Гамма-излучение возникает тогда, когда ядра — продукты радиоактивного превращения оказываются сначала в состоянии с избыточной энергией, а затем переходят в нормальное невозбужденное состояние. Как было сказано, γ-излучение испускается при переходах ядер из возбужденных энергетических состояний в основное или менее возбужденные состояния, а также при ядерных реакциях.
Следует подчеркнуть, что гамма-излучение не является самостоятельным типом радиоактивности. Оно сопровождает процессы α- и β-распадов и не вызывает изменения заряда и массового числа ядер. Установлено, что γ-лучи испускаются дочерним ядром, которое в момент образования оказывается возбужденным. Снятие энергии возбуждения ядра происходит за время 10-12÷10-13с, что значительно меньше времени жизни возбужденного атома ~10-8с.
1.3 Свойства радиоактивных излучений
Альфа-излучение.Альфа-излучение — это поток α-частиц, т. е. ядер атомов гелия. Альфа-частицы вылетают из ядер радиоактивных элементов с большой кинетической энергией — несколько миллионов электрон-вольт, что соответствует значениям скорости 109см/сек (напомним для сравнения, что скорость света в вакууме равна 3·1010см/сек). Движущиеся α-частицы можно отклонить сильными электрическим и магнитным полями. α-частицы способны проникать через тонкие слои вещества. Проходя через вещество, α-частицы претерпевают множество соударений с атомами. Часть соударений приводит к возбуждению атомов, т. е. к переводу электронов на орбиту с большим значением энергии. Возбужденные атомы спустя весьма короткое время возвращаются в нормальное состояние с испусканием света. Взаимодействие α-частиц с электронной оболочкой атомов может вызвать отрыв электронов от атомов, т. е. их ионизацию.
В результате этих процессов α -частица теряет свою энергию и замедляется. Хотя в каждом акте соударения α-частица расходует лишь небольшую долю своей начальной энергии, однако из-за чрезвычайно большого числа актов соударения на единице пути она быстро замедляется, пробегая до своей полной остановки сравнительно короткий путь. Длина пробега α-частицы в воздухе не превышает нескольких сантиметров. Число ионов, создаваемых α-частицей на единице пути (т.н. плотность ионизации) в воздухе, очень велико— несколько десятков тысяч на сантиметр.
Бета-излучение.Бета-излучение представляет поток электронов, движущиеся с весьма большой скоростью, приближающейся к скорости света.
При распаде ядер одного и того же изотопа испускаются β-частицы с разным значением энергии. Наибольшее значение энергии β-частиц является величиной, характерной для данного изотопа. Оно называется верхней границей β-спектра. Верхние границы β-спектра различных изотопов лежат в интервале от нескольких десятков кэВ до 15МэВ. Для большинства β-активных изотопов верхняя граница β-спектра заключена между несколькими кэВ и 2МэВ.
Движущиеся β-частицы отклоняются электрическим и магнитным полями в сторону, противоположную отклонению α-частиц. Проходя через вещество, β-частицы подобно α-частицам возбуждают и ионизуют атомы среды. Однако в силу большей скорости и меньшего заряда β-частицы претерпевают на единице пути меньше соударений, чем α-частицы. Поэтому длина пробега у β-частиц больше, а вызванная ими плотность ионизации меньше, чем для α-частиц той же энергии. Длина пробега в воздухе для β-частиц средней энергии (порядка одного МэВ) составляет несколько метров. β-частицы, пролетая в электрическом поле ядер встречных атомов, заметно отклоняются в сторону от первоначального направления. Поэтому пучок β-лучей сильно рассеивается в веществе.
β+-частицы (позитроны), отличаясь от электронов знаком заряда, отклоняются электрическим и магнитным полями в ту же сторону, что и α-частицы. β+- и β--частицы тормозятся и рассеиваются в веществе одинаково.
γ-лучи.γ-излучение представляет собой жесткое электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света. Фотоны γ-излучения не обладают зарядом и поэтому не отклоняются электрическим и магнитным полями. Энергия γ-фотонов имеет значения, достигающие нескольких МэВ.
γ-излучение взаимодействует с веществом значительно слабее, чем β-излучение, и проходит в воздухе пути в сотни метров, а в твердых телах—сантиметры или десятки сантиметров, в зависимости от их плотности и энергии γ-фотонов.
В отличие от α - и β-частиц γ-фотоны поглощаются в одном или нескольких актах взаимодействия с атомами вещества, вызывая при этом появление вторичных электронов. Вторичные электроны производят ионизацию атомов окружающей среды.
Кинетическая энергия α- и β-частиц и энергия γ-фотонов в конечном счете переходит в тепловую энергию. Это проявляется в повышении температуры среды, поглотившей излучение.
2. Квантовая теория
2.1 История развития квантовой механики
Квантовая теория родилась в 1900 г., когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением. Вывод, который долгое время ускользал от других ученых. Как и его предшественники, Планк предположил, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этом считал, что энергия осцилляторов (и, следовательно, испускаемого ими излучения) существует в виде небольших дискретных порций, которые Эйнштейн назвал квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотя выведенная Планком формула вызвала всеобщее восхищение, принятые им допущения оставались непонятными некоторое время, так как противоречили классической физике. В 1905 г. Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта – испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором на протяжении двух столетий было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при определенных обстоятельствах может вести себя и как поток частиц.
Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для элементарных частиц, любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями. Эти порции состоят из целого числа квантов с энергией таких, что эта энергия пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:
Ε = h*v
где h — постоянная Планка.
Примерно через восемь лет Нильс Бор распространил квантовую теорию на атом и объяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или в электрическом заряде. Эрнест Резерфорд показал, что масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущем положительный электрический заряд и окруженном на сравнительно больших расстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом в целом электрически нейтрален.
Бор предположил, что электроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что «перескок» электрона с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит. Частота, по теории Планка, пропорциональна энергии фотона. Таким образом, модель атома Бора установила связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой. Несмотря на первоначальный успех, модель атома Бора вскоре потребовала модификаций, чтобы избавиться от расхождений между теорией и экспериментом. Кроме того, квантовая теория на той стадии еще не давала систематической процедуры решения многих квантовых задач.
Новая существенная особенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда де Бройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом характере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с ее энергией, как в случае фотона (частицы света), но предложенное де Бройлем математическое выражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы и ее скоростью (импульсом). Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Клинтоном Дж. Дэвиссоном и Лестером Г. Джермером в Соединенных Штатах и Дж. П. Томсоном в Англии.
В свою очередь это открытие привело к созданию в 1933 г. Эрнестом Руской электронного микроскопа.
Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля Шрёдингер предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая им в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории Шрёдингера были близки к скорости света, что требовало включения в нее специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях.
Одной из причин постигшей Шрёдингера неудачи было то, что он не учел наличия специфического свойства электрона, известного ныне под названием спина (вращение электрона вокруг собственной оси наподобие волчка), о котором в то время было мало известно. Следующую попытку Шрёдингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шредингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории.