Файл: Пучеров, Н. Н. Покоренная радиация.pdf

чаются каждым отдельным альфа-активным ядром, име­ ет определенную величину. Периоды полураспада аль­ фа-активных ядер зависят от энергии выпущенных аль­ фа-частиц. Иными словами, энергия частиц, которые вы­ летают, и период полураспада связаны между собой оп-

18

ределенным отношением, и даже небольшое изменение энергии вызывает большое изменение величины периода полураспада. Такая зависимость объясняется количест­ венно квантовой теорией, согласно которой альфа-распад рассматривают как «просачивание» альфа-частиц через потенциальный барьер.

Шар, который находится в конусоподобном сосуде, будет двигаться по стенкам сосуда, не покидая его до тех пор, пока не получит энергии достаточной, чтобы попасть на край его. Только в этом случае шар может оказаться вне сосуда.

Протоны и нейтроны в ядре также находятся как бы в своеобразном сосуде, только роль стенок берут на себя силы, которые удерживают их в ядре. Комбинируясь в ядре, протоны и нейтроны могут образовать альфа-части­ цу. С точки зрения классической механики альфа-частица оставит ядро только в случае, если она будет иметь до­ статочно энергии, чтобы оказаться на краю условного сосуда. Однако ядро — это квантовая система, а такие системы имеют особые свойства. Можно предположить, что альфа-частица оставит ядро даже и при энергии меньшей, чем этого требует классическая механика. Аль­ фа-частица будто просачивается сквозь стенки сосуда. Образно выражаясь, стенки сосуда как бы имеют отвер­ стия, которые периодически открываются и закрываются. Частицы «выскакивают» наружу не всегда, а лишь вслед­ ствие случайного совпадения: когда альфа-частицы нахо­ дятся в том месте, где отверстие открыто в стенке услов­ ного сосуда. Приведенное сравнение имеет грубый меха­ нический характер, в нем нет точности. Точное описание процесса альфа-распада может быть сделано лишь с по­ мощью математического аппарата квантовой механики.

Бета-распад. Бета-лучи — поток легких заряженных частиц, которые движутся со скоростью, близкой к ско-

рости света. Бета-распад — это излучение радиоактив­ ным ядром электронов или позитронов.

С электронами мы уже ознакомились, позитроны — античастицы по отношению к электронам. Позитрон имеет те же характеристики, что и электрон, однако в отличие от него — иной знак электрического заряда. Аб­ солютная величина заряда позитрона равна заряду электрона, но знак его заряда — положительный. Когда электрон и позитрон сталкиваются, обе частицы исчеза­ ют, а вместо них появляется электромагнитное излуче­ ние — гамма-кванты. Такой процесс имеет название анни­ гиляции, он характерен для взаимодействия частиц и ан­

минус относится к случаю, когда излучаются электроны, а знак плюс — когда позитроны).

Свободный нейтрон, то есть нейтрон, не связанный в ядре, в течение некоторого времени распадается, преоб­ разуясь в протон и две легкие частицы — электрон и ней­ трино.

Нейтрино очень интересный и своеобразный предста­ витель микромира, который играет важную роль в про­ цессе бета-распада. Масса нейтрино исчезающе мала, а электрический заряд у него отсутствует. Эти свойства за­ трудняют обнаружение нейтрино. Существование нейтри-^, но доказано совсем недавно сложными и трудоемкими* опытами, хотя о наличии их можно было догадываться| по результатам других опытов.

При определенных условиях процессы распада ней­ трона или протона происходят внутри атомных ядер. Та­ кие ядра и являются бета-активными. При р~-распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, электрон и нейтрино; протон остается в ядре, а электрон и нейтри­ но выбрасываются из него. При р+-распаде один из про­

20

тонов в ядре превращается в нейтрон, позитрон и ней­ трино. Как уже отмечалось, все перестройки ядра при­ водят к появлению наиболее энергетически выгодной си­ стемы.

В результате бета-распада ядер массовое число не меняется (не изменяется общее количество протонов и нейтронов, хотя массы исходного и конечного ядер отличаются одна от другой). Порядковый номер элемен­ та (заряд ядра) или уменьшается на единицу ((3+-рас- пад), или увеличивается (р~-распад). Таким образом, в результате бета-распада возникает ядро элемента, кото­ рое относительно исходного ядра в периодической систе­ ме стоит на одну клетку ближе или дальше.

Раньше речь шла о том, что во время альфа-распада возникают альфа-частицы с определенной энергией. Важ­ ной особенностью бета-распада является появление бетачастиц с очень разнообразными энергиями, вплоть до ка­ кой-то максимальной. При этом в каждом случае бетараспада энергия одинакова, однако она распределяется между электроном и нейтрино каждый раз по-иному.

Впроцессе распада появляется определенное количество частиц с энергией, от минимальной до максимальной, ко­ торая называется верхней границей бета-спектра и яв­ ляется важной характеристикой бета-распада.

Электроны и позитроны, возникающие при бета-рас­ паде, движутся со скоростью, близкой к скорости света.

Вмагнитных и электрических полях они отклоняются от

направления начального движения.

Электронный захват. В результате захвата электрона один из протонов ядра превращается в нейтрон и при этом выделяется нейтрино. Место в электронной оболоч­ ке заполняют электроны из более высоких оболочек ато­ ма, при такой перестройке оболочки происходит электро­ магнитное излучение.

21

При электронном захвате ядро уменьшает свой заряд на единицу и элемент перемещается на одну клетку бли­ же к началу периодической системы элементов.

Итак, мы рассмотрели основные типы радиоактивных преобразований. Есть и более сложные процессы, однако мы рассматривать их не будем. Необходимо только еще выяснить природу гамма-излучения, которое сопровож­ дает радиоактивный распад.

Гамма-лучи. Гамма-излучение представляет собой жесткое электромагнитное излучение очень высокой час­ тоты. Природа его та же, что и видимого света, рентге­ новских лучей и радиоволн. Все эти виды электромагнит­ ного излучения отличаются лишь частотой колебаний электромагнитного поля (или длиной волны):

длина волны видимого света 7600-10~8—3800- 10~8 см\ длина волны рентгеновских лучей 50 ■10~8 см и меньше; длина волны гамма-лучей с энергией 1 Мэе 0,012-Ю -8 см.

В области низких энергий (при большой длине вол­ ны) электромагнитное излучение проявляет в основном волновые свойства. При увеличении энергии частота из­ лучения увеличивается (длина волны уменьшается), из­ лучение распространяется отдельными порциями, гаммаквантами, которые имеют свойства частиц.

Гамма-кванты всегда движутся со скоростью света. Как уже упоминалось, энергия гамма-квантов опреде­ ляется частотой колебаний: с увеличением частоты энер­ гия увеличивается. Гамма-кванты не имеют электриче­ ского заряда и в связи с этим не отклоняются в магнит­ ном и электрическом полях.

Остановимся более подробно на появлении гамма-лу­ чей в процессе радиоактивного распада. Электромагнит­ ное излучение высокой частоты возникает при перестрой­ ках атомного ядра в процессе перехода его из возбужден­ ного состояния в основное.

22

Возбуждение ядра достигается различными способа­ ми. В частности, возбужденное ядро может появиться в процессе радиоактивного распада. Конечное ядро — ре­ зультат распада — появляется не в основном, а в возбуж­ денном состоянии. Затем излучается гамма-квант и ядро переходит в основное состояние. Таким образом, альфа- и бета-распады могут сопровождаться электромагнитным излучением — выбрасыванием гамма-квантов.

Примером альфа-распада может быть схема распада радия ssRa226, вследствие чего образуется ядро радона вбИп222. Период полураспада — 1590 лет. Существует две возможности для распада: 94,3% распадов происходит с излучением альфа-частиц с энергией 4,777 Мэе, при этом радон образуется в основном состоянии; для 5,7% распа­ дов излучается альфа-частица с энергией 4,589 Мэе и яд­ ро радона образуется в возбужденном состоянии. При переходе в основное состояние выбрасывается гаммаквант с энергией 0,188 Мэе.

Пример р+-распада — распад 4Ве7, в результате кото­ рого возникает ядро лития 3U 7; 11 % таких распадов про­ исходят с излучением позитронов с энергией 0,386 Мэе, а 89% — путем электронного захвата, причем ядро лития появляется в возбужденном состоянии, оно разряжается с излучением гамма-кванта с энергией 0,480 Мэе.

Примером схемы р- -распада может быть распад 15Р32. Исходное ядро распадается с выбрасыванием элек­ трона с энергией 1,708 Мэе. Гамма-лучи при этом распа­ де не возникают.

Бывают и более сложные распады, продуктами кото­ рых могут быть не только стабильные, стойкие ядра, а и радиоактивные. Эти ядра в свою очередь снова распа­ даются. Возникает цепочка взаимосвязанных радиоактив­ ных распадов. Процесс продолжается до тех пор, пока ядро не станет стабильным.

23

Взаимодействие ядерных излучений с веществом

Прежде всего рассмотрим взаимодействие с вещест­ вом заряженных частиц. Такими являются альфа-части­ цы, электроны, протоны. Остановимся на взаимодействии первых двух, поскольку речь идет в основном об излуче­ ниях, которые возникают при радиоактивном распаде.

Попадая в вещество, альфа-частица (как и всякая иная заряженная частица) взаимодействует в первую очередь с электронами, которые находятся в атомах ве­ щества. Когда альфа-частицы имеют достаточную энер­ гию для преодоления электрического отталкивания атом­ ного ядра, при их столкновении может произойти ядерное рассеивание или ядерная реакция. Напомним, что та­ ким путем было открыто атомное ядро (опытами Резер­ форда). Но атомное ядро занимает незначительную часть объема атома, и такие столкновения происходят

очень редко.

Мы уже говорили, что основная часть объема атома занята полями, которые образуются ядрами и электрона­ ми. Попадая в вещество, альфа-частица встречает на своем пути ажурную систему частиц и как бы проры­ вается сквозь электромагнитное поле, которое препят­ ствует ее движению.

Заряженная частица, взаимодействуя с электронами, постепенно теряет свою энергию. Электроны вещества связаны в атомах, то есть занимают определенное место в атомных оболочках. Получив какую-то энергию при столкновении, электрон может переместиться на другую оболочку атома. Атом, имеющий какой-то излишек энер­ гии, находится в возбужденном состоянии. Через некото­ рое время атом возвращается к нормальному состоянию,

24

отдавая излишек энергии в виде электромагнитного излу­ чения (рентгеновские лучи, видимый свет). Такой процесс носит название «возбуждение атома». Бывает, что энер­ гия, переданная электрону при столкновении, достаточна для того, чтобы оторвать его от атома, перебороть силы, удерживающие в нем электрон. Теряя электрон, атом становится заряженным положительно. Такой атом без электрона называется ионом, а процесс его образова­ ния — ионизацией.

Таким образом, при прохождении сквозь вещество заряженные частицы теряют свою энергию преимуще­ ственно на возбуждение и ионизацию атомов.

В пустоте альфа-частица движется прямолинейно. Казалось бы, что при столкновении с электроном она должна изменить направление, отклониться на какой-то угол. Однако этого не происходит, а точнее, направление изменяется очень незначительно. Это объясняется тем, что масса электрона в 7000 раз меньше массы альфачастицы.

Представьте себе столкновение двух бильярдных ша­ ров. Один шар передает часть своей энергии другому и изменяет направление своего движения. Если тяжелый свинцовый шар столкнуть с легкими шарами, то послед­ ние будут отброшены в сторону, а направление движения свинцового шара практически не изменится.

Направление движения альфа-частицы может значи­ тельно измениться, если она окажется очень близко от атомного ядра. В этом случае произойдет ядерное рас­ сеяние и альфа-частица отклонится на значительный угол от направления начального движения. Однако такие случаи очень редки.

Какой бы малой ни была энергия, которую отдает в каждом случае столкновения с электроном альфа-части­ ца, движение последней постепенно тормозится и совсем

25