Курсовая работа
Выполнил студент гр. 110129 Малиновский А.А.
БГПА
Кафедра физики
Минск 2000
АЛЬФА-ЛУЧИ. а-лучи — один из видов излучений радиоактивных атомных ядер; состоят из а-частиц.
Основным источником А.-л. являются естественные радиоактивные изотопы, многие из которых испускают при распаде а-частицы с энергией от 3,98 до 8,78 МэВ. Благодаря большой энергии, двукратной (по сравнению с другими видами ионизирующих излучений) скорости движения (от 1,4·109 до 2,0·109 см/с) а-частицы создают очень большое число ионов, густо расположенных по их пути (до 254 тыс. пар). При этом они быстро расходуют свою энергию, превращаясь в обычные атомы гелия. Пробеги а-частиц в воздухе при нормальных условиях — от 2,5 до 8,17 см; в биологических средах — сотые доли миллиметра.
Линейная плотность ионизации, создаваемой а-частицами, достигает нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях.
Ионизация, производимая А.-л., обусловливает ряд особенностей в тех химических реакциях, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.). Эти радиохимические реакции, протекающие в биологических тканях под воздействием А.-л., в свою очередь, вызывают особую, большую, чем у других видов ионизирующих излучений, биологическую эффективность А.-л. По сравнению с рентгеновским, β- и γ-излучением относительная биологическая эффективность а-излучения (ОБЭ) принимается равной 10, хотя в различных случаях она может изменяться в широких пределах. Как и другие виды ионизирующих излучений, А.-л. применяются для лечения больных с различными заболеваниями.
БЕТА-ЛУЧИ, бета-частицы—поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при их β -распаде. Масса β -частиц в абсолютном выражении равна 9,106·10-28 г. Б.-ч. могут иметь отрицательный заряд электричества, если состоят из потока электронов, и положительный, если состоят из потока позитронов. Имея заряд, Б.-ч. под действием электрического и магнитного полей отклоняются от прямолинейного направления. Б.-ч. одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии. Это объясняется природой β-распада радиоактивных ядер, при котором образующаяся энергия распределяется между дочерним ядром, β-частицей и нейтрино в различных соотношениях (нейтрино — нейтральная частица с массой, близкой к нулю, возникающая при β-распаде). Таким образом, энергетический спектр Б.-ч.— сложный и непрерывный, т. е. от нуля до какого-то максимального значения. Максимальная энергия лежит в пределах от 0,018 до 13,5 МэВ. Б.-ч. распространяются в среде со скоростью порядка 1·1010 — 2,89·10'° см/с, что составляет 0,29—0,99 скорости света.
Путь (пробег) Б.-ч. в средах различен и зависит от энергии частиц и плотности среды. Мягкие β-лучи (с энергией меньше 0,1 МэВ) проходят путь в воздухе 10 см, в биологических тканях 0,16 мм, а жесткие (с энергией больше 1 МэВ) —соответственно 11 и 17,5 мм. Проникающая способность Б.-ч. примерно в 100 раз выше, чем а-частиц.
Большую часть своей энергии при взаимодействии Б.-ч. тратят на ионизацию и возбуждение атомов среды и частично на рассеяние.
Полная и удельная ионизация, создаваемая Б.-ч., значительно меньше, чем у а-частиц. При энергии Б.-ч., равной 0,045 МэВ, плотность ионизации в воздухе составляет 23 пары, а при энергии в 1 МэВ — только 5 пар ионов на 1 мм пути. Такое взаимодействие характерно для мягкого (3-излучения. У Б.-ч. высоких энергий наряду с указанной формой потери энергии имеет место взаимодействие с полем ядра. Проходя вблизи ядра, такие Б.-ч. тормозятся, на что тратят часть своей энергии. Последняя излучается в виде квантов тормозного рентгеновского излучения, интенсивность которого возрастает с увеличением порядкового номера вещества-поглотителя. Поэтому для защиты от β-излучения используются материалы, состоящие из элементов с малым порядковым номером (стекло, алюминий, плексиглас, полимеры и др.). Патогенетическое действие Б.-ч. на организм животного зависит от длительности воздействия и дозы поглощенной энергии.
Радиоактивные изотопы, излучающие Б.-ч., широко применяются в опытах на животных (метод меченых атомов) при изучении различных сторон жизнедеятельности организма.
ГАММА-ЛУЧИ, γ-лучи — коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами. Г.-л. наблюдаются при радиоактивном превращении атомных ядер и ядерных реакциях. На ранних этапах развития ядерной физики так было названо излучение, испускаемое радиоактивными веществами, которое в отличие от а- и β-лучей не отклонялось электрическим и магнитным полями и обладало значительно большей проникающей способностью (рис. 1). Позже было установлено, что в отличие от а- и β-рас-пада γ -переходы происходят между различными энергетическими состояниями одного и того же ядра без изменения его заряда, атомного номера 2 и массового числа А.
Термин «γ-лучи» в некоторых случаях применяется также для обозначения электромагнитного излучения любой природы, если его энергия больше 100 кэВ. Так, коротковолновое излучение, возникающее при ускоренном движении быстрых заряженных частиц, иногда называют рентгеновскими лучами сплошного спектра, если энергия излучения меньше ~ 100 кэВ, и γ -лучами сплошного спектра, если его энергия боль-ше~ 100 кэВ
При радиоактивном распаде ядер обычно наблюдаются γ -кванты с энергиями от~10 кэВ до ~5 МэВ, а при ядерных реакциях встречаются Г.-л. и с большими энергиями — до 20 МэВ. Энергия γ -кванта, испускаемого при переходе возбужденного ядра в более низкое энергетическое соотношение, равна разности энергии уровней i и f, между которыми происходит γ -переход:
е =еi -Ef
Вследствие этого γ -излучение ядер имеет линейчатый спектр. В отличие от оптики, где под спектром понимается распределение энергии получения по длинам волн, γ -спектр представляется в виде распределения числа γ-квантов по энерги-,ям. γ -лучи поглощаются органами и тканями слабее, чем рентгеновские. Поэтому γ-лучевое воздействие относительно равномерное. Рентгеновские лучи, имеющие меньшую энергию, дают более неравномерное дозное распределение из-за поглощения их кожей и нижележащими тканями. Это следует иметь в виду при облучении экспериментальных животных и в клинической практике.
Космические лучи. До создания мощных ускорителей заряженных частиц космическое излучение было единственным источником частиц с энергией, достаточной для образования мезонов и гиперонов. Позитрон, мюоны, π-мезоны и многие странные частицы (см. § 79) были обнаружены в составе космических лучей.
Различают первичные и вторичные космические луч и. Первичные лучи представляют собой непрерывно падающий на Землю поток атомных ядер (в основном протонов) высокой энергии (в среднем ~ 10 ГэВ, энергия отдельных частиц достигает 1010 ГэВ). Частицы первичных космических лучей претерпевают неупругие столкновения с ядрами атомов в верхних слоях атмосферы, в результате чего возникает вторичное излучение. На высотах ниже 20 км космические лучи практически полностью носят вторичный характер. Во вторичном излучении встречаются вес известные в настоящее время элементарные частицы.
Интенсивность первичных космических лучей на границе атмосферы (т. е. на высоте ~ 50 км) составляет примерно 1 част/(см2-с). Поток заряженных частиц на уровне моря равен в среднем ~2·10-2 част/(см2-с). Существование магнитного поля Земли приводит к тому, что интенсивность космических лучей меняется с широтой. Это явление называется широтным эффектом.
С помощью приборов, установленных на искусственных спутниках Земли и космических ракетах, были открыты вблизи Земли радиационные пояса, которые представляют собой две окружающие Землю зоны с резко повышенной интенсивностью ионизирующего излучения. Их существование обусловлено захватом и удержанием заряженных космических частиц магнитным полем Земли. В плоскости экватора внутренний пояс радиации простирается от 600 до 6000 км, внешний пояс —от 20000 до 60000 км. На широтах 60—70° оба пояса приближаются к Земле на расстояние в несколько сот километров.
В составе вторичных космических лучей имеются две компоненты. Одна из них сильно поглощается свинцом и поэтому была названа мягкой; вторая же проникает через большие толщи свинца и получила название жесткой.
Мягкая компонента состоит из каскадов пли ливней электронно-позитронных пар. Возникший в результате распада π° -мезона (см. (69.4)) или резкого торможения быстрого электрона γ-фотон, пролетая вблизи атомного ядра, создает электронно-позитронную пару. Торможение этих частиц снова приводит к образованию γ-фотонов, и т. д. Процессы рождения нар и возникновения γ-квантов чередуются друг с другом до тех пор пока энергия γ-фотонов не станет недостаточной для образования пар. Поскольку энергия первоначального фотона бывает очень большой, успевает возникнуть много поколений вторичных частиц, прежде чем прекращается развитие ливня.
Жесткая, проникающая компонента космических лучей состоит в основном из мюонов. Ее образование происходит преимущественно в верхних и средних слоях атмосферы за счет распада заряженных π-мезонов.
С появлением ускорителей, позволяющих ускорять частицы до энергий в сотни ГэВ, космические лучи утратили свое исключительное значение при изучении элементарных частиц. Однако они по-прежнему остаются единственным источником частиц сверхвысоких энергий.
ДОЗИМЕТРИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА — служит для из мерения уровней воздействия излучений. В соответствии с видами дозиметрического контроля Д. а. делится на шесть групп.
К первой группе относятся приборы, предназначенные для измерения мощности дозы у-лучей и потоков нейтронов. Для измерения мощности дозы y-лучей от 0,5 мкР/с и выше используются микроренгенметры — переносные приборы с питанием от сети переменного тока (типа «Кактус») и батарейным питанием; датчиками в них являются ионизационные камеры, стенки которых изготовлены из воздухоэквивалентных материалов (например из плексигласа).