α -частицы

РАДИОАКТИВНОСТЬ
Радиоактивность представляет собой самопроизвольное
превращение неустойчивых ядер одного элемента в ядра
другого элемента, сопровождающееся испусканием
элементарных частиц или ядер.
В 1896 году Анри Беккерель
открыл явление радиоактивности
В 1898 году Мария и Пьер Кюри
продолжили работу с
радиоактивными элементами.
Радиоактивность обнаруживается у некоторых тяжелых элементов,
расположенных в конце периодической системы Менделеева («естественная
радиоактивность»), но она может быть вызвана и у легких элементов при
бомбардировке ядер этих элементов («искусственная радиоактивность»).
83
208,98
Bi
висмут
Было установлено, что все химические элементы с
порядковым номером более 83 являются
радиоактивными
Виды радиоактивных излучений
Излучение радиоактивных веществ состоит из трех компонентов:
альфа-лучей (α-частиц),
бета-лучей (β-частиц) и
гамма-лучей (γ-лучи).
1) α -частицы отклоняются электрическим и магнитным полем и несут
положительный заряд 2е; они легко поглощаются тонкими слоями вещества.
Эти частицы представляют собой ядра атомов гелия;
2) β -частицы отклоняются электрическим и магнитным полями, несут
отрицательный заряд е, обладают более высокой проникающей
способностью, чем α-лучи. Они представляют собой поток быстрых
электронов;
3) γ -лучи не отклоняются электрическим и магнитным полями, обладают
очень большой проникающей способностью. Эти лучи подобны рентгеновским
лучам, но являются более коротковолновыми.
Радиоактивность, при которой наблюдается альфа-излучение, называется
α -распадом, при бета-излучении — β-распадом.
Радиоактивность есть ядерный процесс; радиоактивность данного элемента
не изменяется, если элемент вступает в какие-либо химические соединения.
На основании законов сохранения массы и электрического заряда были
сформулированы правила, называемые правилами смещения, при помощи
которых можно установить массовое число и заряд ядра нового элемента,
возникающего в результате α - распада или β –превращения.
Так как α -частица есть ядро гелия, то она несет заряд +2 единицы и
его массовое число равно 4 единицам. Следовательно,
возникающий в результате α -распада элемент имеет ядро с
зарядом на две единицы меньше, а массовое число на 4 единицы
меньше, чем исходное. Новый элемент расположен в таблице
Менделеева на два номера ближе к началу таблицы, чем исходный.
Например, при α-распаде полония имеем:
210
84
Po Pb He
206
82
4
2
При β-распаде заряд полученного ядра увеличивается на
единицу, а масса его практически не меняется, так как масса
электрона в 1836 раз меньше массы протона. Следовательно,
вновь возникающий элемент по отношению к исходному
расположен в периодической системе на один номер дальше.
Например, при β-распаде серы имеем:
32
16
S  Cl  e
32
17
0
1
Химические элементы, отличающиеся массовыми числами, но имеющие
один и тот же заряд атомных ядер и потому занимающие одно и то же место
в таблице Менделеева, называются изотопами. Ядерные свойства
изотопов одного и того же элемента различны, но их химические свойства
почти одинаковы.
ПРАВИЛА СМЕЩЕНИЯ
A
Z
A
Z
X
A 4
Z 2
Y  He
4
2
X Z A1Y  10e
Альфа- распад
Бета - распад
Для характеристики радиоактивности вводится период полураспада Т,
время в течение которого начальное число атомов данного элемента
уменьшается в два раза (от долей секунды до миллиардов лет).
Наблюдения показывают, что с течением времени активность данного
радиоактивного вещества уменьшается. Было установлено, что распад атомов
— явление случайное: имеется некоторая вероятность распада каждого атома
радиоактивного элемента за определенный промежуток времени.
В силу этого можно сказать, что в единицу времени из наличного количества
атомов всегда распадается определенная часть, которую обозначают через λ
и называют постоянной распада данного радиоактивного элемента. Если
имеется N атомов, то за 1 с распадается из них λN атомов, а за время dt:
dN=- λNdt - дифференциальная форма закона распада.
