Альфа-частицы. частицы, выбрасываемые веществами активных элементов представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости ? -частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны.
Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути ? -частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность ? -частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их. Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона. (Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие Вильсона камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы.
В дальнейшем вытеснена другими трековыми детекторами.) Исследуя пути движения частиц с помощью камеры, Резерфорд заметил, что в камере они параллельны (пути), а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили через тонкую пластинку. [ 1, 7 ] [pic] Рис. 1. Модель атома Бор-Резерфорд Исходя из этих наблюдений, Резерфорд предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным орбиталям вращаются отрицательные электроны. (рис.1.) Центростремительные силы, возникающие при их вращении удерживают их на своих орбиталях и не дают им улететь.
Эта модель атома легко объясняет явление отклонения частиц.
Размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство ? -частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда ? -частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние ? -частиц положило начало ядерной теории атома.
Электроны и позитроны. Представление о содержащихся в веществах электрических частицах было высказано в качестве гипотезы английским ученым Г. Джонстоном Стонеем. Стоней знал, что вещества можно разложить электрическим током, – например, воду можно разложить таким способом на водород и кислород. Ему было известно также о работах Майкла Фарадея, установившего, что для получения некоторого количества элемента из того или иного его соединения требуется определенное количество электричества.
Обдумывая эти явления, Стоней в 1874г. пришел к выводу о том, что они указывают на существование электричества в виде дискретных единичных зарядов, причем эти единичные заряды связаны с атомами. В 1891г. Стоней предложил название электрон для постулированной им единицы электричества. Экспериментально электрон был открыт в 1897г Дж. Дж. Томсоном (1856-1940) в Кембриджском университете. [5] Электрон представляет собой частицу с отрицательным зарядом величиной –0,1602 10-18 Кл. Масса электрона равна 0,9108 10-30кг, что составляет 1/1873 массы атома водорода. Электрон имеет очень небольшие размеры.
Радиус электрона точно не определен, но известно, что он значительно меньше 1·10-15м. В 1925г. было установлено, что электрон вращается вокруг собственной оси и что он имеет магнитный момент. [5] Число электронов в электронейтральном атоме закономерно повышается при переходе элемента от Z к Z + 1. Эта закономерность подчиняется квантовой теории строения атома.
Максимальная устойчивость атома, как системы электрических частиц, отвечает минимуму его полной энергии. Потому электроны при заполнении энергетических уровней в электромагнитном поле ядра будут занимать (застраивать) в первую очередь наиболее низкий из них (К – уровень; n=1). В электронейтральном невозбужденном атоме электрон в этих условиях имеет наименьшую энергию (и, соответственно, наибольшую связь с ядром). Когда К – уровень будет заполнен (1s2 – состояние, характерное для атома гелия), электроны начнут застраивать уровень L (n = 2), затем M – уровень (n=3). При данном n электроны должны застраивать сначала s затем p d- и т. д. подуровни.
Однако, как показывает рис. 3, энергетические уровни в атоме элемента не имеют ясных грани. Более того, здесь наблюдается даже взаимное перекрывание энергий отдельных подуровней.
Так, например, энергетическое состояние электронов в подуровнях 4s и 3d, а так же 5s и 4d очень близки между собой, а 4s1 и 4s2 – подуровни отвечают более низким значениям энергии, чем 3d. Поэтому электроны, застраивающие, M- и N- уровни, в первую очередь попадут на 4s – оболочку, которая относится к внешнему электронному слою N (n=4), и лишь по ее заполнении (т. е. после завершения построения оболочки 4s2) будут размещаться в 3d – оболочке, относящейся к предвнешнему слою M (n=3). Аналогичное наблюдается и в отношении электронов 5s- и 4d – оболочек.
Еще более своеобразно идет заполнение электронами f – оболочек: они при наличии электронов на внешнем уровне n (при n, равном 6 или 7) застраивают уровень n=2, т. е. предпревнешний слой пополняют оболочку 4f (при n=6) или соответственно оболочку 5f (при n=7). Обобщая, можно высказать следующие положения. Уровни ns, (n-1)d и (n-2)f близки по энергии и лежат ниже уровня np. С увеличением числа электронов в атоме (по мере повышения величины Z) d – электроны «запаздывают» в построении электронной оболочки атома на один уровень (застраивают предвнешний слой, т. е. уровень n-1), а f – электроны запаздывают на два уровня: достраивают второй снаружи (т. е. предвнешний) слой n – 2. Появляющиеся f – электроны часто как бы вклиниваются между (n- 1)d1 и (n-1)d2(10 – электронами.
Во всех указанных случаях n – номер внешнего уровня, на котором уже содержатся два электрона (ns2 – электроны), причем n одновременно и номер того периода по таблице Менделеева, который включает данный элемент.
Элементы, в атомах которых при наличии электронов во внешнем слое n (ns2 – электроны) идет достройка одного из подуровней (3d, 4d, 4f, 5d или 5f), находящихся на предвнешних слоях (n-1) или (n-2), называются переходными. Общая картина последовательности заполнения электронами оболочек атомов элементов, принадлежащих к периоду n, имеет вид: |ns1(2(n-1) d1 (n-2)/1(14(n-1)d2(10 np1(6 (a) | |1(7 4(7 6(7 4(7 2(7 | В показателе степени при s p d- и f – обозначениях в строке (а) указано возможное число электронов в данной оболочке.
Например, в оболочке s может содержаться либо один, либо два электрона, но не больше; в оболочке f – от 1 до 14 электронов и т. д. Известно, что минимальное значение коэффициента при обозначении d – электронов равно трем. Следовательно, d-электроны могут в атомное структуре появится не ранее четырем. В связи с этим указанные электроны могут появиться в атомах не ранее как в элементах шестого периода (т. е. при n- 2=4; n=4+2=6). Это обстоятельство и отмечено во второй строке. Позитрон является античастицей электрона.
В отличие от электрона позитрон имеет положительный элементарный электрический заряд и считается недолговечной частицей. Обозначается позитрон символами е+ или ?+. Гамма-излучение Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жестким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот.
Гамма-излучение обладает чрезвычайно малой длинной волны (?(10 -8 см) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т.е. ведет себя подобно потоку частиц – гамма квантов, или фотонов, с энергией h? (? – частота излучения, h – Планка постоянная). Гамма- излучение возникает при распадах радиоактивных ядер, элементарных частиц, при аннигиляции пар частицы-античастица, а также при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество. Гамма-излучение, сопровождающее распад радиоактивных ядер, испускается при переходах ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное или в основное.
Энергия ? – кванта равна разности энергий состояний, между которыми происходит переход. Возбужденное состояние Е2 h? Основное состояние ядра Е1 Испускание ядром кванта не влечет за собой изменения атомного номера или массового числа, в отличие от других видов радиоактивных превращений. Ширина линий гамма-излучений чрезвычайно мала (~10-2 эв). Поскольку расстояние между уровнями во много раз больше ширины линий, спектр гамма- излучения является линейчатым, т.е. состоит из ряда дискретных линий.
Изучение спектров гамма-излучения позволяет установить энергии возбужденных состояний ядер. Гамма-кванты с большими энергиями испускаются при распадах некоторых элементарных частиц. Так, при распаде покоящегося ?0- мезона возникает гамма-излучение с энергией ~70Мэв. Гамма-излучение от распада элементарных частиц также образует линейчатый спектр.
Однако испытывающие распад элементарные частицы часто движутся со скоростями, сравнимыми с скоростью света. Вследствие этого возникает доплеровское уширение линии и спектр гамма-излучения оказывается размытым в широком интервале энергий. Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением к кулоновском поле атомных ядер вещества. Тормозное гамма –излучение, также как и тормозное рентгеноовское излучение, характерезуется сплошным спектром, верхняя граница которого совпадает с энергией заряженной частицы, например электрона.
В ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма- излучение с максимальной энергией до нескольких десятков Гэв. В межзвёзном пространстве гамма-излучение может возникать в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового, электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передает свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жесткое гамма-излучение.
Аналогичное явление может иметь место в земных условиях при столновении электронов большой энергии, получаемых на ускорителях, с фотонами видимого света в интенсивных пучках света, создаваемых лазерами. Электрон передает энергию световому фотону, который превращается в квант. Таким образом, можно на практике превращать отдельные фотоны света в кванты гамма- излучения высокой энергии.
Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т.е. может проникать сквозь большие толщи вещества без заметного ослабления. Основные процессы, происходящие при взаимодействии гамма-излучения с веществом фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон- эффект) и образавание пар электрон-позитрон. При фотоэффекте происходит поглощение кванта одним из электронов атома, причём энергия кванта преобразуется ( за вычетом энергии связи электрона в атоме ) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома.
Вероятность фотоэффекта прямо пропорциональна пятой степени атомного номера элемента и обратно пропорциональна 3-й степени энергии гамма-излучения. Таким образом, фотоэффект преобладает в области малых энергии квантов ( (100 кэв ) на тяжелых элементах ( Pb, U). При комптон-эффекте происходит рассеяние кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме. В отличие от фотоэффекта, при комптон-эффекте квант не исчезает, а лишь изменяет энергию ( длинну волны ) и направление распрастранения.
Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение - более мягким (длинноволновым ). Интенсивность комптоновского рассеяния пропорциональна числу электронов в 1см3 вещества, и поэтому вероятность этого процесса пропорциональна атомному номеру вещества. Комптон-эффект становится заметным в веществах с малым атомным номером и при энергиях гамма-излучения, превышвют энергию связи электронов в атомах.
Так, в случае Pb вероятность комптоновского рассеяния сравнима с вероятностью фотоэлектрического поглощения при энергии ~ 0,5 Мэв. В случае Al комптон-эффект преобладает при гораздо меньших энергиях. Если жнергия кванта превышает 1,02 Мэв, становится возможным процесс образования электрон-позитроновых пар в электрическом поле ядер. Вероятность образования пар пропорциональна квадрату атомного номера и увеличивается с ростом h Поэтому при h? ~10 Мэв основным процессом в любом веществе оказывается образование пар. 100 50 0 0,1 0,5 1 2 5 10 50 Энергия лучей ( Мэв ) Обратный процесс аннигиляция электрон-позитронной пары является источником гамма-излучения. Для характеристики ослабления гамма-излучения в веществе обычно пользуются коэффициентом поглощения, который показывает, на какой толщине Х поглотителя интенсивность I0 падающего пучка гамма-излучение ослабляется в е раз: I=I0e 0x Здесь ?0 – линейный коэффициент поглощения гамма-излучения.
Иногда вводят массовый коэффициент поглощения, равный отношению ?0 к плотности поглотителя. Экспоненциальный закон ослабления гамма-излучения справедлив для узкого направления пучка гамма-лучей, когда любой процесс, как поглощения, так и рассеяния, выводит гамма-излучение из состава первичного пучка.
Однако при высоких энергиях процесс прохождения гамма-излучения через вещество значительно усложняется. Вторичные электроны и позитроны обладают большой энергией и поэтому могут, в свою очередь, создавать гамма-излучение благодаря процессам торможения и аннигиляциии. Таким образом в веществе возникает ряд чередующихся поколений вторичного гамма-излучения, электронов и позитронов, то есть происходит развитие каскадного ливня.
Число вторичных частиц в таком ливне сначала возрастает с толщиной, достигая максимума. Однако затем процессы поглощения начинают преобладать над процессами размножения частиц и ливень затухает. Способность гамма-излучения развивать ливни зависит от соотношения между его энергией и так называемой критической энергией, после которой ливень в данном веществе практически теряет способность развиваться.
