Гамма- излучение и его взаимодействие с веществом

g-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а лишь

сопровождает a- и b - распады, а также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т. д. g-спектр является линейчатым (дискретным), что является доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.

g-квант испускается дочерним (а не материнским) ядром, которое образуется в возбужденном состоянии. За время жизни этого состояния (10^-13- 10^-14 с) ядро переходит в основное состояние с испусканием g-кванта. Переходя в основное состояние, возбужденное ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому g-излучение одного и того же радиоактивного изотопа может содержать несколько групп у-квантов с разной энергией.

g-излучение большинства ядер является столь коротковолновым (с длиной волны < 5·10⁻³ нм), что его волновые свойства проявляются очень слабо и на первый план выступают корпускулярные свойства. Поэтому g-излучение рассматривают как поток g-квантов с энергией в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ. При взаимодействии g- излучения с веществом в зависимости от его энергии происходят следующие процессы.

При энергиях меньших 1 Мэв наблюдаются эффект Комптона и фотоэффект.

Если E_g 2m_ec²=1,022 МэВ (m_ec² – энергия покоя электрона), то в поле ядра происходит образование электрон-позитронной пары. Фотон с энергией, превышающей удвоенную энергию покоя электрона 2 m₀с² = 1,022 МэВ, может образовать в поле ядра электронно-позитронную пару. Электронно-позитронная пара может быть также образована и в поле атомного электрона. Однако вероятность этого процесса примерно в Z раз меньше, чем образование пары в поле ядра. При энергиях E _g > 10 МэВ g- излучение вызывает ядерные реакции.

Интенсивность пучка монохроматических гамма–лучей, прошедших сквозь слой вещества толщиной , уменьшается по закону: , где – интенсивность излучения, падающего на слой; m–линейный коэффициент ослабления.

Ядерные реакции

Символическая запись ядерной реакции: или ,

где и –исходное и конечное ядра соответственно с зарядовыми числами и и массовыми числами и ; и - соответственно бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

Для обозначения частиц приняты следующие символы: - протон, - нейтрон, - дейтон, - тритон, a – альфа–частица, g – гамма–квант.

Законы сохранения в ядерных реакциях:

А) числа нуклонов ;

Б) заряда ;

В) релятивистской полной энергии ;

Г) импульса .

Если общее число ядер и частиц, образовавшихся в результате реакции, больше двух, то запись соответственно дополняется. Энергия ядерной реакции , где и - массы покоя ядра–мишени и бомбардирующей частицы; () - сумма масс покоя ядер продуктов реакции.

Если ()>(), то энергия освобождается, энергетический эффект положителен, реакция экзотермическая.

Если ()<(), то энергия поглощается, энергетический эффект отрицателен, реакция эндотермическая.

Энергия ядерной реакции представляется также в виде: , где - соответственно кинетические энергии ядра–мишени, бомбардирующей частицы, испускаемой частицы и ядра продукта реакции.

Пороговая (минимальная) кинетическая энергия налетающей частицы, при которой становится возможной эндотермическая ядерная реакция: , где и - массы налетающей частицы и ядра мишени, - энергия реакции.

Примеры решения задач

Задача 1. Оцените плотность вещества в атомных ядрах.

Решение. Радиус ядра с массовым числом определяется формулой

,

где Ф - ферми – название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной одному фемтометру (1 фм = 10^-15 м). Объем ядра:

м³.

Если пренебречь различием масс протона и нейтрона, то массу ядра можно определить по формуле

кг

Поэтому средняя плотность ядерного вещества

кг/м³.

Задача 2. Вычислите дефект массы и энергию связи ядра .

Решение. Дефект массы ядра можно определить из соотношения:

, где - зарядовое число, А – массовое число, - масса атома водорода, - масса нейтрона, - масса атома бора.

Подставляя табличные значения этих величин, получим:

а.е.м., или а.е.м.

Энергия связи ядра определяется соотношением =76,2 МэВ.

Задача 3. Определите удельную энергию связи ядра .

Решение. В литиина один нуклон приходится энергия связи, равная:

.

Подставляя табличные значения величин, получим:

МэВ/нуклон = 5,61 МэВ/нуклон.

Задача 4. Определите зарядовое число и массовое число частицы, обозначенное буквой , в символической записи ядерной реакции:

1) ;

2) ;

3) .

Решение. Для нахождения в записанных реакциях зарядового числа и массового числа воспользуемся законами сохранения зарядовых и массовых чисел:

1) ; (нейтрон)

2) ; (нейтрон)

3) ; (протон)

Задача 5. Найдите среднее время жизни радиоактивного вещества , если его активность уменьшается на за время = 60 минут.

Решение. Активность уменьшается со временем по закону радиоактивного распада .

Уменьшение активности определяется соотношением:

.

Постоянная распада l связана со средним временем жизни ядра: , откуда

часов.

Задача 6. За год распалось 60% некоторого исходного радиоактивного элемента. Определите его период полураспада.

Решение. В соответствии с з аконом радиоактивного распада отношение числа расраспавшихся ядер к числу нераспавшихся имеет вид:

.

По условию задачи это отношение равно 0,6, откуда = 0,76 года.

Задача 7. Вычислите энергию ядерной реакции . Выделяется или поглощается энергия при этой реакции?

Решение. Энергия ядерной реакции определяется по формуле:

,

где и - массы частиц, вступающих в реакцию, - сумма масс частиц, образовавшихся в результате реакции.

Вычисляя, получим для пороговой энергии этой реакции

= –0,0184 а.е.м., = –17,4 МэВ