Министерство образования и наук Украины

Донецкий национальный технический университет

Кафедра «Прикладная экология и охрана окружающей среды»

Курсовая работа

Тема: «Влияние радиации на твердые тела»

Пояснительная записка к курсовой работе

по дисциплине «Физика твердого тела»

Проверил: Выполнил:

Профессор каф. ПЭиООС

Шаповалов В.В.

Содержание стр.

Введение…………………………………………………………………………………...6

1. Процессы протекающие при облучении твердых тел……………………………….9

1.1 Общие положения…………………………………………………………………9

1.2 Облучение альфа-частицами…………………………………………………….14

1.3 Облучение бета-частицами……………………………………………………...16

1.4 Облучение нейтронами…………………………………………………………..18

2. Влияние радиоактивного излучения на свойства твердых тел…………………….26

2.1 Характерные изменения свойств твердых тел при облучении………………26

2.2 Влияние излучения на электрическое сопротивление материалов…………...31

2.3 Влияние излучения на оптические свойства твердых тел……………………..32

2.4 Влияние излучения на механические свойства твердых тел………………….34

3. Применение ионизирующего излучения……………………………………………37

3.1 Применение……………………………………………………………………….37

3.2 Предельно допустимые дозы радиации на производстве……………………..38

Выводы…………………………………………………………………………………...40

Список использованной литературы

Приложение А

РЕФЕРАТ

СТРАНИЦ –41 , ИСТОЧНИКОВ –5 , ТАБЛИЦ – 2, РИСУНКОВ –7

Цель работы – изучить радиоактивное излучение, рассмотреть механизм процессов, протекающих при облучении твердых тел. Описать изменения свойств, наблюдаемых при облучении твердых тел.

РАДИОАКТИВНОСТЬ, ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, АЛЬФА-ЧАСТИЦЫ, ГАММА-ЧАСТИЦЫ, НЕЙТРОНЫ, БЕТА-ЧАСТИЦЫ

ABSTRACT

PAGES -41, SOURCES -5 TABLES- 2 FIGURES -7

Purpose – to study the radioactive emission, consider the mechanism of processes occurring during irradiation of solids. Describe the changes in the properties observed at exposure solids.

RADIOACTIVITY, IONIZING RADIATION, ALPHA RADIATION, GAMMA RADIATION, NEUTRONS

ВВЕДЕНИЕ

Впервые понятие о радиации, а точнее, о ее отдельном виде – рентгеновских лучах было введено 8 ноября 1895-го года немецким физиком Вильгельмом Конрадом Рентгеном. Именно его принято считать первооткрывателем радиоактивного излучения. Через несколько месяцев после открытия Рентгена, и в определенной мере благодаря ему, были открыты радиоактивные вещества. 20 января 1986 года на заседании Парижской академии наук всемирно известный математик Пуанкаре зачитал полученное им от Рентгена письмо об открытом необычном излучении и высказал некоторые соображения по поводу этого открытия. В частности, он предположил, что реальным источником Х-лучей является фосфоресцирующая поверхность стеклянной вакуумной трубки, куда, по словам Рентгена, падали катодные лучи. Проверить это предположение попросили профессора физики Анри Беккереля, который в течение многих лет изучал явления фосфоресценции. К тому же у него была самая крупная в Париже коллекция фосфоров. Были в ней, в частности, кристаллы уранилсульфата калия, которые ярко светились в темноте после выдержки на свету. С них Беккерель и начал свои эксперименты.

Он выдерживал на свету тонкие кристаллы минералов и затем накладывал их поверх фотопластинки, завернутой в черную бумагу. Между препаратом и защитной бумагой он помещал металлические кольца, считая, что возбуждаемые солнечным светом Х-лучи легко пройдут сквозь бумагу, но будут задержаны металлом. В этом случае на пластинке должны были появиться кольцевые тени. Опыты оказались успешными: после проявления на фотопластинке возникало четкое очертание кольца. Готовилось сенсационное сообщение о связи Х-лучей с фосфоресценцией. Все складывалось к тому, что Х-лучи индуцируются в кристаллах солнечным светом, а на установке Рентгена, по-видимому, катодными лучами.

С тех пор было проведено еще множество исследований и экспериментов по исследованию этих излучений, в том числе и великой ученой Марией Кюри. На сегодняшний день можно сказать следующее:

Радиоактивностью называют неустойчивость ядер некоторых атомов, которая проявляется в их способности к самопроизвольному превращению (распаду), что сопровождается выходом ионизирующего излучения (радиации). Энергия такого излучения достаточно велика, поэтому она способна воздействовать на вещество, создавая новые ионы разных знаков.

А так же различают несколько ее видов:

1)Ионизирующее излучение - поток элементарных частиц или квантов, энергия которых достаточно велика, чтобы вызвать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Основные виды ионизирующего излучения - альфа-частицы, бета-лучи, гамма-лучи, рентгеновские лучи, нейтроны.  2)Альфа-частица - ядро атома гелия, состоит из двух протонов и двух нейтронов. В воздухе пробег альфа-частицы не превышает нескольких сантиметров, в мягких биологических тканях - нескольких десятков микрометров.  3)Бета-лучи - электроны и позитроны. В воздухе способны пролететь несколько метров, в мягкие ткани могут проникать на расстояние нескольких миллиметров.  4)Гамма-лучи - кванты электромагнитного излучения высокой энергии с длиной волны короче 0,01 нм. Способны распространяться на большие расстояния.  5)Рентгеновские лучи - кванты электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 100 нм. Обладают меньшей энергией, чем гамма-лучи. Образуются не только при радиоактивном распаде, но и в рентгеновской трубке. 

6)Нейтроны - нейтральные частицы, вызывают косвенную ионизацию. Что касается единиц измерения радиоактивности, то различают единицы измерения распада радиоактивного атома, а так же единицы измерения касаемые энергии образующейся при распаде этого атома.

Единицы измерения распада довольно просты, в силу того, что их всего 2.

Первая – это Беккерель, равная одному распаду в секунду, и обозначается «Бк». Вторая – Кюри(Ки) равная распадов в секунду.

Вполне логичен вопрос: « А зачем единица измерения равная всего лишь большему количеству другой?». Ответ довольно прост – именно 1 Ки равен количеству распадов 1-го атома Радия.

Единиц измерения энергии довольно много, но в силу того, что эта работа непосредственно направлена на изучение радиоактивного излучения на твердые тела, мы будем использовать лишь некоторые из них, которыми впоследствии и будем оперировать.

Грей(Гр) – поглощенная доза излучения, соответствующая энергии 1 Дж ионизирующего излучения любого типа, переданной облученному веществу массой 1 кг. 1Гр = 100рад = 1 Дж\кг = 10 эрг. А так же мощность поглощенной дозы – Грей в секунду, то есть 1Дж\кгс.

1 ОСНОВНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

1.1 Общие положения

Детальная картина нарушений, возникающих под действием излучений, зависит как от природы облучаемого вещества (металл, полупроводник, твёрдое тело с ионными или атомными связями), так и от природы и энергии бомбардирующей частицы (тяжёлый ион, альфа-частица, протон, электрон, нейтрон, лучи Рентгена и др.). Тем не менее можно привести некоторые общие соображения, которые помогут понять происходящие при этом процессы объяснить различия между отдельными случаями. Проникающая в твёрдое тело частица, сталкиваясь с атомами, может вызвать один из трёх эффектов:

а) частица может столкнуться с одним или несколькими орбитальными электронами.

б) частица может столкнуться с самим ядром.

в) частица может вызвать некоторые изменения в ядре, либо возбуждая его, либо вызывая в нём превращение.

При упругом столкновении с бомбардирующим электроном электрон в решётке обычно получает достаточное количество энергии для того, чтобы удалиться от атома, которому этот электрон принадлежит. Однако такие перемещения в металле не приводят к заметным изменениям, так как электрон может возвратиться в своё состояние с низкой энергией, передавая свою избыточную энергию другим электронам и решётке в виде теплового движения. При упругом столкновении с ядром часть энергии падающей частицы будет передана ядру, и если этого количества энергии достаточно, то такой удар приведёт к смещению ядра из его положения в решетке. Если бомбардирующая частица сохраняет достаточное количество энергии, чтобы она также вылетела из узла решётки, то этот узел останется вакантным. Однако, если ядро, первоначально занимавшее этот узел, сместилось на небольшое расстояние, то оно может (спонтанно или вследствие тепловых флуктуации) вернуться на своё место. Если и ядро и бомбардирующая частица удалились .достаточно быстро, то окончательный результат столкновения сбудет заключаться в образовании вакантного места в решётке и атома, внедрённого в междуузлие (в дальнейшем—внедрённый атом). При достаточно высокой температуре внедрённые атомы или вакансии, или и те и другие могут диффундировать в решётке, и если они окажутся на достаточно близком расстоянии друг от друга, то они могут рекомбинировать. Возможно также, что вакансии или внедренные атомы могут собираться в рои (скопления), и если последние будут достаточно велики, то они могут объединяться с образованием линейных дислокационных колец (винтовые дислокации при этом образоваться не могут). Следовательно, с этой точки зрения эффект облучения состоит в образовании вакансий и внедрённых атомов в избыточном количестве по сравнению с их количеством при тепловом равновесии. Если бомбардирующая частица имеет очень большую энергию, то либо атом отдачи, либо сама падающая частица может участвовать в дальнейших столкновениях — с энергией, достаточной для выбивания атомов из равновесных положений. Если сечение для таких столкновений велико, то очень большое число атомов может быть смещено в малом объёме. В этом случае может оказаться неуместным рассмотрение нарушения с точки зрения отдельных вакансий или внедрённых атомов и может быть более целесообразно рассматривать такое нарушение как эффект, эквивалентный освобождению большого количества энергии в малом объёме, с мгновенным повышением температуры в этом объёме до очень высоких значений. Такое местное введение значительных количеств энергии часто называют тепловым клином. Если теперь обратиться к тем макроскопическим изменениям, которых следует ожидать под влиянием смещения ядер, то мы видим, что могут иметь место два основных эффекта:

1) Если твёрдое тело находилось до облучения в равновесном состоянии, то это равновесие может быть нарушено. Таким образом, появляется неравновесное число вакансий и атомов внедрения, упорядоченные сплавы становятся разупорядоченными и т. д. Если температура достаточно низка, то отжига этих эффектов может не произойти и образуется постоянное нарушение, в то время как в случае достаточно высокой температуры будет иметь место быстрый отжиг нарушений.

2) Если вещество предварительно не было в равновесии, а находилось в неравновесном состоянии вследствие охлаждения до низкой температуры (как, например, в случае закалённого разупорядоченного сплава, который превратился бы в упорядоченный при медленном охлаждении), то облучение может приблизить такую систему к равновесию. Следовательно, в результате образования и уничтожения пары вакансия — внедрённый атом может возникнуть структура, более близкая к равновесию, чем существовавшая до этого процесса, так как если такое приближение к равновесию вообще возможно, то изменения, ведущие к равновесию, будут энергетически более выгодными, чем любой другой способ превращений[1].

При нейтронном облучении налетающая частица смещает атом в том случае, если передаёт ему в упругих соударениях (без возбуждения электронной системы энергию, ε, превышающую некоторую пороговую εп. Типичные значения εп составляют 10—80 эВ. Вылет из ядра продуктов ядерных реакций, инициируемых нейтронами, также может вызвать смещение атомов в результате отдачи. Облучение заряженными частицами (электронами, позитронами, протонами,ионами) сопровождается как неупругой (передача энергии электрона), так и упругой передачей энергии атомам мишени. Соответственно образование радиационных дефектов при таких воздействиях протекает по механизмам, характерным для облучения как нейтронами, так и электромагнитными квантами.

Образование радиационных дефектов при передаче энергии электронам возможно главным образом в диэлектриках и полупроводниках. В металлах энергия, «растраченная» радиацией на возбуждение атомарных электронов, преим. превращается в тепло, не создавая дефектов структуры. Если энергия, которой обладает первичный смещённый в междоузлие атом, значительно превосходит εп, такой атом в свою очередь может при движении генерировать пары Френкеля вблизи своей траектории и т. д. Результатом каскада соударений является образование дефектных разупорядоченных областей —радиационных кластеров с характерным линейным размером ~10 – 10 см. При этом концентрация компонентов пар Френкеля в кластере может достигать 10 - 10 см [1].

При ионной имплантации (энергия ионов ~10 кэВ) локализация кластеров в тонких слоях, определяемых пробегом ионов (10 см), ведёт к образованию слоев с большей концентрацией дефектов. Во многих случаях образование пар Френкеля и кластеров является лишь первой стадией формирования устойчивых радиационных дефектов. После возникновения вакансии и междоузельные атомы частично рекомбинируют, частично начинают движение по мишени, вступая в квазихимимические реакции друг с другом и с др. дефектами структуры мишени (примесными атомами, дислокациями или границами раздела фаз). Типы и концентрация устойчивых радиационных дефектов определяются как условиями облучения, так и свойствами самих твёрдых тел. При этом для лёгких частиц и фотонов не слишком высоких энергий наиб, характерно образование устойчивых точечных дефектов (изолированные вакансии или междоузельные атомы, дивакансии, комплексы компонентов пары Френкеля с примесными атомами и т. п.). При облучении нейтронами устойчивый кластер представляет собой дивакансионное ядро, окружённое примесно-дефектными комплексами. При ионной бомбардировке плотность точечных дефектов в кластере больше, чем при нейтронной, и она тем выше, чем больше масса иона. При этом важную роль в формировании устойчивых кластеров играет процесс пространственного разделения вакансий и междоузельных атомов, предшествующий стадии квазихимических реакций. В силу этого устойчивые кластеры, возникающие при ионной бомбардировке, имеют более сложную структуру и состоят из вакансионных комплексов с различным числом вакансий, примесно-дефектных комплексов, а также атомов внедрённой примеси. При облучении кристаллов тяжёлыми ионами устойчивые кластеры представляют собой локальные аморфные области[2].

Радиационные дефекты — метастабильные образования, их концентрацию и природу можно изменить нагревом (термический отжиг дефектов). Такая термообработка иногда может сопровождаться полным восстановлением исходной структуры. В то же время в зависимости от условий отжига (температуpa, скорость её изменения, время, газовая среда, характер возбуждения электронной системы атомов и дефектов) квазихимические реакции могут сопровождаться появлением новых типов дефектов. Например, типичный для технологии микроэлектроники отжиг бездислокационного кремния, имплантированного большими дозами ионов фосфора, сопровождается образованием дислокаций, плотность которых особенно высока, если нагрев осуществляется в окислительной атмосфере. При термическом отжиге радиационных дефектов приобретают энергию, достаточную для разрыва связи между ними, миграции освободившихся частиц и протекания реакций с их участием. В качестве источника энергии при отжиге иногда может служить облучение (радиационный отжиг). При этом механизмы радиационного отжига могут быть обусловлены как повышением температуры мишени (радиационный разогрев), так и реакциями взаимодействия рождающихся компонентов пар Френкеля с ранее образовавшимися радиационных дефектов. Примером радиационного отжига является стимулированная ионами кристаллизация, благодаря которой аморфный слой, образующийся в кристаллических полупроводниках в результате ионной бомбардировки, вновь кристаллизуется при продолжении облучения.

Взаимодействие излучений с твёрдым телом сопровождается рядом радиационных эффектов. В их числе: распыление; изменение коэффициента диффузии; удаление атомов с облучаемой поверхности; трансмутационное легирование (образование примесных атомов в результате ядерных реакций); ионный синтез (хим. реакции, приводящие к образованию новых соединений, в имплантированных химически активными ионами объектах в процессе облучения или последующего отжига).