§ 1. Тепловое излучение

В процессе исследования излучения нагретых тел было установлено, что любое нагретое тело излучает электромагнитные волны (свет) в широком диапазоне частот. Следовательно, тепловое излучение – это излучение электромагнитных волн за счет внутренней энергии тела.

Тепловое излучение имеет место при любой температуре. Однако при невысоких температурах излучаются практически лишь длинные (инфракрасные) электромагнитные волны.

Ведем следующие величины, характеризующие излучение и поглощение энергии телами:

энергетическая светимость R (T ) – это энергия W, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.

Вт/м 2 .

испускательная способность тела r (λ,Т) (или спектральная плотность энергетической светимости) – это энергия в единичном интервале длин волн, испускаемая 1 м 2 поверхности светящегося тела за 1 с.

.
.

Здесь
– это энергия излучения с длинами волн от λ до
.

Связь между интегральной энергетической светимостью и спектральной плотность энергетической светимости задаётся следующим соотношением:

.

.

Экспериментально было установлено, что отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела. Это означает, что оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры. Этот эмпирический закон открыт Кирхгофом и носит его имя.

Закон Кирхгофа: отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела, оно является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры:

.

Тело, которое при любой температуре полностью поглощает все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом а.ч.т.

Поглощательная способность абсолютно черного тела а а.ч.т. (λ,Т) равна единице. Это означает, что универсальная функция Кирхгофа
тождественна испускательной способности абсолютно черного тела
. Таким образом, для решения задачи теплового излучения необходимо было установить вид функции Кирхгофа или испускательной способности абсолютно чёрного тела.

Анализируя экспериментальные данные и применяя методы термодинамики австрийские физики Йозеф Стефан (1835 – 1893) и Людвиг Больцман (1844-1906) в 1879 году частично решили задачу излучения а.ч.т. Они получили формулу для определения энергетической светимости а.ч.т. – R ачт (T). Согласно закону Стефана-Больцмана

,
.

В
1896-м году немецкие физики во главе с Вильгельмом Вином создали суперсовременную по тем временам экспериментальную установку для исследования распределения интенсивности излучения по длинам волн (частотам) в спектре теплового излучения абсолютно черного тела. Эксперименты, выполненные на этой установке: во-первых, подтвердили результат, полученный австрийскими физиками Й.Стефаном и Л.Больцманом; во-вторых, были полученны графики распределения интенсивности теплового излучения по длинам волн. Они были удивительно похожи на полученные ранее Дж. Максвеллом кривые распределения молекул газа, находящегося в закрытом объеме, по величинам скоростей.

Теоретическое объяснение полученных графиков стало центральной проблемой конца 90-х годов 19-го века.

Английские классические физики лорд Рэлей (1842-1919) и сэр Джеймс Джинс (1877-1946) применили к тепловому излучению методы статистической физики (воспользовались классическим законом о равнораспределении энергии по степеням свободы). Рэлей и Джинс применили метод статистической физики к волнам подобно тому, как Максвелл применил его к равновесному ансамблю хаотически движущихся в замкнутой полости частиц. Они предположили, что на каждое электромагнитное колебание приходится в среднем энергия равная kT ( на электрическую энергию и на магнитную энергию),. Исходя из этих соображений, они получили следующую формулу для испускательной способности а.ч.т.:

.

Э
та формула хорошо описывала ход экспериментальной зависимости при больших длинах волн (на низких частотах). Но для малых длин волн (высокий частот или в ультрафиолетовой области спектра) классическая теория Рэлея и Джинса предсказывала бесконечный рост интенсивности излучения. Этот эффект получил название ультрафиолетовой катастрофы.

Предположив, что стоячей электромагнитной волне любой частоты соответствует одна и та же энергия, Рэлей и Джинс и при этом пренебрегли тем, что при повышении температуры вклад в излучение дают все более и более высокие частоты. Естественно, что принятая ими модель должна была привести к бесконечному росту энергии излучения на высоких частотах. Ультрафиолетовая катастрофа стала серьезным парадоксом классической физики.

С
ледующую попытку получения формулы зависимости испускательной способности а.ч.т. от длин волн предпринял Вин. С помощью методов классической термодинамики и электродинамики Вину удалось вывести соотношение, графическое изображение которого удовлетворительно совпадало с коротковолновой (высокочастотной) частью полученных в эксперименте данных, но абсолютно расходилось с результатами опытов для больших длин волн (низких частот).

.

Из этой формулы было получено соотношение, связывающее ту длину волны
, которой соответствует максимум интенсивности излучения, и абсолютную температуру тела Т (закон смещения Вина):

,
.

Это соответствовало полученным Вином экспериментальным результатам, из которых следовало, что с ростом температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону более коротких волн.

Но формулы, описывающей всю кривую, не было.

Тогда за решение возникшей проблемы взялся Макс Планк (1858-1947), который в это время работал в департаменте физики в Берлинском институте Кайзера Вильгельма. Планк был очень консервативным членом Прусской Академии, всецело поглощенным методами классической физики. Он был страстно увлечен термодинамикой. Практически, начиная с момента защиты диссертации в 1879-м году, и почти до конца века целых двадцать лет подряд Планк занимался изучением проблем, связанных с законами термодинамики. Планк понимал, что классическая электродинамика не может дать ответа на вопрос о том, как распределена энергия равновесного излучения по длинам волн (частотам). Возникшая проблема относилась к сфере термодинамики. Планк исследовал необратимый процесс установления равновесия между веществом и излучением (светом) . Чтобы добиться согласования теории с опытом, Планк отступил от классической теории лишь в одном пункте: он принял гипотезу о том, что излучение света происходит порциями (квантами) . Принятая Планком гипотеза позволила получить для теплового излучения такое распределение энергии по спектру, которое соответствовало эксперименту.

.

14 декабря 1900-го года Планк представил свои результаты Берлинскому физическому обществу. Так родилась квантовая физика.

Квант энергии излучения, введенный Планком в физику, оказался пропорциональным частоте излучения (и обратно пропорционален длине волны):

.

– универсальная постоянная, называемая теперь постоянной Планка. Она равна:
.

Свет представляет собой сложный материальный объект, который обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Волновые параметры – длина волны , частота света и волновое число .

Корпускулярные характеристики – энергия и импульс .

Волновые параметры света связаны с его корпускулярными характеристиками с помощью постоянной Планка:

.

Здесь
и
– волновое число.

Постоянной Планка принадлежит фундаментальная роль в физике. Эта размерная константа позволяет количественно оценить, насколько при описании каждой конкретной физической системы существенны квантовые эффекты.

Когда по условиям физической задачи постоянную Планка можно считать пренебрежимо малой величиной, достаточно классического (не квантового) описания.

Вам хорошо известно, что основным источником тепла на Земле является Солнце. Каким же образом передаётся тепло от Солнца? Ведь Земля находится от него на расстоянии 15 10 7 км. Всё это пространство за пределами нашей атмосферы содержит очень разреженное вещество.

Как известно, в вакууме перенос энергии путём теплопроводности невозможен. Не может происходить он и за счёт конвекции. Следовательно, существует ещё один вид теплопередачи.

Изучим этот вид теплопередачи с помощью опыта.

Соединим жидкостный манометр при помощи резиновой трубки с теплоприёмником (рис. 12).

Если к тёмной поверхности теплоприёмника поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то уровень жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, понизится (рис. 12, а). Очевидно, воздух в теп-лоприёмнике нагрелся и расширился. Быстрое нагревание воздуха в теплоприёмнике можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела.

Рис. 12. Передача энергии путем излучения

Энергия в данном случае передавалась не теплопроводностью. Ведь между нагретым телом и теплоприёмником находился воздух - плохой проводник тепла. Конвекция здесь также не может наблюдаться, поскольку тепло-приёмник находится рядом с нагретым телом, а не над ним. Следовательно, в данном случае передача энергии происходит путём излучения .

Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи. Она может осуществляться в полном вакууме.

Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка и др. Но чем выше температура тела, тем больше энергии передаёт оно путём излучения. При этом энергия частично поглощается окружающими телами, а частично отражается. При поглощении энергии тела нагреваются по-разному, в зависимости от состояния поверхности.

Если повернуть теплоприёмник к нагретому металлическому телу сначала тёмной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в колене манометра, соединённом с теплоприёмником, в первом случае (см. рис. 12, а) понизится, а во втором (рис. 12, б) повысится. Это показывает, что тела с тёмной поверхностью лучше поглощают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность.

В то же время тела с тёмной поверхностью охлаждаются быстрее путём излучения, чем тела со светлой поверхностью. Например, в светлом чайнике горячая вода дольше сохраняет высокую температуру, чем в тёмном.

Способность тел по-разному поглощать энергию излучения используется на практике. Так, поверхность воздушных метеозондов, крылья самолётов красят серебристой краской, чтобы они не нагревались солнцем. Если же, наоборот, необходимо использовать солнечную энергию, например в приборах, установленных на искусственных спутниках Земли, то эти части приборов окрашивают в тёмный цвет.

Вопросы

1. Как на опыте показать передачу энергии излучением?
2. Какие тела лучше, а какие хуже поглощают энергию излучения?
3. Как учитывает человек на практике различную способность тел поглощать энергию излучения?

Упражнение 5

1. Летом воздух в здании нагревается, получая энергию различными способами: через стены, через открытое окно, в которое входит тёплый воздух, через стекло, которое пропускает солнечную энергию. С каким видом теплопередачи мы имеем дело в каждом случае?
2. Приведите примеры, показывающие, что тела с тёмной поверхностью сильнее нагреваются излучением, чем со светлой.
3. Почему можно утверждать, что от Солнца к Земле энергия не может передаваться конвекцией и теплопроводностью? Каким способом она передаётся?

Задание

С помощью уличного термометра измерьте температуру сначала на солнечной стороне дома, затем на теневой. Объясните, почему различаются показания термометра.

Это любопытно...

Термос . Часто бывает необходимо сохранить пищу горячей или холодной. Чтобы помешать телу охладиться или нагреться, нужно уменьшить теплопередачу. При этом стремятся сделать так, чтобы энергия не передавалась ни одним видом теплопередачи: теплопроводностью, конвекцией, излучением. В этих целях используют термос (рис. 13).

Рис. 13. Устройство термоса

Он состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стенками. Внутренняя поверхность стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками сосуда выкачан воздух. Лишённое воздуха пространство между стенками почти не проводит тепло. Металлический же слой, отражая, препятствует передаче энергии излучением. Чтобы защитить стекло от повреждений, термос помещают в специальный металлический или пластмассовый футляр 3. Сосуд закупоривается пробкой 2, а сверху навинчивается колпачок 1.

Теплопередача и растительный мир . В природе и жизни человека растительный мир играет исключительно важную роль. Жизнь всего живого на Земле невозможна без воды и воздуха.

В слоях воздуха, прилегающих к Земле, и почве постоянно происходит изменение температуры. Почва нагревается днём, так как поглощает энергию. Ночью, наоборот, она охлаждается - отдаёт энергию. На теплообмен между почвой и воздухом влияет наличие растительности, а также погода. Почва, покрытая растительностью, плохо прогревается излучением. Сильное охлаждение почвы наблюдается также в ясные, безоблачные ночи. Излучение от почвы свободно уходит в пространство. Ранней весной в такие ночи наблюдаются заморозки. Во время облачности уменьшается потеря энергии почвы путём излучения. Облака служат экраном.

Для повышения температуры почвы и предохранения посадок от заморозков используют теплицы. Стеклянные рамы или изготовленные из плёнки хорошо пропускают солнечное излучение {видимое). Днём почва нагревается. Ночью невидимое излучение почвы стекло или плёнка пропускают хуже. Почва не замерзает. Теплицы препятствуют также движению тёплого воздуха вверх - конвекции.

Вследствие этого температура в теплицах выше, чем в окружающем пространстве.

Сегодня поговорим о том, что такое излучение в физике. Расскажем о природе электронных переходов и приведем электромагнитную шкалу.

Божество и атом

Строение вещества стало предметом интереса ученых более двух тысяч лет назад. Древнегреческие философы задавались вопросами, чем воздух отличается от огня, а земля от воды, почему мрамор белый, а уголь черный. Они создавали сложные системы взаимозависимых компонентов, опровергали или поддерживали друг друга. А самые непонятные явления, например, удар молнии или восход солнца приписывали действию богов.

Однажды, долгие годы наблюдая за ступенями храма, один ученый заметил: каждая нога, встающая на камень, уносит крошечную частичку вещества. Со временем мрамор менял форму, прогибался посередине. Имя этого ученого - Левкипп, и он назвал мельчайшие частицы атомами, неделимыми. С этого начался путь к изучению того, что такое излучение в физике.

Пасха и свет

Затем настали темные времена, науку забросили. Всех, кто пытался изучать силы природы, окрестили ведьмами и колдунами. Но, как ни странно, именно религия дала толчок к дальнейшему развитию науки. Исследование о том, что такое излучение в физике, началось с астрономии.

Время празднования Пасхи вычислялось в те времена каждый раз по-разному. Сложная система взаимоотношений между днем весеннего равноденствия, 26-дневным лунным циклом и 7-дневной неделей не позволяла составлять таблицы дат для празднования Пасхи более чем на пару лет. Но церкви надо было все планировать заранее. Поэтому Папа Римский Лев X заказал составление более точных таблиц. Это потребовало тщательно наблюдения за движением Луны, звезд и Солнца. И в конце концов Николай Коперник понял: Земля не плоская и не центр вселенной. Планета - шар, который вращается вокруг Солнца. А Луна - сфера на орбите Земли. Конечно, можно спросить: «Какое отношение все это имеет к тому, что такое излучение в физике?» Сейчас раскроем.

Овал и луч

Позже Кеплер дополнил систему Коперника, установив, что планеты движутся по овальным орбитам, и движение это неравномерное. Но именно тот первый шаг привил человечеству интерес к астрономии. А там недалеко было и до вопросов: «Что такое звезда?», «Почему люди видят ее лучи?» и «Чем одно светило отличается от другого?». Но сначала придется перейти от огромных объектов к самым маленьким. И затем подойдем к излучению, понятию в физике.

Атом и изюм

В конце девятнадцатого века накопилось достаточно знаний о малейших химических единицах вещества - атомах. Было известно, что они электронейтральны, но содержат как положительно, так и отрицательно заряженные элементы.

Предположений выдвигалось множество: и что положительные заряды распределены в отрицательном поле, как изюм в булке, и что атом - это капля из разнородно заряженных жидких частей. Но все прояснил опыт Резерфорда. Он доказал, что в центре атома находится положительное тяжелое ядро, а вокруг него располагаются легкие отрицательные электроны. И конфигурация оболочек для каждого атома своя. Тут-то и кроются особенности излучения в физике электронных переходов.

Бор и орбита

Когда ученые выяснили, что легкие отрицательные части атома - это электроны, встал другой вопрос - почему они не падают на ядро. Ведь, согласно теории Максвелла, любой движущийся заряд излучает, следовательно, теряет энергию. Но атомы существовали столько же, сколько вселенная, и не собирались аннигилировать. На выручку пришел Бор. Он постулировал, что электроны находятся на некоторых стационарных орбитах вокруг атомного ядра, и находиться могут только на них. Переход электрона между орбитами осуществляется рывком с поглощением или испусканием энергии. Этой энергией может быть, например, квант света. По сути, мы сейчас изложили определение излучения в физике элементарных частиц.

Водород и фотография

Изначально технология фотографии была придумана как коммерческий проект. Люди хотели остаться в веках, но заказать портрет у художника было не каждому по карману. А фотографии были дешевыми и не требовали таких больших вложений. Потом искусство стекла и нитрата серебра поставило себе на службу военное дело. А затем и наука стала пользоваться преимуществами светочувствительных материалов.

В первую очередь фотографировать стали спектры. Уже давно было известно, что горячий водород испускает конкретные линии. Расстояние между ними подчинялось определенному закону. Но вот спектр гелия был более сложным: он содержал тот же набор линий, что и водород, и еще один. Вторая серия уже не подчинялась закону, выведенному для первой серии. Тут на помощь пришла теория Бора.

Выяснилось, что электрон в атоме водорода один, и он может переходить из всех высших возбужденных орбит на одну нижнюю. Это и была первая серия линий. Более тяжелые атомы устроены сложнее.

Линза, решетка, спектр

Таким образом было положено начало применению излучения в физике. Спектральный анализ - один из самых мощных и надежных способов определения состава, количества и структуры вещества.

1. Электронный эмиссионный спектр расскажет, что содержится в объекте и каков процент того или иного компонента. Этот способ используют абсолютно все области науки: от биологии и медицины до квантовой физики.
2. Спектр поглощения расскажет, какие ионы и на каких позициях присутствуют в решетке твердого тела.
3. Вращательный спектр продемонстрирует, насколько далеко находятся молекулы внутри атома, сколько и каких связей присутствует у каждого элемента.

А уж диапазонов применения электромагнитного излучения и не счесть:

• радиоволны исследуют структуру очень далеких объектов и недра планет;
• тепловое излучение расскажет об энергии процессов;
• видимый свет подскажет, в каких направлениях лежат самые яркие звезды;
• ультрафиолетовые лучи дадут понять, что происходят высокоэнергетические взаимодействия;
• рентгеновский спектр сам по себе позволяет людям изучать структуру вещества (в том числе и человеческого тела), а наличие этих лучей в космических объектах известят ученых, что в фокусе телескопа нейтронная звезда, вспышка сверхновой или черная дыра.

Абсолютно черное тело

Но есть особый раздел, который изучает, что такое тепловое излучение в физике. В отличие от атомного, тепловое испускание света имеет непрерывный спектр. И наилучшим модельным объектом для расчетов является абсолютно черное тело. Это такой объект, который «ловит» весь попадающий на него свет, но не выпускает обратно. Как ни странно, абсолютно черное тело излучает, и максимум длины волны будет зависеть от температуры модели. В классической физике тепловое излучение порождало парадокс Выходило, что любая нагретая вещь должна была излучать все больше и больше энергии, пока в ультрафиолетовом диапазоне ее энергия не разрушила бы вселенную.

Разрешить парадокс смог Макс Планк. В формулу излучения он ввел новую величину, квант. Не придавая ей особенного физического смысла, он открыл целый мир. Сейчас квантование величин - основа современной науки. Ученые поняли, что поля и явления состоят из неделимых элементов, квантов. Это привело к более глубоким исследованиям материи. Например, современный мир принадлежит полупроводникам. Раньше все было просто: металл проводит ток, остальные вещества - диэлектрики. А вещества типа кремния и германия (как раз полупроводники) ведут себя непонятно по отношению к электричеству. Чтобы научиться управлять их свойствами, потребовалось создать целую теорию и рассчитать все возможности p-n переходов.

