у-излучение
у-лучи — это коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое нуклидами, находящимися в возбужденном состоянии. В каждом из возможных состояний (в основном и в возбужденных) ядро характеризуется вполне определенными распределениями зарядов и токов, т. е. является мультиполем 1 , у-излучение возникает из-за электромагнитных эффектов, сопутствующих изменениям распределений зарядов и токов в ядре при переходе его из одного состояния в другое, у-излучение, возникающее в результате ядерных превращений, не превосходит — 10 МэВ (v — 3-10 21 Гц).
При испускании у-кванта не происходит изменения состава ядра, т. е. превращения изотопа одного элемента в изотоп другого. Испускание у-квантов сопровождает, обычно, с той или иной вероятностью все типы радиоактивных превращений.
Излучение с энергией 511 кэВ, возникающее при аннигиляции электрона и позитрона также принято называть у-излучением. Как результат электромагнитных эффектов оно ничем не отличается от других, всем нам хорошо известных типов электромагнитных колебаний (рис. 2.12). Электромагнитное излучение и с большей энергией, независимо от его природы, принято также называть у-излучением.
Любое электромагнитное излучение с энергией Е характеризуется частотой колебаний v = ?/h и длиной волны [1] [2] Л = c/v, где h = 4,135 х х 10″ 15 эВ/с — постоянная Планка, ас — скорость света. Постепенно, по мере развития науки и техники, весь возможный диапазон частот колебаний электромагнитных волн был разбит на ряд поддиапазонов, границы между которыми условны, и они частично перекрываются. По механизму возникновения ультрафиолетовое и характеристическое рентгеновское излучения, вообще говоря, не отличаются друг от друга, однако ультрафиолетовое излучение формально не относится к ионизирующим излучениям.
Рис. 2.12. Наиболее часто встречающиеся названия диапазонов частот электромагнитных колебаний, параметры, их характеризующие, и устройства или явления, характерные для них (см. также стр.: 23—25,
УФ и ИК — ультрафиолетовое и инфракрасное излучения. УКВ, КВ,
СВ и ДВ — ультракоротковолновые, коротковолновые, средние и длинные волны
у-лучи с энергией до 100 кэВ (мягкое у-излучение) отличаются от характеристического рентгеновского излучения только своим ядер- ным происхождением. Постепенно термин «у-лучи» стали часто применять для обозначения электромагнитного излучения любой природы, если его энергия больше —10 кэВ. При увеличении энергии волновые свойства у-излучения проявляются слабее. Определяющими становятся корпускулярные свойства у-лучей. Именно поэтому наряду с термином «у-лучи» часто используется термин «у-кванты» 1 .
у-излучение не является единственно возможным каналом снятия избыточной, по сравнению с основным состоянием, энергии дочернего ядра, оказавшегося в возбужденном состоянии (см., например, рис. 2.11). С испусканием у-квантов конкурирует процесс передачи энергии возбуждения ядра электронам его атомной оболочки. В этом случае мы вместо у-квантов наблюдаем электроны внутренней конверсии [3] [4] .
Если происходит испускание у-кванта, то его энергия равна разности энергий двух уровней (i и f) ядра:
Если энергия перехода передается ядром одному из электронов i-электронной оболочки атома, то этот электрон покинет атом. Как и в случае электронного захвата, внутренняя конверсия происходит, как правило, на К- и реже — на L-оболочке. Несмотря на некоторое формальное сходство между этими процессами имеется исключительно важное в практическом отношении различие. В случае внутренней конверсии точно так же, как и при испускании у-излучения, практически вся энергия перехода затрачивается на ионизацию и возбуждение той среды, в которой оказывается это излучение.
Энергия у-перехода — Е,( связана с кинетической энергией конверсионного электрона — Ее соотношением
где В, — энергия связи для той оболочки атома, из которой вылетает конверсионный электрон. То, что у-излучение и внутренняя конверсия являются конкурирующими процессами, выражается с помощью понятия «коэффициент внутренней конверсии» (отношение вероятностей внутренней конверсии и испускания у-кванта). Его часто обозначают буквой а = /е//у, где /е и /у — интенсивности конверсионных электронов и у-излучения, сопровождающих переход ядра из состояния i в состояние/.
Каждый радионуклид характеризуется своим весьма большим числом возбужденных уровней. Количество испускаемых у-квантов в зависимости от их энергии (спектр у-излучения) зависит, прежде всего, от того, какие из возбужденных уровней дочернего ядра оказываются заселенными в результате произошедшего а- или (3-распада. Коэффициент конверсии увеличивается с уменьшением энергии перехода, с возрастанием мультипольности перехода и заряда ядра. Обычно приходится иметь дело с у-излучением небольшой мультипольности (малые значения уносимого квантом момента количества движения L). Вероятность того, что энергия возбуждения будет теряться за счет испускания у-кванта, зависит от свойств уровней, между которыми происходит переход, а именно от разности энергий, спинов и четности уровней.
