Загальна фізика. Частина 2. Магнетизм. Коливання і хвилі. Оптика. Елементи атомної фізики, квантової механіки і фізики твердого тіла. Фізика ядра та елементарних часток

Поглинута доза Дпогл визначається відношенням енергії E, переданої іонізуючим випромінюванням речовині в елементарному об’ємі, до маси речовини в цьому об’ємі  . Одиницею поглинутої дози є грей [Гр];  . Позасистемною одиницею поглинутої дози є рад;  .

Біологічна дія радіації суттєво залежить від природи проникаючого випромінювання. Для характеристики цього вводиться коефіцієнт якості випромінювання k .

Таблиця 1.

Випромінювання k

Рентгенівські промені, -промені, -промені 1

Теплові нейтрони 3

Швидкі нейтрони і протони 10

Іони високих енергій 20

Еквівалентна доза Декв визначається як добуток поглинутої дози Дпогл на коефіцієнт якості випромінювання k, тобто Декв = kДпогл. Одиницею еквівалентної дози є зіверт [Зв], що відповідає поглинутій дозі в 1 Гр при k = 1. Позасистемною одиницею є бер, що відповідає поглинутій дозі в 1 рад при k = 1;  .

Для вимірювання доз радіації в дозиметрії використовуються прилади різних типів – дозиметри. Природні джерела радіації створюють на території України потужність еквівалентної дози  40 – 200 мБер/рік. Еквівалентна доза в 4 – 5 Зв, отримана людиною за короткий проміжок часу, може призвести до смерті. Така ж доза, отримана протягом усього життя людини, не викликає помітних змін.

 

 

8.4.1. Ядерні реакції – перетворення ядер при їх взаємодії з легкими частинками або іншими ядрами. Така взаємодія виникає при зближенні реагуючих часток до відстаней ~ 10-15 м. Найбільш поширеним типом ядерних реакцій є взаємодія легкої частинки a з ядром Х, в результаті якої виникають легка частинка b (або b, c, d, …)і ядро Y:

 , (8.32)

що скорочено позначають Х(а,b)Y. Вживається також лаконічне позначення ядерних реакцій типу (а,b). В якості легких часток можуть фігурувати: нейтрон, протон, дейтрон, -частинка, -квант (інколи – електрон, нейтрино, інші елементарні частинки). Наприклад, перша ядерна реакція, здійснена Е. Резерфордом (1919 р.), мала вигляд:  . Ядерні реакції – основний метод вивчення структури ядра і його властивостей.

Ядерні реакції часто можуть протікати кількома способами, наприклад:  ,  ,  . Сукупність частинок, що зазнають зіткнень, називають вхідним каналом ядерної реакції. Частинки, що народжуються внаслідок ядерної реакції, утворюють вихідний канал ядерної реакції.

Кількісне описання ядерних реакцій з квантово-механічної точки зору може бути тільки статистичним, тому для характеристики ядерних реакцій та різних видів взаємодій в них вводяться поняття виходу ядерної реакції w та ефективного перерізу взаємодії .

Вихід ядерної реакції w – доля часток, що зазнали взаємодії. Якщо з потоку часток N, що падають на деяку мішень, зазнають взаємодії N часток, то ймовірність взаємодії  . З другого боку, очевидно,  , де S – площа поверхні мішені, а   – ефективна площа взаємодії;  – ефективна площа взаємодії одного ядра, d – товщина мішені, n – концентрація ядер мішені. Тому   і

  (8.33)

Величина  характеризує ймовірність взаємодії в розрахунку на одне ядро в шарі одиничної товщини. Вона має розмірність площі, її прийнято вимірювати в барнах; 1б = 10-28 м2.

Ядерні реакції можна класифікувати: за енергією часток, що їх викликають, за природою часток, за масовим числом ядер, які беруть участь у реакціях; за енергетичним ефектом; за характером ядерних перетворень. Зокрема, розрізняють ядерні реакції: 

 при малих, низьких, середніх, значних, високих, і надвисоких енергіях; 

 під дією нейтронів, фотонів, заряджених частинок;

 на легких, середніх і масивних ядрах;

 радіаційного захоплення, кулонівського збудження, поділу ядер, ядерного фотоефекту та ін.

У будь-якій ядерній реакції виконуються закони збереження електричного заряду, енергії, імпульсу, моменту імпульсу та деякі інші, більш екзотичні, про які йтиме мова у наступному параграфі. Вони відіграють особливо важливу роль, оскільки дозволяють передбачати які з ядерних реакцій можливі.

Енергію реакції можна розрахувати на основі формули (8.7), де m – дефект маси реакції, який визначається співвідношенням

 . (8.34)

Якщо   енергія виділяється; якщо   енергія поглинається. При цьому для ендотермічних реакцій   характерним є енергетичний поріг – мінімальне значення енергії часток, що стикаються, при якому реакція може відбуватися.

Стосовно механізму ядерних реакцій при низьких енергіях Н. Бор припустив, що вони здійснюються в два етапи. На першому етапі ядро Х захоплює частинку а; в результаті цього виникає проміжне компаунд-ядро П (складене ядро). За рахунок енергії частинки а (кінетичної та енергії зв’язку), яка перерозподіляється між нуклонами ядра, проміжне ядро стає збудженим. На другому етапі збуджене компаунд-ядро П випромінює частинку b і перетворюється в ядро Y; в цілому процес має вигляд

 . (8.35)

Середній час життя компаунд-ядра складає (10-16 – 10-12) с, він значно більший від часу проходження нуклоном ядра  c, тому захоплення частинки а і випромінення частинки b – незалежні процеси.

Якщо  , процес (8.35) називають розсіюванням; власне ядерна реакція має місце, якщо a не тотожне з b. При енергії збудження компаунд-ядра П, меншій необхідної для відокремлення від нього часток, єдиний шлях