Излучение, в самом общем виде, можно представить себе как возникновение и распространения волн, приводящее к возмущению поля. Распространение энергии выражается в виде электромагнитного, ионизирующего, гравитационного излучений и излучения по Хокингу. Электромагнитные волны – это возмущение электромагнитного поля. Они бывают радиоволновыми, инфракрасными (тепловое излучение), терагерцовыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и видимыми (оптическими). Электромагнитная волна имеет свойство распространяться в любых средах. Характеристиками электромагнитного излучения являются частота, поляризация и длина. Наиболее профессионально и глубоко природу электромагнитного излучения изучает наука квантовая электродинамика. Она позволила подтвердить ряд теорий, которые широко используются в различных областях знаний. Особенности электромагнитных волн: взаимная перпендикулярность трех векторов - волнового, и напряженности электрического поля и магнитного поля; волны являются поперечными, а вектора напряженности в них совершают колебания перпендикулярно направлению ее распространения.

Тепловое же излучение возникает за счет внутренней энергии самого тела. Тепловое излучение - это излучение сплошного спектра, максимум которого соответствует температуре тела. Если излучение и вещество термодинамичны, излучение - равновесное. Это описывает закон Планка. Но на практике термодинамическое равновесие не соблюдается. Так более горячему телу свойственно остывать, а более холодному, напротив, нагреваться. Данное взаимодействие определено в законе Кирхгофа. Таким образом, тела обладают поглощающей способностью и отражающей способностью. Ионизирующее излучение - это микрочастицы и поля, имеющие способность ионизировать вещество. К нему относят: рентген и радиоактивное излучение с альфа, бета и гамма лучами. При этом ренгеновское излучение и гамма-лучи являются коротковолновыми. А бета и альфа частицы являются потоками частиц. Существуют природные и искусственные источники ионизации. В природе это: распад радионуклидов, лучи космоса, термоядерная реакция на Солнце. Искусственные это: излучение рентгеновского аппарата, ядерные реакторы и искусственные радионуклиды. В быту используются специальные датчики и дозиметры радиоактивного излучения. Всем известный Счетчик Гейгера способен идентифицировать корректно только гамма-лучи. В науке же используются сцинтилляторы, которые отлично разделяют лучи по энергиям.

Гравитационным считается излучение, в котором возмущение пространственно временного поля происходит со скоростью света. В общей теории относительности гравитационное излучение обусловлено уравнениями Эйнштейна. Что характерно, гравитация присуща любой материи, которая движется ускоренно. Но вот большую амплитуду гравитационной волне может придать только излучать большой массы. Обычно же гравитационные волны очень слабые. Прибор, способный их зарегистрировать, - это детектор. Излучение Хокинга же представляет собой скорее гипотетическую возможность испускать частицы черной дырой. Эти процессы изучает квантовая физика. Согласно данной теории черная дыра только поглощает материю до определенного момента. При учете квантовых моментов получается, что она способна излучать элементарные частицы.

Моноэнергетическое ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией.

Смешанное ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или из частиц и фотонов.

Направленное ионизирующее излучение ионизирующее излучение с выделенным направлением распространения.

Естественный фон излучения - ионизирующее излучение, создаваемое космическим излучением и излучением естественно распределенных природных радиоактивных веществ (на поверхности Земли, в приземной атмосфере, в продуктах питания, воде, в организме человека и др.).

Фон - ионизирующее излучение, состоящее из естественного фона и ионизирующих излучений посторонних источников.

Космическое излучение - ионизирующее излучение, которое состоит из первичного излучения, поступающего из космического пространства, и вторичного излучения, возникающего в результате взаимодействия первичного излучения с атмосферой.

Узкий пучок излучения - такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует только нерассеянное излучение источника.

Широкий пучок излучения - такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует нерассеянное и рассеянное излучения источника.

Поле ионизирующего излучения - пространственно-временное распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде.

Поток ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу: F = dN/dt.

Поток энергии частиц - отношение энергии падающих частиц к интервалу времени Ψ=dЕ/dt.

Плотность потока ионизирующих частиц (фотонов) - отношение потока ионизирующих частиц (фотонов) dF

проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: φ = dF/dS = d 2 N/dtdS. (Плотность потока энергии частиц определяется аналогично).

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN , проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: Ф = dN/dS.

Энергетический спектр ионизирующих частиц - распределение ионизирующих частиц по их энергии. Эффективная энергия фотонного излучения - энергия фотонов такого моноэнергетического фотонного

излучения, относительное ослабление которого в поглотителе определенного состава и определенной толщины то же самое, что и рассматриваемого немоноэнергетического фотонного излучения.

Граничная энергия спектра β -излучения - наибольшая энергия β -частиц в непрерывном энергетическом спектре β -излучения данного радионуклида.

Альбедо излучения - отношение числа частиц (фотонов), отражающихся от границы раздела двух сред, к числу частиц (фотонов), падающих на поверхность раздела.

Запаздывающее излучение : частицы, излучаемые продуктами распада, в отличии от частиц (нейтронов и гамма - лучей), возникающих непосредственно в момент деления.

Ионизация в газах: отрыв от атома или молекулы газа одного или нескольких электронов. В результате ионизации в газе возникают свободные носители заряда (электроны и ионы) и он приобретает способность проводить электрический ток.

Термин «излучение» охватывает диапазон электромагнитных волн, включая видимый спектр, инфракрасную и ультрафиолетовую области, а также радиоволны, электрический ток и ионизирующее излучение. Вся несхожесть этих явлений обусловлена лишь частотой (длиной волны) излучения. Ионизирующее излучение может представлять опасность для здоровья человека. Ионизирующее излучение (радиация ) - вид излучения, который изменяет физическое состояние атомов или атомных ядер, превращая их в электрически заряженные ионы или продукты ядерных реакций. При определенных обстоятельствах присутствие таких ионов или продуктов ядерных реакций в тканях организма может изменять течение процессов в клетках и молекулах, а при накоплении этих событий может нарушить ход биологических реакций в организме, т.е. представлять опасность для здоровья человек.

2. ВИДЫ ИЗЛУЧЕНИЙ

Различают корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой отличной от нуля, и электромагнитное (фотонное) излучение.

2.1. Корпускулярное излучение

К корпускулярному ионизирующему излучению относят альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения. Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (α-, β-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при

столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят.

Соответственно, корпускулярное излучение, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением.

Рис.1 . Схема распада 212 Bi.

2.1.1 Альфа-излучение

Альфа частицы (α - частицы) - ядра атома гелия, испускаемые при α - распаде некоторыми радиоактивными атомами. α - частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Альфа излучение - поток ядер атомов гелия (положительно заряженных и

относительно тяжелых частиц).

Естественное альфа-излучение как результат радиоактивного распада ядра, характерно для неустойчивых ядер тяжелых элементов, начиная с атомного номера более 83, т.е. для естественных радионуклидов рядов урана, и тория, а также, для полученных искусственным путем трансурановых элементов.

Типичная схема α -распада природного радионуклида представлена на Рис.1 , а энергетический спектр α -частиц, образующихся при распаде радионуклида – на

Рис.2.

Рис.2 Энергетический спектр α -частиц

Возможность α- распада связана с тем, что масса (а, значит, и суммарная энергия ионов) α- радиоактивного ядра больше суммы масс α- частицы и образующегося после α- распада дочернего ядра. Избыток энергии исходного (материнского) ядра освобождается в форме кинетической энергии α- частицы и отдачи дочернего ядра. α- частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия - 2 Не4 и вылетают из ядра со скоростью 15-20 тыс. км/сек. На своём пути они производят сильную ионизацию среды,

вырывая электроны из орбит атомов.

Пробег α- частиц в воздухе порядка 5-8 см, в воде - 30-50 микрон, в металлах - 10-20 микрон. При ионизации α- лучами наблюдаются химические изменения вещества, и нарушается кристаллическая структура твердых тел. Так как между α- частицей и ядром существует электростатическое отталкивание, вероятность ядерных реакций под действием α- частиц природных радионуклидов (максимальная энергия 8,78 МэВ у 214 Ро) очень мала, и наблюдается лишь на легких ядрах (Li, Ве, В, С, N, Na, Al) с образованием радиоактивных изотопов и свободных нейтронов.