Интегрируя это выражение, получим: N=N0e-λt ,
где N0 —число атомов в начальный момент при t = 0;
N — число атомов, оставшихся по истечении времени t.
Постоянная распада λ=- dN/Ndt равна относительному уменьшению числа
атомов в единицу времени или вероятность распада атома за единицу
времени.
Из формулы закона радиоактивного распада следует, что период Т
полураспада связан с λ соотношением:
Т=ln2/λ = 0,693/λ (N=N0/2= N0e-λT ; eλT = 2; λT = ln2)
Число атомов, распадающихся в одну секунду, называется активностью
элемента. Активность А выражается следующими формулами:
А=|dN/dt|=λN= λN0e-λT ; A=Nln2/T
Следовательно, активность обратно пропорциональна периоду
полураспада и, будучи пропорциональна имеющемуся числу
атомов N, убывает со временем по экспоненциальному закону.
Единицей радиоактивности служит кюри; это - активность, при
которой происходит 3,7•1010 распадов в одну секунду.
Единица активности соответствует определенному числу распадов в 1 с, а не
определенному количеству радиоактивного вещества.
Свойства радиоактивных излучений
α-частицы
При движении в веществе α -частицы производят на своем пути сильную
ионизацию атомов, действуя на них своим электрическим полем. Расстояние, на
которое проникает α -частица в вещество до полной ее остановки, называется
пробегом частицы или проникающей способностью.
Удельной ионизацией называется число пар ионов, образующихся
на 1 см длины пробега. Между пробегом R α -частиц в воздухе и их
скоростями V или энергиями Е существует приближенное
эмпирическое соотношение:
R ≈ аV3 ≈ bЕ3/2
В среднем α -частица образует в воздухе при нормальных условиях около
30 000 пар ионов на 1 см пути
В более плотных веществах пробег α -частиц гораздо короче, чем в газах, и
составляет всего несколько сотых долей миллиметра, поэтому радиоактивные
элементы, запаянные в стеклянные ампулы, не пропускают наружу α -частиц,
а обычная одежда людей полностью поглощает α -излучение. Однако α частицы способны оказывать значительное биологическое действие, если они
попадают в ткани человека, особенно вместе с пищей или вдыхаемым
воздухом.
Свойства радиоактивных излучений
β-частицы
Бета-частицы (быстрые электроны) имеют скорости, близкие к скорости
света в вакууме. При β-распаде наблюдались электроны со скоростями,
равными 0,988 скорости света, и, следовательно, с энергиями около 5 МэВ.

При β -распаде атомные ядра одного и того же изотопа всегда теряют, как
показали эксперименты, одинаковое количество энергии. В. Паули высказал
гипотезу, что при каждом акте β -распада одновременно с электроном
выбрасывается еще одна легкая частица - нейтрино. Нейтрино не имеет
заряда и массы. Существует два типа частиц: нейтрино (ν) и антинейтрино (
). При β -распаде из ядра уносится определенное, всегда одно и то же
количество энергии (равное Емакс), но она в каждом отдельном случае
распределяется между электроном и антинейтрино по-разному; это приводит к
образованию непрерывного энергетического спектра у β -частиц
Потери энергии β -частицами при прохождении их через вещество
вызываются главным образом процессами ионизации и, кроме того,
возникновения рентгеновского излучения
Так как β –частицы обладают очень малой массой, единичным зарядом и очень
большими скоростями, то их ионизирующая способность невелика. Она примерно
в 100 раз меньше, чем у α-частиц. Поэтому и проникающая способность (пробег) β
-частиц значительно больше, чем у α –частиц
Свойства радиоактивных излучений
γ-лучи
Гамма-лучи — это электромагнитное излучение с длинами волн от одного до сотых
долей ангстрема. Энергия фотонов γ-лучей достигает миллионов эВ.
Испускание γ-лучей происходит всякий раз, когда атомное ядро переходит из
возбужденного состояния в нормальное или промежуточное. При этом энергия γ фотона определяется условием hν= E1—E2, где E1 и E2 — энергия ядра в этих
состояниях.
