🗊Презентация Основы ядерной физики. Атомное ядро. Радиоактивность

Прикладная ядерная физика для приборостроения Кадилин Владимир Валериевич, доцент НИЯУ МИФИ Vladimir.kadilin@gmail.com, +7(909)955 43 56 2019

Тема 1. Основы ядерной физики. Атомное ядро. Радиоактивность.

Свойства ядер. Радиоактивные и стабильные ядра.

Свойства стабильных ядер: А – массовое число Z – электрический заряд М – масса ΔW – энергия связи R – радиус – спин (собственный механический момент) – магнитный момент Q – квадрупольный электрический момент – изотопический спин Р – четность волновой функции.

тип радиоактивного превращения (α - или β - распад, спонтанное деление и др.); тип радиоактивного превращения (α - или β - распад, спонтанное деление и др.); T1/2 - период полураспада; Е - кинетическая энергия испускаемых частиц.

Энергетические состояния атомного ядра: Основное (стабильное) Возбужденные (испытывают γ - переход или другой тип снятия возбуждения, например, путем испускания электронов конверсии).

Масса и массовое число (А). Массовое число, A - общее количество нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре. Общее число нуклонов в ядерных реакциях остается неизменным (закон сохранения числа нуклонов).

Заряд атомного ядра (Z). Z – интегральная характеристика ядра, он не дает представления о распределении заряда по объему ядра Ядро (атом) с данными А и Z называют нуклидом. Ядро, содержащее А нуклонов и Z протонов, обычно обозначают (A, Z), его массу – М(А, Z), или (Э – символ элемента в таблице Менделеева), например – азот-14

Энергия связи ядра (ΔW). mp, mn – массы протона и нейтрона с – скорость света в вакууме

Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов

Диаграмма стабильности ядер.

Сравнительные характеристики частиц, входящих в атом.

Изобары. Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами ( ).

Изотопы. Ядра с одинаковым зарядом Z (числом протонов) называются изотопами ( ).

Изотоны. Ядра с одинаковым числом нейтронов N=A-Z называются изотонами ( ).

Изомеры.

Классификация ядер по числу нуклонов. Ядра, обладающие четным числом протонов и четным числом нейтронов, называются четно-четными, четным числом протонов и нечетным числом нейтронов – четно-нечетными, нечетным числом протонов и четным числом нейтронов – нечетно-четными, а нечетным числом протонов и нейтронов – нечетно-нечетными. Ядра, обладающие нечетным А, иногда называют просто нечетными.

Размеры атомного ядра. r=(1,2–1,5)·10-15м.

Форма атомного ядра.

Модели строения атомных ядер. Капельная модель Модель ядерных оболочек Обобщенная модель Кластерная модель и др. В настоящее время нет законченной теории, которая объясняла бы сразу все свойства атомных ядер и отвечала бы на все вопросы относительно их структуры и свойств.

Капельная модель ядра. Еще в 1911 г. Резерфорд для объяснения аномального рассеяния -частиц предположил, что внутри атома имеется ядро шарообразной формы размером около 10-12 см. Размеры и концентрация нуклонов: R~A1/3 => n = A/V = A/(4/3)πR3 ≈1038 нуклон/см3 плотность ядерного вещества:  = n·mN = 1038·1,66·10-24  1014 г/см3 среднее расстояние между нуклонами: δ=(V/A)1/3 ≈2∙10-13 см

То, что плотность ядерного вещества всех ядер постоянна, говорит о его несжимаемости. Это свойство сближает ядерное вещество с жидкостью. О такой аналогии свидетельствует также пропорциональность энергии связи ΔW массовому числу А, которую можно сравнить с линейной зависимостью энергии испарения жидкости от ее массы. То, что плотность ядерного вещества всех ядер постоянна, говорит о его несжимаемости. Это свойство сближает ядерное вещество с жидкостью. О такой аналогии свидетельствует также пропорциональность энергии связи ΔW массовому числу А, которую можно сравнить с линейной зависимостью энергии испарения жидкости от ее массы. Из постоянства средней энергии связи на нуклон, ε=ΔW/A, вытекает свойство насыщения ядерных сил. Все это позволяет построить капельную модель атомного ядра, по которой ядро представляет собой шарообразную каплю несжимаемой заряженной сверхплотной ядерной жидкости.

Формула Вейцзеккера. для легких ядер наиболее устойчивы ядра с равным числом протонов и нейтронов; из всех ядер наиболее устойчивы четно-четные, а наименее устойчивы нечетно-нечетные ядра. α =15,75 Мэв; β =17,8 Мэв; γ = 0,71 Мэв; ζ = 94,8 Мэв; |δ| ~ 34 МэВ;

Тема 2. Ядерные реакции и явление радиоактивности. Общие закономерности ядерных реакций. A + a  B + b или A(a,b)B A – любое ядро; a – частица (протон, нейтрон, фотон или другое ядро); B – ядро, возникающее в результате превращения ядра А; b – частица, или ядро, рождающееся в превращении.

Некоторые типы реакций. Упругое рассеяние: A + a  a + A или A(a,a)A. Неупругое рассеяние: А + a  a1 + A* или A(a,a1)A*.

Деление ядер

. . Если сравнивать ядерные реакции с химическими, то необходимо отметить, что при ядерных реакциях происходят более глубокие превращения вещества, т.е. превращения самих элементов. Энергия ядерных реакций на несколько порядков величины (105  106 раз) больше энергии химических реакций.

