В.Б. Лукьянов - Радиоактивные индикаторы в химии, страница 4

Переход ядра с метастабильного уровня на основной называется изомерным переходом(ИП). Он сопровождается, как правило, испусканием у-кванта (насхемах распада обозначается вертикальной стрелкой, направленнойвниз). При изомерном переходе заряд и массовое число не меняются:Еще раз подчеркнем, что у-излучение характеризует особый тип распадалишь при изомерном переходе. Очень часто другие типы распада также сопроизлчевождаются 7" У нием. В результате любого радиоактивного процесса дочернее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Однако если энергиявозбуждения излучается в виде 7 - к в а н т о в практически одновременно с актомраспада, который привел к возбужденному состоянию ядра, то не имеет смыслаговорить о самостоятельном типе распада (см.

рис. 2, 3, 6).Советскими учеными в Дубне было показано, что некоторые тяжелые ядра (например, 242Атп) могут переходить из метастабильногоизомерного состояния в основное также посредством деления на дваосколочных ядра. Этот вид деления отличается от рассматриваемогониже спонтанного деления ядер несравнимо большей скоростью процесса.Переход возбужденного ядра в состояние с меньшей энергией может осуществляться также и путем непосредственной передачи энергии возбуждения электрону из окружающей ядро электронной оболочки.

Такой процесс называют внутренней конверсией 7-излучения.Ранее внутреннюю конверсию рассматривали как особый вид «внутреннего фотоэффекта», обусловленного передачей орбитальному электрону всей энергии 7~ ква нта, образующегося при переходе возбужден14ного ядра на основной уровень. Сейчас принято считать, что внутренняя конверсия обусловлена непосредственной передачей энергии возбуждения ядра одному из внутренних электронов без промежуточногообразования у-кванта. В отличие от (3-частиц электроны внутреннейконверсии имеют дискретный спектр.

Их энергия меньше энергии7-кванта, который мог бы быть испущен при переходе возбужденногоядра в основное состояние, на значение энергии связи электрона в атоме. Конверсия сопровождается также испусканием вторичного электромагнитного излучения, обусловленного заполнением освободившейся вакансии в электронной оболочке электронами с внешних орбиталей. Процесс внутренней конверсии может сопровождать не толькоизомерный переход, но и у-излучение, сопутствующее другим видамраспада.К ядерным превращениям, встречающимся сравнительно редкоу нуклидов, используемых в качестве радиоактивных индикаторов,относятся спонтанное деление, испускание запаздывающего нейтронаили протона.Спонтанное (самопроизвольное) деление — процесс радиоактивного распада, при котором материнское ядро расщепляется на дваосколка с близкими массами.

Этот процесс наблюдается у ядер тяжелых элементов. Например, при делении ядра урана могут образоватьсяосколочные ядра Ва и Кг, La и Вг и т. д. Каждый акт деления сопровождается испусканием одного или нескольких нейтронов. Процессделения принято обозначать буквой f.Помимо нейтронов, непосредственно сопутствующих делению,возможно испускание так называемых запаздывающих нейтронов.Такой тип радиоактивного распада имеет место, когда энергия возбуждения осколочного ядра, претерпевающего (3~-распад, превышаетэнергию связи нейтрона в ядре. В этом случае процесс Р"-распадасопровождается испусканием нейтронов, причем периоды полураспадаобоих процессов равны. Испускание запаздывающих (по отношениюк актам деления) нейтронов часто наблюдается у осколочных ядер,образующихся в результате вынужденного деления (например, поддействием нейтронов, см.

гл. I, § 4, 3).По аналогичному механизму после |3+-распада может быть испущензапаздывающий протон.§ 2. ВЗАМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ1. Эффекты, сопровождающие прохождение излучениячерез веществоПроходя через вещество, ядерное излучение взаимодействует сатомами (молекулами), электронами и ядрами. Характер взаимодействия зависит от видай энергии излучения, а также от свойств поглощающего вещества. Взаимодействие заряженных частиц и v-квантовс ядрами существенно только при высоких энергиях и больших потоках частиц или ^-квантов. Для обычно применяемых радионуклидов,используемых к тому же в индикаторных количествах, вероятностьпроцессов взаимодействия ядерного излучения с ядрами среды невелика.

Поэтому энергия излучения расходуется главным образомна взаимодействие с электронами (в частности, со связанными электронами — в этом случае говорят о взаимодействии излучения с атомами или молекулами среды).Различают два типа взаимодействия — упругое и неупругое. Приупругом взаимодействии сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц (или фотонов и частиц) не изменяется, происходит лишьперераспределение энергии между участниками взаимодействия. Такие процессы не представляют для нас интереса (кроме случая, когдав результате упругого взаимодействия часть энергии у-кванта передается свободному электрону).

При неупругом взаимодействии суммакинетических энергий участников взаимодействия уменьшается, таккак часть кинетической энергии переходит в другие формы (энергиювозбуждения, энергию разрыва связей и т. п.) и в конечном счете рассеивается в виде теплоты и длинноволнового излучения.Для характеристики энергии, поглощенной в единице массы облучаемойсреды, используют величину, называемую поглощенной дозой излучения (илипросто дозой излучения). От уровня дозы зависит, в частности, степень биологического действия излучения.

Вопросы, связанные с изучением воздействия радиоактивных излучений на организм человека (элементы радиобиологии и радиационной медицины), измерением и расчетом доз ионизирующих излучений(дозиметрия), а также организацией защиты от ионизирующих излучений, сталипредметом специальной дисциплины — радиационной безопасности.Заряженные частицы (а-, (3-) непосредственно оказывают сильноеионизирующее действие на вещество, в котором распространяетсяизлучение: их неупругое взаимодействие с электронами атомов и молекул среды сопровождается потерями энергии на ионизацию и возбуждение атомов и молекул.

Взаимодействие ^-квантов со средойприводит к образованию относительно небольшого числа электронов(а в некоторых случаях и позитронов), которые вызывают дальнейшуюионизацию среды. Поэтому ^-излучение часто называют косвенно ионизирующим.Ионизирующее действие излучения характеризуют линейной ионизацией — числом пар ионов, образуемых частицей или у-квантом наединицу длины пути.Ионизирующее действие излучений широко используется для ихрегистрации.

С ионизирующим действием связан ряд вторичных эффектов, которые также используются для регистрации излученияили измерения доз, создаваемых радиоактивными веществами.Возбужденные атомы и молекулы, которые вместе с ионами образуются вдоль пути ионизирующей частицы, могут переходить восновное состояние, испуская электромагнитное излучение. У некоторых веществ часть спектра этого излучения лежит в видимой илиультрафиолетовой областях, поэтому прохождение излучения черезтакие вещества сопровождается короткой вспышкой (сцинтилляцией).На этом принципе основаны сцинтилляционные методы регистрацииизлучения.16Энергия возбуждения многоатомных молекул может расходоваться на их диссоциацию с образованием химически активных атомови радикалов. Далее возможны столкновения возбужденных атомови радикалов ме^кду собой и с другими молекулами, в результате чегопротекают различные химические реакции, в частности реакции окисления •—восстановления.

Так, например, в слабом водном растворесерной кислоты, содержащем ионы Fe2+, в процессе облучения происходит накопление ионов Fe3+. Этот принцип использован в работехимических дозиметров, предназначенных для измерения больших доз.Одним из видов химического действия ядерных излучений являетсяих способность воздействовать на фотографические эмульсии; на этомоснованы фотографические (радиографические) методы регистрацииизлучений.Основная часть энергии ядерного излучения, поглощаемого веществом, рассеиваясь, в конце концов превращается в теплоту.

Наопределении количества теплоты, пропорционального количествучастиц или квантов и их энергии, базируются калориметрические методы регистрации излучений.От характера взаимодействия излучения с веществом зависит проникающая способность излучения, знать которую необходимо длярешения многих задач (таких, как выбор метода регистрации излучения, оценка абсолютной радиоактивности препарата по результатам радиометрических определений, расчет толщины защитных экранов). Далее будут более подробно рассмотрены вопросы поглощения(ослабления) излучения в веществе.2. Поглощение а-частицПри прохождении а-частиц через вещество их энергия расходуетсяглавным образом на взаимодействие с электронами атомов и молекулсреды, что приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул.а-Частицы обладают большой линейной ионизацией — в среднем4они создают в воздухе примерно 4-Ю пар ионов на 1 см пути.Чтобы оценить проникающую способность заряженных частиц,пользуются понятием пробега.

Пробегом а-частиц называется длинатраектории (трека) в данном веществе. Треки а-частиц обычно прямолинейны. Это связано с тем, что масса а-частицы примерно в 7000 разбольше массы электрона. Взаимодействуя с электронами среды, а-частицыполучают импульс, который слишкоммал, чтобы заметно отклонить их отпрямолинейного пути.На рис.

7 показано распределениечисла а-частиц в параллельном пучке взависимости от толщины поглощающегоясрьслоя. Не все а-частицы с равной начальной энергией имеют одинаковый P l ! C - 7- Поглощение а-частиц:пробег, что вызвано статистическимиf ^ ™ ™ " ^ ™флуктуациями как в числе соударении,бег а.ЧаСТиц17так и в потере энергии при каждом соударении.

Обычно пользуютсязначением среднего пробега а-частиц в веществе, который определяется как абсцисса точки перегиба правого участка кривой, изображенной на рис. 7.Проникающая способность а-частиц мала. Их средние пробегив воздухе при нормальных условиях не превышают 10 см. а-Частицыс такими энергиями полностью поглощаются листом писчей бумаги.3. Осабление (2-излученияПотери энергии ^-излучением. Как и а-частицы, |3-частицы расходуют свою энергию в основном на ионизацию и возбуждение атомови молекул вещества, в котором распространяется излучение.

Крометого, Р-частицы могут терять энергию при замедлении их в поле ядер,что вызывает появление квантов электромагнитного излучения (такназываемое тормозное излучение). Потери энергии на тормозное излучение пропорциональны кинетической энергии электрона и квадратуатомного номера поглощающего материала Z1. В свинце, например,потери энергии на тормозное излучение становятся равны потерям наионизацию при начальной энергии электронов Е =- 10 МэВ. Для (3частиц, испускаемых обычно употребляемыми радионуклидами, потери энергии на это излучение крайне малы по сравнению с ионизационными потерями.Линейная ионизация, создаваемая Р-частицами, примерно в 1000раз меньше линейной ионизации а-частиц такой же энергии.