Синтез ядер: детектирование ядерных излучений

Ядерными реакциями называют превращение одних ядер в другие при взаимодействии с какими-то частицами.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

В начале развития ядерной физики учёные располагали лишь одним «орудием» для «разбития» ядра – это альфа-частицы, которые при радиоактивном распаде излучали радиоактивные препараты.Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом. Он бомбардировал атомы азота α-частицами, в результате получался кислород и вылетал протон.

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

Джеймс Чедвик при бомбардировке α-частицами бериллия обнаружил, что из ядра бериллия вылетает нейтрон и получается ядро углерода.

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

Однако α-частицы не всегда способны разбить ядро, так как они также обладают положительным зарядом и, при определённых условиях, электрическое отталкивание со стороны ядра настолько большое, что α-частица не сможет с ним столкнуться.

Следующий этап исследований ядерных реакций был связан с конструированием ускорителей заряженных частиц (см. Рис. 1). В данных приборах частицы разгонялись и, вылетая из ускорителя, ударялись об исследуемые ядра.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Анализ экономических показателей - исходная информация и решение задач

Оценим за полчаса!

Хотя мощность первых установок была невелика, но разгонявшиеся в них протоны или дейтроны были более эффективными для создания ядерных реакций, чем α-частицы.

Это объясняется тем, что протоны имеют заряд равный единице и энергия электрического отталкивания при взаимодействии с ядром у них в два раза меньше.

Впервые ускоренный протон использовали для взаимодействия с ядром лития , при этом ядро разбивалось на две α-частицы (два ядра гелия).

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

Данная реакция имела большой энергетический выход, около . Ещё больше энергии выделилось при реакции, в которой разогнанный ускорителем дейтрон попал в ядро лития  и также разбил его на два ядра гелия.

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

Характерной особенностью ядерных реакций является выполнение законов сохранения. То есть сумма зарядовых чисел до реакции должна быть равна сумме зарядовых чисел после реакции. Также выполняется закон сохранения массового числа. Однако масса ядер, которые вошли в реакцию, не равны массе ядер, которые вышли из реакции.

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

  • Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал
  • Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

Энергетический выход реакции равен:

  • Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал
  • На примере предыдущей реакции:

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

Эта энергия распределяется между двумя α-частицами.

Каждая такая частица приобретает энергию, следовательно, приобретает скорость. Если вычислить по формулам теории относительности изменение массы этих α-частиц, то, с большой степенью точности, получим закон сохранения масс, учитывая релятивистские эффекты. То есть массу  «уносят» с собой α-частицы.

Третьим этапом исследования ядерных реакций были реакции на нейтронах. Нейтрон является нейтральной частицей, поэтому он не испытывает электрического отталкивания ядра. Следовательно, реакции на нейтронах практически не требуют энергетических затрат (необходимо ждать, пока ядро захватит нейтрон при подходе последнего на расстояние ).

Одна из первых таких реакций была реакция захвата нейтрона ядром алюминия, в итоге оно распадается и образуется ядро натрия, при этом вылетает α-частица.

При бомбардировке ядер изотопа азота  нейтронами образуется изотоп бора . Какая ещё частица образуется в этой реакции? Варианты ответа: 1. протон; 2. 2 протона; 3. 2 нейтрона; 4. α-частица.

  1. Решение
  2. Зарядовое и массовое число установим по законам сохранения.
  3. Общее зарядовое число после реакции должно быть равно 7, следовательно:

Массовое число после реакции должно быть равно 15. У бора оно равно 11, поэтому у неизвестного элемента это число – 4.

Неизвестный элемент имеет заряд равный двум, а массу – четыре. Следовательно, это α-частица.

Ответ: 4. α-частица

Рис. 2. Взрыв водородной бомбы мощностью 57 мегатонн (Источник)

Термоядерная реакция (см. Рис. 2) – реакция синтеза лёгких ядер. Синтез лёгких ядер может происходить только при высоких температурах, так как эти ядра должны разогнаться до энергии, при которой могут сблизиться на расстояние, равное радиусу ядра (). Эта энергия должна быть порядка десятков МэВ.

Например, дейтрон может провести вместе с тритием реакцию синтеза. При этом получается гелий  (очень устойчивое ядро) и выбрасывается нейтрон. Энергетический выход этой реакции равен .

  • Если вступает в реакцию 1 моль дейтерия (2 г) и 1 моль трития (3тг), то произойдёт  (число Авогадро) таких реакций. Следовательно, общий выход энергии будет равен:
  • Чтобы получить такую энергию при сжигании керосина, необходимо  топлива.

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/11-klass/fizika-atomnogo-jadra/yadernye-reaktsii-vydelenie-i-pogloschenie-energii-pri-yadernyh-reaktsiyah-termoyadernye-reaktsii-sinteza-lyogkih-yader

Как неудавшийся ядерный эксперимент случайно породил нейтринную астрономию

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал Наличие нейтрино можно распознать по кольцам излучения Черенкова, появляющимся на вакуумных лампах фотоэлектронных умножителей, расположенных на стенах детектора. Это наблюдение демонстрирует успех методологии нейтринной астрономии. На этом изображении видно сразу множество событий. Иногда даже наиболее удачно разработанные эксперименты проваливаются. Разыскиваемый вами эффект может не произойти, поэтому всегда нужно быть готовым к нулевому результату. В таких случаях эксперимент отметают как неудачный, хотя, не проведя его, вы бы никогда не узнали о его результатах.

И всё же иногда построенный вами агрегат может оказаться чувствительным к чему-то совсем иному. Занимаясь наукой новым способом, с новой чувствительностью или при новых, уникальных условиях, мы часто совершаем самые неожиданные и удачные открытия. В 1987 году неудавшийся эксперимент по обнаружению распада протонов впервые обнаружил нейтрино, пришедшие не только из нашей Солнечной системы, но и снаружи Млечного Пути. Так родилась нейтринная астрономия.

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал Превращение нейтрона в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино – именно такую гипотезу выдвинул Паули, чтобы решить проблему не сохраняющейся в бета-распаде энергии Нейтрино – одна из величайших историй успеха теоретической физики. В начале XX века было известно три типа радиоактивного распада:

  1. Альфа-распад, в котором крупный атом испускает ядро гелия, и перепрыгивает на два элемента вниз по периодической таблице.
  2. Бета-распад, в котором атомное ядро испускает высокоэнергетический электрон, перемещаясь на один элемент вверх по периодической таблице.
  3. Гамма-распад, в котором атомное ядро испускает энергетический фотон, оставаясь в своей ячейке периодической таблицы.

В любой реакции по законам физики изначальные энергия и импульс реагентов должны совпадать с итоговыми энергией и импульсом продуктов реакции. И в случае альфа-распада и гамма-распада так и было. Но при бета-распаде это правило не соблюдалась: энергия всегда терялась. Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал V-образный след, скорее всего, оставил мюон, распадающийся на электрон и два нейтрино. Высокоэнергетический след с переломом свидетельствует о распаде частицы в полёте. Такой распад, если не включать в него нейтрино, нарушит закон сохранения энергии.

В 1930-м Вольфганг Паули предложил ввести новую частицу, которая решит эту проблему: нейтрино. Эта малая нейтральная частица может уносить с собой энергию и импульс, но её чрезвычайно сложно будет засечь. Она не поглощает и не испускает свет, и взаимодействует только с ядрами атомов, к тому же, чрезвычайно редко.

Читайте также:  Строение и процессы жизнедеятельности моллюсков - особенности внутреннего расположения органов

Внеся это предложение, Паули чувствовал себя не уверенным и радостным, а смущённым. «Я сделал нечто ужасное, я заявил о существовании частицы, которую невозможно обнаружить», — объявил он. Но, несмотря на его отговорки, теория была подтверждена экспериментально. Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал Экспериментальный ядерный реактор RA-6, демонстрирующий характерное излучение Черенкова, вызываемое движущимися быстрее света в воде частицами. Нейтрино (или, точнее, антинейтрино), гипотезу о существовании которых впервые выдвинул Паули в 1930-м, были обнаружены в сходном ядерном реакторе в 1956. В 1956 нейтрино (или, точнее, антинейтрино), впервые были напрямую обнаружены в качестве продуктов работы ядерного реактора. Нейтрино могут взаимодействовать с атомным ядром двумя способами:

  • они либо рассеиваются, отскакивая на манер бильярдного шара, врезающегося в кучу других,
  • либо вызывают испускание новых частиц, со своими энергиями и импульсами.

В любом случае можно построить детекторы частиц там, где вы ожидаете взаимодействий с нейтрино, и искать их. Именно так и были найдены первые нейтрино: учёные построили детекторы, чувствительные к признакам присутствия нейтрино, по краям ядерных реакторов. И если воссоздать всю энергию продуктов реакции, включая нейтрино, окажется, что энергия всё-таки сохраняется. Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал Схематическая иллюстрация ядерного бета-распада в массивном атомном ядре. Только учтя энергию и импульс нейтрино, можно удовлетворить законам сохранения В теории, нейтрино должны появляться в любой ядерной реакции: в Солнце, в звёздах и сверхновых, при столкновении высокоэнергетических космических лучей с частицами атмосферы Земли. К 1960-м физики уже создавали детекторы нейтрино в поисках солнечных и атмосферных нейтрино. В этих детекторах нейтрино содержалось большое количество материала, с которым должны были взаимодействовать нейтрино. Чтобы заслонить детекторы от других частиц, их располагали глубоко под землёй: в шахтах. В шахты должны проникать только нейтрино; другие частицы должны быть поглощены Землёй. К концу 1960-х солнечные и атмосферные нейтрино были успешно обнаружены. Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал Золотая шахта Хоумстейк вгрызлась в горы города Лид Южной Дакоты. Она открылась более 123 лет назад, и выдала более 1100 тонн золота с глубины в 2400 м. В 1968 году здесь были обнаружены первые нейтрино, в эксперименте, разработанном Джоном Баколлом и Рэем Дэйвисом.

Технология обнаружения частиц, разработанная для экспериментов с нейтрино и ускорителей высоких энергий, оказалась подходящей и для другого явления: поиска распада протонов. Хотя Стандартная модель физики частиц предсказывает полную стабильность протона, во многих её расширениях – например, в Теориях великого объединения – протон может распадаться на более лёгкие частицы.

Теоретически при распаде протона он должен испускать частицы малой массы на больших скоростях. Если обнаружить энергии и импульсы этих быстро движущихся частиц, то можно воссоздать их общую энергию и понять, был ли это протон. Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал Частицы с высокой энергией могут сталкиваться с другими, вызывая ливни новых частиц, которые можно засечь на детекторе. Воссоздав энергию, импульс и другие свойства каждой из них, мы можем определить, что именно изначально столкнулось, и что появилось в этом событии

Если протоны распадаются, то их время жизни должно быть чрезвычайно большим. Самой Вселенной всего 1010 лет, но время жизни протона должно быть гораздо больше.

Но насколько больше? Ключ к разгадке состоит в том, что надо следить не за одним протоном, а за огромным их количеством.

Если время жизни протона составляет 1030 лет, можно либо взять один протон и ждать так долго (плохая идея), или же взять 1030 протонов и подождать год, наблюдая, не распался ли какой-то из них.

В литре воды содержится чуть больше 1025 молекул, а в каждой молекуле есть два атома водорода: протон с электроном на орбите. Если протон нестабилен, то достаточно большой резервуар с водой с большим количеством детекторов вокруг должен помочь вам либо измерить его стабильность/нестабильность, либо ограничить её.

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал Схема детектора Камиоканде 1980-х годов. Высота бака – около 15 метров. В Японии в 1982 году в шахтах Камиока начали строительство большого подземного детектора. Его назвали KamiokaNDE: Kamioka Nucleon Decay Experiment (эксперимент по распаду ядра Камиока). Он был настолько большим, что вмещал более 3000 тонн воды и порядка 1000 детекторов, оптимизированных так, чтобы обнаружить излучение, испускаемое быстро движущейся частицей.

К 1987 детектор работал уже несколько лет, без единого случая распада протона. В баке содержалось порядка 1033 протонов, и нулевой результат полностью опроверг наиболее популярную теорию среди Теорий великого объединения. Насколько мы можем судить, протон не распадается. Главная цель Камиоканде не была достигнута.

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал Взрыв сверхновой обогащает окружающую её межзвёздную среду тяжёлыми элементами. Внешние кольца появляются из предыдущего материала, выброшенного задолго до главного взрыва. Также при взрыве испускается огромное разнообразие нейтрино, некоторые из которых доходят и до Земли Но затем случилось нечто неожиданное. За 165 000 лет до этого в галактике-спутнике Млечного Пути, массивная звезда дошла до конца своей жизни и взорвалась, породив сверхновую. 23 февраля 1987 года этот свет впервые дошёл до Земли. А за несколько часов до прихода этого света, на Камиоканде произошло нечто замечательное: туда прибыло 12 нейтрино с разницей в 13 секунд. Две вспышки – первая содержала 9 нейтрино, вторая 3 – показали, что в сверхновых происходит довольно много ядерных реакций, порождающих нейтрино. Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал Три различных детектора наблюдали нейтрино от SN 1987A, и наиболее надёжным и успешным это наблюдение провёл Камиоканде. Превращение из детектора распада нуклонов в детектор нейтрино проложило дорогу к разработке такой науки, как нейтринная астрономия Впервые мы обнаружили нейтрино, пришедшие из-за пределов Солнечной системы. Началась нейтринная астрономия. В следующие несколько дней свет от этой сверхновой, сейчас известной как SN 1987A, наблюдали на огромном диапазоне длин волн на многих наземных и космических обсерваториях. На основе крохотной разницы во времени перелёта между нейтрино и светом, мы узнали, что нейтрино:

  • прошли эти 165 000 световых лет со скоростью, неотличимой от скорости света;
  • что их масса не может быть большей, чем 1/30 000 массы электрона;
  • что нейтрино не замедляются во время своего путешествия из ядра сжимающейся звезды до её фотосферы, как это происходит со светом.

И даже сегодня, более чем 30 лет спустя, мы можем изучить остатки сверхновой и посмотреть, как она развивалась. Движущаяся наружу взрывная волна от взрыва 1987 года продолжает сталкиваться с предыдущим выброшенным материалом когда-то массивной звезды, разогревая и подсвечивая его в процессе. Множество обсерваторий продолжают получать изображения останков сверхновой и сегодня.

Научную важность этого результата невозможно переоценить.

Он отметил зарождение нейтринной астрономии, точно так же, как первое обнаружение гравитационных волн от слияния чёрных дыр отметило рождение гравитационно-волновой астрономии.

Тогда родилась многоканальная астрономия, отметив первый раз, когда за одним и тем же объектом наблюдали как в электромагнитном диапазоне (свет) так и посредством другого метода (нейтрино).

