МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра технологии и оборудования сварочного производства
Курсовая работа
по дисциплине: «Теоретические основы прогрессивных технологий»
на тему: «Ионизирующие излучения и их практическое использование»
Выполнил: студент группы МП-021
Офицеров Борис
Руководитель: Корчагин И.Б.
Воронеж 2003
Замечания руководителя
Содержание
Введение 4
1. Виды ионизирующих излучений 5
2. Элементарные частицы 7
2.1. Нейтроны 9
2.2. Протоны 10
2.3. Альфа-частицы 11
2.4. Электроны и позитроны 12
3. Гамма-излучение 14
4. Источники ионизирующих излучений 18
5. Изменение свойств материалов и элементов радиоэлектронной аппаратуры под действием ионизирующих излучений 20
6. Дефекты в материалах при воздействии на них ионизирующим излучением 20
7. Практическое использование ионизирующих излучений 21
Заключение 22
Список литературы 23
Введение
Двадцатый век – век научно-технического прогресса – ознаменовался многими открытиями в областях, о которых человек ранее не имел ни малейшего представления. Следствием изучения влияния полупроводников на импульсы электрического тока явилось изобретение вычислительных машин. Итогом проведения учёными исследований в различных отраслях науки и техники стало появление телевидения, радио, средств телефонии и т.д. Изучение свойств некоторых химических элементов привело открытию радиоактивности.
В последние годы большое внимание уделяется изучению характера воздействия ионизирующих излучений на радиотехническую аппаратуру, приборы, элементы электроники и радиотехнические материалы. Сейчас особенное значение имеют разработки в области атомной энергетики. Как известно радиоэлектронная аппаратура является неотъемлемой частью разного рода устройств и приборов, эксплуатация которых производится в полях ядерного излучения. Объект в таком случае подвергается действию импульса проникающей радиации. Такого рода воздействие может явиться следствием, например, ядерного взрыва. Облучённый материал меняет свою структуру, степень ионизации, разогревается. Кроме того, облучение приводит к появлению наведённой радиоактивности и многим другим явлениям, нарушающим физические и химические процессы в технических устройствах. Следовательно, неконтролируемое излучение в большинстве случаев приводит к обратимым или необратимым изменениям параметров радиоэлементов и, в конечном счёте, к полной или частичной потере работоспособности аппаратуры. Таким образом, своевременное предсказание реакции материала, из которого сделан тот или иной прибор, на выброс радиации является необходимым условием успешного контроля над ходом экспериментов в местах ядерного заражения.
Ионизирующие излучения ядерных установок, ядерных взрывов и космической радиации различаются по своему составу (нейтроны, γ-кванты, электроны, протоны, α-, β- и другие частицы), энергетическому спектру, плотности потоков, длительности воздействия и др.
В своей работе я хотел бы раскрыть всю важность и необходимость изучения ионизирующих излучений и показать перспективы их практического применения.
Виды ионизирующих излучений
Ионизирующее излучение – поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды. Они возникают в результате естественных или искусственных радиоактивных распадов веществ, ядерных реакций деления в реакторах, ядерных взрывов и некоторых физических процессов в космосе.
Ионизирующие излучения состоят из прямо или косвенно ионизирующих частиц или смеси тех и других. К прямо ионизирующим частицам относятся частицы (электроны, α-частицы, протоны и др.), которые обладают достаточной кинетической энергией, чтобы осуществить ионизацию атомов путём непосредственного столкновения. К косвенно ионизирующим частицам относятся незаряженные частицы (нейтроны, кванты и т.д.), которые вызывают ионизацию через вторичные объекты.
В настоящее время известно около 40 естественных и более 200 искусственных α-активных ядер. α-распад характерен для тяжелых элементов (урана, тория, полония, плутония и др.). α-частицы - это положительно заряженные ядра гелия. Они обладают большой ионизирующей и малой проникающей способностью и двигаются со скоростью 20000 км/с.
β-излучение - это поток отрицательно заряженных частиц (электронов), которые выпускаются при β -распаде радиоактивных изотопов. Их скорость приближается к скорости света. Бета-частицы при взаимодействии с атомами среды отклоняются от своего первоначального направления. Поэтому путь, проходимый β -частицей в веществе, представляет собой не прямую линию, как у α-частиц, а ломаную. Наиболее высокоэнергетические β-частицы могут пройти слой алюминия до 5 мм, однако ионизирующая способность их меньше, чем у α-частицы.
γ-излучение, испускаемое атомными ядрами при радиоактивных превращениях, обладает энергией от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. Распространяется оно, как и рентгеновское излучение, в воздухе со скоростью света. Ионизирующая способность γ -излучения значительно меньше, чем у α- и β -частиц. γ -излучение - это электромагнитные излучения высокой энергии. Оно обладает большой проникающей способностью, изменяющейся в широких пределах.
Все ионизирующие излучения по своей природе делятся на фотонные (квантовые) и корпускулярные. К фотонному (квантовому) ионизирующему излучению относятся гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или аннигиляции частиц, тормозное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц, характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома и рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и/или характеристического излучений. К корпускулярному ионизирующему излучению относят α-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения. Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (α-, β-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят. Соответственно, корпускулярное излучение, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением.
Нейтронное и гамма излучение принято называть проникающеё радиацией или проникающим излучением.
Ионизирующие излучения по своему энергетическому составу делятся на моноэнергетические (монохроматические) и немоноэнергетические (немонохроматические). Моноэнергетическое (однородное) излучение – это излучение, состоящее из частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией или из квантов одинаковой энергии. Немоноэнергетическое (неоднородное) излучение – это излучение, состоящее из частиц одного вида с разной кинетической энергией или из квантов различной энергии. Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или частиц и квантов, называется смешанным излучением.
Элементарные частицы
В середине и второй половине ХХ века в тех разделах физики, которые заняты изучением фундаментальной структуры материи, были получены поистине удивительные результаты. Прежде всего это проявилось в открытии целого множества новых субатомных частиц. Их обычно называют элементарными частицами, но далеко не все из них действительно элементарны. Многие из них в свою очередь состоят из еще более элементарных частичек.
Мир субатомных частиц поистине многообразен. К ним относятся протоны и нейтроны, составляющие атомные ядра, а также обращающиеся вокруг ядер электроны. Но есть и такие частицы, которые в окружающем нас веществе практически не встречаются. Время их жизни чрезвычайно мало, оно составляет мельчайшие доли секунды. По истечении этого чрезвычайно короткого времени они распадаются на обычные частицы. Таких нестабильных короткоживущих частиц поразительно много: их известно уже несколько сотен.
В 60-70-е годы физики были совершенно сбиты с толку многочисленностью, разнообразием и необычностью вновь открытых субатомных частиц. Казалось, им не будет конца. Совершенно непонятно, для чего столько частиц. Являются ли эти элементарные частицы хаотическими и случайными осколками материи? Или, возможно, они таят в себе ключ к познанию структуры Вселенной? Развитие физики в последующие десятилетия показало, что в существовании такой структуры нет никаких сомнений. В конце ХХ в. физика начинает понимать, каково значение каждой из элементарных частиц.
Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. Казалось, что этих частиц и фотона (кванта электромагнитного поля) достаточно для построения известных форм вещества - атомов и молекул. Вещество при таком подходе строилось из протонов, нейтронов и электронов, а фотоны осуществляли взаимодействие между ними. Однако, вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее лишь знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (пример - фотон). Далее, по мере развития экспериментальной ядерной физики к этим частицам добавилось еще свыше 300 частиц