Ядерна фізика. Частина 7. Випромінення світла атомом та випромінення гамма-квантів ядром

Раніше ми дізналися про ті частинки, з яких складаються атомні ядра. Також ми почали знайомство з відмінностями фізики мікросвіту від того, що ми звикли бачити у повсякденні. Ми торкнулися головним чином питання природи світла, яке нам показало, що мікроскопічні частинки здатні проявляти як корпускулярні, так і хвильові властивості. Зараз ми продовжимо знайомство з відмінностями мікросвіту і поговоримо про зв’язані системи з кількох частинок.

Почнемо з поведінки електронів у атомі. Оскільки електрон майже в дві тисячі разів легший ніж нуклон, можна вважати, що тут ядро виступає в ролі нерухомого центру. У випадку атома з одним електроном ми точно знаємо, якою є його взаємодія з ядром, це — кулонівське притягання. Якби все відбувалося звичним для нас чином, слід було б очікувати, що електрон рухатиметься по орбіті — як планети навколо Сонця. Натомість хвильові властивості частинок проявляють себе і тут. Вони призводять до того, що не будь-яка орбіта є можливою. Бор пояснював це так, що маючи певну енергію, електрон має визначену нею довжину хвилі, та ця хвиля має вкластися в довжину орбіти цілу кількість разів. Отже, енергія електрону в складі атома може змінюватися лише порціями, коли він переходить з однієї орбіти, де утворює стоячу хвилю, на іншу. Після Бора квантова механіка дала більш ґрунтовне пояснення, яке описує поведінку атомів більш точно, але воно дещо складне для детального висвітлення тут.

Модель атома за Бором (Автор: JabberWok, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2639910)

Стани (орбіталі), в яких може перебувати електрон у складі атома мають чітко окреслені значення енергії. Щоб електрон міг перескакувати з одного стану в інший, щось має змінити його енергію. Коли його енергія зменшується, випромінюється фотон що забирає цей надлишок. Якщо перехід між станами вимагає збільшення енергії, то він можливий за поглинання фотону який “покриє” цю різницю. Типові енергії переходів між станами в атомах є близькими до діапазону енергій фотонів видимого світла та для різних видів атомів є різними. Останнє дає змогу досліджувати склад речовин, що світяться чи поглинають світло, адже лінії на спектрі відповідають переходам між рівнями, що є в атомах досліджуваної проби. Взагалі спектроскопія дала дуже багато експериментальних даних для перевірки фізичних теорій про будову атома.

Електрони належать до класу частинок, який називають ферміонами. Ця класифікація тісно пов’язана з їхнім спіном. Поки що ми не будемо детально розбирати цю частину теорії, але з неї є важливі для нас наслідки. Взаємодію між електронами в атомі можна описати простим принципом Паулі, який полягає в тому, що якщо певний стан вже зайнято одним електроном, то жоден інший не може в ньому перебувати. Оскільки спін теж впливає на стан електрону і у випадку електрона за рівності інших обставин може мати дві конфігурації, то це призводить то того, що на одній орбіталі може “сидіти” максимум два електрони. Коли енергія атома є мінімальною, тоді обсадженими є орбіталі з найнижчими енергіями, як це можливо з урахуванням принципу Паулі. Такий стан називають основним. Стани з більшими значеннями енергії називають збудженими.

Натомість, у ядрі нуклони є рівноправними складовими, адже мають порівнювальну масу. Це робить фізикам певні труднощі, але ми можемо наближено вважати, що для нуклонів теж є “орбіталі” [ приклад ]. В певній мірі наближення, можна стверджувати, що перескакування будь-якого одного нуклона в ядрі з одного стану на інший призводить до зміни форм і відповідно енергій всіх цих “орбіталей”. Попри ускладнення, пов’язані з відсутністю єдиного центру в ядрі, можна стверджувати, що воно як ціла система може перебувати в дискретному наборі станів з усталеними енергіями, які залежать тільки від того, яке це є ядро * . Переходячи з одного стану в інший, ядро так само випромінює чи поглинає кванти електромагнітного випромінення, але їх енергія є на порядки більшою, ніж для видимого світла. Це і є гамма-випромінення, про існування якого я згадував у першій частині.

Слід зауважити теж, що після радіоактивних перетворень ядер, про які ми дізналися раніше, продукти розпаду переважно утворюються у збудженому стані, тому розпади супроводжуються появою також гамма-квантів, які теж можна зареєструвати.

Розпад атому ізотопу кобальта-60 до нікелю з вивільненням двох гамма-квантів

* – підставою для такого твердження є дуже велика енергія зв’язку нуклонів у ядрі в порівнянні з енергією зв’язку електронів у атомі, що дає змогу знехтувати впливом оточення атома, обумовленого хімічними чинниками.

1. Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра. — М.: Наука, 1982
2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1986 — Т. V. Атомная и ядерная физика. Часть 1: Атомная физика.
3. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1989 — Т. V. Атомная и ядерная физика. Часть 2: Ядерная физика.

Джерелом усіх зображень є вікіпедія

Ядерна фізика. Частина 8. З чим і як взаємодіє радіаційне випромінення

Раніше ми з вами дізналися, з чого складаються атоми, та познайомилися з деякими процесами, які в них можуть відбуватися. Нам вже відомо, що з атомних ядер можуть вилітати різні частинки, та як їх можна зареєструвати. Настав час дізнатися, якої шкоди різні частинки можуть нам заподіяти і який існує захист від них.

Альфа-частинки як правило випромінюються речовинами, що містять радіоактивні ядра. Їхній заряд та відносно велика маса спричиняють швидке гальмування в будь-якому середовищі. Навіть у повітрі частинки від альфа-розпадів не долають відстані у 10 сантиметрів. Достатньо товстий папір може їх затримати. При зовнішньому опромінені тіла вони не проникають глибше шкіри. Але якщо до легень чи стравоходу потрапить пилинка навіть з незначною альфа-активністю, це буде дуже небезпечно. Якщо така пилинка затримається десь всередині організму, то невелика частина живої тканини отримає багато ушкоджень, адже частинки гальмуватимуться проходячи короткі відстані. Таке явище може бути дуже загрозливим.

Електрони теж є зарядженими, але значно легші, тому мають значно більший пробіг. Якщо вони є продуктами бета-радіоактивності, то затримає їх кілька міліметрів скла або якогось металу. Механізми, за якими бета-випромінення здатне зашкодити організму дуже схожі на такі у випадку і альфа-частинок, і інших заряджених частинок.

Гама-випромінення, як ми знаємо з попередньої частини цього циклу, з’являється при зміні внутрішнього стану ядер. Отже воно може бути супутнім продуктом багатьох ядерних реакцій: як розпадів радіоактивних елементів, так і, на приклад, в ядерних реакторах. Також є рентгенівське випромінення, яке по суті є тим самим явищем, тільки енергії квантів є меншими. Частіше за все рентгенівськими називають фотони з енергією меншою 200 кеВ, а гамма-випроміненням – фотони з більшою енергією.

Особливість взаємодії гамма-квантів з речовиною полягає в тому, що вона є стохастичною, тобто з потоку однакових частинок одні можуть пролетіти велику відстань без жодних змін, а інші – зникнути у взаємодії з одним атомом середовища, віддавши свою енергію. Імовірність того, що квант провзаємодіє, сильно залежить від енергії та від речовини. У видадку невеликиої інтенсивності зовнішнього опромінення тіла значної небезпеки немає, але поблизу інтенсивних джерел випромінення, яким може бути, на приклад, реактор, опромінення тіла є небезпечним, бо страждають одразу всі органи. Захистом від гамма-випромінення може бути речовина, яка містить важкі хімічні елементи (з великим зарядом ядра). Частіше за все використовують свинець.

Нейтрони з’являються в результаті багатьох ядерних реакцій. Наприклад, ядерний реактор є дуже інтенсивним джерелом нейтронів в широкому діапазоні енергій.

Особливість взаємодії нейтронів з речовиною полягає в тому, що вони не мають заряду, тому взаємодіють здебільшого з атомними ядрами. Якщо це ядра легких елементів, тоді при зіткненнях нейтрон віддає велику частку своєї енергії і сповільнюється. Але тоді з’являється рухомий заряджений об’єкт – атомне ядро, якому нейтрон надав імпульс. Взаємодія таких ядер схожа на те, як альфа-частинки гальмуються в речовині. Окрім такого роду зіткнень при потраплянні нейтронів у речовину можливі також ядерні реакції, в результаті яких одні атомні ядра перетворюються на інші, здебільшого нестабільні. Уявіть собі, наскільки такі процеси будуть небезпечними, якщо відбуватимуться в живому тілі!

Для захисту від нейтронів використовуються матеріали, які сповільнюють нейтрони і поглинають їх не породжуючи радіоактивних елементів. Часто роль такого захисту виконує суміш парафіну і борної кислоти. В парафіні багато атомів водню – найлегшого елементу, а отже його ядра найкраще сповільнюють нейтрони. Бор активно поглинає сповільнені нейтрони випромінюючи гамма-кванти. Другий шар захисту – свинець, який поглинає ці гама-кванти.

На цьому я закінчую перший цикл публікацій про ядерну фізику простою мовою. Будь ласка, пропонуйте теми для нових текстів у коментарях. Пишіть, що вам цікаво.

Джерелом усіх зображень є вікіпедія