Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом ПРЯМОИОНИЗИРУЮЩИЕ Заряженные

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

ПРЯМОИОНИЗИРУЮЩИЕ Заряженные частицы тяжелые( , p, d, t) и легкие (е+, е) Электромагнитные излучения ( - и рентгеновские кванты) Нейтроны КОСВЕНОИОНИЗИРУЮЩИЕ

ВАЖНЕЙШИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ Для частицы: масса, заряд, энергия Для вещества: плотность, атомный номер (заряд рассеивающего центра), средний ионизационный потенциал

Взаимодействие прямоионизирующих излучений с веществом

Полный пробег (Rmax) Удельные потери энергии (-d. E/dx)ион + (-d. E/dx) = (-d. E/dx)рад + (-d. E/dx)яд

Тяжелые заряженные частицы (-d. E/dx)рад + (-d. E/dx) = (-d. E/dx)ион + (-d. E/dx)яд

Тяжелые заряженные частицы Формула Бете-Блоха в модификации Бора для нерелятивистской частицы 4 z 2 e 4 n e -(d. E/dx)и = m ev 2 -(d. E/dx)и ~ 2 mev 2 · ln I z 2 ne v 2

Кривая Брэгга Зависимость удельной ионизации от глубины проникновения пик Брэгга

Расстояние, пройденное частицей в ве-ве, называется линейным пробегом частицы (R) Массовый пробег частицы: Rm = R

Пробег -частиц в воздухе 9 см в биологических средах 100 микрон. Альфа-лучи полностью поглощаются листом бумаги, одеждой или слоем алюминия толщиной 70 мкм. Протоны (5 Мэ. В) в алюминии = 60 мкм, -частицы (5 Мэ. В) в алюминии = 23 мкм.

Взаимодействие легких заряженных частиц с веществом. (-d. E/dx)рад + (-d. E/dx) = (-d. E/dx)ион + (-d. E/dx)яд

Ионизационные потери Формула Бора для нерелятивистской частицы (электрон) 4 z 2 e 4 ne ln -(d. E/dx)и = m ev 2 z 2 ne -(d. E/dx)и ~ v 2 · m ev 2 2 I v 2 = 2 E/M -(d. E/dx)и ~ z 2 M n e 2 E

Легкие заряженные частицы Радиационные потери -(d. E/dx)р ~ Z 2 E Ионизационные потери -(d. E/dx)и ~ z 2 M n e 2 E (d. E/dx)р / (d. E/dx)и EZ/800

Траектория движения электрона в веществе – ломаная линия Эффективный пробег

= 0 e - d d 12= ln 2/

Пробег электронов (2 Мэ. В) в алюминии - 2, 5 мм в воздухе - 8, 7 метра в мягких биологических тканях 1 см

Взаимодействие позитронов с веществом + e e- + e- → γ + γ (Eγ=0, 511 Мэ. В) e+

Взаимодействие косвеноинизирующих излучений с веществом

Взаимодействие фотонов с веществом Механизмы взаимодействия ФОТОЭФФЕКТ КОМПТОНОВСКОЕ РАССЕЯНИЕ ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННЫХ ПАР

Закон ослабления моноэнергитичных фотонов в веществе = 0 e - d = ф + к + п

ФОТОЭФФЕКТ Фотоэлектрон Вероятность ФЭ увеличивается с ростом энергии связи электрона ф 4/ E Z M L К ФЭ является главным механизмом поглощения мягкого электромагнитного излучения в тяжелых веществах.

КОМПТОНОВСКОЕ РАССЕЯНИЕ Комптоновский электрон КЭ происходит на слабосвязанных, внешних электронах атома. Длина волны рассеянного излучения Рассеянный больше длины волны падающего фотон к Z / E M L К КЭ становится значимым при энергии гамма-кванта > 1 Мэ. В.

ОБРАЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОН-ПОЗИТРОННЫХ ПАР Электрон Для образования электрон-позитронной пары энергия гамма-кванта должна быть > 1, 02 Мэ. В п M L К 2 Z Позитрон

Фотоэффект основной механизм взаимодействия -квантов в области энергий < 10 -2 -10 -1 Мэ. В Комптон-эффект - в области энергий 10 -1 < Е < (1 -10) Мэ. В Эффект образования пар - в области энергий > 10 Мэ. В При энергии гамма-квантов в несколько десятков Мэ. В возможен ядерный фотоэффект

В качестве защиты от -излучения используют вещества большой плотности - свинец, сталь, железобетон, иногда воду Столб воды высотой 10 см уменьшает интенсивность пучка -лучей (E =1 Мэ. В) в 2 раза, 20 см - в 4 раза, 40 см - в 8 раз. Для очень жестких гамма-лучей, с энергиями порядка 10 -100 Мэ. В, проникающая способность даже в очень плотных средах может достигать нескольких метров

Взаимодействие нейтронов с веществом. НЕЙТРОН (n) По энергии нейтроны делят на состав udd медленные (Еn < 0, 5 кэ. В), спин 12 промежуточныезарядкэ. В < Еn < 0, 5 Мэ. В) (0, 5 0 масса 939, 55 Мэ. В быстрыежизни> 0, 53 Мэ. В) время (Еn 10 c

Закон ослабления моноэнергитичных нейтронов в веществе = 0 e - N d

Взаимодействие нейтронов с веществом. Механизмы взаимодействия УПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ НЕУПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ ПОГЛОЩЕНИЕ

УПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ Рассеянный нейтрон M L К Ядро отдачи

Кинетическая энергия ядра отдачи Eяо = 2 Mяо (Mяо + 1)2 (1 - cos ) В среде с легкими ядрами быстрые нейтроны испытывают только упругое рассеяние. Вещества, используемые для замедления быстрых нейтронов, называются замедлителями.

НЕУПРУГОЕ РАССЕЯНИЕ Рассеянный нейтрон Возбужденное ядро M L К -кванты

Для возбуждения легких ядер требуется значительная энергия (например, для 14 C ≈ 5 Мэ. В); для тяжелых на порядок меньшая ( 0, 1 Мэ. В). Быстрые нейтроны (с энергией несколько Мэ. В) при прохождении через среду с тяжелыми ядрами испытывают одно-два неупругих столкновения, теряя значительную долю своей энергии, а затем уже взаимодействуют упруго

ПОГЛОЩЕНИЕ А+1 M L К Возбужденное ядро -кванты

при En 1, 5 Мэ. В (медленные нейтроны) 19 F (n, ) 20 F при En 1, 5 -3, 7 Мэ. В (быстрые нейтроны) 19 F (n, ) 16 N при En 60 Мэ. В (сверхбыстрые нейтроны) 19 F (n, 3 p, 6 n) 11 C

AX (n, ) A+1 X Радиационный захват нейтрона. Образование радионуклидов под действием нейтронного излучения получило название наведенной радиоактивности. 23 Na (n, ) 24 Na → 24 Mg + e- + ν

Способность ядер поглощать нейтроны используется при выборе защиты от нейтронного излучения. Хорошими веществами-поглотителями медленных нейтронов являются изотопы кадмия и бора: 113 Cd (n, ) 114 Cd , 10 B (n, ) 7 Li, 10 B (n, ) 11 B

Защита от нейтронного излучения ЗАМЕДЛИТЕЛЬ НЕЙТРОНОВ ПОГЛОТИТЕЛЬ -КВАНТОВ

Природные источники ионизирующих излучений 1. Космическое излучение Первичное космическое излучение Вторичное космическое излучение 2. 3. Нуклиды радиоактивных рядов Радионуклиды не входящие в ряды Радионуклиды земной коры Радионуклиды атмосферы

Первичное космическое излучение Состав Поток космических частиц высокой энергии (до 1020 э. В) Интенсивность ПКИ составляет 2 -4 см-2 с-1 Открыто в 1912 году австрийским физиком Виктором Ф. Гессом, лауреатом Нобелевской премии

Вторичное космическое излучение Поток частиц (адроны, лептоны, Состав: π-мезоны, δфотоны), образующихся в нуклоны, возбужденные ядра, каоны результате взаимодействия первичных космических лучей с ядрами атомов Механизм образования: атмосферы. π0 → γ + γ Адронная компонента+ + е-, γ→е Электрон-фотонная Механизм образования: Мюонная - π → μ + ν; μ → е + 2 ν π +→ μ + + ν , μ +→ е + + 2 ν

Вторичное космическое излучение Интенсивность компонент на разных высотах На уровне моря Адронная 10 -5 частиц см-2 с-1 Электрон-фотонная 0, 7· 10 -2 частиц см-2 с-1 Мюонная 1, 7· 10 -2 частиц см-2 с-1 ПКИ 1 частица / м 2 2000 лет

Нуклиды радиоактивных рядов Радиоактивный ряд (4 n+0) 232 Th Нуклидродоначальник 7, 4 x 1010 л α 228 Th β- 1, 9 лет 228 Ac β- 6, 1 лет 238 U 228 Ra 8, 5 x 109 л 7, 6 лет α Радиоактивный ряд (семейство) – это Ra группа радионуклидов, Th Rn претерпевающих последовательные Ra Po или (и) -превращения α 234 U 224 2, 5 x 105 л 7, 6 дн 226 1, 6 x 103 л 216 α 0, 16 c 222 Rn α 3 x 10 -7 c 60, 5 мин α 208 Pb стабильный 43, 8 дн 212 Pb α 10, 6 ч 218 Po α β- 3 мин 208 Tl α 214 Po 30, 1 мин β- 1, 5 x 10 -7 c 214 Bi 19, 7 мин α 210 Po 140 дн α 206 Pb стабильный 2, 4 дн α α β- 234 Th 8 x 103 л 54, 5 c 212 Bi 1, 2 мин β- α 220 β- 234 Pa 230 α 212 Po β- β- 210 Bi 5 дн β- 210 Pb 22 лет β- 214 Pb 9. 8 ч α β- 210 Tl 1 мин Радиоактивный ряд 238 U (4 n+2)

Нуклиды радиоактивных рядов ПРИРОДНЫЕ РАДИОАКТИВНЫЕ СЕМЕЙСТВА Ряд * Родоначальник (Т 12 , лет) A=4 n+0 232 Th A=4 n+2 A=4 n+3 Некоторые радионуклиды ряда (1, 4 1010) 228 Ra, 228 Ac, 216 Po, 212 Bi 238 U (4, 5 109) 230 Th, 234 Pa, 226 Ra, 218 Po 235 U (7, 1 108) 227 Ac, 223 Ra, 223 Fr, 219 At, Изотопы радона 220 Rn (54 с) 208 Pb (3, 8 дн) 206 Pb (3, 9 мин) 207 Pb 222 Rn 219 Rn Стабильн. нуклид * А - массовое число члена ряда; n - целое число в интервале 51 -59 ИСКУССТВЕННОЕ РАДИОАКТИВНОЕ СЕМЕЙСТВО A=4 n+1 237 Np (2, 2 106) 233 U, 225 Ra, 221 Fr, 212 Po, нет 209 Bi

Радионуклиды не входящие в ряды РАДИОНУКЛИДЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ Существуют с момента образования планеты. Обладают периодом полураспада, сравнимым с возрастом Земли. Всего известно около 20 таких нуклидов Нуклид (Т 1/2, лет) 40 K Содержание в элементе, % Распад 0, 012 -, +, эз 148 Sm (5 1011) 27, 83 - 152 Gd (3, 6 1017) 2, 8 - 192 Pt (5 1014) 95, 7 - 174 Hf (1, 2 1013) 0, 87 эз 180 Ta (1, 28 109) 87 Rb 96 Zr 115 In 123 Te Нуклид (Т 1/2, лет) Содержание в элементе, % Распад (1, 2 1013) 11, 3 (1, 1 1014) 0, 2 ( 1015) 0, 79 (2 1015) 0, 2 0, 012 -, эз ( 1013)

Радионуклиды не входящие в ряды РАДИОНУКЛИДЫ АТМОСФЕРЫ Основные реакции Постоянно образуются образования Нуклид Скорость образования ядерных реакций, атомов. /(см 2 с) Т 1/2 Распад 1, 5 х106 л β- 4, 5 · 10 -2 5730 л β 2, 5 2, 6 β+, ЭЗ 8, 6 · 10 -5 87, 1 дн. β- 1, 4 · 10 -3 3, 1· 105 л β- 1, 1 · 10 -3 270 л β- 5, 6 · 10 -3 8, 1· 105 л ЭЗ 1, 5 х10 -7 - 10 -5 в результате 14 N (n, t) 12 С индуцируемых космическими лучами -. Большая 0, 25 часть 3 Н 12, 26 л β 14 N (р; 3 H, 3 He, p, n) 7 Be космогенных радионуклидов (70%) образуется в верхних 14 N (n, 3 p 5 n) 7 7 Ве слоях атмосферы. Ве лишь около 30% -в тропосфере. и 53 дн. β 8, 1 · 10 -2 16 7 О (р, 5 р5 n) Ве 10 Ве 14 C 22 Na 35 S 36 Сl 39 Аr 81 Кr 14 N (р, 4 pn) 10 Ве 16 О (р, 5 p 2 n) 10 Ве 14 N (n, р) 14 С 16 О (р, 3 р) 14 С 40 Аr (расщепл. ) 22 Na 40 Аr (расщепл. ) 35 S 40 Аr (р, 2 p 3 n) 36 Сl 40 Аr 82 Кr (n, 2 n) 39 Аr (n, 2 n) 81 Кr 80 Kr (n, γ) 81 Кr

Дозовые нагрузки от природных источников радиации на уровне моря в среднем 2400 мк. Зв год

Искусственные источники ионизирующих излучений 2. Радионуклидные источники Технические устройства 3. Ядерные реакторы 1.

Технические устройства • • Ускорители линейные Ускорители циклические Рентгеновские трубки ЭЛТ

Ядерный реактор устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии Первый ядерный реактор - СР-1 Э. Ферми, 1942 г. , Чикаго, США В Европе – Ф-1 И. В. Курчатов, 1946 г. Москва, СССР

Элементы конструкции ядерного реактора Активная зона Система охлаждения Система управления Система безопасности

ЛИТЕРАТУРА ü Савельев И. В. Курс общей физики т. 5. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. М. , "Аст. Пресс", 2005, 368 с. ü Ю. М. Широков, Н. П. Юдин Ядерная физика. М. , «Наука» . 1990 г. 671 с ü Яворский Б. М. , Детлав А. А. , Ю Лебедев А. К. Справочник по физике для инженеров и студентов. М. , "Оникс, мир и образование", 2006, 1056 с.