Пәннің мақсаты мен мазмұны

«Сәулеленудің заттармен өзара әсерлесуі» лекция курсы Техникалық физика мамандығының студенттеріне арналған. Берілген курс конденсерленген күй физикасының жалпы мәселелерімен айналысатын студенттерге, магистранттар, докторанттарға және де зерттеушілерге пайдасы зор. «Сәулеленудің заттармен өзара әсерлесуі» пәні ғылымға белгілі сәулеленудегі материалдық дененің кезкелген түрі әсерімен байланысты, жоғарғы білім бағдарламасының сұрақтарының үлкен аумағын қамтиды.

Материалға тереңінен енген сәулелену – затты атомдық құрлысын бұзады және қатты дененің қасиетін өзгертеді. Мысалы: ядролық әсерден әр түрлі құрылғылар мен сызбалар өз қасиеттерін өзгертеді, мұндайда кристалдар негізгі элемент болып табылады: көп жағдайда құрылғыларда жөнделмейтін керексіз дефектілер құра отырып, оларды қатардан шығарып тастайды немесе керісінше, практикалық қолдануға қызмет ететін жаңа құнды сапалар береді.

Қазіргі заманғы конденсерленген күй физикасы – бұл ғылымның, техниканың, экономика және өндірістің маңызды сұрақтарымен айналысатын физиканың ілгерілеу дәуірі. Қазіргі кездегі әлеуметтік және энергетикалық бағыттағы Қазақстанның ядролық энергетикасының болашағын талқылауда – физиктер, материалтанушылар, техниктер, инженерлердің еңбенінің арқасын, басқарылатын термоядролық реактордың мәселесі шешілуде. Одан басқа, елге және адамзатқа қызмет ететін экстремалды жағдайда жұмыс істеуге қабілетті және иондайтын сәулелену өрісінде үлкен кернеуге шыдайтын жаңа материалдар аса қажет. Әлемнің көптеген елдерінің зертханаларында экономикалық үнемді, эксплуатацияда сенімді құрылымдық материалдарды жасаумен және іздеу мен байланысты ғылыми-зерттеу жұмыстар жүргізілуде, соның арқасында олар ұзақ мерзімдік қызметке жауап тапты.

Сәулеленудің түрлерін, сондай-ақ олардың материалдық денелермен өзара әсерін меңгеру – осы сәулеленулермен өзінің барлық қасиеттерін сақтай отырып өзара әсерлесуге және байланысуға қабілетті жаңа құрылымдық материалдардың жоспарын құруда үлкен қызығушылық туғызады.

Лекция 1 Сәулеленудің заттармен өзара әсерлесуінің негізгі түсініктері

«Сәулеленудің заттармен өзара әсерлесуі» - шашыраудың (серпімді және серпімсіз) элементар үрдісіне, жұтылуға және электромагниттік сәулеленудің генерациясына сай келеді.

Ядролық сәулеленудің заттармен өзара әсерлесуі мәселесімен радиациялық физика, радиациялық химия және радиология (радиациялық медицинаны қоса алғанда) ғылымдары айналысады.

Радиациялық физика ядролық сәулеленудің зат арқылы өту үрдісін зерттеумен айналысады. Көпшілік назары затпен құралатын сәулеленудің өтуі мен шағылу үрдісіне және элемент пен сәулеле

нудің арасында болатын барлық ядролық реакцияға, қорғалған ортада пайда болатын және шашырайтын екінші реттік нейтрондық және фотондық сәулеленуін, нейтрондық және фотондық сәулеленудің методологиялық өлшемін энергетикалық және бұрыштық аударылып отыр. Физикалық зерттеулер құрылымдық материалдарда жұтылған мөлшерді және қорғаныс барьерлерінің оптимальді құрылымын есептеуге арналған. Сәулеленудің заттармен өзара әсерлесуін оқыту аумағында геометриялық күрделі жүйедегі сәулеленудің өтуі, үлкен жүйедегі кіші детектор көтерілімінің есептелуі, жүйе параметрлерінің өзгерісіндегі есептері, алгоритмді өздігінен оқыту және тағы басқа қамтылады. Эксперименттік және есептік-теориялық зерттеулер әр түрлі техниканың радиациядан қорғанысын, авариялық ақаулар және т.б. төтенше жағдайлардағы иондайтын сәулеленудің өту анықтылығын қамтиды. Радиация-физикалық база иондайтын сәулелену өрісін болжауға, зерттеуге және әр түрлі ядролық жүйе мен обьектінің радиациялық қорғанысын және де құрылымдық материал дефектоскопия құрылғысын құруға арналған.