Гамма-лучи по своей природе одинаковы с рентгеновскими лучами; поглощение γ лучей веществом обусловлено тремя основными процессами:
а) Фотоэффект состоит в том, что γ -фотоны, выбивая электроны из атомов,
сами поглощаются.
б) Образование пар электрон — позитрон состоит в том, что γ -фотон,
обладающий энергией не менее 1,02 МэВ, вблизи ядра атома может превратиться
в пару электрон + позитрон; γ -фотон при этом исчезает
в) Рассеяние γ - фотонов - взаимодействие их со слабосвязанными
электронами, в результате чего фотон теряет часть своей энергии и
отклоняется от первоначального направления движения - Комптон – эффект
Ионизация газов γ -лучами обусловлена появлением свободных (вторичных)
электронов в этих трех процессах, которые, и производят ионизацию.
Гамма-лучи — одно из наиболее проникающих излучений
Проникающая способность
гамма - излучения
Хорошо поглощают:
гамма-излучение –
чугун, сталь, свинец,
кирпич, бетон
(вещества
,имеющие большую
плотность)
ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ
РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
картон
алюминий
свинец
Альфа - частицы
Бета - частицы
Гамма - лучи
Лист
картона
(0,1 мм)
Лист
алюминия
(5мм)
Лист свинца(1см)
Способы наблюдения быстрых заряженных частиц
Наблюдение частиц возможно лишь в том случае, если они заряжены и
имеют достаточно большую скорость. Нейтральные частицы — фотоны и
нейтроны — можно наблюдать, когда они в результате взаимодействия с
веществом образуют заряженные частицы.
В настоящее время пользуются следующими методами
наблюдения частиц:
1) метод камер,
2) метод толстослойных фотографических пластинок,
3) ионизационные счетчики всех систем,
4) сцинтилляционные счетчики,
5) черенковские счетчики,
6) полупроводниковые детекторы.
Камера Вильсона
1912 г.
Камера заполнена смесью аргона с насыщенными
парами воды. Расширяя газ поршнем,
охлаждают пары. Пролетающая частица
ионизирует атомы газа, на которых конденсируется пар,
создавая капельный след (трек).
1. а) Метод камеры Вильсона основан на том, что в пересыщенном паре
ионы являются центрами конденсации. Если при этом в камеру попадает
заряженная частица, то при движении она создает цепочку ионов,
присутствие которых обнаруживается по образованию вокруг них капелек.
Освещая камеру после расширения, можно наблюдать и фотографировать
треки отдельных частиц. В сильном магнитном поле каждый трек будет
изогнутым; это позволяет по радиусу кривизны определять заряд, массу и
скорость частицы.
Треки протонов
Треки частиц в камере Вильсона.
Пузырьковая камера
1952 г.
Камера заполнена быстро закипающей жидкостью
(сжиженный пропан).
Заряженная частица на своем пути ионизирует
атомы жидкости,около этих
ионов жидкость закипает и образуются
пузырьки пара , траектория частицы
становится видимой
Искровая камера
Изобретена в 1957 г. Заполнена инертным газом.
Плоскопараллельные пластины расположены близко
друг к другу. На пластины подается высокое напряжение.
При пролете заряженной частицы вдоль её траектории проскакивают
искры, создавая огненный трек.
Толстослойные
фотоэмульсии
Метод разработан
В 1958 году
Ждановым А.П. и
Мысовским Л.В.
Пролетающая сквозь
фотоэмульсию заряженная
частица действует на
зерна бромистого
серебра и образует
скрытое изображение.
После проявления на
фотопластинке образуется
след - трек.
Преимущества: следы
не исчезают со временем
и могут быть тщательно
изучены.
Счетчик Гейгера
В наполненной аргоном трубке пролетающая
через газ частичка ионизирует его,
Между катодом и анодом возникает
электрический ток, на резисторе, на
резисторе R образуется напряжение.
26
Сцинтилляционный счетчик
В 1903 году У.Крукс
заметил, что частицы,
испускаемые радиоактивным
веществом (α – частицы ) попадая на экран
покрытый сернистым
цинком, вызывают
его свечение,на экране образуются вспышки
света
Устройство было использовано
Э.Резерфордом.