Он показал нам потенциал использования крупных подземных баков для обнаружения космических событий. И он заставляет нас надеяться, что когда-нибудь мы сможем провести окончательное наблюдение: событие, в котором свет, нейтрино и гравитационные волны придут все вместе, и научат нас всем принципам работы объектов Вселенной. Окончательным событием многоканальной астрономии было бы слияние двух белых карликов или двух нейтронных звёзд, произошедшее недалеко от нас. Если такое событие случится вблизи Земли, мы сможем одновременно обнаружить нейтрино, свет и гравитационные волны. И благодаря этому результату, эксперимент Камиоканде был хитроумно переименован. Поскольку Kamioka Nucleon Decay Experiment провалился, то KamiokaNDE был отменён. Но потрясающее наблюдение нейтрино от SN 1987A породило новую обсерваторию: KamiokaNDE, Kamioka Neutrino Detector Experiment (эксперимент по обнаружению нейтрино Камиока)! И за последние 30 с лишним лет его много раз обновляли, а по всему миру построили несколько сходных сооружений.

Если бы сверхновая взорвалась сегодня, в нашей Галактике, нам бы посчастливилось зарегистрировать до 10 000 нейтрино, прибывающих в наш детектор.

Все вместе они бы ещё сильнее ограничили бы время жизни протона, которое, как считается сегодня, превышает 1035 лет – но мы строим их не для этого. После каждого катаклизма высокой энергии нейтрино спешат разлететься по Вселенной.

И с работающими детекторами нейтринная астрономия живёт, чувствует себя хорошо, и готова к тому, что посылает нам космос.

Источник: https://habr.com/post/417017/

Глобальная система обнаружения секретных ядерных испытаний

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал
Двадцать лет назад, в 1996 году, члены Организации Объединенных Наций подписали договор о всеобъемлющем запрещении каких-либо ядерных испытаний (Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty, CTBT) в военных целях. На то время более двух третей членов Генеральной Ассамблеи поддержали его, а сегодня эта цифра выросла до 183 стран. Чтобы обнаружить факт проведения тайных подземных ядерных испытаний и предотвратить страны от нарушения договора, в ООН решили создать глобальную сеть датчиков, которые смогут обнаруживать нелегальные ядерные испытания. Эта сеть называется Международной системой мониторинга и состоит из 337 объектов наблюдения по всему миру.

Как выглядят станции обнаружения ядерных испытаний

Она способна мониторить сейсмические, гидроакустические, инфразвуковые и радионуклидные источники энергии, а также может фиксировать не только ядерные испытания, проводимые в любой точке планеты, но и обнаруживает землетрясения, запуски ракет, сверхзвуковые самолеты, песни китов, взрывы метеоритов при входе в атмосферу, звуки разрушающихся айсбергов и многое другое. Международная система мониторинга уже 20 лет успешно слушает планету, с хирургической точностью определяя все аномальные источники энергии, высвобождаемой в результате взрывов или природных явлений, происходящих под землей, под водой и в атмосфере.

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий порталcredit: CTBTO Preparatory Commission
На сегодняшний день, разворачивание Международной системы мониторинга завершено на 85 процентов. После завершения строительства, она будет иметь 337 станций, включая:

  • 50 первичных и 120 вспомогательных сейсмических станций для обнаружения сейсмических волн, генерируемых подземными ядерными испытаниями;
  • 11 гидроакустических станций для обнаружения акустических волн в океане;
  • 60 инфразвуковых станций для обнаружения низкочастотных звуковых волн в атмосфере;
  • 80 радионуклидных станций для обнаружения радиоактивных частиц, освобождаемых при атмосферных взрывах;
  • 16 радионуклидных лабораторий для анализа образцов, собранных радионуклидными станциями.

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий порталПример работы Международной системы мониторинга

Данные, собранные со всех станций, передаются с помощью спутниковой связи в Международный центр данных CTBTO International Data Centre (IDC) в Вене. Центр обработки данных сегодня получает от 10 до 15 гигабайт данных ежедневно, которые затем анализируются его сотрудниками.

Например, в 2006 году датчики зафиксировали факт проведение подземного ядерного испытания в Северной Корее. Это тоталитарное государство провело еще два аналогичных испытания в 2009 и 2013 годах.

Еще одним примером, демонстрирующим отличную работу Международной системы мониторинга, может послужить метеор, который пронесся по небу над Челябинском в 2013 году. Инфразвуковые станции четко зафиксировали взрыв метеорита в атмосфере 15 февраля 2013 года.

Данные, записанные с помощью датчиков, помогли ученым определить местонахождение метеора, измерить величину высвобожденной энергии и определить размеры метеорита.

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий порталТочно так же, когда в 2011 году в Японии взорвалась АЭС Фукусима, инфразвуковые станции обнаружили этот взрыв, а датчики анализа проб атмосферы смогли зафиксировать распространение радиоактивных частиц по всему земному шару. В том же 2011 году сейсмические станции Международной системы мониторинга зафиксировали землетрясение у берегов Японии и последовавшее за ним сильнейшее цунами.Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий порталДля вступления в силу Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, его должны подписать и ратифицировать все 44 страны, которые обладают ядерными технологиями.

На сегодняшний день Китай, Египет, Иран, Израиль, Соединенные Штаты, Индия, Пакистан и Северная Корея не ратифицировали его.

А это значит, что не существует международного механизма наложения санкций на страну, нарушившую этот договор.

credit: CTBTO Preparatory Commission
Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

Источник: https://fshoke.com/2017/01/05/ctbto-globalnaya-sistema-obnaruzheniya-sekretnyx-yadernyx-ispytanij/

Виды радиоактивных излучений

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.

Что такое радиация

Для начала дадим определение, что такое радиация:

Читайте также:  Бюджетирование как инструмент управления - что это такое и описание процесса

В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов.

Подобное излучение называют — ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение, или еще проще радиация.

К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.

Радиация — это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов и мюонов. От того, какой элемент излучается, зависит вид радиации.

Ионизация — это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Виды радиации

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

Альфа, бета и нейтронное излучение — это излучения, состоящие из различных частиц атомов.

Гамма и рентгеновское излучение — это излучение энергии.

Альфа излучение

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

  • излучаются: два протона и два нейтрона
  • проникающая способность: низкая
  • облучение от источника: до 10 см
  • скорость излучения: 20 000 км/с
  • ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: высокое

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение — это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света.

Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения.

Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие.

Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

Нейтронное излучение

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

  • излучаются: нейтроны
  • проникающая способность: высокая
  • облучение от источника: километры
  • скорость излучения: 40 000 км/с
  • ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: высокое

Нейтронное излучение — это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Также нейтронная радиация излучается звездами, в которых идут активные термоядерные реакции.

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

Бета излучение

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

  • излучаются: электроны или позитроны
  • проникающая способность: средняя
  • облучение от источника: до 20 м
  • скорость излучения: 300 000 км/с
  • ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: среднее

Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.

При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.

Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.

Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.

  • Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.
  • Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.
  • Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.

Гамма излучение

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

  • излучаются: энергия в виде фотонов
  • проникающая способность: высокая
  • облучение от источника: до сотен метров
  • скорость излучения: 300 000 км/с
  • ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: низкое

Гамма (γ) излучение — это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов.

Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.

Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения

Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла.

Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона.

Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.

Основная опасность гамма излучения — это его способность преодолевать значительные расстояния и оказывать воздействие на живые организмы за несколько сотен метров от источника гамма излучения.

Рентгеновское излучение

  • излучаются: энергия в виде фотонов
  • проникающая способность:высокая
  • облучение от источника: до сотен метров
  • скорость излучения: 300 000 км/с
  • ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
  • биологическое действие радиации: низкое
  1. Рентгеновское излучение — это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.
  2. Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.
  3. Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.
  4. Каждое из рассмотренных излучений опасно!

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

характеристика Вид радиации
Альфа излучение Нейтронное излучение Бета излучение Гамма излучение Рентгеновское излучение
излучаются два протона и два нейтрона нейтроны электроны или позитроны энергия в виде фотонов энергия в виде фотонов
проникающая способность низкая высокая средняя высокая высокая
облучение от источника до 10 см километры до 20 м сотни метров сотни метров
скорость излучения 20 000 км/с 40 000 км/с 300 000 км/с 300 000 км/с 300 000 км/с
ионизация, пар на 1 см пробега 30 000 от 3000 до 5000 от 40 до 150 от 3 до 5 от 3 до 5
биологическое действие радиации высокое высокое среднее низкое низкое

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.

Коэффициент k
Вид излучения и диапазон энергий Весовой множитель
Фотоны всех энергий (гамма излучение) 1
Электроны и мюоны всех энергий (бета излучение) 1
Нейтроны с энергией < 10 КэВ (нейтронное излучение) 5
Нейтроны от 10 до 100 КэВ (нейтронное излучение) 10
Нейтроны от 100 КэВ до 2 МэВ (нейтронное излучение) 20
Нейтроны от 2 МэВ до 20 МэВ (нейтронное излучение) 10
Нейтроны > 20 МэВ (нейтронное излучение) 5
Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи) 5
Альфа-частицы, осколки деления и другие тяжелые ядра (альфа излучение) 20

Источник: https://doza.pro/art/types_of_radiation

Центр ядерно-физических данных

Синтез ядер. Детектирование ядерных излучений - Студенческий портал

В Институте ядерной и радиационной физики РФЯЦ-ВНИИЭФ начиная с 1973 г.

ведутся работы по компиляции экспериментальных данных, получаемых в реакциях взаимодействия легких ядер с заряженными частицами. В 1997 г.

по приказу министра Атомной энергии в РФЯЦ-ВНИИЭФ был организован Центр ядерно-физических данных (ЦЯФД) в отделе ядерно-физических методов исследований и диагностики.

В настоящее время ЦЯФД активно занимается сбором и обработкой данных по реакциям взаимодействия заряженных частицах с ядрами подробнее…

Разработки Базы данных
SaBa EXFOR
Библиотека оценнных и экспериментальных данных по взаимодействию заряженных частиц с легкими ядрами подробнее… Включает в себя экспериментальных данные по реакциям взаимодействия нейтронов, заряженных частиц и гамма-квантов с ядрами. В библиотеке представленные различные виды данных: сечения, функции возбуждения, выходы, угловые и энергетические распределения и т.д. Фактографические данные сопровождаются текстовой информацией, содержащей библиографические и описательные данные.
Проект АФГИР ENDF
Компиляция и оценка сечений ядерных реакций, вызванных альфа-частицами, для нужд астрофизикиподробнее… Содержит оцененные данные по реакциям взаимодействия нейтронов, заряженных частиц и гамма-квантов с ядрами. Библиотека включает в себя данные по нейтронным сечениям, выходам продуктов реакции, тепловому рассеянию нейтронов, фотоатомным взаимодействиям, данные по образованию радионуклидов и распаду, а также данные по заряженным частицам и фотоядерные данные.
INPGRAPH ENSDF
Программа оцифровки первичной графической информации подробнее… Содержит оцененные данные по структуре ядра, которые включают в себя информацию по свойствам уровней: энергии уровней, виды распада, интенсивности распада, энергии гамма-квантов, а также значения периодов полураспада и другие свойства ядер в основном и метастабильном состояниях.
Exfor-Editor NSR
Программное обеспечение по вводу, обработке и записи в формате EXFOR фактографических данных подробнее… Включает в себя литературные ссылки на данные по ядерной физике для низких и средних энергий и охватывает периодические издания, начиная с 1910 г.
DOWNLOAD CINDA
Материалы доступные для скачивания подробнее… Содержит библиографические ссылки на экспериментальные данные по ядерным реакциям и на расчетные данные, обзоры, компиляции и оценки по нейтронным реакциям и данным по спонтанному делению.

Источник: http://www.vniief.ru/partnership/nucleardatacenter/

Ссылка на основную публикацию