σ = dN / Nnδ σ = dN / Nnδ dN — число взаимодействующих частиц; п — концентрация ядер в мишени; δ — толщина мишени. Из выражения (1.3) следует, что относительная доля dN/N взаимодействовавших частиц равна относительной доле площади мишени dS/S=σnδ, занятой всеми ядрами, если приписать величине σ наглядный физический смысл площади поперечного сечения ядра.

В случае толстой мишени плотность потока изменяется с глубиной х: dN = - N(x)  n·dx В случае толстой мишени плотность потока изменяется с глубиной х: dN = - N(x)  n·dx dN – убыль числа частиц- нейтронов, N(х ) – число нейтронов, дошедших до слоя мишени на глубине х; dx – толщина слоя. Решение уравнения: где N0 – число первичных нейтронов, падающих на поверхность мишени, Σ=nσ –макроскопическое сечение взаимодействия с ядрами, находящимися в единице объема. В этом случае величине  приписывается наглядный физический смысл геометрического поперечного сечения ядра R2.

Ядерная реакция идёт в две стадии: Ядерная реакция идёт в две стадии: 1. а + А  С*. Возбуждённое составное ядро – энергетически невыгодная система, поэтому она распадается с испусканием какой-либо частицы или фотона: 2. С*  b + B. Вылет частицы происходит вследствие флуктуаций в распределении энергии между нуклонами, когда на какой-нибудь частице сконцентрируется достаточная для её вылета энергия. Эксперименты показали, что составное ядро является долгоживущей системой, по сравнению с характерным ядерным временем взаимодействия (~10-23 с).

Относительная вероятность каждого из путей распада зависит от энергии, приобретённой промежуточным ядром. Относительная вероятность каждого из путей распада зависит от энергии, приобретённой промежуточным ядром. Ядро может образоваться посредством любой из реакций (1 - 7), т.е. процесс распада обратим.

Энергия ядерной реакции Закон сохранения энергии для ядерной реакции вида a+A →b+B можно записать в виде: W1=W2 или E01+E1=E02+E2 где E01. и E02—энергия покоя, а E1 и E2 – кинетические энергии начальных и конечных частиц, где E01=(MA+ma)c2 ; E02=(MB+mb)c2 ; E1=EA+Eа.(если ядро-мишень покоится, то EA =0 и E1=Eа ) ; E2=EB+Eb В общем случае Е01≈Е02. Разность Е01--Е02 называется энергией реакции и обозначается буквой Q: Q = Е01-Е02= E2—E1 Q > 0 – экзоэнергетические реакции Q < 0 – эндоэнергетические реакции Q = 0 – упругое рассеяние (E1=E2 )

Явление радиоактивности Свойство атомных ядер испытывать самопроизвольное превращение в другие ядра с испусканием частиц или фотонов называется радиоактивностью

Основной закон радиоактивного распада. Число актов радиоактивного распада dN за время dt определяется только количеством радиоактивных ядер данного сорта N в данный момент времени t: или

Связь постоянной распада λ с периодом полураспада T1/2. Связь постоянной распада λ с периодом полураспада T1/2. Величина , численно равная вероятности распада всех ядер в единицу времени, называется активностью, А. A=*N. Единица измерения активности – беккерель (Бк)- один распад в сек Внесистемная единица 1Ки=3.7*1010 Бк Среднее время жизни τ радиоактивного ядра равно:

Закон радиоактивного распада для механических смесей. Активность механической смеси ядер А равна сумме активностей всех ядер, входящих в состав смеси: где n– полное число сортов ядер

Закон последовательных радиоактивных превращений Если ядра N2, возникающие в результате радиоактивного распада ядер N1, в свою очередь, являются радиоактивными, то для описания процесса этих двух последовательных превращений вместо одного дифференциального уравнения надо написать систему двух дифференциальных уравнений:

Решение этой системы уравнений приводит к следующему результату: Решение этой системы уравнений приводит к следующему результату: где N10 и N20— значения N1(t) и N2(t) при t=0. => вековое равновесие => закон накопления:

Различные случаи последовательных превращений ядер. а) Закон векового равновесия Верхняя кривая–накопление радиоактивности, нижняя кривая–спад радиоактивности. T-период полураспада. б)Закон накопления дочерних ядер. Различные случаи последовательных превращений ядер. а) Закон векового равновесия Верхняя кривая–накопление радиоактивности, нижняя кривая–спад радиоактивности. T-период полураспада. б)Закон накопления дочерних ядер.

Виды радиоактивного распада альфа-распад – испускание ядер атома гелия; бета распад – сопровождается испусканием электрона или позитрона либо поглощением ядром атомного электрона; снятие возбуждения ядра – испускание электромагнитного излучения, электронов или пар электрон-позитрон; спонтанное деление – деление тяжелого ядра на более легкие осколки. происходящее самопроизвольно и сопровождающееся испусканием нейтронов деления нейтронная активность – испускание ядром нейтронов. остальные виды радиоактивности встречаются редко.

Радиоактивные семейства (ряды). Ряд урана (радия).

Ряд актиноурана (актиния).

Ряд тория.

Из приведенных участков цепочек видно, что массовые числа элементов в пределах каждого радиоактивного семейства или не меняются совсем, или изменяются на четыре единицы. При этом в первом случае заряд следующего элемента повышается на единицу, а во втором понижается на две единицы. Из приведенных участков цепочек видно, что массовые числа элементов в пределах каждого радиоактивного семейства или не меняются совсем, или изменяются на четыре единицы. При этом в первом случае заряд следующего элемента повышается на единицу, а во втором понижается на две единицы. Эта закономерность, называется правилом смещения и объясняется тем, что радиоактивное превращение сопровождается либо испусканием β-частицы (электрона), в результате чего заряд ядра повышается на единицу, а массовое число остается неизменным, либо испусканием α-частицы, уносящей четыре массовые единицы и двойной заряд.

