Радиоактивность и ядерные излучения
Реферат
Тема: Радиоактивность и ядерные излучения
План
1. Общие сведения о радиоактивных излучениях
2. Строение атомного ядра
3. Радиоактивный распад
4. Взаимодействие излучений с веществом
4.1. Взаимодействие альфа-частиц с веществом
4.2.Взаимодействие бета-частиц с веществом
4.3.Взаимодействие гамма-излучения с веществом
4.4.Взаимодействие нейтронов с веществом
5. Дозиметрия
Литература
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЯХ
Радиоактивность появились на земле со времени ее образования и человек за всю историю развития своей цивилизации находился под влиянием естественных источников радиации. Земля подвержена радиационному фону, источниками которого служат излучения Солнца, космическое излучение, излучение от залегающих в Земле радиоактивных элементов.
Термин радиоактивность, радиация по латыни звучит как излучение, с которым мы встречаемся каждый день, зажигая электрический свет (электромагнитное излучение), включая телевизор (излучение электронов) или загорая на солнце (ультрафиолетовое излучение). В дальнейшем под термином радиоактивность мы будем рассматривать ионизирующее излучение, т.е. излучение, действующее на вещество и изменяющее физическое состояние атомов в нем. Явление радиоактивности было открыто французским физиком А. Беккерелем 1 марта 1896 года при случайных обстоятельствах. Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик своего стола и, чтобы на них не попал видимый свет, он придавил их куском соли урана. После проявления и исследования он заметил почернение пластинки, объяснив это излучением солью урана невидимых лучей. От солей урана Беккерель перешёл к чистому металлическому урану и отметил, что эффект испускания лучей усилился. Так произошло открытие радиоактивности.
Исследования показали, что эти лучи проникают сквозь тонкие металлические экраны и ионизируют газ, через который проходят. Их проникающая способность не зависит ни от температуры, ни от освещения, ни от давления. Их интенсивность не менялась со временем. Замечательной способностью обнаруженного излучения оказалась его самопроизвольность. Эти лучи, назвали позднее рентгеновскими.
Поисками веществ, способных к лучеиспусканию, по предложению Беккереля занялись молодой профессор Пьер Кюри и его супруга Мария Складовская-Кюри. Эти учёные обнаружили, что урановая смоляная руда обладает способностью давать излучение, в 4 раза превосходящее по интенсивности излучение урана. Это свидетельствовало о том, что в руде присутствовал источник излучения, более мощный, чем уран. В 1898 году супруги Кюри открыли два новых элемента — полоний, названный так в честь родины Марии Складовской-Кюри — Польши, и радий, что означает по латыни "испускающий лучи".
В честь супругов Кюри получил свое название искусственно полученный трансурановый элемент с номером 96 — Кюрий. Среди элементов содержащихся в земной коре, радиоактивными являются все начиная с висмута, т.е. с порядковым номером более 83 в таблице элементов Менделеева.
Вещества, испускающие новые излучения были названы радиоактивными, а новое свойство вещества, связанное с испусканием излучения, по предложению М. Кюри, было названо радиоактивностью.
Вскоре после открытия полония и радия Резерфордом было установлено, что радиоактивное излучение неоднородно по своему составу. Одна часть излучения поглощается тонкой алюминиевой фольгой, а другая проходила без изменения. Анализ состава излучения проводился по отклонению его в магнитном поле (рис. 1.1). Было обнаружено, что излучение содержит три вида лучей — альфа, бета, гамма.
Характер отклонения лучей в магнитном поле показывает, что альфа-лучи несут положительный заряд. Оказалось, что это атомы гелия, потерявшие два электрона, т.е. ядра атома гелия-4.
Ядро гелия-4 состоит из двух положительных протонов и двух нейтральных нейтронов. Все частицы в ядре связаны прочной связью и оно стабильно.
а-лучи — тяжелые частицы с малой проникающей способностью.
Бета-лучи — легкие частицы с большой проникающей способностью. Бета-лучи представляют собой поток быстро летящих электронов. Их скорость близка к скорости света.
у-лучи обладают максимальной проникающей способностью и представляют собою жесткое электромагнитное излучение. Гамма-лучи обладают относительно малой ионизирующей способностью, в тоже время они имеют большие частоты, чем рентгеновские лучи. Это свойство гамма-лучей привело к широкому использованию их в медицине, для лечения злокачественных опухолей, диагностике заболеваний и т.д.
2. СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА
Все тела независимо от их агрегатного состояния состоят из мельчайших "кирпичиков", которые назвали атомами. "Кирпичики" имеют различные типы связи в зависимости от того к какому химическому элементу таблицы Менделеева они принадлежат. Химический элемент — совокупность атомов одного типа. Древние греки считали атом неделимым, отсюда и произошел термин атом, "неделимый". Но, как показано выше, атом является источником радиоактивного излучения, поэтому рассмотрим его строение более подробно.
Английский учёный Джозеф Джон Томпсон, проводя исследование катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в газах, впервые экспериментально обнаружил элементарные отрицательные заряды — электроны. Он же первый измерил удельный заряд электрона — е/т (отношение заряда электрона к его массе). Было установлено, что электроны вырываются из атомов. Атомы, представлявшиеся до этого неделимыми "кирпичиками мироздания", обнаружили тонкую структуру.