Для изменения энергии гамма-излучения в эксперементальной физике применяются гамма-спектрометры различных типов, основанные большей частью на измерении энергии вторичных электронов. Основные типы спектрометров гамма-излучения: магнитные, сцинтиляционные, полупроводниковые, кристал- дифракционные. Изучение спектров ядерных гамма-излучений дает важную информацию о структуре ядер. Наблюдение эффектов, связанных с влиянием внешней среды на свойства ядерного гамма-излучения, используется для изучения свойств твёрдых тел. Гамма-излучение находит применение в технике, например для обнаружения дефектов в металлических деталях – гамма-дефектоскопия.
В радиационной химии гамма-излучение применяется для инициирования химических превращений, например процессов полимеризации. Гамма-излучение используется в пищевой промышленности для стерилизации продуктов питания.
Основными источниками гамма-излучения служат естественные и искусственные радиоактивные изотопы, а также электронные ускорители. Действие на организм гамма-излучения подобно действию других видов ионизирующих излучений. Гамма-излучение может вызывать лучевое поражение организма, вплоть до его гибели. Характер влияния гамма-излучения зависит от энергии квантов и пространственных особенностей облучения, например, внешнее или внутреннее. Относительная биологическая эффективность гамма- излучения составляет 0,7-0,9. В производственных условиях (хроническое воздействие в малых дозах) относительная биологическая эффективность гамма- излучения принята равной 1. Гамма-излучение используется в медицине для лечения опухолей, для стерилизации помещений, аппаратуры и лекарственных препаратов.
Гамма-излучение применяют также для получения мутаций с последующим отбором хозяйственно-полезных форм. Так выводят высокопродуктивные сорта микроорганизмов (например, для получения антибиотиков ) и растений. Современные возможности лучевой теропии расширились в первую очередь за счёт средств и методов дистанционной гамма-теропии.
Успехи дистанционной гамма-теропии достигнуты в результате большой работы в области использования мощных искусственных радиоактивных источников гамма-излучения (кобальт-60, цезий-137), а также новых гамма-препаратов. Большое значение дистанционной гамма-теропии объясняется также сравнительной доступностью и удобствами использования гамма-аппаратов.
Последние, так же как и рентгеновские, конструируют для статического и подвижного облучения. С помощью подвижного облучения стремятся создать большую дозу в опухоли при рассредоточенном облучении здоровых тканей. Осуществлены конструктивные усовершенствования гамма-аппаратов, направленные на уменьшение полутени, улучшение гомогенизации полей, использование фильтров жалюзи и поиски дополнительных возможностей защиты. Использование ядерных излучений в растениеводстве открыло новые, широкие возможности для изменения обмена веществ у сельскохозяйственных растений, повышение их урожайности, ускорения развития и улучшения качества.
В результате первых исследований радиобиологов было установлено, что ионизирующая радиация – мощный фактор воздействия на рост, развитие и обмен веществ живых организмов. Под влиянием гамма-облучения у растений, животных или микроорганизмов меняется слаженный обмен веществ, ускоряется или замедляется (в зависимости от дозы) течение физиологических процессов, наблюдаются сдвиги в росте, развитии, формировании урожая.
Следует особо отметить, что при гамма-облучении в семена не попадают радиоактивные вещества. Облученные семена, как и выращенный из них урожай, нерадиоактивны. Оптимальные дозы облучения только ускоряют нормальные процессы, происходящие в растении, и поэтому совершенно необоснованны какие- либо опасения и предостережения против использования в пищу урожая, полученного из семян, подвергавшихся предпосевному облучению. Ионизирующие излучения стали использовать для повышения сроков хранения сельскохозяйственных продуктов и для уничтожения различных насекомых- вредителей.
Например, если зерно перед загрузкой в элеватор пропустить через бункер, где установлен мощный источник радиации, то возможность размножения насекомых-вредителей будет исключена и зерно сможет храниться длительное время без каких-либо потерь. Само зерно как питательный продукт не меняется при таких дозах облучения. Употребление его для корма четырех поколений экспериментальных животных не вызвало каких бы то ни было отклонений в росте, способности к размножению и других патологических отклонений от нормы.