Общие понятия ядерной физики Выполнила: Столярова т.
Строение атома • Атом – наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его химических свойств. • Электро н — стабильная, отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. • Ядро – центральная часть атома, состоящая из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Эти частицы, называемые нуклонами, удерживаются в ядрах короткодействующими силами притяжения, возникающими за счет обмена квантами так называемого «сильного» взаимодействия. • Протон – элементарная частица, носящая единичный положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Он является ядром атома простейшего водорода. • Нейтрон – незаряженная элементарная частица с массой покоя, несколько превышающей массу протона. В свободном состоянии нейтрон – неустойчивая частица и претерпевает превращения. • Электронный уровень – совокупность орбиталей с одинаковыми значениями главного квантового числа.
Общая характеристика радиоактивности • Явление радиоактивности было открыто в 1896 г А. Беккерелем. • Явление самопроизвольного испускания химическими элементами излучения, обладающего значительной проникающей способностью и ионизирующими свойствами, получило название естественной радиоактивности. • Элементы, испускающие такое излучение, называются радиоактивными. Радиоактивными являются все элементы с порядковым номером более 83 в таблице Менделеева (Z>83), а также отдельные изотопы более легких элементов. • Радиоактивность заключается в том, что ядра радиоактивных элементов самопроизвольно распадаются с испусканием α-, βчастиц и γ-квантов или путем деления; при этом исходное ядро превращается в ядро другого элемента.
Табл. 1 Основные характеристики свойств излучения вещества Обозначение Природа α–лучи поток быстрых электронов γ–лучи жесткое электро- магнитное излу- чение (λ=10 -2 нм) или - Энергия Скорость 4– 9 Мэ. В поток полностью ионизированных атомов гелия β–лучи Зарядовое и массовое число 107 м/с непрерывный спектр энергий от 0 до 782 кэ. В 108 м/с линейчатый спектр энергий 3· 108 м/с α-, β-лучи отклоняются магнитным полем в разные стороны, а γ-лучи не отклоняются совсем.
• Последовательность нуклидов, каждый из которых самопроизвольно благодаря радиоактивному распаду переходит в следующий до тех пор, пока не будет получен стабильный изотоп, называется радиоактивным рядом. Исходный нуклид называется материнским, а все остальные нуклиды в ряду называют дочерними. Все они генетически связаны между собой и находятся в определенном соотношении. • Радиоактивные элементы природного происхождения условно могут быть разделены на три группы: радиоактивные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются уран U, торий Th и актиноуран Ac. U; отдельные радионуклиды, не имеющие генетической связи между собой: калий К, кальций Са, рубидий Rb и др. ; радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на Земле в результате ядерных реакций, под воздействием космических лучей, в первую очередь углерод С, бериллий Ве и тритий Н.
• Естественная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе. • Искусственная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции, – открыта французскими физиками Фредериком и Ирен Жолио-Кюри в 1934 г • Принципиальной разницы между естественной и искусственной радиоактивностью нет, так как ядерные превращения можно вызывать с помощью заряженных частиц (протонов, α-частиц и др. ), фотонного излучения или нейтронов. Однако среди искусственно-радиоактивных веществ часто встречается еще иной тип распада, не свойственный естественно-радиоактивным элементам. Это распад с испусканием позитронов – частиц, обладающих массой электрона, но несущих положительный заряд (е+). По абсолютной величине заряды позитрона и электрона равны.
Превращения атомных ядер • При радиоактивном распаде различают следующие типы превращений: α-распад, β-распад, электронный захват (Кзахват) и деление. • При α-распаде радиоактивное ядро испускает α-частицу, представляющую собой ядро атома гелия, имеющую двойной положительный заряд и четыре атомные единицы массы, и превращается в ядро, электрический заряд которого меньше первоначального на две единицы, а массовое число меньше первоначального на четыре единицы. Такой процесс распада характерен для ядер элементов, расположенных в конце Периодической таблицы Менделеева.
• При β-распаде ядра один из его нейтронов превращается в протон или наоборот, при этом испускается электрон (е-) или позитрон (е+). В зависимости от этого распад будет называться электронным или позитронным. В результате β-распада массовое число ядра остается без изменения, а заряд увеличивается или уменьшается на единицу, ядро исходного элемента превращается в ядро с порядковым номером на единицу больше или меньше, чем у исходного. • Испускаемые при β-распаде электроны и позитроны называют β-частицами. Кроме β-частиц, ядро испускает антинейтриноилинейтрино– незаряженные частицы с массой, близкой к нулю. • Процесс αи β-распада часто сопровождается коротковолновым электромагнитным излучением с энергией γ-квантов в диапазоне рентгеновского излучения или выше.
• Электронный захват. У некоторых радионуклидов атомное ядро захватывает электрон с ближайшей к нему К-оболочки. В результате захвата электрона один из протонов ядра превращается в нейтрон, массовое число ядра остается без изменения, а заряд уменьшается на единицу, т. е. порядковый номер элемента уменьшается на единицу, как и при позитронномβ-распаде. Процесс захвата электрона с К-оболочки атома иногда называют К-захватом. • Процесс электронного захвата сопровождается характеристическим рентгеновскоим излучением.
