«Без ядерной энергетики говорить
о мировом энергетическом балансе
невозможно»
В. В. Путин, Президент РФ
  • Слайд 1
  • Слайд 3
  • Слайд 2
  • Слайд 4
Экология и атомная энергетика

Судьба излучения

Что происходит в дальнейшем с вырвавшимся из заточения внутри атома сгустком энергии — излучением? Поток энергии, переносимой различными компонентами излучения, движется во внешней среде и взаимодействует с ней. Как? Альфа-частицы несут на себе заряд, равный двум зарядам электрона. Поэтому им приходится с большим трудом протискиваться сквозь чащу атомов вещества, на которое налетает этот поток ионов гелия. Взаимодействуя с атомами, альфа-частицы быстро раздают свою энергию на освобождение электронов из атомов среды, т.е. на многократные акты ионизации. Поэтому пробеги ионов гелия в среде очень малы — даже в воздухе при нормальном атмосферном давлении они пробегают не более 10 см.

Бета-частицы — электроны — реже взаимодействуют с атомами среды, их электрический заряд меньше, они намного легче, так что пробег в воздухе для них возможен около метра. Еще меньше вероятность столкновения с атомами среды и потеря энергии на их ионизацию у гамма-квантов, они пробегают в воздухе десятки метров, пока не растратят всю свою энергию. Поэтому это излучение и называют проникающим. Приведем сравнительную таблицу свойств радиоактивного природного излучения, указывая заодно, какие возможны способы защиты от такого типа излучения:

Тип излучения Состав излучения Ионизирующая способность Проникающая способность

Ионы Не++

Очень высокая

Низкая. Защита: 0,1 мм воды, лист бумаги

Электроны

Высокая

Высокая. Защита: слой алюминия до 0,5 мм.

Электромагнитное излучение

Низкая

Очень высокая. Защита: слой свинца до нескольких см.

Практически все природные радиоактивные вещества распадаются с излучением гамма-квантов. Исключением являются только распады стронция-90 и трития, в которых эта компонента излучения отсутствует (эти распады происходят только благодаря бета-переходу, при котором нейтрон внутри ядра превращается в протон, электрон и (анти) нейтрино). Фотоны рентгеновских и гамма-лучей достаточно сложно взаимодействуют со средой. Важно, что характер процесса такого взаимодействия зависит и от типа (заряда) ядер среды, и от энергии фотонов.

Наиболее известен процесс фотопоглощения, или фотоэффект, при котором фотон, имеющий достаточно большую энергию (больше энергии связи электрона в атоме), выбивает один из внешних электронов из атома. Получивший от фотона большую энергию быстрый электрон покидает свое место в атоме, а его место занимает другой электрон из внешней электронной оболочки, который излучает характеристические рентгеновские гамма-кванты при переходе с одного (более высокого) энергетического уровня на другой. Эксперимент показывает, что фотоэффект — это основной процесс взаимодействия гамма-квантов с веществом, если их энергия составляет величину порядка 0,1 - 100 кэВ, т.е. превышает энергию ионизации (энергия солнечного излучения имеет именно такой порядок величины).

Коэффициент фотопоглощения (отношение количества поглощенных веществом фотонов к общему их количестве в потоке) заметно увеличивается при переходе к более тяжелым элементам и с уменьшением энергии падающих фотонов. Обнаружено, что при одной и той же энергии гамма-квантов массовый (отнесенный к одному грамму вещества) коэффициент фотопоглощения в свинце почти в 250 раз больше, чем в алюминии, и примерно в 23 раза больше, чем в меди.

Для более энергичных гамма-квантов, с энергиями порядка 1 МэВ, основным является иной процесс — упругое рассеяние на электронах внешних оболочек атомов. Нужно сказать, что фотоны с такими энергиями рождаются именно при радиоактивном распаде как естественных, так и искусственно созданных радионуклидов.

Эффект упругого рассеяния фотонов на почти свободных электронах (электроны внешних слоев наиболее далеки от ядра и слабо с ним связаны) изучался в 20-х годах прошлого века Артуром Комптоном и носит его имя. При комптон-эффекте часть энергии налетающего гамма-кванта передается рассеивающему электрону, который исходно считается почти покоящимся. Получив от фотона энергию, электрон вылетает под некоторым углом к направлению движения первичного фотона, одновременно рождается и фотон с энергией меньшей, чем первичный. Насколько сильно отличается энергия вторичного фотона по сравнению с первичным — это зависит от угла отклонения (рассеяния) электрона. Если угол рассеяния мал, энергия фотона почти не изменяется. Лишь в том случае, когда электрон вылетает в направлении, почти противоположном направлению падающего фотона, энергия вторичного оказывается намного меньше энергии первичного фотона. В этом случае результатом процесса рассеяния становится быстрый электрон и малоэнергетичный гамма-квант, который теперь вполне способен осуществить фотоэффект.

