Авария на ЧАЭС Физика ядерного реактора Поглощение электромагнитного излучения в веществе Радионуклиды в организме человека. Физика атомного ядра и элементарных частиц

Фотоэффект. Это процесс, при котором вся энергия падающего кванта hν передаётся связанному электрону. Его кинетическая энергия при вылете из атома Te = hν – I­i, где I­i – энергия связи той оболочки, на которой находится электрон. Энергию отдачи, полученную ядром при вылете электрона ,можно не учитывать, т.к. Tя << hν или Tя << Te. Фотоэффект всегда сопровождается либо характеристическим излучением, либо эффектом Оже, когда энергия возбуждения атома передаётся одному из его электронов, который и покидает атом.

В общем, поглощение быстро уменьшатся с возрастанием энергии. Однако каждый раз, как только энергия γ-квантов становится больше энергии, необходимой для ионизации электронов следующей более глубокой оболочки, поглощение скачком возрастает. После того как энергия γ-квантов стала больше энергии связи электронов К-оболочки, скачков больше не наблюдается. В этом случае γ-кванты (до 80%) поглощаются электронами К-оболочки, т.е. наиболее сильно связанными.

Рождение электронно-позитронных пар. При достаточно большой энергии γ-кванта становится возможным процесс, когда в одном акте взаимодействия возникают в поле какой-нибудь частицы (чаще всего ядра атома) электрон и позитрон, а квант при этом поглощается. Этот процесс около ядра происходит в области размером ~ комптоновской длины волны электрона.

Формула Резерфорда. Волны де Бройля. Опыты Хофштадтера. Формула Мотта. Форм-фактор. К заряженным частицам относятся электроны, протоны, дейтоны, a-частицы, положительные и отрицательные мезоны и гипероны, ядра (ионы) тяжелых элементов. Взаимодействие этих частиц с электронами, атомами, ядрами среды происходит через кулоновские, электромагнитные и ядерные силы. Поэтому число различных процессов взаимодействия достаточно велико. Основными механизмами взаимодействия заряженных частиц с веществом являются электромагнитное взаимодействие с электронами вещества (ионизация), а также внутриядерные взаимодействия с нуклонами ядра.

Ионизационное торможение заряженных частиц. Уравнение Бете-Блоха. Поскольку действие -излучения и нейтронов скорее результат воздействия вторичного излучения, т.е. электронов и протонов отдачи, чем результат их первичных взаимодействий, данные, полученные при изучении взаимодействия заряженных частиц с веществом, можно использовать не только для описания действия быстрых электронов или ионов, но также и для описания воздействия -излучения и нейтронов.

Пробег заряженных частиц в веществе. -электроны. В пучке электронов даже при одинаковой их начальной энергии различные частицы по-разному углубляются в толщу вещества. Это связано с их рассеянием. Лишь некоторые электроны могут пройти весь путь в одном направлении. Минимальная толщина поглотителя, необходимая для полного поглощения энергии заряженной частицы, называется линейным пробегом (). Среднее значение модуля вектора между началом и концом пробега заряженной ионизирующей частицы в данном веществе называется средним линейным пробегом ().

Упругое рассеяние заряженных частиц на ядрах. Ядерное взаимодействие. При пролёте заряженной частицы вблизи ядра передача энергии ядру за счёт кулоновских сил будет невелика. Траектория частицы будет заметно отличаться от прямолинейной, но приближённо и в этом случае можно пользоваться выражением Бете-Блоха (с тем отличием, что mч < Mя, передаваемый ядру импульс будет в Zя раз больше. Zяe – заряд ядра; Ze – заряд падающей частицы; Mя = A ∙ mp).

Излучение Вавилова-Черенкова. Невелики и потери энергии на световое излучение Вавилова-Черенкова, которое возникает при движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Заряженная частица, двигаясь внутри диэлектрика с постоянной скоростью, создаёт вдоль своего пути локальную поляризацию его атомов. Сразу же после прохождения частицы поляризованные атомы возвращаются в исходное состояние и излучают электромагнитные волны. При определённых условиях эти волны складываются и наблюдается излучение.

Это самопроизвольное испускание лептонов ().

Эффективная эквивалентная доза. Единицы измерения. Определение активности. Единицы активности. Активностью А некоторого количества радиоактивного вещества называют число спонтанных ядерных превращений в этом количестве вещества dN, происшедших за интервал времени dt:

Экспозиционная доза (Dэксп) – это количественная характеристика фотонного излучения, которая основана на его ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе. Она определяется отношением суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в воздухе, когда все электроны, освобожденные фотонами в элементе объема воздуха с массой dm, полностью остановились в воздухе, к массе воздуха в этом объеме: .

