Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 133
Текст из файла (страница 133)
у-Спектр — это распределение числа у-квантов во энергиям (такое же толкование ()-спектра дано в $258). Дискретность у-спектра имеет принципиальное значение, так как являетсн доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер. В настоящее время твердо установлено, чта у-излучение испускается дочерним (а не материнским) ядром. Дочернее ядро в момент своего образования, оказываясь возбужденным, за времи примерно )О " †!О " с, значительно меньшее времени жизни возбужденного атома (примерно )О ос), переходит в основное состояние с испусканием у-излучения. Возвращаясь в основное состояние, воз. бужденное ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому у-излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп у-квантов, отличающихся одна от другой своей энергией.
При у-излучении А и Л ядра не изменяются, поэтому оно не описывается никакими правилами смешения. Т-Излучение большинства ядер является столь коротковолновым, чта ега волновые свойства проявляются весьма слабо. Здесь на первый план выступают карпускулярные свойства, 1!л ..х" з~,'по фи пои апачи ч, ялрэ; зюч.н~»1чп.~ чж пс поэтому у-излучение рассматривают как поток частиц — у-квантов. При радиоактивных распадах различных ядер у-кванты имеют энергии от !О кэВ до 5 МэВ. Ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может перейти в основное состояние не только прн испускании у-кванта, но и при непосредственной передаче энергии возбуждения (без предварительного испускания у-кванта) одному из электронов того же атома.
При этом испускается так называемый электрон конверсии. Само явление называется внутренней конверсией. Внутренняя конверсия— процесс, конкурирующий с у-излученнем. Электронам конверсии соответствуют дискретные значения энергии, зависящей от работы выхода электрона из оболочки, из которой электрон вырывается, и от энергии Е, отдаваемой ядром при переходе из возбужденного состояния в основное. Если вся энергия Е выделяется в виде у-кванта, то частота излучения ч определяется из известного соотношения Е=дч. Если же испускаются электроны внутренней конверсии, то их энергии равны Š— Л, Š— Лы ..., где А», Аы ...
— работа выхода электрона из К- и /,-оболочек. Моноэнергетичносгь электронов конверсии позволя. ет отличить их от б-электронов, спектр которых непрерывен (см. $258). Возникшее в резулыате вылета электрона вакантное место на внутренней оболочке атома будет заполняться электронами с вышележащих оболочек. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. у-Кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, поэтому при прохождении у-излучения сквозь вещество они либо поглощаются, либо рассеиваются им, у-Кванты не несут электрического заряда и тем самым не испытывают влияния кулоновских сил. При про. хождении пучка у-квантов сквозь вещество их энергия не меняется, но в результате столкновений ослабляется интенсивность, изменение которой описывается экспонен. циальным законом /=/,е "" (/„и интенсивности у-излучения на входе и вы- ходе слоя поглощающего вещества толщиной к, р — коэффициент поглощения).
Так как у-излучение — самое проникающее излучение, та и для многих веществ— очень малая величина; р зависит от свойств вещества и от энергии у-квантов. у-Кванты, проходя сквозь вещество, могут взаимодействовать как с электронной оболочкой атомов вещества, так и с их ядрамн. В квантовой электродинамике доказывается, что основными процессами, сопровождающими прохождение у-излучения через вещество, являются фотоэффект, комптон-эффект (комптоновское рассеяние) и образование злектроннопозитрониых пар. Фотоэффект, или фотоэлектрическое поглощение у-излучения,— это процесс, при котором атом поглощает у-квант и ис. пускает электрон. Так как электрон выбивается из одной из внутренних оболочек атома, то освободившееся место заполняется электронами из вышележащих оболочек, и фотоэффект сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.
Фотоэффект является преобладающим механизмом поглощения в области малых энергий у-квантов (Е„(100 кэВ). Фотоэффект может идти только на связанных электронах, так как свободный электрон не может поглотить у-квант, при этом одновременно не удовлетворяются законы сохранения энергии и импульса. По мере увеличения энергии у-квантов (Е,ж0,5 МэВ) вероятность фотоэффекта очень мала и основным механизмом взаимодействия у-квантов с веществом является комптоновское рассевиие (см. $206). При Е,) 1,02 МэВ=2т„с' (щ, — масса покоя электрона) становится возможным процесс образования электронно-позитронных пар в электрических полях ядер. Вероятность этого процесса пропорциональна 2' и увеличивается с ростом Е„, П оэтому при Е, - 1О МзВ основным процессом взаимодействия у-излучення в любом веществе является образование электронно-позитронных пар.
Если энергия у-кванта превышает энергию связи ну»ловов в ядре (7— 8 МэВ), то в результате поглощении у.кванта может наблюдаться ядерный фо- 4!и л э из Зэ Лл~ггно~ коими агочпот я зри тоэффект — выброс из ядра одного из нукланов, чаще всего нейтрона.
Большая проникающая способность у-излучения используется в гамма-дефектоскопин — методе дефектоскопии, основанном на различном поглощении у-излучения при распространении его на одинаковое расстояние в разных средах. Местоположение и размеры дефектов (раковины, трещины н т. д.) определяются по различию в интенсивностях излучения, прошедшего через разные участки просвечиваемого изделия. Воздействие у-излучения (а также других видов ионизирующего излучения) на вещество характеризуют дозой ионизирующего излучения.