Поскольку угол рассеяния электрона определяет долю переданной ему фотоном энергии, при не слишком высоких энергиях фотонов (в частности, в области рентгеновского излучения) изменение энергии фотона оказывается не очень большим, т.е. он сохраняет способность активного воздействия на среду. Поэтому и рентгеновское излучение также относится к типу проникающих. Конечно, еще более энергичное гамма-излучение обладает и более высокой проникающей способностью.

Вероятность комптон-эффекта практически не зависит от энергии фотонов и от типа атомов среды, на которых рассеивается поток фотонов. Можно определенно сказать, что при энергиях фотонов от 0,3 - 0,5 до 3 – 5 МэВ основным процессом их взаимодействия со средой является комптоновское рассеяние. Если энергии фотонов меньше указанной величины, при их попадании в среду более вероятен фотоэффект, если выше — происходит рождение пар электронов и позитронов. Позитрон — это положительно заряженный «двойник» электрона в микромире. Существование таких античастиц было предсказано Полем Дираком при построении квантовой теории релятивистских (движущихся со скоростями, близкими к скорости света) электронов.

Решая полученную им совокупность уравнений, описывающих быстро движущуюся и взаимодействующую с электромагнитным полем заряженную микрочастицу (электрон), Дирак получил для функции, представляющей микрочастицу, решения двух типов — с положительными и отрицательными массами. Первые соответствовали обычным электронам, но что означало существование еще одного решения с противоположным знаком массы? Этим решениям Дирак сопоставил энергетические уровни с отрицательными значениями энергии и предположил, что все эти уровни заполнены обычными электронами, которые не наблюдаемы, поскольку имеют отрицательную энергию. Чтобы возник «реальный» электрон, нужно сообщить такому состоянию положительную энергию, достаточную для образования двух электронов. Тогда из «дираковского моря» отрицательных энергетических уровней (его еще называют электрон-позитронным вакуумом) появится обычный электрон, а на том месте, которое он занимал в совокупности заполненных энергетических уровней, останется «дырка» — физическая наблюдаемая микрочастица, имеющая ту же массу, что и электрон, но положительно заряженная. Этот партнер электрона, возникающий из вакуума вместе с электроном, был назван позитроном и обнаружен К. Андерсоном в составе космических лучей в 1932 году. Кстати, такие партнеры, античастицы, существуют у всех известных элементарных частиц. Иногда, правда, античастица совпадает с частицей. Таков фотон —сам себе античастица.

Нужно сказать, что процесс рождения пар «частица-античастица» из вакуума совершенно не противоречит закону сохранения энергии — он полностью согласуется принципом эквивалентности массы и энергии, сформулированным великим Альбертом Эйнштейном. То же самое относится, кстати, и к процессу радиоактивного распада, когда масса дочернего ядра оказывается меньше массы исходного радиоактивного материнского ядра. Разность их масс в точности равна полной энергии, уносимой всеми компонентами радиоактивного излучения.

Процесс рождения электрон-позитронных пар в электромагнитном поле атомного ядра, где происходит своеобразное превращение энергии в массу, также представлялся теоретически возможным и был экспериментально обнаружен. Как и процесс аннигиляции — взаимного уничтожения электрона и позитрона — с выплеском электромагнитного излучения.

Если энергия фотона в поле ядра больше полной массы пары «электрон + позитрон», то излишек энергии фотона остается у пары в виде кинетической энергии, так что электрон и позитрон разлетаются в противоположных направлениях. С ростом энергии фотонов вероятность образования пар быстро растет, кроме того, эта вероятность растет и с увеличением заряда ядра. Например, у свинца линейный коэффициент поглощения за счет образования пар в 22 раза больше, чем у алюминия. Это значит, что в свинцовом покрытии толщиной 1 см из каждых 100 гамма-квантов 22 превращаются в электрон-позитронные пары, отдавая им свою энергию, тогда как в алюминиевом покрытии той же толщины такой процесс рождения пары осуществляет только 1 фотон.

В любом случае, при всех возможных вариантах взаимодействия излучения со средой — фотоэффект, комптон-эффект, рождение пар — возникает большое число быстро движущихся электронов. Значительная часть родившихся электронов имеет энергию, достаточную для ионизации атомов вещества.