приходящееся на одно рас падающееся ядро, определяется схемой распада радиоактивного изотопа, которая представляет собой энергетическую диаграмму и содержит сведения о количественных характеристиках излуче ния, последовательности испускания у-фотонов и последова тельных энергетических состояниях атомного ядра. Схему распа да обычно изображают графически (см. табл. 4.4). За начало отсчета берут энергетическое состояние конечного ядра, обозна чаемое горизонтальной чертой внизу графика. Остальные со стояния ядра, обладающие более высокой энергией, изображают горизонтальными линиями, расположенными выше, причем рас стояние по вертикали между линиями обычно соответствует в
15
масштабе графика разности энергии. Наверху изображают энер гетическое состояние исходного ядра, причем оно сдвигается вле во или вправо в зависимости от того, уменьшается или увеличи вается значение Z при распаде. Переход из одного состояния в другое, сопровождающийся излучением, обозначают на схе ме стрелкой между соответствующими уровнями. Наклонные стрелки означают радиоактивный распад, приводящий к об разованию нового элемента, вертикальные — испускание ядром у-фотонов.
Схемы распада радиоактивных изотопов разнообразны. Име ются изотопы сэ сложным спектром у-излучеиия, например спектр излучения Та182 состоит из 31 линии. У других изотопов (Cs137, Hg203 и др.) спектр у-излучения состоит всего из одной линии.
Следует указать, что радиоактивные превращения сопровож даются обычно характеристическим излучением.
При бомбардировке исходных изотопов различными частица ми пли облучении фотонами происходят ядерные реакции. В об щем виде типы ядерных реакций записываются следующим об
разом: 1) под |
действием |
нейтронов— |
(я, р), |
(я, а), |
(я, у); |
|||
2) под действием протонов— (р, я), |
(р, |
а), |
(р, у); 3) |
под дей |
||||
ствием дейтронов— (d, р), |
(d, я), |
(d, |
а); |
4) |
под действием |
|||
а-частиц— (а, |
р), (а, я); |
5) |
под действием у-фотонов— (у, я), |
|||||
(у, i°)> (Vi 2 я), |
(у, рп)\ 6) деление тяжелых ядер (ядер урана, |
|||||||
плутония и др.) |
при захвате нейтронов— (я, |
f). |
В скобках пер |
|||||
вой указывается бомбардирующая корпускулярная частица или фотон, а второй — частица, выбрасываемая образующимся со ставным ядром, или фотон; символ f обозначает деление ядра.
Чтобы происходили ядерные реакции, ядра бомбардируют частицами, обладающими определенной кинетической энергией. Сообщение бомбардирующим частицам достаточной кинетиче ской энергии осуществляется в специальных ускорителях заря женных частиц.
Наиболее широко распространены реакции под действием нейтронов и дейтронов. Благодаря отсутствию заряда нейтрон легко проникает в атомное ядро и поэтому может быть наиболее эффективно использован для осуществления ядерных реакций. Источниками нейтронов являются ядерные реакторы, нейтронные генераторы, а также радиоактивные источники излучения.
При бомбардировке нейтронами ядро атома захватывает нейтрон, при этом массовое число ядра возрастает, а атомный номер остается без изменения, т. е. образуется изотоп.элемента, подвергаемого бомбардировке. Примером может служить реак ция превращения нерадпоактивного кобальта 27С059 в радиоак тивный 27С060, сопровождаемая излучением у-фотонов:
27Со5в -)- п —>- 2,Со80-)- у,
или сокращенно 27Со59(п, у )27Со60.
16
При делении тяжелых ядер в ядерном реакторе образуются сложные смеси изотопов. Разделение их представляет значитель ные трудности. Таким способом получают радиоактивные изо топы Cs137, Ей155 и др.
в. Закон радиоактивного распада
При радиоактивном распаде среднее число ядер данного ра диоактивного изотопа, распадающихся в единицу времени, всег да составляет определенную, характерную для данного изотопа, долю общего числа ядер и определяется постоянной радиоактив ного распада X [2]. Эта закономерность является общей для всех радиоактивных изотопов. У различных радиоактивных изотопов доля распадающихся в единицу времени ядер различна, она тем больше, чем выше степень неустойчивости ядер. Например, из общего числа имеющихся ядер радия ежесекундно распада
ется |
1,38 - 10-11 части, |
а ядер радона — примерно |
2,1 •10~6 ча |
||
сти. |
Это значит, |
что из |
1013 ядер |
радия каждую секунду распа |
|
дается 138 ядер, |
а из 1013 ядер |
радона — 2,1 •107. |
|
||
Уменьшение числа радиоактивных ядер N при распаде мож |
|||||
но записать в виде уравнения |
|
|
|||
|
|
|
dN |
XNdt, |
(1.1) |
т. е. |
число ядер |
dN, распавшихся за промежуток |
времени dt, |
||
пропорционально N и dt. Отрицательный знак в уравнении (1.1) указывает на то, что процесс распада ведет к уменьшению чис
ла ядер в единицу времени. |
экспоненциаль |
Закон радиоактивного распада имеет вид |
|
ной зависимости |
|
W = tf0e-«, |
(1.2) |
где N — число радиоактивных ядер к моменту времени t\ No.— число ядер в начальный момент времени £ = 0; е — основание на туральных логарифмов, равное 2,718; X— постоянная распада.
Время Т1/2, в течение которого число радиоактивных атомов уменьшается вдвое, называется периодом полураспада. За время Тi/2 число оставшихся ядер станет равным N=N0/2. Между по стоянной распада и периодом полураспада существует простая зависимость. Подставляя в уравнение (1.2) вместо t значение Т,/о и N= N0/2, получаем
А . = М1е~ЯГ'/! |
или |
— = е~ЯГ1/= |
|
|
2 |
Логарифмируя это выражение и подставляя вместо 1п2 его
значение, получаем окончательно^-^ьгр'аженйег-евя'зтйв'афщее пе-
Гос. гиблс-шая
н- г, -i k |
.еч. юя |
17 |
бньяИоге |
С ' сш |
|
©КЗ'Ь.ЛПЛЯ»3
риод полураспада и постоянную распада:
А,7\/, = 1п2 = 0,693. |
(1.3) |
Периоды полураспада различных радиоактивных изотопов меняются в широких пределах — от многих миллионов лет до долей секунды. Зная период полураспада или постоянную рас пада, можно легко рассчитать изменение числа радиоактивных атомов вещества со временем.
г. Рентгеновское и у-излучения
При прохождении заряженных частиц через вещество обра дуется фотонное излучение с непрерывным спектром, возникаю щее при изменении кинетической энергии заряженных частиц, —• так называемое тормозное излучение и фотонное излучение с дискретным спектром, возникающее при изменении энергетиче ского состояния атома, — так называемое характеристическое излучение. Рентгеновским излучением называется совокупность характеристического и тормозного излучений.
Рентгеновское излучение, открытое в 1895 г. физиком Рент' геном, имеет ту же электромагнитную природу, что и у-излуче ние, испускаемое ядрами атомов радиоактивных элементог [1, 5—7]. Эти два вида излучения отличаются от других разно видностей электромагнитных колебаний малой длиной волны, обычно измеряемой в ангстремах (1 А=0,1 «лг=10-8 см) (см. рис. 1.6). Обладая одинаковой природой, рентгеновское и у-излу- чения подчиняются одинаковым закономерностям при взаимо действии с веществом. Разница между этими двумя видами из лучений заключается в механизме их возникновения: рентге новское излучение — внеядерного происхождения, у-нзлученне—■ продукт распада ядра.
В практике рентгенодефектоскопии для получения рентгенов ского излучения наиболее широко применяют электронные рент геновские трубки (рис. 1.3). Рентгеновская трубка представляет собой стеклянный баллон с высокой степенью разрежения газа (1СИ6— 10~7 мм рт. ст,). В трубке впаяны электроды — анод А н катод К. Катод служит источником электронов, анод — мишеныо для торможения электронов. Катод изготовляют в виде спирали из вольфрамовой проволоки, а анод — из вольфрамовой пла стинки. Анод впаивают в пустотелый медный стержень, который во время работы охлаждается водой.
Спираль катода при работе нагревается до температуры око ло 3000° С током 3—6 а от трансформатора накала напряже нием 5— 12 в. Для создания определенной направленности в дви жении электронов и придания им необходимой скорости к элект родам трубки прикладывают высокое напряжение с разностью
18
потенциалов порядка нескольких десятков или сотен киловольт. Кинетическая энергия электронов, попадающих на аиод, нахо дится в прямой зависимости от напряжения, приложенного к трубке. При соударении движущихся с большой скоростью электронов с атомами материала анода электроны резко за медляются, теряя кинетическую энергию, которая частично пре вращается в лучистую энергию, выделяемую в виде фотонов
Рис. 1.3. Схема получения рентгеновского излучения в элек тронной трубке.
рентгеновского излучения, а частично тратится на нагревание анода.
Полученное таким образом рентгеновское излучение харак теризуется двумя самостоятельными энергетическими спектра ми: непрерывным и дискретным. Излучение с непрерывным спектром (тормозное излучение) возникает в результате измене ния скорости движения электронов (их торможения на аноде). Дискретный спектр (характеристическое излучение) возникает в результате процессов, протекающих в возбужденных ускоренны ми электронами атомах материала анода и сопровождающихся энергетическими переходами (см. стр. 11).
Так как при соударении с веществом анода электрон может отдать на излучение любую часть своей энергии, то энергетиче ский спектр тормозного излучения будет непрерывным. Спект ральное распределение тормозного излучения не зависит от ве щества анода и определяется только разностью потенциалов на рентгеновской трубке. Чем больше скорость электронов, движу щихся от катода к аноду, тем выше максимальная энергия фо тонов тормозного излучения. Максимальная энергия фотона и соответствующая длина волны определяются анодным напряже нием. С увеличением анодного напряжения трубки жесткость и интенсивность тормозного излучения возрастают. Увеличение
19