Радиациялық химия иондаушы сәулелену әсерінен қозған химиялық үрдістерді зерттейді. Негізгі қолданулары: материалдар мен заттардың, радиациялық модификациясы; бұзылудан қорғау тәсілінің өңделуі; иондаушы сәулеленуді органикалық, оның ішінде жоғары молекулалық заттарды радиациялық-химиялық синтездеуге арналған химиялық технологияда қолдану: комірсутектердің ауа оттегімен төменгі температуралық қышқылдануы және т.б. Міне, радиациялық химияның көрінетін және ультракүлгін электромагниттік сәулеленумен байланысты фотохимиядан айырмашылығы иондаушы сәулеленудің химиялық әсері болып табылады.

Радиобиология барлық иондаушы сәулеленулердің ағза мен оның құрылымына әсерін оқытады. Радиобиология сәулеленуден алған доза мөлшерін және радиациялық зақымданудан кейінгі ағзаның қалпына келуін болжаумен, қоршаған ортаның радиациясының адамзатқа қауіптілігін болжаумен, иондаушы сәулеленудің медицинадағы, ауыл шаруашылығындағы, азықтық және микробиологиялық өндірістегі жолдарын қарастырумен айналысады.

Сәулеленудің заттармен өзара әсеріне қазіргі заманғы заттар мен материалдардың анализінің ядролық физикаға негізделген.

Зат арқылы энергияның үлкен қорын тасымалдайтын иондаушы сәулеленудің өту үрдісі, өз артында зат құрылымын өзгерту арқылы із қалдырады.

Иондаушы сәулелену (радиация) – әсерлесу атомдардың және молекулалардың қозуына және иондалуына алып келетін бөлшектер немесе электромагниттік сәулелену квантының ағыны. Иондаушы сәулеленуге электрондар, позитрондар, протондар дейтрондар, α-бөлшектер және т.б. зарядталған бөлшектер ағыны сондай-ақ нейтрондар, рентген және γ-сәулелер ағыны жатады.

Бөлшектер зат арқылы өткенде, олар электрондар мен атомдық ядродан құралатын атомдармен өзара әсерлеседі. Сәулеленудің затпен өзара әсерінің сипаты оның түріне, энергиясына, ағын тығыздығына, сондай-ақ заттың физикалық және химиялық қасиетіне тәуелді. Нейтрондық сәулеленулер затпен өзара әсерлескенде ядролық реакциялар белсенді жүреді. Ал басқа иондайшы сәулелену түрінде ядролық реакция кезінде ядроның үлкен шоғыры пайда болған кезде жүзеге асады. Көп жағдайда иондаушы сәулелену энергиясы заттың барлық атомының электронды қабықшасымен өзара әсерлесуі кезінде шығындалады.

Иондаушы сәулеленудің затпен өзара әсерлесуінің 2 түрі бар: серпімді және серпімсіз.

Бөлшектің серпімді шашырауы – бұл үрдістегі бөлшектердің соқтығысу нәтижесінде, олардың тек импульстері өзгереді, ал ішкі күйі өзгеріссіз қалады.

Бөлшектің серпімсіз шашырауы – бұл үрдістегі бөлшектер соқтығысу кезінде олардың ішкі күйі өзгереді, басқа бөлшекке айналады немесе қосымша бөлшектер пайда болады.