Эквивалентная доза. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ). Коэффициент качества излучения. Единицы эквивалентной дозы. Для оценки биологического эффекта воздействия излучения произвольного состава потребовалось введение новой характеристики дозы. В задачах радиационной безопасности при облучении в малых дозах (меньше ~0,1 Гр) это эквивалентная доза с единицей измерения в СИ – зиверт (Зв). Зиверт – единица эквивалентной дозы любого вида излучения в биологической ткани, которое создаёт такой же биологический эффект, как и поглощённая доза в 1 Гр образцового рентгеновского излучения (излучение с граничной энергией 200 КэВ).

Эффективная эквивалентная доза. Единицы измерения. Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ) ввела в качестве меры радиационного воздействия на живой организм эффективную эквивалентную дозу (Нэф), которая определяется формулой: , где -средняя эквивалентная доза в органе или ткани организма (Т),  - взвешивающий коэффициент (коэффициент риска), равный отношению вероятности возникновения стохастического эффекта при облучении органа или ткани Т к вероятности его возникновения. при равномерном облучении всего тела.  определяет вклад данного органа в риск неблагоприятных стохастических эффектов для организма в целом при равномерном его облучении.

Поглощение электромагнитного излучения в веществе.

Рассмотрим взаимодействие с веществом рентгеновских и γ-лучей, т.е. электромагнитных излучений с очень короткими длинами волн, которые способны глубоко проникать в вещество и производить при этом ионизацию. Для краткости здесь будем говорить только о γ-квантах. Поскольку основной ионизационный эффект обуславливается взаимодействием с веществом частиц, возникающих в ходе первичного поглощения и рассеяния γ-квантов, эти электромагнитные излучения относят к косвенно-ионизирующим.

По мере прохождения через вещество число квантов в первоначальном пучке постепенно уменьшается. Соответственно уменьшается и интенсивность пучка (энергия, переносимая γ-квантами в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную пучку). Пусть монохроматический пучок γ-лучей падает перпендикулярно на пластинку малой толщины x и пусть рассеяние γ-квантов происходит однократно. Интенсивность γ-пучка после прохождения пластинки (Ix) связана с интенсивностью падающего пучка (I0) выражением

,

в котором n – число атомов поглотителя в 1 см3, σ – полное эффективное сечение рассеяния и поглощения γ-квантов на одном атоме, которое представляет собой вероятность возникновения реакции в единичном потоке при прохождении слоя мишени в 1 см, содержащего одну рассеивающую частицу. Для характеристики рассеяния по различным направлениям удобно использовать дифференциальное сечение рассеяния dσ, т.е. сечение рассеяния внутрь элемента телесного угла dΩ. Число рассеянных частиц (dN), летящих после попадания на мишень в элементе телесного угла dΩ, пропорционально дифференциальному сечению: dN(Θ,φ) = JMdσ(Θ,φ); где J – плотность потока частиц, M – полное число рассеивающих центров в облучаемой части мишени, Θ и φ – полярный и азимутальный углы рассеяния падающей частицы внутри dΩ. Каким образом нам следует «удерживать» плазму в течение достаточно долгого периода времени, чтобы она при этом не касалась (и не плавила) стенок аппарата, в котором должна проходить реакция? На Солнце и звездах термоядерная плазма удерживается большими гравитационными силами. Очевидно, что на Земле мы не можем использовать эти силы для удержания плазмы ни в каких аппаратах приемлемого размера. Для обеспечения удержания плазмы были испробованы и используются два способа.

Выражение для полного эффективного сечения рассеяния получаем интегрированием:

(в случае аксиальной симметрии).

Произведение (n∙σ = τ) представляет собой линейный коэффициент ослабления τ. Тогда . Часто вместо x берут величину ρ∙x (ρ – плотность) и вводят массовый коэффициент поглощения μ = τ/ρ.

Для различных процессов поглощения γ-квантов главной задачей является установление зависимости эффективного сечения процесса от энергии падающих квантов и от свойств поглощающего вещества. В области энергий γ-квантов от 5 кэВ до 5 МэВ (рис. 13), главным образом, наблюдаются 3 процесса: фотоэффект, эффект Комптона и рождение электронно-позитронных пар. Представляют интерес и такие процессы, как упругое потенциальное рассеяние в кулоновском поле ядра (дельбруковское рассеяние), рэлеевское рассеяние, ядерное резонансное рассеяние, ядерное томсоновское рассеяние. Но их вклад в процессы повреждения атомов и молекул биологических объектов, которые нас интересуют в данном курсе, невелик и потому мы остановимся на трёх указанных выше. Эти три процесса могут происходить независимо друг от друг от друга, поэтому полный коэффициент ослабления равен сумме его составляющих, соответствующих этим процессам:

τ = τф.э. + τк.р. + τо.п. или μ = μф.э. + μк.р. + μо.п.

Чтобы установить зависимость коэффициента поглощения от энергии γ-квантов и свойств вещества, разберём эту зависимость для каждого из этих процессов в отдельности.


Атомная энергетика