В 1903 г. после открытия электрона Томсон предложил модель атома в виде положительной объемно заряженной сферы диаметром 10~10 м, внутри которого, подобно изюму в кексе, вкраплены электроны. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду сферы. Излучение атомом Томсон объяснял колебаниями электронов относительно центра сферы. Из модели Томсона следовало, что масса атома распределялась равномерно по всему объему, однако, как позднее в 1908 году показал Э. Резерфорд в опытах по рассеянию «-частиц (ядер гелия тонкой золотой фольгой), это являлось ошибочным.
В качестве "зондирующих" частиц были выбраны альфа-частицы, преимущество которых перед другими видами излучений — в их высокой монохроматичности (все альфа-частицы, вылетающие из атомов одного сорта имеют одинаковую скорость) и в их большой массе (масса альфа-частицы превышает массу электрона в 7296 раз). Из-за своей большой массы альфа-частицы не должны испытывать соударений с электронами, содержащимися в атоме, и по их рассеиванию в веществе можно судить о распределении положительно заряженной материи в атоме.
Схема опытов Резерфорда представлена на рис. 1.2. Альфа-частицы испускались источником 1, помещенным внутри свинцовой камеры с узким каналом 2 так, чтобы все частицы, кроме движущихся вдоль оси канала, поглощались стенками камеры. Узкий пучок альфа-частиц попадал на тонкую золотую фольгу 3, перпендикулярно к её поверхности. Альфа-частицы, прошедшие через фольгу и рассеянные ею, попадали на экран и вызывали вспышки (сцинтилляции) на нем. В промежутке между фольгой и экраном создавался вакуум, чтобы не происходило дополнительного рассеяния альфа-частиц в воздухе.
Опыты показали, что в большинстве своем частицы после прохождения фольги сохраняли своё прежнее направление или отклонялись на очень малые углы. И лишь одна из 2 х 104 частиц отклонялась на угол, больший 90°. Для объяснения результатов этих опытов Резерфорд предположил, что весь положительный заряд сосредоточен в весьма малом объеме атома — ядре. Остальной объем атома заполнен электронами, полный отрицательный заряд которых равен положительному заряду ядра. Так в 1911 году была создана ядерная модель атома.
Рассеяние альфа-частиц в этой модели атома получило простое объяснение. В самом деле, так как электроны имеют весьма малую массу, по сравнению с альфа-частицей и распределены по всему объему атома, то а-частицы не должны испытывать заметного отклонения из-за взаимодействия с электронами. Только те частицы, которые проходят вблизи ядра испытывают сильное отклонение из-за кулоновских сил отталкивания между положительно заряженной частицей и массивным ядром. Но из-за малых размеров ядра вероятность встречи альфа-частицы с ядром также мала, поэтому и число альфа-частиц, испытавших отклонения на большие углы, весьма невелико.
На основании опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц тонкими металлическими фольгами и теоретических расчетов была сформулирована ядерная модель ядра. По этой модели в центре атома — ядре, имеющем линейные размеры 10~ -10 м, сосредоточен весь положительный заряд атома и практически вся его масса. Вокруг атома, в области размером примерно 10 м, по орбитам движутся электроны, масса которых составляет весьма незначительную часть массы атома. Ядерная модель атомов напоминает солнечную систему: в центре системы находится "солнце" — ядро, а по орбитам вокруг него движутся "планеты" — электроны. "Планетарная" модель атома, дополненная постулатами Бора, оказалась весьма плодотворной для объяснения линейчатых спектров водородоподобных атомов, позволила объяснить природу характеристических рентгеновских спектров и ряд других физических явлений. В дальнейшем эта модель атома претерпела изменения, сохранив при этом свои основные черты. Атом состоит из ядра и электронов, расположенных вокруг ядра на определенных энергетических оболочках. Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд Z и масса М.
В 1911 г. в опытах Резерфорда по облучению альфа-частицами легких газов показано, что ядра расщепляются, с вылетом ядер водорода, которые впоследствии были названы протонами. Эти эксперименты показали, что протоны являются составной частью ядра.
В 1932 г. английский физик Дж. Чедвиг провел опыты по бомбардировке бериллиевой фольги альфа-частицами и открыл еще одну ядерную частицу — нейтрон, который по своей массе был близок к протону.
Заряд ядра определяется числом элементарных положительных зарядов, содержащихся в нем, и совпадает с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева. Носителем элементарного положительного заряда является протон. Заряд протона (р) q = +1,6021 х Ю~19 Кл, масса покоя протона М = 1,6726 хЮ"26 кг =1836Ме (Ме = 9,11хЮ~31 кг). В состав ядра, кроме протонов, входят нейтроны. Нейтрон (п) — нейтральная частица с массой покоя Мп = 1,6749 х 10~27 кг = 1839Ме.
В ядерной физике считается, что протон и нейтрон — два так называемых зарядовых состояния одной и той же частицы — нуклона (от латинского nucleus — ядро). Протон является протонным состоянием нуклона с зарядом +е , нейтрон — его нейтронным состоянием с нулевым зарядом. Нуклоны в ядре находятся в состояниях, отличных от их свободных состояний. Это связано с тем, что в ядре между нуклонами осуществляется особое ядерное взаимодействие. От электромагнитного взаимодействия оно отличается тем, что одинаково действует на заряженный протон и нейтральный в элементарном отношении нейтрон. Действие ядерного взаимодействия проявляется на очень близких ядерных расстояниях (около 10~13 м), величина очень велика, позволяющая сжать ядерное вещество до плотности сотни миллионов тонн в 1 см3.
