Физические основы радиационных технологий

И.М. ОБОДОВСКИЙ





                ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
                РАДИАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ









Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2014

     И.М. Ободовский
       Физические основы радиационных технологий: Учебное пособие / И.М. Ободовский — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. — 352 с.
       ISBN 978-5-91559-172-0

       Совокупность разнообразных методов воздействия ионизирующих излучений на вещество объединяется общим наименованием «радиационные технологии».
       Разнообразие задач, в которых приходится иметь дело с ионизиру-щими излучениями, наличие целого набора видов излучений, сложный характер взаимодействия излучения с веществом, сильная зависимость отклика от энергии излучения и его вида приводят к тому, что в зависимости от задачи вопросы, касающиеся радиационных технологий, разбросаны по различным ящикам традиционной рубрикации науки.
       В учебном пособии подробно анализируются элементарные процессы преобразования энергии ионизирующего излучения в веществе, послужившие основой таких наук как радиационная физика, радиационная химия, радиационная биология, радиационное материаловедение и ряда других направлений.
       Целью книги является изложение принципов, лежащих в основе способов воздействия излучений на вещество.
       Руководство предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей инженерно-физических и технических специальностей, для инженеров и специалистов различных отраслей промышленности, использующих ионизирующие излучения в своей работе или пользующихся результатом таких воздействий.














     ISBN 978-5-91559-172-0      © 2014, И.М. Ободовский
                                 © 2014, ООО «Издательский Дом «Интеллект», оригинал-макет, оформление

            ОГЛАВЛЕНИЕ














   Предисловие................................................ 11

   Глава 1
   ЯДЕРНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ.......................................... 15
      1.1. Строениеядра....................................... 15
           1.1.1. Нуклоны..................................... 15
           1.1.2. Удельная энергия связи ядра................. 16
           1.1.3. Уровни энергии ядер. Возбужденные состояния. 19
      1.2. Радиоактивный распад................................20
           1.2.1. Виды радиоактивного распада................. 20
           1.2.2. Энергетическая диаграмма распада............ 22
           1.2.3. Изомеры..................................... 25
           1.2.4. Внутренняя конверсия........................ 26
           1.2.5. Закон радиоактивного распада................ 27
           1.2.6. Семейство изобар ........................... 29
           1.2.7. Радиоактивные семейства .................... 30
           1.2.8. Сводка основных радионуклидных источников... 31
      1.3. Рентгеновское и синхротронное излучения.............36
           1.3.1. Характеристическое рентгеновское излучение.. 36
           1.3.2. Тормозное излучение......................... 38
           1.3.3. Синхротронное излучение .................... 39

-Ц, Оглавление

Глава 2
ВЕРОЯТНОСТНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
СТОЛКНОВЕНИЯ ЧАСТИЦ. СЕЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ................................43
   2.1. Понятие сечения...............................43
   2.2. Телесный угол.................................44
   2.3. Дифференциальное сечение......................46
   2.4. Расходимость полного сечения..................48
   2.5. Сечение по энергии............................49
   2.6. Сечение отдачи, сечение передачи энергии, парциальное сечение................................50
   2.7. Среднее сечение...............................51
   2.8. Число частиц, прошедших «толстую» мишень без столкновения...................................51
   2.9. Число частиц, рассеянных в толстой мишени.....52
  2.10. Средний путь частицы до столкновения (средний свободный пробег)..........................53
  2.11. Сечение передачи импульса.....................54
  2.12. Классическое определение сечения. Прицельное расстояние...............................55
  2.13. Квантовое определение сечения.................57
  2.14. Некоторые константы размерности длины, использующиеся при вычислении сечений...............61
       2.14.1. Радиус первой боровской орбиты........ 61
       2.14.2. Классический радиус электрона......... 62
       2.14.3. Комптоновская длина волны частицы..... 62

Глава 3
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СТОЛКНОВЕНИЯ ЧАСТИЦ...................................64
   3.1. Законы сохранения и системы координат.........64
   3.2. Анализ столкновений в ЛСК.....................66
   3.3. Анализ столкновений в СЦИ.....................69
   3.4. Соотношения между углами и энергией частиц....74
   3.5. Сводка основных формул........................76

Оглавление —I 5

   3.6. Потенциалы взаимодействия.......................78
       3.6.1. Модельные потенциалы..................... 79
       3.6.2. Экранированные потенциалы ............... 79
       3.6.3. Комбинированные потенциалы............... 80
       3.6.4. Изменение действующего потенциала с изменением энергии частицы................................. 81
       3.6.5. Центробежный потенциал................... 82
   3.7. Столкновения твердых шаров......................90
   3.8. Кулоновские столкновения........................96
   3.9. Релятивистские соотношения.................... 101

Глава 4
СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОННЫХ УРОВНЕЙ АТОМА................... 104
   4.1. Особенности процессов в микромире............. 104
   4.2. О соотношении классического и квантового описаний........................................... 106
   4.3. Модель атома Бора............................. 108
   4.4. Электронные оболочки и подоболочки............ 109
   4.5. Заполнение оболочек (построение таблицы Менделеева)........................................ 115
   4.6. Разбиение оболочек на подоболочки............. 117
   4.7. Переходы между уровнями....................... 117

Глава 5
СТРОЕНИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ УРОВНИ МОЛЕКУЛ................... 120
   5.1. Силы отталкивания............................. 120
   5.2. Виды связи.................................... 121
   5.3. Ковалентная связь............................. 122
   5.4. Донорно-акцепторный механизм образования связи.. 123
   5.5. Виды движений молекулы........................ 124
   5.6. Колебания молекул. Классический и квантовый гармонические осцилляторы.......................... 124
   5.7. Конфигурационные кривые. Принцип Франка-Кондона..................................... 126

—I Оглавление

       5.8. Молекулярные орбитали........................... 130
            5.8.1. Сигма-, пи- и дельта-связи............... 130
            5.8.2. Примеры образования МО двухатомных молекул... 133
       5.9. Основные особенности ковалентной связи.......... 136
      5.10. Электрическийдипольныймоментмолекулы............ 137
      5.11. Поляризуемостьмолекул........................... 139
      5.12. Энергия связи, длина связи, атомные радиусы..... 142
      5.13. Геометрия ковалентных молекул, угол связи....... 145
      5.14. Гибридизация атомных орбиталей.................. 147
      5.15. Классификация электронных состояний молекулы как целого........................................... 148
      5.16. Классификация отдельных электронных состояний в молекуле........................................... 149

    Глава 6
    ЭЛЕМЕНТЫ КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ...................... 151
       6.1. Распределение Максвелла......................... 151
       6.2. Уравнение Ван-дер-Ваальса....................... 154
       6.3. Некоторые параметры, характеризующие движение молекул в газе...................................... 158

    Глава 7
    СТРУКТУРА КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ...................... 161
       7.1. Электроотрицательность.......................... 161
       7.2. Ионная связь.................................... 162
       7.3. Металлическая связь............................. 164
       7.4. Межмолекулярное взаимодействие.................. 166
            7.4.1. Общая характеристика..................... 166
            7.4.2. Взаимодействие двух постоянных диполей (ориентационное взаимодействие, В. Кеезом, 1912) . 168
            7.4.3. Взаимодействие постоянного диполя с индуцированным диполем (индукционное взаимодействие,
                П. Дебай, 1920) ............................ 169
            7.4.4. Взаимодействие двух наведенных диполей (дисперсионное взаимодействие, Ф. Лондон, 1930) .. 170
            7.4.5. Взаимодействие иона с постоянным диполем. 175
            7.4.6. Взаимодействие иона с индуцированным диполем. 176
            7.4.7. Водородная связь......................... 177

Оглавление —I 7

Глава 8 КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ............................... 181
    8.1. Кристаллическаярешетка,элементарнаяячейка........ 181
    8.2. Зонная схема. Проводники, полупроводники, изоляторы............................................ 183
    8.3. Электроны!, дырки................................ 185
    8.4. Уровень Ферми.................................... 187
    8.5. Закон дисперсии.................................. 189
    8.6. Экситоны. Локальные энергетические уровни........ 191

Глава 9 ЖИДКОЕ И АМОРФНОЕ СОСТОЯНИЯ............................. 194
    9.1. Жидкости......................................... 194
    9.2. Аморфные вещества. Стекла........................ 197

Глава 10
ПРОХОЖДЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО.......................................... 201
   10.1. Ионизация и возбуждение атомов...................201
   10.2. Ионизация и возбуждение молекул..................204
   10.3. Сечение ионизации и возбуждения электронным ударом................................................208
   10.4. Сечение ионизация и возбуждения тяжелыми ионами..212
   10.5. Сечения фотоионизации и фотовозбуждения.......... 214
   10.6. Многократная ионизация и ионизация внутренних оболочек..............................................216
        10.6.1. Ионизация внутренних оболочек. Оже-эффект. 216
        10.6.2. Эффект Костера—Кронита.................... 220
        10.6.3. Каскад переходов.......................... 220
        10.6.4. «Shaken-процессы.......................... 222
        10.6.5. Вероятность ионизации внутренних оболочек заряженными частицами ............................ 225
        10.6.6. Значение «взрыва» атома при ионизации внутренних оболочек.......................................... 228
        10.6.7. Многократная ионизация.................... 229
   10.7. Дельта-электроны................................. 230
        10.7.1. Максимальная энертия дельта-электронов.... 231
        10.7.2. Спектр дельта-электронов.................. 234

—I Оглавление

       10.8. Удельные ионизационные потери энергии.................236
             10.8.1. Введение..................................... 236
             10.8.2. Формула Бете—Блоха........................... 237
             10.8.3. Средняя энергия ионизации.................... 239
            10.8.4. Зависимость ионизационных потерь от свойств тормозящей среды...................................... 240
             10.8.5. Зависимость ионизационных потерь от параметров налетающей частицы.................................. 242
            10.8.6. Зависимость ионизационных потерь от энергии частицы............................................... 243
             10.8.7. Линейная передача энергии (ЛПЭ).............. 246
            10.8.8. Удельные потери энергии в сложном веществе. Правило Брэгга........................................ 247
             10.8.9. О связи величин АЕ/Ах и dЕ/dх................ 249
       10.9. Столкновения при малой энергии........................251
             10.9.1. Роль скорости частицы........................ 251
             10.9.2. Захват электронов бомбардирующей частицей.... 253
      10.10. Удельная ионизация....................................257
      10.11. Флуктуации потерь энергии.............................260
      10.12. Однократное и многократное рассеяния частиц...........265
             10.12.1. Однократное рассеяние ...................... 265
             10.12.2. Сечение многократного рассеяния............. 267
             10.12.3. Средний квадратичный угол многократного рассеяния .......................................... 269
      10.13. Пробег частиц. Распределение ионизации по пробегу.................................................272
             10.13.1. Полный пробег............................... 272
             10.13.2. Флуктуации пробега.......................... 276
             10.13.3. Практический пробег......................... 276
             10.13.4. Распределение ионизации по пробегу частицы . 278
      10.14. Радиационные потери энергии...........................282
      10.15. Черенковское и переходное излучения...................286
             10.15.1. Черенковское излучение...................... 286
             10.15.2. Переходное излучение........................ 289
      10.16. Упругие столкновения заряженных частиц................290
             10.16.1. Общие сведения об упругих столкновениях..... 290
             10.16.2. Упругие столкновения электронов............. 291
      10.17. Ядерные взаимодействия................................294

Оглавление -i\r 9

    Глава 11
    ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-КВАНТОВ С ВЕЩЕСТВОМ...............................................297
      11.1. Сводка эффектов взаимодействия гамма-квантов....297
      11.2. Фотоэффект........................................299
      11.3. Рассеяние на свободных электронах (томсоновское рассеяние).......................................... 302
      11.4. Комптон-эффект................................... 304
           11.4.1. Введение.................................. 304
           11.4.2. Законы сохранения энергии и импульса...... 304
           11.4.3. Дифференциальные сечения комптон-эффекта . 306
           11.4.4. Полные сечения комптон эффекта............ 311
           11.4.5. Рассеяние на связанных электронах......... 312
      11.5. Рассеяние на атомах (рэлеевское рассеяние)....... 313
      11.6. Образование электрон-позитронных пар..............315
      11.7. Полное поглощение гамма-излучения.................319
      11.8. Фактор накопления................................ 320

    Глава 12
    ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С ВЕЩЕСТВОМ..................... 322
      12.1. Свойства нейтронов............................... 322
      12.2. Источникинейтронов............................... 323
      12.3. Группы энергий нейтронов......................... 324
      12.4. Спектр тепловых нейтронов........................ 325
      12.5. Ядерные реакции под действием нейтронов.......... 326
      12.6. Резонансное взаимодействие. Формула Брейта—Вигнера...................................... 327
      12.7. Реакция типа (п, у).............................. 329
      12.8. Реакции типа (п, а) и (п, р)..................... 330
      12.9. Реакция типа (п, f) — реакция деления ядра. Свойства осколков деления........................... 332
      12.10. Реакции активации............................... 335
      12.11. Упругое рассеяние нейтронов......................335
      12.12. Волновые свойства нейтронов......................338

¹⁰ -V

Оглавление

  Список литературы..........................................339


  Приложение.............................................348
     1. Основные физические константы....................348
     2. Единицы измерений............................... 350