Презентация по физике на тему "Ядерная физика" (11 класс)

ЯДЕРНАЯ  ФИЗИКА

Автор:

Павлова В.Ю.,

Кандидат геолого-минералогических наук

Состав радиоактивного излучения

1.     Альфа излучение – поток ядер атомов гелия; проникающая способность в воздухе – 10 см, в породе – доли мм.

2.     Бета излучение – поток электронов и позитронов; проникающая способность примерно в 100 раз больше, чем у альфа излучения.

3.     Гамма излучение – сверхвысокочастотное электромагнитное излучение (более 10¹⁹ Гц); проникающая способность в воздухе – сотни метров, в породе – до 1 м.

4.     Нейтронное излучение (искусственное) – наиболее проникающее.

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Название диапазона волн		Диапазон длин волн, м	Диапазон частот, Гц
Низкочастотные электромагнитные колебания		 - 105	0 – 3.103
Радиоволны	Сверхдлинные	105 - 104	3.103 - 3.104
	Длинные	104 – 103	3.104 - 3.105
	Средние	103 – 102	3.105 - 3.106
	Короткие	102 – 10	3.106 - 3.107
	Ультракороткие	10 – 10 -3	3.107 - 3.1011
Инфракрасное излучение		2.10 -3 – 7.6.10 -7	1.5.1011 – 4.0.1014
Видимое излучение		7.6.10 -7 – 3.8.10 -7	4.0.1014 – 8.0.1014
Ультрафиолетовое излучение		3.8.10 -7 – 3.10 -9	8.0.1014 –1017
Рентгеновское излучение		10 -8 –10 -12	3.0.1016 – 3.0.1020
Гамма-излучение		< 10 -11	> 3.0.1019

Радиоактивный распад ядер

В замкнутой системе число атомов радионуклида в момент t :

t

0.693

                                                                                               N(t) N₀e         ^T

Уравнение равновесия между материнскими и дочерними изотопами в замкнутой системе:

NM TD  ND TM

Т – период полураспада,  N – количество атомов

Единицы измерения в радиометрии

Радиоактивность	Беккерель Кюри	1Бк = 1 распад / сек 1 Ки=3,7х1010 Бк
Удельная радиоактивность	Беккерель / килограмм Беккерель / кубометр	Бк / кг Бк / м3
Доза облучения	Кулон / килограмм Рентген	К / кг 1 Р = 2.58 104 К / кг
Мощность дозы облучения	Ампер / килограмм Микрорентген / час	А / кг мкР / час

Методы радиометрии:

1.    Гамма съемка – изучение естественного гамма излучения горных пород.

2.    Эманационная съемка – изучение концентрации радона по альфа излучению.

Ядерно-физические методы

1.   Облучение горной породы гамма-квантами, изучение вторичного рентгеновского, гамма или нейтронного излучения. 

2.   Облучение горной породы нейтронами, изучение вторичного гамма или нейтронного излучения. 

Энергия излучения

(начальная кинетическая энергия частиц) – МэВ

                                                              Альфа              – до 10 МэВ

                                                              Бета                 – до 4 МэВ

                                                              Гамма              – до 3 МэВ

Нейтроны:

холодные – менее 0.001 эВ тепловые – 0.001-0.025 эВ надтепловые – 0.025-0.5 эВ резонансные – 0.5-100 эВ медленные – 0.1-1 кэВ промежуточные – 1кэВ – 0.5 МэВ быстрые – более 0.5 МэВ

Взаимодействия излучений с веществом

Взаимодействие гамма и нейтронного излучений с веществом характеризуются микроскопическими сечениями составляющих элементов и макроскопическим сечением вещества в целом.  

k

I  I₀ e^{ L} ,   _i N_i

i1

где σ_i — микроскопическое сечение взаимодействия атома i-го химического элемента с гамма или нейтронным излучением при общем количестве атомов этого элемента N_i , и общем числе элементов k;

I, ^I₀ — интенсивность излучения в конце и начале поглощающего слоя толщиной L. μ – макроскопическое сечение вещества.

Размерность σ – м², μ – м ^-1. Значения σ для большинства элементов – 10^-24 10-26 м2.

Взаимодействие гамма-квантов с веществом

4 типа взаимодействия гамма-квантов с веществом:

1.     Фотоэффект  - взаимодействие мягкого гамма излучения (энергия до 0.5 МэВ) с плотным веществом (ионизация, рентгеновское излучение).

2.     Комптоновское рассеяние – взаимодействие гамма квантов с энергией более 0.5 МэВ с легким веществом.

3.     Образование электронно-позитронных пар - взаимодействие гамма квантов с энергией более 1 Мэв с гравитационным полем ядра атома.

4.     Фотонейтронный эффект - взаимодействие гамма квантов  энергией более 2 Мэв с ядром атома и его разрушение.

Фотоэффект

Фотоэффект преобладает при энергии гамма излучения h۷менее 0.2-0.5 МэВ. Электрон атома вырывается гамма квантом со своего уровня (фотоэлектрон), освободившийся уровень заполняется внешним электроном с излучением кванта.

Гамма кванты малых энергий могут вырывать из атома лишь внешние «оптические» электроны; с увеличением энергии, гамма кванты могут вырывать и внутренние электроны, при этом  атомами излучаются рентгеновские кванты.

Фотоэлектроны вылетают под углом около 90 градусов к направлению движения гамма квантов.

Если энергия перехода передается вырванному электрону (электроны Оже) излучения не происходит; вылет электронов Оже – беспорядочен.

Микроскопическое сечение фотоэффекта увеличивается с ростом порядкового номера  вещества и уменьшается с увеличением энергии излучения.

Комптоновскоерассеяние

Проявляется на всех энергиях, но при энергии гамма квантов 0,2-3 МэВ является основным механизмом взаимодействия для большинства природных веществ.

Взаимодействие происходит со свободным электроном, или из атома выбивается электрон, которому передается часть энергии и импульса гамма кванта; сам гамма-квант меняет энергию и направление движения, которое зависит от положения электрона в атоме в момент взаимодействия и возможно в любом направлении.

Микроскопическое сечение комптоновского взаимодействия увеличивается с ростом порядкового номера атомов вещества (плотности), и уменьшается с ростом энергии гамма квантов.

Образование электронно-позитронных пар

Этот тип взаимодействия преобладает при энергии гамма квантов более 1.02 Мэв (пороговая энергия взаимодействия).

Электронно-позитронные пары образуются при взаимодействии гамма-кванта с гравитационным полем ядра атома. Позитрон практически мгновенно аннигилирует в результате столкновения со свободным электроном вещества. При этом образуются два гамма кванта с энергией 0,51 МэВ.

Микроскопическое сечение образования электроннопозитронных пар увеличивается с ростом порядкового номера атома и энергии гамма квантов

Фотонейтронный эффект (ядерный фотоэффект)

Взаимодействие жесткого гамма излучения с ядрами атомов, в результате которого происходит выбивание нейтронов из ядра атома (ядерный фотоэффект).

Наименьшая пороговая энергия связи нейтронов у бериллия (1.667 Мэв) и дейтерия (2.226 МэВ), для всех других элементов - более 4 МэВ. Энергия гамма квантов радиоактивных изотопов не превышает 3 МэВ.

Взаимодействие нейтронов с веществом

Нейтрон – нейтральная частица, не обладающая электрическим зарядом, с массой 1.675 10^-24 г (в 1836 раз больше массы электрона).

Нейтроны устойчивы только в составе стабильных атомных ядер; свободный нейтрон – нестабилен, распадается на протон, электрон и антинейтрино с выделением энергии 0.78 Мэв. Среднее время жизни свободного нейтрона (в вакууме) около 16 мин, в веществе  - до долей миллисекунды

При облучении вещества нейтроны легко проникают сквозь электронные оболочки атомов и взаимодействуют с ядрами.

Известно 3 типа взаимодействия нейтронов с веществом:

- неупругое рассеяние нейтронов, - упругое рассеяние нейтронов, - радиационный захват.

Неупругое рассеяние нейтронов

Неупругое рассеяние нейтронов – пороговая реакция, энергия порога возбуждения атомного ядра нейтроном уменьшается с ростом порядкового номера атома от нескольких МэВ до 0.1 Мэв, поэтому неупругое рассеяние характерно для взаимодействия только быстрых нейтронов с тяжелыми ядрами;

При неупругом рассеянии нейтронов ядро атома не меняется, но получает часть энергии быстрого нейтрона, переходит в возбужденное состояние и излучает гамма кванты; сам нейтрон при этом замедляется.

Неупругое рассеяние нейтронов на ядрах водорода невозможно, т.к водород не образует составного ядра (в отличие от дейтерия и трития).

Упругое рассеяние нейтронов

При упругом рассеянии нейтронов – происходит перераспределение кинетической энергии между быстрым нейтроном  и ядром атома при их столкновении (замедление нейтронов).

Наибольшая потеря энергии нейтроном происходит при его столкновении с легкими ядрами.

Водород – аномальный замедлитель нейтронов, имеющий максимальное сечение упругого рассеяния нейтронов.

Радиационный захват нейтронов

Радиационный захват (поглощение) нейтронов – возможен на ядрах всех элементов (за исключением гелия) независимо от энергии нейтрона, но наиболее вероятен для тепловых нейтронов.

Захват нейтрона происходит с излучением одного или нескольких гамма квантов различной энергии (до 10 МэВ), причем каждый элемент имеет свой энергетический спектр, который может быть использован для поэлементного анализа горных пород. Аномальные поглотители нейтронов путем радиационного захвата – кадмий, бор, хлор, литий.

Невозможен радиационный захват нейтронов ядрами гелия.

Нейтронные свойства горных пород

Замедляющая способность горных пород в отношении нейтронов определяется содержанием в них водорода, при этом значительную роль играет также содержания бериллия и углерода, что особенно заметно при низкой пористости пород.

Поглощающая способность горных пород в отношении нейтронов резко повышается при насыщении пород минерализованными водами, в состав которых входит хлор; поглощающая способность также повышается при наличии в породе других элементов поглотителей – кадмия, бора, железа и марганца.

РАДИОАКТИВНОСТЬ МИНЕРАЛОВ, ГОРНЫХ ПОРОД И РУД

Радиоактивность минералов

Наибольшая радиоактивность у минералов с высоким содержанием  урана (уранит, настуран), тория (торит, монацит).

Высокая радиоактивность у минералов, содержащих калий-40 (калиевые полевые шпаты, калийные соли).

Средней радиоактивностью характеризуются такие минералы, как магнетит, лимонит, сульфиды и др.

Низкой радиоактивностью отличаются кварц, кальцит, гипс, каменная соль.

Радиоактивность горных пород и руд

Радиоактивность горных пород и руд определяется по эквивалентному содержанию урана:

-   менее 10^-5 % - нерадиоактивные (ангидрит, гипс, известняк, доломит, габбро, диорит);

-   до 10^-4 % - средней радиоактивности (граниты, андезиты, песчаник, глина);

-   до 10^-3 % - высокорадиоактивные породы, убогие руды;

-   до 10^-2 % - бедные руды; - до 0.1 % - рядовые руды;

-   более 0.1 % - богатые руды.

Радиоактивность атмосферы и гидросферы

Радиоактивность атмосферы и гидросферы в целом – ничтожно мала.

Подземные воды могут иметь разную радиоактивность. Особенно велика она у подземных вод радиоактивных месторождений и вод сульфидно-бариевого и хлориднокальциевого типов.

Радиоактивность почвенного воздуха зависит от количества эманаций таких радиоактивных газов, как радон, торон, актинон.