17. Явления микромира

Эффект Просветления– уменьшение скорости резонансного поглощения при увеличении интенсивности подающего на среду электромагнитного излучения. Величина поглощения определяется в этом случае скоростью процессов релаксации, то есть скоростью с которой возбужденный атом может передавать энергию возбуждения окружающей среде. Так как скорость релаксации определяется свойствами среды, то с увеличением интенсивности излучения доля поглощаемой в среде энергии уменьшается.

Рис. 17.1. Просветляющий фильтр

Применение: в квантовой электронике, где используется для модуляции добротности лазеров

17.1. Радиоактивность

Под радиоактивностьюобычно понимают самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного вещества в изотопы другого; при этом происходит испускание элементарных частиц и жесткого электромагнитного излучения. Различаютестественнуюиискусственнуюрадиоактивность. Процессы, происходящие при естественной радиоактивности позволяют судить о структуре и свойствах радиоактивных веществ. В настоящее время все большее значение получают процессы, связанные с искусственной радиоактивностью. Практически все вещества имеют радиоактивные изотопы, поэтому, не изменяя химического строения вещества можно его пометить, сделав часть ядер радиоактивными. Это позволяет с большей точностью следить за перемещением этого вещества или изучать его внутреннюю структуру.

Пример применения:

- способ ускоренного определения годности защитно-моющих и лекарственных веществ наружного применения, при котором на кожу наносят слой исследуемого вещества, отличающийся тем, что с целью определения времени проникновения вещества сквозь кожу и времени выполнения им барьерных функций, в исследуемое вещество предварительно вводят радиоизотопы, например, йода, фосфора или серы, и проводят радиометрические измерения исследуемого объекта.

17.2. Рентгеновское и гамма-излучения

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном, имеет ту же электромагнитную природу, чтогамма излучениеиспускаемые ядрами атомов радиоактивных элементов, поэтому оба вида изучения подчиняются одинаковым закономерностям при взаимодействии с веществом. Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключения в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение – внеядерного происхождения, гамма излучение – продукт распада ядер.

Рентгеновское излучение возникает либо при торможении заряженных частиц (электронов) высокой энергии в веществе (сплошной спектр) (см. 17.3. "Тормозное излучение"), либо при высоко-энергетических переходах внутри атома (линейчатый спектр). Недавно установлено, что рентгеновское излучение может также возникать в результате явления адгезолюминесценции, которая наблюдается при очень быстром отрыве от гладкой поверхности липкой ленты. Такой быстрый отрыв может происходить, например, при быстром качении по металлической поверхности цилиндра, покрытого липкой лентой. В этом случае пленка и металлическая поверхность образуют как бы обкладки микроскопического конденсатора, напряженность поля в котором может достигать сотни тысяч электрон вольт. Электроны, разогнанные в подобном миниконденсаторе, тормозятся, испуская при этом рентгеновское излучение.

Рентгеновские лучи применяют для просвещения различных веществ с целью выявления скрытых эффектов. При деформации неподвижного микрокристалла, на рентгенограммах наблюдается размытие в определенных направлениях интерференционных пятен (явление астеризма). Появление астеризма объясняется тем, что монокристалл в процессе деформации разбивается на отдельные участки (фрагменты) размером 1 .. 0,1 мкм. С увеличением деформации монокристалла интерференционные пятна удлиняются. По направлению и степени растяжения пятна можно судить о количестве размере и форме фрагмента и исследовать характер протекания деформации.

Из других областей применения рентгеновских лучей можно назвать:

- рентгеновскую дефектоскопию; занимающуюся просвечиванием твердых тел с целью установления размера и места нахождения дефекта внутри материала;

- рентгеновскую спектроскопию,рентгеноспектральный анализ. Основная цель – исследование электронного строения веществ по их рентгеновским спектрам. Области применения - исследования химического строения веществ, технологические процессы горнорудной и металлургической промышленности – рентгеновскую микроскопию широко применяют для исследования объектов непрозрачных для видимого света и электронов (биология, медицина, минералогия, химия, металлургия).

Пример применения:

- способ измерения моментов инерции неоднородных, несвободных тел, заключающийся в поступательном перемещении исследуемого тела относительно пространственной оси, отличающийся тем, что с целью устранения влияния напряжения мускулатуры исследуемого, поперек оси перемещения исследуемого передвигают источник гамма излучения с детектором, регистрирующим интенсивность прошедшего через равные участки тела гамма излучения.

Взаимодействие рентгеновского и гамма излучения с веществом происходят посредством трех основных процессов: фотоэлектрического поглощения(фотоэффекта),рассеянияиэффекта образования пар.