• Спонтанное деление. При спонтанном делении ядро самопроизвольно с испусканием 2– 3 быстрых нейтронов распадается на два неравных по массе осколка, которые в свою очередь распадаются с испусканием βчастиц и γ-квантов. Некоторые из этих осколков могут испускать нейтроны, которые называются запаздывающими. Этот процесс свойственен тяжелым ядрам и сопровождается образованием осколков или продуктов деления – атомных ядер, имеющих заряды от 30 (72 Zn) до 63 (I 57 Eu) и соответственно массовые числа от 72 до 157, и выделением значительной энергии. • Вероятность спонтанного деления существующих в природе тяжелых ядер очень низкая. Это явление было открыто Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком в 1942 году. • Вынужденное деление – происходит при захвате нейтронов аналогично спонтанному делению. При этом испускаются новые нейтроны и освобождается энергия, передаваемая осколкам деления. Это фундаментальное явление было открыто в конце 30 -х годов ХХ в. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом, что заложило основу для практического использования ядерной энергии.
Виды ионизирующего излучения и основные понятия дозиметрии • Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Различают следующие виды ионизирующих излучений: α-, βизлучение, фотонное и нейтронное излучение. Ультрафиолетовое излучение и видимую часть светового спектра не относят к ионизирующим излучениям. Указанные выше виды излучения имеют различную проникающую способность (рис. 1), зависящую от носителя и энергии излучения Рис. 1. Виды радиоактивных излучений и их проникающая способность
• Альфа-излучение (α-излучение) – ионизирующее излучение, представляющее собой поток относительно тяжелых частиц (ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов), испускаемых при ядерных превращениях. Этот вид излучения, имея малую длину пробега частиц, характеризуется слабой проникающей способностью, задерживаясь даже листком бумаги. • Бета-излучение – поток β-частиц (электронов и позитронов), обладающих большей проникающей способностью в сравнении сα-излучением. Испускаемые частицы имеют непрерывный энергетический спектр, распределяясь по энергии от нуля до определенного максимального значения, характерного для данного радионуклида. Пробег β-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. • Фотонное излучение включает в себя рентгеновское и гамма-излучение (γ-излучение). Под действием фотонного излучения происходит облучение всего организма. Оно является основным поражающим фактором при воздействии на организм излучения от внешних источников.
• Фотонное излучение включает в себя рентгеновское и гамма-излучение (γизлучение). • Под действием фотонного излучения происходит облучение всего организма. Оно является основным поражающим фактором при воздействии на организм излучения от внешних источников. • Нейтронное излучение возникает при делении тяжелых ядер и в других ядерных реакциях. Источниками нейтронного излучения на АЭС являются ядерные реакторы, плотность потока нейтронов в которых составляет 1010– 1014 нейтронов/(см·с); изотопные источники, содержащие естественные или искусственные радионуклиды, смешанные с веществом, испускающим нейтроны под влиянием бомбардировки егоα-частицами или γ-квантами. Такие источники применяют для градуировки контрольно-измерительной аппаратуры. Они дают потоки порядка 107– 108 нейтронов/с. • В зависимости от энергии нейтроны подразделяют на следующие типы: медленные, или тепловые (со средней энергией∼ 0, 025 э. В); резонансные (с энергией до 0, 5 кэ. В); промежуточные (с энергией от 0, 5 кэ. В до 0, 5 Мэ. В); быстрые (с энергией от 0, 5 до 20 Мэ. В); сверхбыстрые (с энергией свыше 20 Мэ. В).
Основные понятия дозиметрии • Физической основой дозы ионизирующего излучения является преобразование энергии излучения в процессе его взаимодействия с атомами или их ядрами, электронами и молекулами облучаемой среды, в результате которого часть этой энергии поглощается веществом. Поглощенная энергия является первопричиной процессов, приводящих к наблюдаемым радиационно-индуцированным эффектам, и потому дозиметрические величины оказываются связанными с поглощенной энергией излучения. • Количество энергии, поглощенное единицей массы облучаемого организма, называется поглощенной дозой и измеряется в системе СИ в греях (Гр). Размерность грея – джоуль, деленный на килограмм массы (Дж/кг). Однако величина поглощенной дозы не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе α-излучение и нейтронное излучение гораздо опаснее, чем β-излучение или γ-излучение. • Рентген. Эта величина была введена в употребление еще на заре атомной эры (в 1928 г. ) и использовалась для измерения величины экспозиционной дозы. Рентген равен такой дозе γ -излучения, которая создает в одном кубическом сантиметре сухого воздуха общий заряд ионов, равный одной единице электрического заряда. • Рад – внесистемная единица равная поглощенной дозе облучения, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию, равную 0, 01 Дж. Соответственно I рад = 100 эрг/г = 0, 01 Гр.
Рис. 2. Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела При расчете доз, получаемых организмом, следует учитывать, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны к облучению, чем другие. Рис. 3. Обобщенное представление системы понятий о дозах радиационного облучения населения
Скачать презентацию Общие понятия ядерной физики Выполнила Столярова т
Общие понятия ядерной физики.pptx