Из правил смещения вытекает, что массовые числа членов всех трех семейств описываются следующей формулой: Из правил смещения вытекает, что массовые числа членов всех трех семейств описываются следующей формулой: А = 4n + С, где n—целое число; С=0 для семейства тория (n52). С=2 для семейства урана (n51), С=3 для семейства актиноурана С=1 ???

Ряд нептуния (состоит из нуклидов, не встречающихся в природе)

Наиболее характерные признаки рядов.

Альфа распад. Законы смещения при альфа-распаде: ∆А = -4, ∆Z = -2 Z ≥ 83 . Исключение - альфа-распад ядра и некоторых редкоземельных элементов; вероятность распада низкая; спектр частиц распада дискретный;

Закон Гейгера – Нетолла. Связь между пробегом и постоянной распада материнского ядра: А и В– константы, – пробег -частицы

Зависимость потенциала взаимодействия α-частицы с ядром от расстояния. Штриховой линией показано положение уровня энергии α-частицы, где: U0 – максимальное значение потенциальной энергии притяжения (по модулю). Зависимость потенциала взаимодействия α-частицы с ядром от расстояния. Штриховой линией показано положение уровня энергии α-частицы, где: U0 – максимальное значение потенциальной энергии притяжения (по модулю).

Энергетическое условие альфа-распада Подстановка этого условия в формулу Вайцзеккера дает, что для ядер с Z>60 альфа-распад энергетически возможен. Однако для всех ядер с Z<83 уровень энергии -частицы находится слишком низко, поэтому распад экспериментально не наблюдается.

Схема распада и энергетический спектр α-частиц ядра

Радиоизотопные источники альфа-частиц.

Бета распад. Законы смещения при бета-распаде: ∆A = 0, ∆Z = ±1 спектр частиц распада непрерывный; наиболее вероятное значение энергии частиц составляет около трети от максимального;

Энергетическое условие бета-распада существуют ядра, в которых возможен только е-захват. существуют ядра, для которых возможны все три вида -распада

Схема бета-распада ядра

Снятие возбуждения ядер. испускание электромагнитного излучения ( гамма-излучения); испускание электронов конверсии; испускание пар электрон- позитрон (парная конверсия).

Схема снятия возбуждения ядра

Испускание конверсионных электронов. с ростом энергии перехода вероятность конверсии убывает; вероятность конверсии возрастает с увеличением мультипольности перехода; вероятность конверсии растет с ростом Z; спектр конверсионных электронов – линейчатый; конверсия сопровождается испусканием характеристического излучения и электронов Оже.

Тема 5. Основные свойства реакции деления ядер Спонтанное деление ядер.

Реакция деления Спонтанное деление, как правило, представляет собой медленный, подбарьерный процесс. Для того, чтобы ядро разделилось быстро, нужно внести энергию возбуждения  W > Wf. Возможны два случая: Wn > Wf: деление идёт под действием тепловых нейтронов. Wn < Wf: для деления нужна кинетическая энергия, определяемая из условия: A Еn /(A+1) = Еn` > Wf - Wn.

Выход осколков реакции деления урана-235.

Коэффициент размножения нейтронов. k = Nд/Nпр, где Nд – число нейтронов, вызывающих деление в данном поколении, Nпр – число нейтронов, вызывающих деление в предыдущем поколении. k = 1 – реакция протекает при постоянной мощности; т.е. количество актов деления не возрастает со временем и не убывает. k > 1 – мощность реакции нарастает (количество актов деления возрастает)

Часть 2 Взаимодействие ядерных излучений с веществом Ядерные излучения, проходя через вещество, взаимодействуют с его атомами. При этом изменяется энергетический спектр излучения, его угловое распределение, могут появляться вторичные излучения. Характер изменений, происшедших с первичным излучением, определяется элементарными процессами взаимодействия и, следовательно, природой самого первичного излучения

Общая характеристика процессов упругое рассеяние неупругое рассеяние излучение фотона в электрическом поле Процесс неупругого рассеяния приводит к ионизации и возбуждению атомов среды

Прохождение заряженных частиц через вещество. Ионизационное торможение заряженных частиц Ионизационное торможение является главным механизмом потерь энергии при прохождении заряженной частицы не слишком больших энергий через вещество. В этом механизме кинетическая энергия заряженной частицы тратится на возбуждение и ионизацию атомов среды, через которую она проходит. Такие потери энергии называются ионизационными потерями.

Анализ механизма ионизационных потерь

Число электронов в цилиндрическом слое: Число электронов в цилиндрическом слое: Vne=2πρ nе dρ dx

Удельная потеря энергии заряженной частицы на ионизацию пропорциональна квадрату заряда частицы, концентрации электронов в среде, некоторой функции от скорости φ(v) -~ 1/v2 и не зависит от массы частицы М: Удельная потеря энергии заряженной частицы на ионизацию пропорциональна квадрату заряда частицы, концентрации электронов в среде, некоторой функции от скорости φ(v) -~ 1/v2 и не зависит от массы частицы М: dЕ/dx~ z2 nе φ(v) С ростом энергии частицы удельные потери на ионизацию падают обратно пропорционально энергии, но по мере приближения ее скорости к скорости света – все медленнее и медленнее. При некоторой энергии удельные потери энергии на ионизацию становятся минимальными. Начиная с некоторой достаточно большой энергии частицы, величина dЕ/dx снова медленно растет пока не достигает насыщения.

