Основные свойства ионизирующих излучений и их сравнительная характеристика

    Выделение характеристик отдельных субатомных частиц - важный, но только начальный  этап познания их мира. На следующем  этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в и структуре материи.

    Физики  выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать  в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвующие в сильном, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы - переносчики взаимодействий.

    Миру  субатомных частиц присущ глубокий и  рациональный порядок. В основе этого порядка - фундаментальные физические взаимодействия. 

 

    

          Нейтроны. 

    Нейтрон был открыт английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932г. Масса нейтрона равна 1,675·10-27кг, что в 1839 раз больше массы  электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.

    Среди химиков принято пользоваться единицей атомной массы, или дальтоном (d), приблизительно равной массе протона. Масса протона и масса нейтрона приблизительно равны единице атомной  массы.

    При реакции деления ядра элемента кроме  новых ядер могут появляться g-кванты, b-частицы распада, g-кванты распада, нейтроны деления и нейтрино. С точки зрения цепной ядерной реакции наиболее важным является образование нейтронов. Среднее число появившихся в результате реакции деления нейтронов обозначают uf . Эта величина зависит от массового числа делящегося ядра и энергии взаимодействующего с ним нейтрона. образовавшиеся нейтроны обладают различной энергией (обычно от 0,5 до 15 МэВ), что характеризуется спектром нейтронов деления. Для U235 среднее значение энергии нейтронов деления равно 1.93 МэВ.

          В процессе ядерной  реакции могут появляться как  ядра способствующие поддержанию цепной реакции (те которые испускают запаздывающий нейтрон), так и ядра, оказывающие неблагоприятное воздействие на ее ход (если они обладают большим сечением радиационного захвата).

          Заканчивая рассмотрение реакции деления, нельзя не упомянуть о таком важном явлении как запаздывающие нейтроны. Те нейтроны, которые образуются не непосредственно при делении тяжелых нуклидов (мгновенные нейтроны), а в результате распада осколков называются запаздывающими нейтронами. Характеристики запаздывающих нейтронов зависят от природы осколков. Обычно запаздывающие нейтроны делят на 6 групп по следующим параметрам: T - среднее время жизни осколков, bi - доля запаздывающих нейтронов среди всех нейтронов деления, bi/b - относительная доля запаздывающих нейтронов данной группы, E - кинетическая энергия запаздывающих нейтронов.

          В следующей таблице  приведены характеристики запаздывающих  нейтронов при делении U235 

     

    В целом:

    Nзап  / (Nзап + Nмгн) = b = 0.0065;  Tзап » 13 сек.; Tмгн » 0.001 сек.

 

     Протоны. 

    Протон  – устойчивая элементарная частица  с положительным элементарным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона (1,6*10¹⁹ Кл); обозначается символом р или ₁Н¹. Протон является ядром самого лёгкого изотопа водорода – протия, следовательно, масса протона равна массе атома водорода без массы электрона и составляет 1,00759 а.е.м., или 1,672*10^-27 кг.

    Протоны вместе с нейтронами входят в состав всех атомных ядер. Протон относят  к стабильным элементарным частицам.

    Протоны испускаются ядрами атомов в результате бомбардировки их заряженными частицами, нейтронами, гамма-квантами и т.д. Например, протон впервые был обнаружен Резерфордом при расщеплении ядра азота с помощью α-частиц. В состав космических лучей входят протоны с энергией до 10¹⁸ – 10¹⁹ Эв. 
 

 

     Альфа-частицы. 

    α-частицы, выбрасываемые веществами активных элементов представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости α -частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся  заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются  к другим  молекулам, заряжая их отрицательно. Таким  образом, в воздухе на  пути  α -частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность α -частиц ионизировать воздух  была использована английским физиком  Вильсоном  для  того,  чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их.

    Впоследствии  аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона. (Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие Вильсона камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В дальнейшем вытеснена другими трековыми детекторами.)

    Исследуя  пути движения частиц с помощью камеры, Резерфорд заметил, что в камере они параллельны (пути), а при пропускании  пучка параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили через тонкую пластинку. [ 1, 7 ]

    

    

Рис.1. Модель атома              Бор-Резерфорд

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Исходя  из этих наблюдений, Резерфорд предложил  свою схему строения атома: в центре атома находится положительное  ядро, вокруг которого по разным орбиталям  вращаются отрицательные электроны. (рис.1.)

    Центростремительные силы, возникающие при их вращении удерживают их на своих орбиталях  и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения α- частиц. Размеры ядра  и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома,  которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство α-частиц  пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда α-частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое   отклонение ее от первоначального пути. Таким  образом, изучение рассеяние α-частиц  положило  начало ядерной теории атома.

 

     Электроны и позитроны. 

    Представление о содержащихся в веществах электрических  частицах было высказано в качестве гипотезы английским ученым Г. Джонстоном Стонеем. Стоней знал, что вещества можно разложить электрическим током, – например, воду можно разложить таким способом на водород и кислород. Ему было известно также о работах Майкла Фарадея, установившего, что для получения некоторого количества элемента из того или иного его соединения требуется определенное количество электричества. Обдумывая эти явления, Стоней в 1874г. пришел к выводу о том, что они указывают на существование электричества в виде дискретных единичных зарядов, причем эти единичные заряды связаны с атомами. В 1891г. Стоней предложил название электрон для постулированной им единицы электричества. Экспериментально электрон был открыт в 1897г Дж. Дж. Томсоном (1856-1940) в Кембриджском университете. [5] 

     Электрон представляет собой частицу  с отрицательным зарядом величиной  –0,1602   10-18 Кл. Масса электрона равна 0,9108   10-30кг, что составляет 1/1873 массы атома водорода.

    Электрон  имеет очень небольшие размеры. Радиус электрона точно не определен, но известно, что он значительно меньше 1·10-15м.

    В 1925г. было установлено, что электрон вращается вокруг собственной оси  и что он имеет магнитный момент. [5]

    Число электронов в электронейтральном атоме  закономерно повышается при переходе элемента от Z к Z + 1. Эта закономерность подчиняется квантовой теории строения атома.

    Максимальная  устойчивость атома, как системы  электрических частиц, отвечает минимуму его полной энергии. Потому электроны  при заполнении энергетических уровней в электромагнитном поле ядра будут занимать (застраивать) в первую очередь наиболее низкий из них (К – уровень; n=1). В электронейтральном невозбужденном атоме электрон в этих условиях имеет наименьшую энергию (и, соответственно, наибольшую связь с ядром). Когда К – уровень будет заполнен (1s2 – состояние, характерное для атома гелия), электроны начнут застраивать уровень L (n = 2), затем M – уровень (n=3). При данном n электроны должны застраивать сначала s-, затем p-, d- и т. д. подуровни.

    Однако, как показывает рис. 3, энергетические уровни в атоме элемента не имеют ясных грани. Более того, здесь наблюдается даже взаимное перекрывание энергий отдельных подуровней. Так, например, энергетическое состояние электронов в подуровнях 4s и 3d, а так же 5s и 4d очень близки между собой, а 4s1 и 4s2 – подуровни отвечают более низким значениям энергии, чем 3d. Поэтому электроны, застраивающие, M- и N- уровни, в первую очередь попадут на 4s – оболочку, которая относится к внешнему электронному слою N (n=4), и лишь по ее заполнении (т. е. после завершения построения оболочки 4s2) будут размещаться в 3d – оболочке, относящейся к предвнешнему слою M (n=3). Аналогичное наблюдается и в отношении электронов 5s- и 4d – оболочек. Еще более своеобразно идет заполнение электронами f – оболочек: они при наличии электронов на внешнем уровне n (при n, равном 6 или 7) застраивают уровень n=2, т. е. предпревнешний слой, - пополняют оболочку 4f  (при n=6) или соответственно оболочку 5f (при n=7).

    Обобщая, можно высказать следующие положения.

    Уровни ns, (n-1)d и (n-2)f близки по энергии и лежат  ниже уровня np.

    С увеличением числа электронов в  атоме (по мере повышения величины Z) d – электроны «запаздывают» в  построении электронной оболочки атома  на один уровень (застраивают предвнешний  слой, т. е. уровень n-1), а f – электроны запаздывают на два уровня: достраивают второй снаружи (т. е. предвнешний) слой n – 2. Появляющиеся f – электроны часто как бы вклиниваются между (n-1)d1 и (n-1)d2¸10 – электронами.

    Во  всех указанных случаях n – номер внешнего уровня, на котором уже содержатся два электрона (ns2 – электроны), причем n одновременно и номер того периода по таблице Менделеева, который включает данный элемент.

    Элементы, в атомах которых при наличии  электронов во внешнем слое n (ns2 –  электроны) идет достройка одного из подуровней (3d, 4d, 4f, 5d или 5f), находящихся на предвнешних слоях (n-1) или (n-2), называются переходными.

    Общая картина последовательности заполнения электронами оболочек атомов элементов, принадлежащих к периоду n, имеет вид:

 

    В показателе степени при s-, p-, d- и f –  обозначениях в строке (а) указано  возможное число электронов в  данной оболочке. Например, в оболочке s может содержаться либо один, либо два электрона, но не больше; в оболочке f – от 1 до 14 электронов и т. д.

    Известно, что минимальное значение коэффициента при обозначении d – электронов равно  трем. Следовательно, d-электроны могут  в атомное структуре появится не ранее четырем. В связи с этим указанные электроны могут появиться в атомах не ранее как в элементах шестого периода (т. е. при n-2=4; n=4+2=6). Это обстоятельство и отмечено во второй строке.

    Позитрон  является античастицей электрона. В  отличие от электрона позитрон имеет положительный элементарный электрический заряд и считается недолговечной частицей. Обозначается позитрон символами е⁺ или β⁺.