Ионизирующие излучения и их источники. Общая характеристика взаимодействия излучения с веществом, страница 2

2.2.1. Естественная радиоактивность.

Толчком к ее обнаружению явилось открытие немецким физиком Рентгеном в 1885 г. рентгеновских лучей (Х-лучей). Происхождение этих лучей неядерное. Они - результат торможения (на аноде) пучка ускоренных (между катодом и анодом) электронов.

Вскоре (в 1896 г.) французский ученый Беккерель обнаружил, что атом урана тоже излучает какие-то невидимые лучи.

Далее было показано (Марией и Пьером Кюри), что уран испускает 3 вида излучения: α, β и γ. Они назвали это явление радиоактивностью (лат. radius - луч).

Следом были найдены торий, полоний и радий. Последние два элемента в миллион раз активнее, чем уран и торий.

Д.И.Менделеев еще в 1881 г предсказал экабарий - радий; в точности описав его физические свойства.

В конце 19-го века уже знали, что α-частицы - тяжелые положительно заряженные частицы, летящие со скоростью ~ 10⁷ м/с (1/30 скорости света); β - электроны (их скорость близка к скорости света), γ - жесткое электромагнитное излучение.

2.2.2. Космическое излучение.

Это  в  основном  высокоэнергетические  протоны,  электроны,  а также рентгеновское, γ-излучение и α-частицы.

2.2.3. Современные реакторы и ускорители заряженных частиц.

Позволяют получать пучки нейтронов, γ-квантов, электронов, а также положительных и отрицательных ионов практически всех элементов.

2.2.4. Искусственная радиоактивность (ИР).

Она впервые обнаружена Фредериком Жолио-Кюри и Ирен Жолио-Кюри в 1934 году, бомбардировавшими легкие ядра В и Аl α-частицами. В результате образовывались радиоактивные изотопы легких элементов:

            (τ_1/2 = 11 мин),

            (τ_1/2 = 2,5 мин).

Нейтрон был открыт несколько раньше, в 1932 г. Чедвиком в реакции:

Позднее было установлено, что нейтрон (свободный) также является радиоактивным

(нейтрино),  τ_1/2  = 12,5 мин.

2.3. Общая характеристика взаимодействия излучения с веществом

Имеется 3 вида взаимодействий, в которых может участвовать γ-излучение и частицы: сильное (ядерное), электромагнитное и слабое.

2.3.1. Сильное (ядерное) взаимодействие.

Простейший пример сильного взаимодействия - притяжение нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре, находящихся на очень малых расстояниях (~ 10^-13 см).

2.3.2. Электромагнитное взаимодействие.

Интенсивное взаимодействие, но слабее ядерного в 10²…10³ раз.

Примеры. 1. Отталкивание протонов и др. положительно заряженных ионов на расстояниях порядка и меньше размера атомов. На таких расстояниях их могут держать либо ядерные силы, либо они могут сблизиться, будучи ускоренными на ускорителях. 2. Взаимодействие γ-квантов с веществом: фотоэффект, эффект Комптона, образование электрон-позитронных пар, γ-переходы в ядрах, фотоядерные реакции.

2.3.3. Слабое взаимодействие.

Примером является β-распад, в процессе которого испускаются или поглощаются электроны или позитроны, нейтрино или антинейтрино. Характеризуется чрезвычайно малой константой взаимодействия g. Отсюда название - слабое взаимодействие. Оно примерно в 10¹³ раз слабее сильных.

*  *  *

Физика воздействия

- тяжелых заряженных частиц (m≥m_p, где m_p – масса протона),

- β-частиц,

- нейтронов и

- γ-квантов (или рентгеновского излучения)

на вещество во многом различна. Поэтому воздействие каждого излучения надо рассматривать отдельно. Однако объединяющим для всех повреждающих излучений (частиц и жестких гамма-квантов) является то, что они создают в веществе первичные атомы отдачи. Далее физика воздействия для всех видов излучения является общей и заключается в том, что в зависимости от энергии каждый первичный атом отдачи образует:

- либо единичную френкелевскую пару,

- либо каскад атомных смещений.

Важными являются структура и пространственное распределение дефектов, а также эволюция исходной дефектной структуры в различных процессах.

Мы начнем рассмотрение воздействия ионизирующих излучений на вещество с тяжелых заряженных частиц. Это имеет непосредственное отношение, в частности, к ионной бомбардировке, широко используемой в настоящее время для модификации свойств материалов. Фундаментальные и прикладные аспекты физики воздействия корпускулярного излучения на вещество (нейтронов, ионов и осколков деления), что имеет непосредственное отношение к радиационной физике твердого тела, интенсивно развиваются в ИЭФ УрО РАН (с целью повышения радиационной стойкости и модификации самых различных свойств материалов потоками излучений).

Ниже будут рассмотрены также наиболее важные аспекты взаимодействия электронов, нейтронов и γ-квантов с веществом и особенности их воздействия на структуру и свойства твердых тел. Будут отмечены отличия и общие черты воздействия разных видов излучения и приведен краткий обзор воздействия ионизирующих излучений на свойства материалов.