Зависимости удельных потерь на ионизацию от пробега α-частицы (а) и от кинетической энергии, измеренной в массовых единицах (б)

Связь пробега с энергией Для определенной среды и частицы с данным z величина dЕ/dx является функцией только скорости и, следовательно, для частицы с заданной массой—функцией только кинетической энергии: dЕ/dx = φ(Е) => Пробег частиц обозначается буквой R и измеряется либо в единицах длины (м, см, мкм), либо в массовых единицах (г/см2).

Кривая пробегов для моноэнергетических частиц.

Формула для пробегов протонов в фотоэмульсии: Ep=αRnp α ≈ 0,25; n ≈ 0,58; E в МэВ, R— в мкм. Для произвольной частицы массы m: Е=α(m/mp)1-n z2nRnp Формула справедлива для любых тяжелых заряженных частиц, движущихся в фотоэмульсии.

Связь между энергией и пробегом в воздухе для α-частиц R = aЕα b (см) для 3 < Rα < 7 см a = 0.318, b = 1.5 – для Еα < 200 МэВ; a = 0.0268, b = 1.8 – для Еα ≥ 200 МэВ; Пробег в произвольном веществе: ρ и ρ – плотности воздуха и исследуемой среды, A и A – их средние массовые числа. Если Еα~5 МэВ, то Rα~38 мм в воздухе, а в твердых телах ~30-40 мкм, т. е. обычная бумага полностью поглощает α-частицы, испускаемые радионуклидными источниками.

Упругое рассеяние заряженных частиц Упругим рассеянием называется такой процесс взаимодействия двух частиц, при котором суммарная кинетическая энергия обеих частиц сохраняется и только перераспределяется между частицами, а сами частицы изменяют направление своего движения.

Сечение упругого рассеяния (формула Резерфорда). Z и z- зарядовые числа ядра и частицы, e- заряд электрона, m и  -масса и скорость частицы, соответственно, θ- угол рассеяния, dΩ- элемент телесного угла, n- число ядер в 1см3 Формула получена Резерфордом на базе ядерной модели атома и может быть использована для определения заряда ядра.

Многократное рассеяние Из формулы Резерфорда следует, что вероятность кулоновского рассеяния заряженной частицы на некоторый угол θ резко возрастает при уменьшении угла рассеяния. В связи с этим заряженная частица, движущаяся в плотной среде, должна испытывать на своем пути большое количество последовательных актов рассеяния на очень малые углы. Этот процесс называется многократным кулоновским рассеянием.

Особенности прохождения бета – излучения (электронов) через вещество. β – частицы (электроны и позитроны) движутся с гораздо большей скоростью, чем тяжелые заряженные частицы. Например, скорость электрона с энергией 0,5 МэВ равна 0,9 скорости света. Характерные особенности прохождения β – частиц через вещество обусловлены не только их малой массой покоя, которая равна массе покоя атомных электронов, но и энергетическим распределением частиц, характерным для бета- распада.

Ионизационные потери энергии. E — кинетическая энергия электрона, t2=1-2, c, а величина I, зависящая от Z, называется средней энергией ионизации и характеризует энергию связи электрона в атоме. Величина I/Z постепенно уменьшается с ростом Z и равна: 18,7 эВ для водорода, 12,6 эВ для алюминия, 10,1 эВ для свинца. При использовании формулы (2.8) для вещества, содержащего атомы различных элементов, значения I этих атомов усредняют: In = nZ = NAZ/A соответствует числу электронов в 1 см3 среды.

Радиационные потери энергии. При ускоренном движении электроны испускают электромагнитное излучение, которое обычно называют тормозным. Потери энергии частицы на излучение (dE/dx)рад пропорциональны квадрату её ускорения a2. Так как силы F кулоновского взаимодействия с ядрами для частиц с равными зарядами z одинаковы, то потери на излучение для частиц с равными зарядами обратно пропорциональны квадрату массы частицы. Особенно существенны они для легчайших заряженных частиц—электронов.

Тормозное излучение имеет непрерывный спектр, верхняя граница которого определяется энергией электронов. Тормозное излучение имеет непрерывный спектр, верхняя граница которого определяется энергией электронов. Радиационные потери энергии, отнесенные к единице пути: п – число атомов в единице объема среды, а h. Вероятность испускания фотонов тормозного излучения в поле атомного ядра и в поле электронов пропорциональна 1 , поэтому радиационные потери энергии пропорциональны энергии электронов.

Ионизационные и радиационные потери энергии электронов на 1 г/см2 вещества в воздухе (1) и свинце (2).

Эффективное сечение. Если энергия электронов удовлетворяет условию E>> 137mc2/Z1/3, то рад не зависит от энергии и составляет примерно 2·10-27 Z2ln (183/Z1/3) см2. При меньших энергиях электронов рад : Ионизационные потери энергии при v≈c пропорциональны Z и логарифму энергии, а потери на излучение растут линейно с энергией и пропорциональны Z2, поэтому при больших энергиях потери на излучение преобладают.

Формула Бете-Гайтлера. , где Ее в МэВ.

Угловое распределение тормозного излучения. Угловое распределение тормозного излучения имеет ярко выраженную анизотропию в сторону направления импульса падающей частицы. Так, при релятивистских энергиях электронов средний угол испускания фотонов тормозного излучения равен тс2/Еe

Длина пробега электронов в веществе. Когда быстрый электрон входит в вещество, то вначале рассеяние на большие углы маловероятно. В результате ионизационных и радиационных потерь энергия электрона уменьшается, и все большее значение приобретает рассеяние на большие углы. Средний угол отклонения электронов возрастает с увеличением пройденного пути в веществе. После большого числа актов рассеяния на большие углы перемещение электрона можно рассматривать как диффузию. Зависимость числа электронов, прошедших слой вещества заданной толщины, от толщины слоя называют функцией ослабления.

Примеры пробегов электронов в веществе.

Определение пробегов электронов на графике.

Функцию ослабления удобно характеризовать экстраполированной длиной пробега, Rэкстр. Для алюминия Rэкстр =0,526E г/см2 Функцию ослабления удобно характеризовать экстраполированной длиной пробега, Rэкстр. Для алюминия Rэкстр =0,526E г/см2 Rэкстр =0,542Eβ - 0,133, для спектра при E˃0.8МэВ Для среды толщиной меньше максимального пробега β-частиц ослабление плотности потока электронов β-распада: : t – толщина поглотителя, г/см2 ; μm – массовый коэффициент поглощения электронов, см2/г Для оценок максимальных пробегов β-частиц можно пользоваться приближенными соотношениями: - мм для алюминия - см для воздуха. (При Eβ от 0,5 до10 МэВ погрешность < 30%).

Зависимость интенсивности пучка электронов, прошедших через слой поглотителя t, от толщины поглотителя.

Обратное рассеяние β-частиц Некоторые β-частицы могут настолько изменить свою траекторию, что выйдут из вещества в обратном или близком к нему направлении. Это явление называется обратным рассеянием или отражением β-частиц. Минимальная толщина подложки, при которой наступает наибольшее отражение β-частиц данной энергии, приблизительно одинакова для всех веществ и равна ~ 0.2R. При увеличении энергии доля отраженных электронов падает, а при увеличении Z доля отраженных электронов растет.

Черенковское излучение.

При прохождении заряженной частицы через среду ее молекулы поляризуются. Если скорость света в среде, cc , меньше скорости частицы в среде, v, ( ), то возникшее электромагнитное поле не успевает распространиться по всем направлениям, и, по принципу Гюйгенса, фронт волны представляет собой конус с углом раствора, равным . Это условие ограничивает спектр излучения оптическим и ультрафиолетовым излучением, поскольку показатель преломления среды в данном диапазоне больше единицы. При этом излучает не частица, а молекулы среды. При прохождении заряженной частицы через среду ее молекулы поляризуются. Если скорость света в среде, cc , меньше скорости частицы в среде, v, ( ), то возникшее электромагнитное поле не успевает распространиться по всем направлениям, и, по принципу Гюйгенса, фронт волны представляет собой конус с углом раствора, равным . Это условие ограничивает спектр излучения оптическим и ультрафиолетовым излучением, поскольку показатель преломления среды в данном диапазоне больше единицы. При этом излучает не частица, а молекулы среды. Данный физический эффект может быть использован в пороговых детекторах.

Радиоизотопные источники бета-излучения.

Тема 7. Прохождение гамма-квантов через вещество. Взаимодействие фотонного излучения с веществом. Основные процессы взаимодействия: Фотоэлектрический эффект Комптоновское рассеяние Образование электрон-позитронных пар Прочие виды: Ядерный фотоэффект Когерентное (томсоновское) рассеяние на электронах Когерентное рассеяние на молекулах Резонансное безотдачное поглощение фотонов ядрами или эффект Мессбауэра Томсоновское рассеяние на ядрах

Энергетическая шкала взаимодействия фотонов с веществом.

Фотоэлектрический эффект. Фотоэффектом называют процесс взаимодействия фотона с электроном атома, при котором фотон, целиком поглощаясь атомом, передает свою энергию одному из электронов атомных оболочек (чаще всего K-электронам, реже электронам L-оболочки и еще реже электронам M-оболочки). Фотоэлектрический эффект не может происходить при взаимодействии фотонов со свободными электронами. Он возможен только на связанных электронах.

Сечение фотоэффекта. Расчеты сечения фотоэффекта показывают, что он происходит в основном на К-оболочке (80%). При E> Ek – сечение фотоэффекта на К-оболочке; Z – заряд атома. Полное сечение фотоэффекта : По мере убывания энергии фотона E (возрастание связанности электронов, отнесенной к энергии EK/E) сечение возрастает до E= EK, начиная с E< EK фотоэффект на К- оболочке становится невозможным.

Зависимость сечения фотоэффекта от энергии гамма-излучения, где EK, EL, EM – энергия ионизации электронов на соответствующих оболочках

Сечение фотоэффекта в различных материалах.

Фотоэффект является главным механизмом поглощения фотонного излучения малых энергий в тяжелых веществах. Так, в Al фотоэффект преобладает при E <60 кэВ, а в свинце при E <600кэВ. Фотоэффект является главным механизмом поглощения фотонного излучения малых энергий в тяжелых веществах. Так, в Al фотоэффект преобладает при E <60 кэВ, а в свинце при E <600кэВ.

Томсоновское рассеяние фотонов. Электрон под действием падающей на него электромагнитной волны E = E0 exp(-iωt) приходит в вынужденные колебания с той же частотой, ω, и, следовательно, сам становится излучателем электромагнитных волн такой же частоты. Это и есть рассеянная волна. Дифференциальное сечение рассеяния неполяризованной первичной волны на свободном электроне: dσ = (re2 /2)(1+cos2 θ)dΩ , где rе=е2/mеc2 . Полное сечение рассеяния: σ = 8π re2 /3 = 0,66*10-24 см. Сечение томсоновского рассеяние не зависит от длины волны падающего излучения и симметрично относительно плоскости θ = 90º. Классическая теория рассеяния справедлива при hν « mеc2 .

Комптоновское рассеяние. Спектр рассеянного излучения, кроме первоначальной длины волны λ0, содержит также смещенную линию с длиной волны λ′ > λо. 2. Δλ= λ′ - λо растет с увеличением угла рассеяния. 3. При данном угле рассеяния (Δλ)θ не зависит от λ0. 4. (Δλ)θ постоянна для всех рассеивающих веществ.

Полярные диаграммы рассеяния фотонов на свободных электронах, где а) Eγ=0,64 МэВ. б) Eγ=2.55 МэВ

Сечение комптоновского рассеяния. Дифференциальное сечение комптоновского рассеяния (формула Клейна-Нишины-Тамма). Полное сечение комптоновского рассеяния: Сечение рассеяния пропорционально Z и E. При hν » mc2

Спектр электронов отдачи.

Образование электрон-позитронных пар. Процесс образования пар, может происходить только при энергиях фотонов, превышающих суммарную энергию покоя электрона и позитрона, то есть при E>2mec 2 . Процесс может идти в поле ядра, в поле электрона, при взаимодействии двух фотонов и при соударении двух электронов. Процесс образования пар в кулоновском поле ядра является в 103 раз более вероятным процессом для гамма-излучения средних энергий, чем на электронах.

Сечение процесса образования электрон-позитронных пар.

Полный коэффициент ослабления фотонного излучения в веществе. Полное микроскопическое сечение взаимодействия фотонов с веществом: σ =σф+ σК+ σп Макроскопические сечения: 1) для фотоэффекта μф= σф N; 2) для комптоновского взаимодействия μК= σК N; 3) для образования пар μп= σп N . Макроскопические сечения μф, μК и μп называются линейными коэффициентами фотоэффекта, комптоновского взаимодействия и образования пар соответственно.

Линейный коэффициент ослабления. Сумму парциальных макроскопических сечений называют линейным коэффициентом ослабления фотонного излучения в веществе:  = ф+к+п. ф(/А)(Z5/(Eγ)7/2), K(/А)(Z/( Eγ)), п(/А)(Z2ln(Eγ)).

Энергетическая зависимость линейных коэффициентов ослабления фотонов для различных материалов.

Закон ослабления потока фотонного излучения при прохождении через вещество. Допустим, что узкий моноэнергетический пучок фотонов числом N0 падает нормально на пластину вещества, толщиной d (рис. 2.13). В бесконечно тонком слое dx. , лежащем на глубине х от поверхности пластины, уменьшение числа фотонов dN будет пропорционально только числу фотонов N(х), дошедших до этого слоя, и его толщине dx: dN= - μ N(x)dx μ – линейный коэффициент ослабления, знак минус означает уменьшение N с увеличением x. Физический смысл линейного коэффициента ослабления: относительное ослабление потока фотонов на единице пути, размерность [μ]= см-1. Величину, обратную линейному коэффициенту ослабления, называют длиной свободного пробега, λ, фотонов в веществе: λ = 1/ μ .

Экспоненциальный закон ослабления гамма-излучения веществом для узкого пучка. N(x) =N0e-μx Толщина слоя поглощающего вещества x1/2, соответствующая уменьшению интенсивности пучка в два раза, называется слоем (толщиной) половинного ослабления. Величина x1/2 , имеет важное практическое значение для оценки ослабления потока излучения и обычно приводится в справочниках. Величина x1/2 = ln2/μ = 0,693/μ является математическим аналогом периода полураспада и может быть найдена экспериментально. Вместо линейного коэффициента μ часто используют массовый коэффициент ослабления μm (см2/г) и массовую толщину dm (г/см2): μm = μ/ρ , dm =ρ*d, и тогда формула (2.30) приобретает вид: N =N0·exp(-μm dm)

Радиоизотопные источники гамма-излучения.

Тема 8. Прохождение нейтронов через вещество. Основным видом взаимодействия нейтронов с веществом является их взаимодействие с атомными ядрами. В зависимости от того, попадает нейтрон в ядро или нет, его взаимодействие с ядрами можно разделить на два класса: 1) упругое потенциальное рассеяние на потенциале ядерных сил без попадания нейтрона в ядро (п, п)пот; 2) ядерные реакции разных типов: (п, γ), (п, р), (п, а), реакция деления и др.; неупругое рассеяние (п, п'); упругое рассеяние с заходом нейтрона в ядро—упругое резонансное рассеяние (п, n)рез.

Классификация нейтронов по кинетической энергии.

Радиоизотопные источники нейтронов.

Спектр нейтронов (Ро – Be)-источника.

Получение моноэнергетических нейтронов. Для получения моноэнергетических нейтронов широко используются различные реакции: 21H + 21H → 32Не + n, W = 3,25 МэВ; 21H + 31Н → 42Не + n, W = 17,6 МэВ, p + 31Н → 32Не + n, W = -0,82 МэВ; р + 73Li → 74Be + n, W = - 1,65 МэВ, γ + 21H → p + n, W = – 2,23 МэВ,

Спектр нейтронов, получаемых в генераторах нейтронов.

Характеристики источников нейтронов спонтанного деления.