Наблюдаемое на опыте количество групп у-квантов, испускаемых ядром, ограничено, а иногда у-кванты не наблюдаются вовсе. Испускание у-кванта происходит за время
12 с в зависимости от энергии перехода и значения L. а- или (3-распад претерпевают материнские ядра, а у-излучение испускается уже другими — дочерними ядрами. Так, в случае, представленном на рис. 2.11, а-распад испытывает ядро 228Th , а у-излучение испускается уже ядром 224 Ra. Из рисунка следует, например, что для 224 Ra в силу правил отбора у-кванты с энергиями, соответствующими переходам между уровнями с энергиями 290 кэВ и 251 кэВ или между уровнем 251 кэВ и основным уровнем, не наблюдаются.
Что касается радионуклидов антропогенного происхождения, то часто основным дозообразующим нуклидом является 137 Cs. Его (3-распад (Qp = 546 кэВ) приводит в 94,4 % случаев к образованию дочернего ядра 137 Ва в изомерном состоянии с энергией 661,7 кэВ и временем жизни
2,5 мин. В 5,6 % случаев распад происходит в основное состояние ядра 137 Ва. Следовательно, известное многим у-излучение с энергией 661,7 кэВ испускается не ядром 137 Cs, а 137 Ва. Происходит это в 85,1 % случаев. В остальных случаях энергия возбуждения снимается за счет внутренней конверсии. Таким образом, средняя энергия у-излучения на один распад 137 Cs —532 кэВ.
Вторым по значимости радионуклидом антропогенного происхождения является 90 Sr. Как и в случае 137 Cs, его распад сопровождается только (3-излучением. Однако его дочернее ядро — 90 Y оказывается в основном состоянии и у-излучения нет. 90 Y, в свою очередь, также является радионуклидом и с периодом полураспада 64,1 ч превращается в стабильный нуклид 90 Zr, который с вероятностью 99,9885 % также оказывается в основном состоянии. Поскольку оба радионуклида: 90 Sr и 90 Y являются (3-излучателями — Qp = 546 кэВ и 2282 кэВ соответственно, в радиоэкологии вкладом 90 Sr во внешнее облучение, как правило, пренебрегают. Таким образом, мы имеем дело с очень важной в практическом отношении цепочкой распадов, в которой почти не возникает у-излучения.
Радионуклиды, образовавшиеся в результате а-распада, оказываются, как правило, в возбужденных состояниях с не очень большой энергией возбуждения и Еу, как правило, меньше 0,5 МэВ (см. рис. 2.11). Это является следствием экспоненциального уменьшения вероятности проникновения а-частиц через потенциальный барьер при уменьшении их энергии.
При (3-распаде зависимость вероятности распада от энергии не так сильно выражена, поэтому могут заселяться возбужденные состояния дочерних ядер с энергиями вплоть до
2,5 МэВ. У не слишком тяжелых радионуклидов в этом интервале энергий обычно имеется небольшое число уровней и наличие правил запретов приводит к тому, что спектр у-излучения будет состоять только из одной или двух интенсивных линий.
Из радионуклидов естественного происхождения наибольшим по интенсивности воздействия у-излучения является уже упоминавшийся 40 К, превращающийся в 10,7 % случаях путем электронного захвата в 40 Аг, Еу = 1461 кэВ (время жизни уровня 1,12 пс).
Для того чтобы испускались у-кванты с большими энергиями, должны заселяться более высоколежащие возбужденные уровни. Это происходит уже не в результате радиоактивных превращений, а ядер- ных реакций. Если при этом ядро оказывается в состоянии возбуждения с энергией, большей энергии связи какой-либо частицы, вероятность испускания последней может оказаться тем не менее небольшой из-за правил отбора, запрещающих подобное превращение. В результате испускание у-квантов может стать эффективным процессом.
Таким образом, область у-переходов простирается от основного уровня до энергии возбуждения, при которой становится энергетически возможным испускание ядром нуклонов или частицы (либо деление ядер). Выше этого порога начинается область непрерывного энергетического спектра ядерных состояний. Величина порога варьируется от ядра к ядру. Так, для 8 Ве порог составляет 1,665 МэВ, а для 12 С — 18,721 МэВ), но он меньше 20 МэВ даже в случае легких ядер.
Подводя итоги, мы можем сказать, что после того, как ядро оказалось в данном возбужденном состоянии, дальнейшая его судьба не зависит от способа его образования. Вероятность 1 перехода ядра в новое состояние с меньшей энергией и путь [5] [6] , по которому такой переход реализуется, зависит только от свойств энергетических уровней ядра и определяется правилами отбора. Поскольку первые возбужденные уровни обычно расположены далеко друг от друга, наблюдающиеся в результате радиоактивного распада у-линии в практически важных случаях достаточно удалены друг от друга по энергии.