2.1.2 Протонное излучение

Протонное излучение – излучение, образующееся в процессе самопроизвольного распада нейтроннодефицитных атомных ядер или как выходной пучок ионного ускорителя (например, синхрофазоторона).

2.1.3 Нейтронное излучение

Нейтронное излучение - поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов. При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов (гамма-излучения). При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества.

Источниками нейтронного излучения являются: спонтанно делящиеся радионуклиды; специально изготовленные радионуклидные источники нейтронов; ускорители электронов, протонов, ионов; ядерные реакторы; космическое излучение.

С точки зрения биологического Нейтроны образуются в ядерных реакциях (в ядерных реакторах и в других промышленных и лабораторных установках, а также при ядерных взрывах).

Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Условно нейтроны в зависимости от кинетической энергии разделяются на быстрые (до 10 МэВ), сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. Медленные и тепловые нейтроны вступают в ядерные реакции, в результате могут образовываться стабильные или радиоактивные изотопы.

Свободный нейтрон - это нестабильная, электрически нейтральная частица со следующими

свойствами:

Эти свойства нейтрона позволяют использовать его, с одной стороны, как объект, который изучается и, с другой стороны, как инструмент, при помощи которого ведутся исследования. В первом случае исследуются уникальные свойства нейтрона, что является актуальным и дает возможность наиболее надежно и точно определить фундаментальные параметры электрослабого взаимодействия и, тем самым либо подтвердить, либо опровергнуть Стандартную модель. Наличие магнитного момента у нейтрона уже свидетельствует о его сложной структуре, т.е. его "неэлементарности". Во втором случае взаимодействие неполяризованных и поляризованных нейтронов разных энергий с ядрами позволяет их использовать в физике ядра и элементарных частиц. Изучение эффектов нарушения пространственной четности и инвариантности относительно обращения времени в различных процессах - от нейтронной оптики до деления ядер нейтронами - это далеко не полный перечень наиболее актуальных сейчас направлений исследований.

Тот факт, что реакторные нейтроны тепловых энергий имеют длины волн, сравнимые с межатомными расстояниями в веществе, делает их незаменимым инструментом для исследования конденсированных сред. Взаимодействие нейтронов с атомами является сравнительно слабым, что позволяет нейтронам достаточно глубоко проникать в вещество - в этом их существенное преимущество по сравнению с рентгеновскими и γ - лучами, а также пучками заряженных частиц. из-за наличия массы нейтроны при том же импульсе (следовательно, при той же длине волны) обладают значительно меньшей энергией, чем рентгеновские и γ - лучи, и эта энергия оказывается сравнимой с энергией тепловых колебаний атомов и молекул в веществе, что дает возможность изучать не только усредненную статическую атомную структуру вещества, но и динамические процессы, в нем происходящие. Наличие магнитного момента у нейтронов позволяет использовать их для изучения магнитной структуры и магнитных возбуждений вещества, что очень важно для понимания свойств и природы магнетизма материалов.

Рассеяние нейтронов атомами обусловлено, в основном, ядерными силами, следовательно сечения их когерентного рассеяния никак не связаны с атомным номером (в отличие от рентгеновских и γ -лучей). Поэтому облучение материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких (водород, кислород и др.) элементов, идентификация которых почти невозможна с использованием рентгеновских и γ - лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении биологических объектов, в материаловедении, в медицине и др. областях. Кроме того, различие в сечениях рассеяния нейтронов у разных изотопов позволяет не только отличать в материале элементы с близкими атомными номерами, но и исследовать их изотопный состав. Наличие изотопов с отрицательной амплитудой когерентного рассеяния дает уникальную возможность контрастирования исследуемых сред, что также очень часто используют в биологии и медицине.

Когерентное рассеяние - рассеяние излучения с сохранением частоты и с фазой, отличающейся на π от фазы первичного излучения. Рассеянная волна может интерферировать с падающей волной или другими когерентно рассеянными волнами.