Различаются: Поглощенная доза излучения — физическая величина, равная отношению энергии излучения к массе облучаемого вещества. Единица поглощенной дозы излучения — грей (Гр) *: 1 Гр=1 Дж/кг — доза излучения, прн которой облученному веществу массой ! кг передается энергия любого ионизирующего излучения 1 Дж. Экспозиционная доза излучения— физическая величина, равная отношению суммы электрических зарядов всех ионов одного знака, созданных электронамн, освобожденными в облучеином воздухе (при условии полного использования ионизируюшей способности электронов), к массе этого воздуха.
Единица экспозиционной дозы излучения — кулон на килограмм .(Кл/кг); внесистемной едиияцей является рентген (Р): 1 Р=2,58 10 ' Кл/кг. Биологическая доза — величина, определяющая воздействие излучения на организм. Единица биологической дозы — биологический эквивалент рентгена (бэр): 1 бэр — доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или у-излучения в 1 Р (1 бэр = = 10 ' Дж /кг). " С.
Грей !1666 — 1736! — английский физик. Мощность дозы излучения — величина, равная отношению дозы излучения к времени облучения. Различают: 1) мощность поглощенной дозы (единица — грей иа секунду (Гр/с)); 2) мощность экспозиционной дозы (единица — ампер на килограмм (А/кг)). й 2!!О. Резонансное поглощение у-излучения (эффект Меш:бауэра Я) Как уже указывалось, дискретный спектр у-излучения обусловлен дискретностью энергетических уровней ядер атомов. Однако, как следует из соотношения неопределенностей (215.5), энергия возбужденных состояний ядра принимает значения в пределах ЬЕж/г/И, где Лг — время жизни ядра в возбужденном состоянии.
Следовательно, чем меньше Лг, тем больше неопределенность энергии ЬЕ возбужденного состояния. ЬЕ=О только для основного состояния стабильного ядра (для него бГ-~со). Неопределенность энергии кваитово-механической системы (например, атома), обладающей дискретными уровнями энергии, определяет естественную ширину энергетического уровня (Г). Например, при времени жизни возбужденного состояния, равного 10 '~ с, естественная ширина энергетического уровня примерно 10 ' эВ. Неопределенность энергии возбужденного состояния, г~бусловливаемая конечным временем жизни возбужденных состояний ядра, приводит к немоиохроматичности у-излучения, испускаемого при переходе ядра из возбужденного состояния в основное.
Эта немонохроматичность называется естественной шириной линии у-излучения. При прохождении у-излучения в веществе помимо описанных выше (см. 9 259) процессов (фотоэффект, комптоновское рассеяние, образование электрон. ио-пазитронных пар) должны в принципе " Р. Мессбауэр (р. !929) — немецкий физик. гчгн ч фч >н»ч а>ни' >>~ н >!ч~ ч ' 'ч ог >'" ч» наблюдаться также резонансные эффекты. Если ядро облучить у-квантамн с энергией, равной разности одного из возбужденных н основного энергетических состояний ядра, то может иметь место резонансное поглощенне у-нзлучення ядрамн: ядро поглонхает у-квант той же частоты, что н частота излучаемого ядром у-кванта прн переходе ядра нз данного возбужденного состояния в основное.
Наблюдение резонансного поглощения у-квантов ядрами считалось долгое время невозможным, так как прн переходе ядра нз возбужденного состояния с энергией Е и основное (его энергия принята равной нулю) излучаемый у-квант имеет энер- гию Е„несколько меньшую, чем Е, нз-за отдачи ядра в процессе излучения; Е»=Š— Е„, где Е, — кинетическая энергия отдачи ядра. При возбуждении же ядра н переходе его нз основного состояния в возбужденное с энергией Е у-квант должен иметь энергию Е„ 'несколько большую, чем Е, т.
е. Е'=Е+Е„, где Е„ — энергия отдачи, которую у-квант должен передать поглощающему ядру. Таким образом, максимумы линий излучения и поглощеннн сдвинуты друг относительно друга на величину 2Е. (рнс. 344). Используя закон сохранения импульса, согласно которому в рассмотренных процессах излучения и нагло>цения импульсы у-кванта н ядра должны быть равны, получим ń— 2>пч 2т„2т„сэ 2т„сх (260.! ) Р»г. ЗЬ4 Например, возбужденное состояние изотопа иридия ч>1г имеет энергию ин !29 кэВ, а время его жизни порядка 10 '"с, так что ширина уровня Гж 4 1О 'эВ. Энергия же отдачи прн излучении с этого уровня, согласно (260.1), приблизительно равна 5.10 9 эВ, т.е. на трн порядка больше ширины уровня.
Естественно, что никакое резонансное поглощение в таких условиях невозможно (для наблюдения резонансного поглощения линия поглощения должна совпадать с линией излучения), Из опытов также следовало, что на свободных ядрах резонансное поглощение не наблюдается. Резонансное поглощение у-нзлучення в принципе может быть получено только при компенгаиии потери энергии на отдачу ядра. Эту задачу решил в 1958 г. Р.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
