Ядерные явления и преобразователи. Радиоактивность. Рентгеновское излучение

 

По роду замедлителя

• графит С (в графито-газовом реакторе и графито-водном реакторе);
• вода H₂O (в легководном реактор и в водо-водяном реакторе ВВЭР);
• тяжёлая вода D₂O (в тяжеловодном ядерном реакторе CANDU);
• Be, BeO;
• гидриды металлов;
• без замедлителя (в реакторе на быстрых нейтронах);

 

По конструкции ядерные  реакторы подразделяются на:

• корпусные реакторы;
• канальные реакторы.

 В начале XXI века наиболее распространены гетерогенные ядерные реакторы на тепловых нейтронах с замедлителями – H₂O, С, D₂O и теплоносителями – H₂O, газ, D₂O, например, водо-водяные ВВЭР, канальные РБМК. Реактор, взорвавшийся в 1986 году на Чернобыльской АЭС, был РБМК типа.

 

Рентгеновское излучение. Его практическое использование

Рентгеновское излучение  — электромагнитные волны, энергия  фотонов которых лежит на энергетической шкале между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10⁻⁴ до 10² Å (от 10⁻¹⁴ до 10⁻⁸ м).

Открытие рентгеновского излучения приписывается Вильгельму Конраду Рёнтгену. Он был первым, кто опубликовал статью о рентгеновских  лучах, которые он назвал икс-лучами (x-ray). Статья Рентгена под названием «О новом типе лучей» была опубликована 28-го декабря 1895 года в журнале Вюрцбургского физико-медицинского общества [6].

За открытие рентгеновских  лучей Рентгену в 1901 году была присуждена первая Нобелевская премия по физике, причём нобелевский комитет подчёркивал практическую важность его открытия. В 1896 году, в России, впервые было употреблено название «рентгеновские лучи» [6]. В других странах используется предпочитаемое Рентгеном название — X-лучи. В России лучи стали называть «рентгеновскими» по инициативе ученика В. К. Рентгена — А.Ф. Иоффе.

Рентгеновские лучи возникают  при сильном ускорении заряженных частиц, либо при высокоэнергетичных переходах в электронных оболочках  атомов или молекул. Оба эффекта  используются в рентгеновских трубках, в которых электроны, испущенные катодом, ускоряются под действием разности электрических потенциалов между анодом и катодом (при этом рентгеновские лучи не испускаются, т. к. ускорение слишком мало) и ударяются об анод, где они резко тормозятся (при этом испускаются рентгеновские лучи: поэтому применяется термин «тормозное излучение») и в то же время выбивают электроны из внутренних электронных оболочек атомов анода. Пустые места в оболочках занимаются другими электронами атома. При этом испускается рентгеновское излучение с характерным для материала анода спектром энергий (характеристическое излучение).

Длина волны рентгеновских  лучей сравнима с размерами атомов, поэтому не существует материала, из которого можно было бы изготовить линзу для рентгеновских лучей. Кроме того, при перпендикулярном падении на поверхность рентгеновские лучи почти не отражаются. Несмотря на это, в рентгеновской оптике были найдены способы построения оптических элементов для рентгеновских лучей.

Рентгеновские лучи могут проникать сквозь вещество, причём различные вещества по-разному их поглощают. Поглощение рентгеновских лучей является важнейшим их свойством в рентгеновской съёмке. Интенсивность рентгеновских лучей экспоненциально убывает в зависимости от пройденного пути в поглощающем слое.

Поглощение происходит в результате фотопоглощения (фотоэффекта) и комптоновского рассеяния:

• под фотопоглощением понимается процесс выбивания фотоном электрона из оболочки атома, для чего требуется, чтобы энергия фотона была больше некоторого минимального значения. Если рассматривать вероятность акта поглощения в зависимости от энергии фотона, то при достижении определённой энергии она (вероятность) резко возрастает до своего максимального значения. Для более высоких значений энергии вероятность непрерывно уменьшается. По причине такой зависимости говорят, что существует граница поглощения. Место выбитого при акте поглощения электрона занимает другой электрон, при этом испускается излучение с меньшей энергией фотона, происходит т. н. процесс флюоресценции.
• рентгеновский фотон может взаимодействовать не только со связанными электронами, но и со свободными, а также слабосвязанными электронами. Происходит рассеяние фотонов на электронах — т. н. комптоновское рассеяние. В зависимости от угла рассеяния, длина волны фотона увеличивается на определённую величину и, соответственно, энергия уменьшается. Комптоновское рассеяние, по сравнению с фотопоглощением, становится преобладающим при более высоких энергиях фотона.

В дополнение к названным  процессам существует ещё одна принципиальная возможность поглощения — за счёт возникновения электрон-позитронных пар. Однако для этого необходимы энергии более 1,022 МэВ, которые лежат вне вышеобозначенной границы рентгеновского излучения (<250 кэВ).

На Земле электромагнитное излучение в рентгеновском диапазоне образуется в результате ионизации атомов излучением, которое возникает при радиоактивном распаде, а также космическим излучением. Радиоактивный распад также приводит к непосредственному излучению рентгеновских квантов, если вызывает перестройку электронной оболочки распадающегося атома (например, при электронном захвате). Рентгеновское излучение, которое возникает на других небесных телах, не достигает поверхности Земли, т. к. полностью поглощается атмосферой. Оно исследуется спутниковыми рентгеновскими телескопами, такими как Чандра и XMM-Ньютон.

При помощи рентгеновских  лучей можно «просветить» человеческое тело, в результате чего можно получить изображение костей, а в современных  приборах и внутренних органов. При этом используется тот факт, что у содержащегося преимущественно в костях элемента кальция (Z=20) атомный номер гораздо больше, чем атомные номера элементов, из которых состоят мягкие ткани, а именно водорода (Z=1), углерода (Z=6), азота (Z=7), кислорода (Z=8). Кроме обычных приборов, которые дают двумерную проекцию исследуемого объекта, существуют компьютерные томографы, которые позволяют получать объёмное изображение внутренних органов.

Выявление дефектов в  изделиях (рельсах, сварочных швах и т. д.)) с помощью рентгеновского излучения называется рентгеновской дефектоскопией.

В материаловедении, кристаллографии, химии и биохимии рентгеновские  лучи используются для выяснения  структуры веществ на атомном  уровне при помощи дифракционного рассеяния рентгеновского излучения (рентгеноструктурный анализ). Известным примером является определение структуры ДНК.

Кроме того, при помощи рентгеновских лучей может быть определён химический состав вещества. В электронно-лучевом микрозонде (либо же в электронном микроскопе) анализируемое вещество облучается электронами, при этом атомы ионизируются и излучают характеристическое рентгеновское излучение. Вместо электронов может использоваться рентгеновское излучение. Этот аналитический метод называется рентгенофлуоресцентным анализом.

В аэропортах активно  применяются рентгенотелевизионные  интроскопы, позволяющие просматривать  содержимое ручной клади и багажа в целях визуального обнаружения  на экране монитора предметов, представляющих опасность.

 

Заключение

В настоящее время человечество не сможет обойтись без использования и атомной энергии и рентгеновского излучения. Необходимо помнить, что радиоактивное и рентгеновское излучение относятся к так называемому ионизирующему излучению [1]; они негативно воздействуют на организм человека (приводя к лучевой болезни). В силу этого необходимо применять меры защиты, использовать различные дозиметрические приборы, позволяющие своевременно обнаруживать опасные уровни излучения.

 

 

 

 

 

 

Список  литературы

1. http://gr-obor.narod.ru/p50.htm
2. http://nuclphys.sinp.msu.ru/radiation/
3. www.tvel.ru
4. http://ru.wikipedia.org/ Радиоактивность
5. http://ru.wikipedia.org/РБМК
6. http://ru.wikipedia.org/Рентгеновское излучение
7. http://ru.wikipedia.org/Ядерный реактор
8. Затрудина Р.Ш. Атомная и ядерная физика: Физический практикум по курсу «Физические основы квантовой электроники»: В 2 ч. Ч. I. — Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2001. — 52 с.
9. Малышевский В.С. Физические основы ядерной энергетики.  – Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 2003. – 21 с.