Спектр нейтронов спонтанного деления Cf252

Виды взаимодействий нейтронов с ядрами Радиационный захват нейтронов (A, Z) + n → (A+l, Z) + γ Ядро (А+1, Z), обычно β—радиоактивное. Реакции радиационного захвата с большой вероятностью идут под действием медленных нейтронов с энергией от 0 до 500 кэВ и широко используются для их детектирования. Пример (n, γ)-реакции – процесс захвата нейтронов с энергией 1,46 эВ индием: 11549In + n → 11649In + γ. Образующийся в этом процессе радиоактивный изотоп 11649In распадается с периодом полураспада T1/2= 54 мин

Реакции с образованием протонов. (A, Z) + n → (A, Z-1) + p Примерами (n, р)-реакций являются пороговая реакция: 3216S+n→3215P+p у которой W ≈ - 0,92 МэВ, и реакция 147N+n → 146C+p имеющая W≈0,6 МэВ и идущая даже на тепловых нейтронах, так как барьер легкого ядра для образующихся протонов относительно невысок. Для регистрации нейтронов применяется реакция 32He+n → 31T+11H имеющая W≈0,764 МэВ. Сечение реакции 5,4 10-21 см2

Реакции с образованием α-частиц. (A, Z) + n → (A-3,Z-2) + 42Не Примером таких реакций являются: 63Li + n → 31Н + 42Не, W = 4,5 МэВ, 105B + n → 73Li + 42Не, W= 2,8 МэВ, Данные реакции используются для регистрации нейтронов, в том числе - тепловых. Сечения данных реакций настолько велики (900·10-24 и 4000·10-24 см2 соответственно), что литий и бор можно использовать в виде естественных смесей изотопов.

Сечения реакций захвата нейтронов с образованием гамма-квантов и альфа-частиц.

Реакции деления. При облучении тяжелых ядер (Тh, Pa, U, трансурановые элементы) нейтронами с энергией Еn > 1 МэВ (а для некоторых изотопов урана и трансурановых элементов даже тепловыми нейтронами) происходит реакция деления тяжелого ядра на два ядра-осколка со средними массами, примерно относящимися как 2/3: (A,Z) +n→(A1,Z1)+(A2,Z2), где A1+A2=A+1, Z1+Z2=Z, Ā1:Ā2≈2:3, а знак черты означает среднее значение.

Реакции с образованием двух и большего числа нуклонов. При Еn>10 МэВ становятся возможными реакции вида (п, 2п), (п, пр), (п, Зп) и другие, которые широко используются в качестве детекторов быстрых нейтронов. Большой порог реакций вида (n, 2n) и аналогичных им объясняется тем, что энергия отделения двух нуклонов, как правило, больше, чем энергия отделения одного нуклона.

Неупругое рассеяние нейтронов. Нейтрон с энергией в несколько сот кэВ после попадания в ядро может перевести его в возбужденное состояние и снова вылететь из него, но уже с меньшей энергией, причем вылететь из ядра может не обязательно тот нейтрон, который в него попал. Такой процесс называется неупругим рассеянием нейтрона. Граничная энергия Еn > 0,5 МэВ (как и в других рассмотренных случаях) сугубо ориентировочна, так как ее значение для каждого конкретного ядра зависит от расположения уровней возбужденных состояний.

Сечение неупругого рассеяния нейтронов.

Упругое рассеяние нейтронов. Упругое рассеяние нейтронов очень широко используется для регистрации быстрых нейтронов методом наблюдения следов ядер отдачи (чаще всего протонов отдачи) в различных трековых приборах (камера Вильсона, ядерная фотоэмульсия, пузырьковая камера и другие), а также для регистрации ядер отдачи ионизационными методами (ионизационные камеры, счетчики) или с применением органических сцинтилляторов. Упругое рассеяние нейтронов может идти через образование составного ядра с последующим испусканием нейтрона или в результате отклонения нейтрона ядром без образования составного ядра. В первом случае рассеяние называется резонансным, а во втором – потенциальным.

Потенциальное рассеяние нейтронов. Формула сечения рассеяния в потенциальном поле взаимодействия (резонанса нет) для нейтронов небольших энергий, для которых сечение рассеяния характеризуется изотропией, вычисляется по формуле: Эффективное сечение резонансного рассеяния определяется формулой Брейта Вигнера: Полное эффективное сечение рассеяния при l=0 в области энергий вблизи резонанса:

Сечение упругого рассеяния нейтронов для ядер водорода и кислорода.

Сечения упругого рассеяния в области тепловых нейтронов.

Спектр рассеянных нейтронов. Изменение энергии при рассеянии однозначно связано с углом рассеяния. Эта связь вытекает из законов сохранения энергии и импульса. Е и р , Е` и р` – энергия и импульс нейтрона до и после столкновения, ЕМ и рМ- энергия и импульс ядра после столкновения, θ – угол рассеяния нейтрона. M – масса ядра , рассеивающего нейтрон, m – масса нейтрона

При рассеянии на водороде получим: При рассеянии на водороде получим: φ – угол отдачи протона. Таким образом, при однократном соударении нейтрона с протоном энергия нейтрона (протона) может принять любое значение в пределах от нуля до E0. Спектр рассеянных нейтронов после первого соударения имеет вид: f1(E)dE=dE/Eo Средняя энергия нейтронов после первого соударения, равна E0/2. Среднее число столкновений, необходимое для достижения энергии E, равно:

Дополнительные особенности замедления нейтронов. В общем случае замедление нейтронов может происходить также за счет неупругих соударений, если кинетическая энергия нейтронов превышает энергию возбуждения первого возбужденного уровня рассеивающего ядра. Однако для легких ядер, которые являются наилучшими замедлителями, первый возбужденный уровень обычно отстоит от основного на несколько мегаэлектронвольт. Поэтому в большинстве практических задач, в которых рассматривается замедление нейтронов с относительно невысокой начальной энергией (средняя энергия нейтронов спектра деления 2 МэВ) на легких ядрах, эффект неупругого рассеяния можно не учитывать.

В тяжелых ядрах первый возбужденный уровень расположен ближе к основному, чем в легких (среднее расстояние составляет несколько сотен килоэлектронвольт). Поэтому замедление нейтронов на тяжелых ядрах в результате неупругого рассеяния происходит достаточно эффективно. Но и в этом случае роль неупругого рассеяния ограничивается несколькими первыми соударениями. Из-за большой потери кинетической энергии в этих соударениях оставшаяся у нейтронов энергия оказывается недостаточной для возбуждения ядра, и дальнейший процесс замедления протекает только в результате упругих соударений. В тяжелых ядрах первый возбужденный уровень расположен ближе к основному, чем в легких (среднее расстояние составляет несколько сотен килоэлектронвольт). Поэтому замедление нейтронов на тяжелых ядрах в результате неупругого рассеяния происходит достаточно эффективно. Но и в этом случае роль неупругого рассеяния ограничивается несколькими первыми соударениями. Из-за большой потери кинетической энергии в этих соударениях оставшаяся у нейтронов энергия оказывается недостаточной для возбуждения ядра, и дальнейший процесс замедления протекает только в результате упругих соударений. Если энергия замедляющегося нейтрона становится сравнимой с энергией химической связи атомов замедлителя (E~1 эВ), то характер замедления нейтронов (скорость замедления, угловое распределение) изменяется. Это происходит главным образом из-за возрастания эффективной массы частицы, с которой сталкивается нейтрон.

Если при энергиях En>1 эВ атомы водорода, входящие в состав молекул замедлителя (например, воды), можно было считать свободными, то при En ≈1 эВ этого делать нельзя. Нейтрон с такой энергией не выбивает протона из молекулы, а возбуждает в ней колебательные или вращательные уровни, а при En <1эВ упруго рассеивается на ней как на единой тяжелой частице. Таким образом, приведенная масса сталкивающихся нейтрона и протона возрастает вдвое. Это приводит к изменению сечения рассеяния, средней потери энергии в одном соударении и среднего косинуса угла рассеяния. Если при энергиях En>1 эВ атомы водорода, входящие в состав молекул замедлителя (например, воды), можно было считать свободными, то при En ≈1 эВ этого делать нельзя. Нейтрон с такой энергией не выбивает протона из молекулы, а возбуждает в ней колебательные или вращательные уровни, а при En <1эВ упруго рассеивается на ней как на единой тяжелой частице. Таким образом, приведенная масса сталкивающихся нейтрона и протона возрастает вдвое. Это приводит к изменению сечения рассеяния, средней потери энергии в одном соударении и среднего косинуса угла рассеяния. Кроме химической связи на процесс замедления нейтронов с энергией ниже ~ 1 эВ влияет тепловое движение атомов замедлителя. Процесс замедления в области энергий ниже 1 эВ (для воды в области En <0,3 эВ) называется термализацией. Главная особенность термализации – снижение скорости замедления. Заключительная стадия термализации — установление теплового равновесия нейтронов с атомами замедлителя.

Тепловые нейтроны. Условием эффективного протекания процесса замедления является существенное превышение сечения рассеяния нейтронов ядрами замедлителя над сечением захвата. В этом случае энергия нейтронов в процессе замедления будет спадать до тех пор, пока не сравняется с энергией теплового движения атомов замедлителя: Eтепл=k Т, k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура. Нейтроны с такими энергиями называются тепловыми. При комнатной температуре (T ≈ 300K) наиболее вероятная скорость теплового движения нейтронов равна 2,2-105 см/с, а соответствующая ей энергия теплового движения kT≈ 0,025 эВ

Спектр замедленных нейтронов.

Зависимость сечения поглощения нейтронов кадмием от их энергии.

Элементы теории замедления. В процессе замедления нейтрон двигается по сложной траектории, перемещаясь от одного ядра замедлителя к другому. Средний путь, проходимый нейтроном между двумя последовательными соударениями, называется средней длиной свободного пробега λs. Очевидно, что: λs =1/nσs п – концентрация ядер в среде; σs – эффективное сечение рассеяния. Величина λs различна для разных сред и является функцией энергии нейтронов для данной среды. Величина λs (как и ξ) является одной из важнейших характеристик замедлителя, так как чем меньше λs , тем быстрее происходит замедление. Коэффициент ξ/λs называется замедляющей способностью замедлителя.

Траектории движения нейтрона в замедлителе.

Макроскопическое сечение взаимодействия нейтронов с веществом для многокомпонентных сред. В случае взаимодействия нейтрона с ядром суммарная вероятность взаимодействия определяется суммой парциальных макроскопических сечений всех процессов рассеяния и поглощения, а для делящихся ядер – и сечения деления. Σ – макроскопическое сечение- вычисляется по формуле Σ=п·σ , где п=NАвρ/A, где NАв- число Авогадро, ρ-плотность . В случае, когда зависимостью сечения от энергии можно пренебречь, для количества нейтронов, прошедших слой вещества x, можно воспользоваться соотношением N=N0exp(-Σx).

Если рассматриваемое вещество состоит из нескольких типов ядер, то макроскопическое сечение определяется по формуле: Если рассматриваемое вещество состоит из нескольких типов ядер, то макроскопическое сечение определяется по формуле: Σ=n1σ1+ n2σ2 +.. + niσi+… , где ni число ядер i-го сорта в 1 см3 вещества, σi – микроскопическое сечение данного процесса для этих ядер. Для молекулы: где νi – число атомов сорта i в одной молекуле.