Сейчас сцинтилляции наблюдают и считают
с помощью специальных устройств.
27
Полупроводниковые детекторы
ионизирующих излучений
Полупроводниковые детекторы основаны на свойстве
полупроводников изменять свою электропроводность под действием
облучения нейтронами или γ-лучами, для регистрации которых они и
применяются.
Счетчик Черенкова
Черенковские счетчики основаны
на открытом С. И. Вавиловым и П.
А. Черенковым излучении, которое
вызывается электронами, когда они
движутся в чистой жидкости или
твердом диэлектрике со скоростью,
большей, чем фазовая скорость
света в этих средах.
Ускорители заряженных частиц
Ускорители заряженных частиц - специальных установки, в которых
заряженным частицам (электронам, протонам, атомным ядрам и ионам)
сообщается огромная энергия за счет энергии электромагнитного поля.
1) прямого действия, в которых частицы однократно проходят
ускоряющее их поле;
2) резонансные, которые в свою очередь подразделяются на линейные и
циклические.
Электростатический ускоритель прямого действия Ван-де-Граафа.
Если непрерывно подводить заряд к внутренней поверхности
металлической сферы, то можно увеличить заряд на сфере, а значит, и
потенциал ее до значительной величины.
Генератор состоит из двух полых шаров диаметром свыше 5
м, смонтированных на пустотелых изолирующих колоннах.
Внутри помещается бесконечная матерчатая лента, которая
служит транспортером зарядов.
Внизу поверхность ленты
заряжается, и заряд
механически переносится
лентой внутрь сферы, где
он при помощи
специального
приспособления
передается на
внутреннюю, а оттуда
переходит полностью на
внешнюю поверхность
сферы.
Максимальная энергия
частиц 5 МэВ
Линейный резонансный ускоритель
Максимальная энергия частиц
определяется размерами (до 1 ГэВ)
Циклические резонансные ускорители
В этих ускорителях частица, вращаясь в магнитном поле,
многократно проходит один и тот же ускоряющий промежуток.
Циклотрон состоит из
электромагнита с плоскими
полюсами и однородным полем,
генератора высокой частоты и
камеры для разгона протонов и
ионов, состоящей из двух
плоских полуцилиндров дуантов. К дуантам подводится
переменное напряжение от 50 до
75 кВ с постоянной частотой.
Заряженная частица, находясь в
однородном магнитном поле,
движется по окружности, радиус
которой равен R = mυ/eB. Время
одного оборота частицы не
зависит от ее скорости:
Т=2πm/eB.
Циклотрон
Максимальная энергия частиц 10-20 МэВ
Циклотрон
Максимальная энергия частиц зависит от размера, но
ограничивается нарушением синхронизма за счет релятивистского
увеличения массы частиц по мере роста их скорости
Максимальная энергия частиц
10-20 МэВ
Максимальная
энергия частиц 5 МэВ
Циклические резонансные ускорители
В других циклических резонансных ускорителях — фазотроне,
синхротроне и синхрофазотроне — применяются устройства,
позволяющие изменять частоту переменного электрического поля между
дуантами или напряженность магнитного поля (или то и другое вместе) таким
образом, чтобы ускоряющаяся частица не выпадала из синхронизма и
продолжала ускоряться.
В фазотроне, для сохранения резонанса частота ускоряющего
электрического поля изменяется в соответствии с изменением массы частиц,
а магнитное поле остается неизменным.
В синхротроне период ускоряющего поля остается постоянным, а
магнитное поле изменяется.
В синхрофазотроне (другие названия — протонный синхротрон,
космотрон, беватрон) движение частиц совершается как в переменном
магнитном, так и в переменном электрическом поле.
Коллайдеры
В последнее время для изучения процессов столкновения частиц высоких
энергий стал применяться «метод встречных пучков». Важным преимуществом
этого метода является его экономичность; разгоняя заряженные частицы
(направляемые затем навстречу друг другу) до сравнительно небольших
энергий, можно получить эффект столкновения, соответствующий значительно
большей энергии частиц, бомбардирующих неподвижные мишени.