Ядро пребывает в возбужденном состоянии, как правило, очень короткий промежуток времени, у-переходы происходят за временные интервалы 10 -8 —10
12 с и, следовательно, в среднем через такое время радионуклид оказывается в состоянии с более низкой энергией. Если правила отбора запрещают испускание у-кванта с данного энергетического уровня в основное состояние, то разрядка происходит путем испускания каскада у-квантов (или конверсионных электронов).
1. Какой заряд имеют α-частица, β-частица?
в) α -частица — положительный, β -частица — отрицательный.
2. α -излучение — это:
а) поток электронов; б) поток ядер атомов гелия;
в) излучение квантов энергии.
3. Какие частицы излучаются при указанном процессе распада:
а) ядро гелия; б) электрон; в) ядро гелия и электрон.
4. Тот факт, что при радиоактивных превращениях из атомов одних веществ образуются атомы других веществ, является доказательством того, что радиоактивные превращения претерпевают:
а) ядра атомов; б) электронные оболочки; в) кристаллы.
5. В результате β — распада новый элемент занял место в таблице Менделеева:
а) на две клетки правее; б) на две клетки левее;
в) на одну клетку правее; г) на одну клетку левее.
6. Из каких частиц состоят ядра атомов?
а) из протонов; в) из протонов, нейтронов и электронов;
б) из нейтронов; г) из протонов и нейтронов;
д) из протонов и электронов.
7. В атомном ядре содержится Z протонов и N нейтронов. Чему равно массовое число А этого ядра?
8. При столкновении протона p с ядром атома изотопа лития Li образуется ядро изотопа бериллия Ве и вылетает какая-то еще частица X:
Какая это частица?
а) гамма-квант; б) электрон; в) позитрон; г) протон; д) нейтрон.
9. Сколько электронов содержится в электронной оболочке нейтрального
атома, у которого ядро состоит из 6 протонов и 8 нейтронов?
а) 6; б) 8; в) 2; г) 14; д) 0.
у-Излучение и его свойства
Наряду со свойствами у-излучения, описанными в п. 6.4, экспериментально установлено, что у-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает а- и (З-распады, а также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т.д. у-Спектр является линейчатым. у-Спектр — это распределение числа у-квантов по энергиям. Дискретность у-спектра имеет принципиальное значение, так как является доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.
В настоящее время твердо установлено, что источником у-излучения является дочернее (а не материнское) ядро. Дочернее ядро в момент своего образования, оказываясь возбужденным, за время примерно 10 -13 —10 -14 с, значительно меньшее времени жизни возбужденного атома (примерно 10 _8 с), переходит в основное состояние с испусканием у-кван- тов. Возвращаясь в основное состояние, возбужденное ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому у-излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп у-квантов, отличающихся своей энергией.
При у-излучении А и Z ядра не изменяются, поэтому оно не описывается никакими правилами смещения. у-Излуче- ние большинства ядер является столь коротковолновым, что его волновые свойства проявляются весьма слабо. Здесь на первый план выступают корпускулярные свойства, поэтому у-излучение преимущественно рассматривают как поток частиц — у-квантов. При радиоактивных распадах различных ядер у-кванты имеют энергии от 10 кэВ до 5МэВ.
у-Кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении у-излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются им. у-Кванты не несут электрического заряда и не испытывают влияния кулоновских сил.
Большая проникающая способность у-излучения используется в гамма-дефектоскопии — методе дефектоскопии, основанном на различном поглощении у-излучения при распространении его на одинаковое расстояние в разных средах. Местоположение и размеры дефектов (раковины, трещины и т.д.) определяются по различию в интенсивностях излучения, прошедшего через разные участки просвечиваемого изделия.
Воздействие у-излучения (а также других видов ионизирующего излучения) на вещество характеризуют дозой ионизирующего излучения.
Поглощенная доза излучения — физическая величина, равная отношению энергии излучения к массе облучаемого вещества.
Единица поглощенной дозы излучения — грей (Гр): 1 Гр = = 1 Дж/кг — доза излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж.
Экспозиционная доза излучения — физическая величина, равная отношению суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронами, освобожденными в облученном воздухе (при условии полного использования ионизирующей способности электронов), к массе этого воздуха.
Единица экспозиционной дозы излучения — кулон на килограмм (Кл/кг); внесистемной единицей является рентген (Р): 1Р = 2,58 • 1(Г 4 Кл/кг.
Биологическая доза — величина, определяющая воздействие излучения на организм.
Единица биологической дозы — биологический эквивалент рентгена (бэр): 1 бэр — доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или у-излучения в 1 Р (1 бэр = = 10 -2 Дж/кг).
Какой заряд имеет у-частицы?
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.