Фотоэффект. При фотоэффекте рентгеновский или гамма-квант передает всю энергию электрону атома. При этом, если электрон получает энергию, большую, чем энергия связи его в атоме, то он вылетает из атома. Этот электрон называетсяфотоэлектроном. При потере атомами фотоэлектронов освободившиеся места в электронных оболочках в дальнейшем заполняются электронами с внешних оболочек. Переход электронов на более близкую к ядру оболочку сопровождается испусканием кванта характеристического излучения, которое можно зарегистрировать, например, фотоэмульсией.

При малых энергиях квантов (Е 0,5 МэВ) фотоэлектроны вылетают преимущественно в направлениях, перпендикулярных направлению распространения излучения. Чем выше энергия квантов, тем ближе к их первоначальному направлению движение выбрасываемых фотоэлектронов. Процесс образования фотоэлектронов приводит к ионизации облучаемого вещества, что находит большее применение для интенсификации различных технологических процессов.

Рассеяниерентгеновского и гамма излучения. Различают два основных процесса рассеяния:комптоновскоеилинекогерентное(эффект Комптона) икогерентноерассеяние.

При эффекте Комптона происходит упругое соударение первичного кванта со свободным электроном вещества. Комптоновское рассеяние представляет собой взаимодействие кванта с электроном, при котором, в отличии от фотоэффекта, квант передает электрону не всю энергию, а только ее часть, отклоняясь при этом от своего первоначального направления в некоторый угол а электрон, получивший некоторое количество энергии, начинает двигаться под углом к направлению движения рентгеновского или гамма-кванта. В результате появляется рассеянный квант большей длиной волны, изменившей первоначальное направление, и электрон отдачи (комптоновский электрон), получивший часть энергии кванта. Комптоновские электроны характеризуются непрерывным спектром от ничтожно малых значений до максимальной величины (если они выбрасываются в направлении движения кванта).

В случае, если энергия кванта сравнима с энергией связи электрона в атоме, происходит когерентное рассеяние квантов. При этом, когда электромагнитная волна встречается с электроном, последний начинает колебаться с частотой этой волны и излучает: энергию в виде рассеянной волны. Энергия кванта при этом не изменяется. Движение электронов в атоме взаимосвязано, поэтому излучение, рассеянное одним электроном, будет интерферировать с излучением, рассеянным другими электронами этого же атома. Рассеянные гамма кванты несут информацию о структуре облучаемого вещества, поэтому рассеянное излучение можно использовать для различных измерительных целей.

Пример применения:

- способ определения угла смачивания и поверхностного или межфазового натяжения непрозрачных систем при высоких температурах фотографирование контура, которое осуществляется в пучках мягких гамма лучей полученных от радиоактивных изотопов, например иридия-192, тулия-170 или европия-154 или европия-156.

Эффект Комптона –упругое рассеивание электромагнитного излучения на свободных (или слабо связанных) электронах, сопровождается увеличением длины волны; наблюдается при рассеянии излучения малых длин волн - рентгеновского и γ – излучений. Электрон поглощает (в точке 1, рис. 17.2) падающий на него фотон γ и переходит из начального в промежуточное состояние е*, после чего виртуальный электрон испускает (в точке 2) новый, конечный фотон γ' а сам переходит в конечное состояние е'.

Рис. 17.2. Эффект Комптона

Интенсивность комптоновского рассеивания зависит как от угла рассеяния, так и от длины волны падающего излучения. В угловом распределении рассеянных фотонов есть асимметрия: большая часть электронов рассеиваются по направлению вперед, причем этаасимметрия увеличивается с ростом δ_γ. Полная интенсивность комптоновского рассеивания падает с ростом Е_γ.

Рис. 17.3. График зависимости полного сечения эффекта комптона (полной интенсивности) от энергии фотона Е_γ; стрелка указывает энергию, при которой начинается рождение электрон-позитронных пар

Применение: в гамма-спектрометрах и др.[3].

Эффект образования пар. При взаимодействии с атомами ядра кванты рентгеновского и гамма излучения достаточно высокой энергии (не менее 1,02 МэВ) вызывают одновременное появление электронов и позитронов. Процесс образования электронно-позитронных пар происходит в поле атомного ядра или поле электрона. Позитрон существует лишь очень короткий промежуток времени; вслед за образованием пары наблюдается явлениеаннигиляции– исчезновение позитрона и какого либо электрона среды, сопровождаемое излучением двух квантов с энергией 0,51 МэВ.