29 Лекция. Гамма сәуле шығару және ядролық реакиялар

29.1. Радиоактивті сәулелер және олардың жұтылу дозалары.

29.2. Радиоактивтік сәулелерді тіркеу.

29.3. Ядролық реакциялар және олардың типтері.

Гамма сәуле шығару.сәуле –радиоактивтіліктің дербес түрі емес, ол тек және -ыдырауларымен қабатта пайда болады, сондай-ақ ядролық реакцияларда, зарядталған бөлшектер тежелгенде, олар ыдырағанда және т.б. пайда болады. спектрі сызықты.спектр-бұлкванттар санының энергиясы бойынша бөлінуі.спектрдің дискреттілігі, атом ядроларының энергети-калық күйлерінің дискреттілігін сипаттайды.

сәулесі аталық ядро емес, балалық ядро шығарады. Балалық ядро түзілген кезде ол қозған күйінен (қозған атомның өмір сүру уақыты) негізгі күйгесәулесін шығарып көшеді.

сәулесінің өтімділік қабілеті жоғары. Сондықтан ол гамма-дефектоскопияда қолданылады. Ол гамма сәуленің әр түрлі орталарда бірдей қашықтыққа таралғанда түрліше жұтылуына негізделген.

сәуленің (сондай-ақ басқа да иондаушы сәулелер-дің) затқа әсер иондаушы сәуленің дозасымен сипатта-лады. Оның мынадай түрлері бар: жұтылған сәуле дозасы-сәуле энергиясының сәулеленген заттың массасына қатынасына тең физикалық шама. Жұтылған сәуле дозасының энергиясы грей (Гр): 1Гр = 1 Дж1кг.

Сәуленің экспозициялық дозасы. Оның өлшем бірлігі рентген (Р): Кл/кг. ауаны сәулелендіргенде босаған электрондар туғызған бір таңбалы барлық иондардың электрлік зарядтардың қосындысының осы ауаның массасына қатынасы.

Биологиялық доза-сәуленің ағзаға тигізетін әсерін сипаттайтын шама. Бірлігі рентгеннің биологиялық эквиваленті: Дж/кг.

Радиоактивтік сәулелер мен бөлшектерді бақылаудың және тіркеудің тәсілдері:

1.Сцинтилляциялаушы есептегіш – негізгі элементі сцинтиллятор (кристаллофосфор) және фотоэлектрондық көбейткіш болып табылатын ядролық бөлшектердің детекторы. Ол әлсіз жарық жарқылын электрондық аппаратура тіркейтін электрлік импульстерге түрлендіруге мүмкіндік береді.

2. Вильсон камерасы – шыны цилиндрден және оған тығыз тиіп тұратын поршеннен, цилиндр ішінде орналасқан судың немесе спирттің буымен қаныққан газдан (He,Ar) тұрады. Ондағы аса қаныққан бу арқылы өткен бөлшектің ізі тіркеледі.

3. Импульстік иондаушы камера – жұмысы зарядталған бөлшектердің газды иондауына негізделген детектор.

Нейтрондар – электрлік бейтарап бөлшектер бола отырып кулондық тебу күшіне ұшырамайды, сондықтан олыр ядроға оңай еніп кетеді де, әр түрлі ядролық түрлендірулер туғызады. Нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакцияларды зерттеу ядролық физиканың дамуында ғана зор роль атқарып қойған жоқ, сонымен бірге ядролық реакторлардың пайда болуына жеткізді.

Нейтрондардың әсерінен болатын ядролық реакциялар:

жалпы формула

Ядролық реакциялар

Ядролық реакция деп атомдық ядроның элементарлық бөлшектермен немесе басқа ядролармен күшті өзара әрекеттескендегі, ядроның немесе ядролардың түрлену процесін айтады. Символдық түрде ядролық реакция былай жазылады

X+ a→ Y+b немесе X(a,b)Y,

Х және Y – бастапқы және соңғы ядролар, a және b – соғысқан және шығарылған бөлшектер.Бөлініп шыққан энергияны реакция энергиясы деп атайды:

, (29.1)

мұндағы 1-ші массалардың қосындысы бастапқы ядро мен бөлшек үшін, ал 2-шісі – реакция нәтижесінде пайда болған ядро мен бөлшек кейінгі үшін. Егер (m1+m2)>(m3+m4) болса, энергия бөлініп шығады, бұл-экзотермиялық реакция, қарсы жағдайда – энергия жұтылады да, ол эндотермиялық реакция деп аталады.

Ядролық реакция эффективті қимамен σ сыйпатталады:

(29.2)

мұндағы N – бір өлшем көлемде n ядролары бар заттың көлденең қимасының бір өлшем ауданына 1 с ішінде түскен бөлшектер саны, dN –қалыңдығы dx қабаттағы реакцияға қатысқан сондай бөлшектердің саны. σ - қимасы бөлшектердің затқа түскенде реакция болу ықтималдығын сыйпаттайды және барн өлшем бірлігімен өлшенеді, 1барн=10^-28м².

1936 ж. Н. Бор шапшаң емес бөлшектердің қатысуымен болатын реакциялардың екі этап бойынша өтетінін айтты. Х-ядроның а- бөлшегін қармаған кезде, құрама (немесе компаунд-) ядро пайда болады, ол екінші этапта:

.

Кейбір реакциялар аралық ядросыз өтуі мүмкін, оларды тура ядролық әрекеттесу деп атайды.

Ядролық реакцияларда нейтронның әсерімен болатын ауыр ядролардың бөліну реакциялары ерекше орын алады, бөліну кезінде екі-үш екінші ретті нейтрондар және массалары жақындау жарықшақтар пайда болады. Нейтрондардың көпшілігі шамамен айтқанда лезде шығарылады (t < 10^-14 c, оларды лездік нейтрондар дейді), ал шамалы бөлігі (жуықпен алғанда 0,7%), 0,05 с- тан 60 с –қа дейінгі уақыт ішінде шығарылады, олар кешігуші нейтрондар деп аталады. Бұл реакцияларда 1,1 МэВ/нуклон энергия шығады. Бөліну кезіндегі екінші ретті нейтрондар жаңа бөлінулердің себебі болып, тізбекті бөліну реакциясының іске асуына мүмкіндік туады. Соңғы реакция нейтрондардың көбею коэффициентімен k сипатталады, тізбекті реакция дамуы үшін ол бірден көп болуы керек.

Тізбекті реакциялар басқарылатын және басқарылмайтын реакциялар болып бөлінеді. Олардың біріншісі атомдық реакторларда, екіншісі- сындық масаға жеткенде-жарылыстарда қолданылады.

Атомдық ядролардың синтез реакциясына тән нәрсе, мұнда бір нуклон үшін шығарылатын энергия, ауыр ядролар бөлінетін реакцияларда шығатын энергиядан әлдеқайда көп. Мысалы, ₉₂U²³⁸ ядросы бөлінгенде, шамамен 200 МэВ, немесе 0,84 МэВ/нуклон энергия шығарылады, ал, дейтерий мен тритий синтезінде, ол шама жуықтап алғанда - 3,5 МэВ/нуклон.

Жеңіл ядролардың ауыр ядроларға айналғанда өте жоғары температурада (Т > 10⁷ К) өтетін синтез реакциясын термоядролық реакциялар деп аталады. Басқарылатын термоядролық синтез адамзатқа іс жүзінде таусылмайтын энергия көзіне жетуге мүмкіндік ашады.