α- және β- бөлшектер түріндегі иондаушы сәулеленулер заттың атомынын электронды қабықшасымен серпімсіз өзара әсерлескенде иондаушы сәулелену энергиясы ионизацияға және заттың атомын қоздыруға жұмсалады, яғни затқа таралатын тікелей иондаушы сәулеленулер заттың атомынын электронды қабықшасымен серпімсіз өзара әсерлескенде иондаушы сәулелену энергиясы ионизацияға және заттың атомын қоздыруға жұмсалады, яғни затқа таралатын тікелей иондаушы әсер көрсетеді. β-сәулеленудің зат атомының электронды қабықшасымен өзара әсерін кейде жанама иондаушы сәулелену деп атайды.

Сәулеленудің сандық сәулелену әсері меншікті иондауды сипаттайды. γ-сәулелену тудыратын меншікті иондау, α-бөлшектің меншікті иондауынан шамамен 5∙10⁴ есе, ал β-бөлшектің меншікті иондауынан 50 есе кіші. Сәулеленген заттың бірлік массасында жұтылған иондаушы сәулелену энергиясының сандық сипатына иондаушы сәулеленудің жұтылу мөлшері деп аталатын шама енгізілген. Иондаушы сәулеленудің жұтылу мөлшеріне байланысты зат құрылымы бұзылады. Иондаушы сәулеленудің нақты затпен өзара әсерлесу сипатына иондаушы сәулеленудің ену қабілетіне тәуелді. Бұл шама тапсырмаларды орындау барысында аса үлкен техникалық мәнге ие болады: құрылымдық материалдардың болжаулық есептеу өзгеруінің қасиеті, иондаушы сәулеленуден қорғану есептеуі, сәулеленудің тіркеу және т.б.

Әсерлесудің толық қиылысуы – әртүрлі үрдістер мен реакцияларға сәйкес келетін, иондаушы сәулеленудің берілген түрінің әсерлесуінің қиылысу мәні.

Өзара әсер қиылысуының бір атомға, бір электронға және атом ядросына қатысты микроскопиялық, ал зат көлемі бірлігіндегі барлық атомға қатыстылығы микроскопиялық деп аталады.

Мысалы: егер өзара әсердің микроскопиялық қиылысы бір электронға см² немесе бір атомға см² болса, макроскопиялық өзара әсер қиылысы см^-1.

Әлсіреудің сызықтық коэффициенті – затта dl жолын жүріп өткен жолға әсерін сипаттайтын dN/N жанама иондаушы бөлшектің үлесіне қатынасы немесе жанама иондаушы бөлшектің толық макроскопиялық өзара әсерінің қиылысы.

Әлсіреудің массалық коэффициенті – сәулеленудің зат массасының бірлігінде сызықтық коэффициенті μ немесе атомдық μ коэффициенті арқылы өрнектеледі:

Сәулелену әлсіреуінің жартылай қабаты – монобағытталған сәулеленудің жіңішке (жуан) шоғырып 2 есе әлсіретін зат қабатының қалындығы: Δ_1/2

Релаксация ұзындығы - монобағытталған сәулеленуді е есе әлсірететін зат қабатының l қалындығы (е – натурал логарифм негізі):

Мысалы: нейтронға геометрияда өлшенген жуан шоғырдың ұзындығы қолданылады.

Энергия алмасудың сызықтық коэффициенті μ_tr – жанама иондаушы сәулелену энергиясы dW/W үлесіндегі зарядталған бөлшектің кинетикалық энергиясының затта жүріп өткен dl элементтар жолының осы жолға қатынасы:

Энергия алмасудың массалық коэффициенті μ_tr,m сызықтық коэффициент арқылы өрнектеледі:

мұндағы, ρ – зат тығызыдығы.

Энергия жұтылуының сызықтық коэффициенті деп энергия алмасудың сызықтық коэффициенті μ_en мен берілген заттағы зарядталған бөлшектің екінші реттік энергиясы g үлесі мен бірлігінің арасындағы айырмашылықты айтады:

Энергия жұтылуының массалық коэффициенті сызықтық арқылы келесідей сипаттауға болады: