Программа занятий по курсу

1
Программа занятий по курсу
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОХИМИИ
на 2014/15 уч. год
Программа рассчитана на 72 ч занятий, в том числе лекции 60 ч, семинары 12 ч
Радиоактивность.
Явление радиоактивности. Свойства атомного ядра. Геометрическое сечения ядра, методы его
измерение. Объем ядра и капельная модель ядра. Заряд ядра. Масса атома и ядра. Измерение
массы атома на масс-спектрометрах. Собственный и орбитальный спин нуклона. Спин ядра.
Квадрупольный момент ядра. Расщепление уровней возбуждения.
Магнитные моменты
нуклонов и ядра. Расщепление уровней возбуждения. Изотопы, изобары. Стабильные и
радиоактивные нуклиды.
Модели ядра: модель жидкой капли, оболочечная модель, обобщенная модель.
Энергия массы покоя, эквивалентность массы и энергии. Полная энергия. Кинетическая
энергия, случай классических частиц, связь импульса с энергией. Зависимость массы и
импульса объекта от скорости. Импульс фотона. Энергия связи ядра - полная и удельная.
Формула Вейцзеккера, её составляющие. Энергия возбуждения ядра, ее дискретность.
Неустойчивость возбужденных ядер. Изомеры. Закон сохранения массы-энергии и расчет
энергетических эффектов ядерных превращений.
Типы радиоактивного распада.
Альфа-распад. Правило сдвига. Связь энергии -распада с разностью масс и уровнями
возбуждения исходного и конечного ядер. Кинетическая энергия -частиц. Спектр α- частиц,
тонкая структура спектра. Длиннопробежные частицы. Связь времени жизни ядра с энергией
-частиц и изменением спина ядра. Уравнение Гейгера - Неттола. Туннельный эффект при αраспаде.
Закономерности β-распада. Три типа бета-распада: β− и β+-распад, электронный захват.
Превращения нуклонов ядра при β-распаде. Конкуренция видов распада. Устойчивость изобар
к бета-распаду. Бета-частицы. Непрерывность и форма спектра β-частиц. Нейтрино и
антинейтрино. Средняя энергия частиц. Аннигиляционное излучение. Электронный захват.
Вторичные
процессы,
сопровождающие
электронный
захват:
характеристическое
рентгеновское излучение, каскад Оже.
Метастабильное состояние, изомерный переход. Ширина уровня и время жизни ядра в
возбужденном состоянии. Дискретность спектра гамма-излучения. Внутренняя конверсия γизлучения и процессы разрядки возбужденной электронной системы. Электроны конверсии,
оже-электроны, рентгеновское характеристическое излучение.
Схематическое изображение различных типов ядерных превращений. Примеры схем распадов
некоторых нуклидов.
Кинетика радиоактивного распада. Основной закон распада. Период полураспада и среднее
время
жизни. Абсолютная и регистрируемая активность. Накопление радионуклида.
Радиоактивные равновесия. Радиоактивные ряды и семейства. Кинетика накопления и распада
ядер в рядах генетически связанных нуклидов.
Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.
Введение (некоторые определения и физические величины). Ионизирующее излучение,
ионизация. Ядерное излучение: корпускулярное, фотонное, непосредственно или косвенно
ионизирующее. Заряд, масса, радиус элементарных частиц. Электронная плотность вещества.
Энергия связи электронов, энергия ионизации атомов (молекул), энергия диссоциации
химической связи. Поток, плотность потока, поток энергии излучения, перенос (флюенс)
частиц и энергии. Локальность и каскадный характер взаимодействия излучений с веществом.
2
Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом. Характеристика альфа-частиц:
заряд, масса, спектр α–излучения радионуклидов, кинетическая энергия и скорость
перемещения частиц, появляющихся при α-распаде и ядерных реакциях. Протоны. Основные
механизмы передачи (потери) кинетической энергии. Неупругое взаимодействие: ионизация и
возбуждение атомов. Вероятность упругого рассеяния. Ионизация среды, дельта-лучи. Средние
потери энергии на единицу длины пробега – формула Бете. Процессы при замедлении: захват
электронов и перезарядка частиц. Зависимость удельной ионизации воздуха от пробега (кривая
Брегга). Трек и пробег α–частиц. Эмпирические формулы для определения пробега в воздухе и
в конденсированных средах. Ослабление потока α–частиц. Особенности регистрации α–
излучения. Последствия воздействия α–излучения на биологические объекты.
Взаимодействие электронов и β-излучения с веществом. Заряд, масса, кинетическая энергия и
скорость перемещения электронов в среде. Основные механизмы потерь энергии:
ионизационные и радиационные потери (тормозное излучение). Черенковское излучение.
Неупругое взаимодействие (ионизация и возбуждение атомов) и удельные ионизационные
потери энергии, формула Бете. Тормозное электромагнитное излучение: спектр, интенсивность.
Удельные радиационные потери энергии, формула Гейтлера. Соотношение потерь на
ионизацию и тормозное излучение в зависимости от энергии частиц и электронной плотности
облучаемого материала. Эмпирическая оценка соотношения ионизационных и радиационных
потерь. Удельная ионизация воздуха. Многократное рассеяние электронов, трек и
экстраполированный пробег электронов.
Непрерывное энергетическое распределение β-частиц. Поглощение энергии и трек β-частиц в
воде. Проникающая способность и максимальный пробег β-частиц. Пробег бета-частиц в
алюминии, формула Фламмерсфельда. Ослабление потока β-частиц, экспоненциальный закон и
границы его применения. Коэффициент ослабления, зависимость коэффициента ослабления от
энергии частиц и электронной плотности вещества-поглотителя. Коэффициент ослабления в
алюминии, формула Балтакменса. Самоослабление β-излучения; поток частиц из насыщенного
слоя и удельная активность объекта. Обратное рассеяния β-излучения, его зависимость от
толщины и материала подложки. Краткое изложение влияния условий измерения на величину
регистрируемой активности β-источника, учет тормозного излучения.
Взаимодействие позитронов с веществом. Двухфотонная аннигиляция: энергия и угловое
распределение образующихся -квантов.
Количественные характеристики потерь энергии заряженными частицами: тормозная
способность и линейная передача энергии. Сравнение ЛПЭ для α- и β-излучения.
Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Корпускулярно-волновая природа микрочастиц
и электромагнитного излучения. Энергия и длина волны жесткого электромагнитного
излучения (гамма, рентгеновское и тормозное излучение). Основные механизмы передачи
энергии. Фотоэффект, зависимость сечения фотоэлектрического поглощения от энергии
фотонов и заряда ядер облучаемого материала. Резонансное фотопоглощение. Процессы,
сопровождающие фотопоглощение: рентгеновская флуоресценция, каскад Оже. Комптоновское
(некогерентное) рассеяние, зависимость вероятности рассеяния от энергии фотона и
электронной плотности среды. Пространственное и энергетическое распределение
комптоновских электронов. Рассеянное гамма-излучение, его
энергия
и угловое
распределение. Обратное рассеяние. Эффект образования пары электрон-позитрон. Пороговая
энергия, сечение процесса. Сравнение сечений трех первичных процессов передачи энергии
веществу на примере алюминия, свинца и иода. Области преобладания отдельных механизмов.
Экспоненциальный закон ослабления потока γ-квантов. Коэффициенты поглощения.
Зависимость массового коэффициента ослабления от энергии γ-излучения. Проникающая
3
способность γ-излучения, слой половинного ослабления. Ионизирующее действие жесткого
электромагнитного излучения.
Краткая характеристика прочих процессов взаимодействия (томпсоновское рассеяние,
когерентное рассеяние и дифракция, ядерные реакции). Испускание и поглощение γ-квантов
ядрами без потери части энергии излучения на отдачу (эффект Мессбауэра).
Взаимодействие нейтронов с веществом.
Основные характеристики частицы. Нейтроны тепловые, надтепловые, резонансные, быстрые.
Источники быстрых нейтронов: лабораторные, генераторы нейтронов, реакторы. Элементарная
теория замедления (рассеяния) быстрых нейтронов. Передача энергии при упругих соударениях
с ядрами. Средняя логарифмическая потеря энергии. Пробег (проникающая способность)
быстрых нейтронов. Диффузия тепловых нейтронов, длина миграции, среднее время жизни
теплового нейтрона.
Поглощение тепловых нейтронов. Характеристика различных
замедлителей. Ионизация среды при прохождении нейтронов. Кинетическая энергия и
пространственное распределение ядер отдачи. Ослабление потока быстрых нейтронов.
Поглощенная и эффективная доза при воздействии нейтронного потока на биологические
объекты. Конструкция защитных экранов. Методики регистрации нейтронов, основанные на
рассеянии быстрых и ядерных реакциях тепловых нейтронов.
Упругое рассеяние и дифракция медленных (0,01<E<100эВ) нейтронов на кристаллической
решетке. Общие сведения о нейтронографии.
Ядерные реакции.
Общие сведения о ядерных реакциях: механизм, типы реакций.
Эффективное сечение, зависимость от типа и энергии частиц. Резонансные ЯР.
Энергетические эффекты ядерных реакций, дефект масс, законы сохранения энергии и
импульса. Экзо- и эндоэнергетические превращения. Энергетический порог реакции.
Кулоновский потенциальный барьер. Энергия продуктов ядерных превращений, её расчет с
применением закона сохранения импульса. Энергия ядер отдачи при испускании частиц и
фотонов. Энергия возбуждения молекул после ядерной реакции с испусканием фотона, эффект
Сцилларда - Чалмерса.
Реакции с участием тепловых нейтронов. Радиационный захват, примеры (n, γ)-реакций с
аномально высоким эффективным сечением (поглощение тепловых нейтронов). Реакции на
быстрых нейтронах: (n, α), (n ,p), (n, 2n) и другие. Фотоядерные реакции. Пороговая энергия
фотонов. Примеры реакций, активированных γ-излучением. Превращения ядер при
взаимодействии с тяжелыми заряженными частицами. Зависимость сечения реакции от энергии
бомбардирующей частицы. Примеры ядерных превращений, активированных природными αизлучателями.
Реакции вынужденного деления. Энергетический эффект. Цепная ядерная реакция.
Критическая масса.
Общая характеристика методов получения радионуклидов. Радионуклидная и радиохимическая
чистота, удельная активность целевого радионуклида.
Реакторные радионуклиды. Накопление радионуклида в облучаемой мишени. Расчет
абсолютной активности. Частные случаи большого и малого времени
облучения.
Макросечение реакции. Случай тонкой мишени.
Получение радионуклидов на ускорителях заряженных частиц. Циклотрон. Выбор мишени и
условий облучения. Расчет наработки радионуклидов.
Использования реакций для получения радионуклидов, детектирования и поглощении
нейтронов. Активационной анализ.
4
Регистрация и измерение ионизирующих излучений.
Общие принципы регистрации излучений. Основные методы регистрации и детекторы
ионизирующих излучений.
Ионизационные методы. Газовые ионизационные камеры и счетчики. Процессы,
происходящие в газонаполненном объеме ионизационной камеры под действием
ионизирующего излучения и электрического поля. Вольт-амперная и счетная характеристики.
Области рабочих напряжений различных типов детекторов.
Токовая (интегральная) ионизационная камера. Роль постоянной времени ''RC'' токовых камер.
Вольтамперная характеристика. Измерение ионизационных токов.
Импульсная (дифференциальная) ионизационная камера. Электронная и ионная составляющие
импульса. Камера с сеткой. Использование импульсных камер
для регистрации и
спектрометрии тяжелых заряженных частиц. Камеры для регистрации нейтронов. Возможности
ионизационных камер при регистрации различных видов излучения, эффективность
регистрации. Требование к источникам электропитания. Особенности электронных схем
измерений для токовых и импульсных камер.
Пропорциональный счетчик. Механизм газового усиления. Процессы, происходящие в
счетчике во время работы. Конструкции пропорциональных счетчиков. Коэффициент газового
усиления и его зависимость от напряжения и других факторов. Эффективность
пропорционального счетчика к различным видам излучения. Использование для спектрометрии
заряженных частиц и рентгеновского излучения. Требование к источнику электропитания.
Счетчик Гейгера-Мюллера. Развитие разряда в счетчике. Самогасящие счетчики. Механизм
разряда. Мертвое время и время восстановления. Зависимость мертвого времени от
интенсивности счета. Галогенные счетчики. Роль галогенов в гашении разрядов. Конструкции
счетчиков для регистрации бета-, гамма- и нейтронного излучения. Эффективность счетчиков
Гейгера-Мюллера к различным видам излучения.
Полупроводниковый детектор. ППД-аналог ионизационной камеры с твердым диэлектриком.
Собственная и примесная проводимость. Полупроводник как рабочее вещество детектора –
процессы преобразования энергии, формирование импульса тока. Классификация ППД:
поверхностно-барьерные, диффузионные и диффузионно-дрейфовые детекторы. Конструкции
детекторов альфа- и гамма-излучения. Эффективность ППД к различным видам излучения. Фон
и разрешающее время ППД.
Сцинтилляционные методы. Принцип работы сцинтилляционных детекторов. Устройство и
подключение фотоэлектронного умножителя. Процессы преобразования энергии частиц
(фотонов) в сцинтилляционным детекторе, формирование сигнала детектора. Особенности
вольтамперной и счетной характеристик. Классификация и характеристика основных типов
сцинтилляторов: спектр испускаемых фотонов, время высвечивания, световой выход,
прозрачность. Неорганические, органические (кристаллические и
пластмассовые)
сцинтилляторы. Жидкие сцинтилляторы: растворители, активаторы. Газовые сцинтилляторы.
Использование газовых сцинтилляторов для регистрации медленных протонов, альфа-частиц и
осколков деления тяжелых ядер.
Области применения различных сцинтилляторов: сцинтилляторы для детектирования альфа-,
бета-, гамма- и нейтронного излучения.
Черенковские детекторы.
Эффект Черенкова. Длительность импульсов черенковского
излучения. Радиаторы. Детекторы без фокусировки и с фокусировкой. Энергетическое
разрешение детекторов с фокусировкой. Эффективность к различным излучениям.
Авторадиография. Физико-химические основы метода. Достоинства и недостатки. Область
применения.
Диэлектрические детекторы. Аналог ядерных эмульсий. Преимущества. Использование для
регистрации нейтронов.
Камера Вильсона. Физические основы метода. Типы камер. Факторы, влияющие на качество
следов. Физические измерения, выполняемые с помощью камеры Вильсона.
5
Пузырьковая камера. Принцип действия камеры. Преимущества пузырьковой камеры по
сравнению с камерой Вильсона. Недостатки камеры.
Многопроволочная
пропорциональная камера
Устройство камеры. Принцип работы.
Пространственное, временное и энергетическое разрешение пропорциональной камеры.
Микростриповые детекторы. Устройство детектора. Образование электронно-дырочных пар.
Пространственное и временное разрешение детектора.
Детекторные комплексы физики высоких энергий Принципы организации комплексного
детектора в экспериментах по физике высоких энергий. Детектор ATLAC. Устройство и
возможности детектора.
Гамма-спектрометрия с использованием сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов.
Блок-схема спектрометра. Основные характеристики спектрометров. Аппаратурный γ-спектр.
Пик полного поглощения энергии, комптоновский континуум, пики «вылета». Относительное
энергетическое разрешение. Калибровка спектрометра по энергии и эффективности
регистрации гамма-квантов по пику полного поглощения энергии.
Спектрометрия α-излучения с помощью сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов.
Спектрометрия β-излучения с помощью сцинтилляционных и полупроводниковых детекторов.
Жидкостно-сцинтилляционная
спектрометрия.
Процессы
преобразования
энергии
ионизирующего излучения в жидких сцинтилляторах. Коктейли для различных видов ЖС
измерений.
Химическое и оптическое тушение люминесценции. Методы определения
параметров гашения. Аппаратура для ЖС измерений.
Влияние свойств изотопа и условий измерения на величину регистрируемой активности. Связь
регистрируемой и абсолютной активности. Поправки на разрешающее время и фон. Поправки
на кинетику и схему распада, геометрию измерения, ослабление, самоослабление и рассеяние
излучения, эффективность детектора, генетические и радиохимические примеси. Определение
абсолютной активности радионуклида с помощью счетчиков и спектрометров методом
относительных измерений.
Основы радиационной безопасности и основные понятия дозиметрии.
Общие представления о механизме действия ионизирующего излучения на организм.
Непосредственно и косвенно ионизирующее излучение. Поглощенная доза. Мощность дозы.
Керма. Электронное равновесие. Экспозиционная доза как условная мера облучения
биологической ткани.
Биологическое действие различных типов ядерных излучений. Детерминированные и
стохастические эффекты облучения. Зависимость «доза-эффект». Эквивалентная доза,
взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучений. Эффективная доза,
взвешивающие коэффициенты для тканей и органов.
Принципы, лежащие в основе радиационной безопасности. Нормы радиационной безопасности
(НРБ-99/2009). Пределы допустимой дозы облучения.
Радиационный естественный фон. Его составляющие. Вклад различных факторов в величину
дозы естественного (фонового) облучения. Флуктуации фона в различных географических
зонах и на местности. Облучение при медицинском обследовании.
Расчет доз от внешних источников ионизирующих излучений. Принцип расчета дозы от
источника β–излучения. Учет дозы от тормозного излучения. Принцип расчета дозы от
источника γ–излучения. Керма в воздухе. Керма-постоянная. Соотношение кермы в воздухе и
эквивалентной (эффективной) дозы в биологической ткани.
Расчет и конструирование защиты от внешних источников бета- и гамма-излучения. Принцип
конструирования защиты от лабораторных источников нейтронов.
Внешнее и внутренне облучение. Мощность эквивалентной дозы в критическом органе.
Эффективная энергия излучения, период полураспада и период полувыведения.
Радиобиологические характеристики некоторых РН - потенциальных источников внутреннего
6
облучения; 4 группы радиационной опасности. Организация работы с источниками α–
излучения в лаборатории (краткое изложение).
Статистическая обработка результатов измерений радиоактивности.
Функция распределения случайной величины. Дисперсия и стандартное отклонение.
Распределение Пуассона. Распределение Стьюдента. Доверительный интервал и доверительная
погрешность среднего. Статистический характер пуассоновского распределения числа
зарегистрированных импульсов. Погрешность косвенного измерения. Закон накопления
погрешностей. Примеры статистической обработки результатов радиометрических измерений.
Темы семинарских занятий
1) Схематическое изображение различных типов ядерных превращений. Примеры схем
распадов некоторых нуклидов. Определение энергии электронов конверсии и квантов
рентгеновского характеристического излучения.
Кинетика распада и накопления ядер в рядах генетически связанных нуклидов.
2) Взаимодействие -частиц и протонов с веществом. Расчет удельных ионизационных потерь
и пробегов частиц в различных материалах. Энергия и угловое распределение рассеянных
частиц и выбитых электронов (δ-лучей). Взаимодействие электронов с веществом. Расчет
удельных ионизационных и радиационных потерь энергии легких заряженных частиц.
3) Взаимодействие моноэнергетических электронов и β-частиц
с веществом. Расчет
экстраполированных пробегов первоначально моноэнергетических электронов. Максимальный
пробег β-частиц. Определение максимальной энергии спектра β-частиц по величине
двухпротонной аннигиляции быстрого позитрона и электрона среды.
4) Расчет сечений фотоэффекта, комптоновского рассеяния и эффекта образования пар. Энергия
рассеянных квантов и комптоновских электронов. Ослабление потока моноэнергетических квантов (рентгеновских квантов).
5) Упругое рассеяние быстрых нейтронов. Оценка числа соударений, необходимых для
уменьшения энергии нейтрона до тепловой. Длина замедления быстрых нейтронов. Длина
свободного пробега тепловых нейтронов. Ослабление потока быстрых нейтронов.
6) Ядерные реакции. Энергетические эффекты ядерных реакций. Определение энергетического
порога реакции. Расчет абсолютной активности нуклида в облучаемой мишени.
7) Обработка спектров гамма-излучения. Определение площади, положение и ширины пиков
полного поглощения. Построение градуировочных графиков для определения энергии γквантов и активности исследуемых нуклидов. Идентификация нуклидов и определение их
активности по экспериментальным спектрам.
8) Идентификация α-излучателей с помощью полупроводниковых детекторов. Приготовление
счетных образцов. Калибровка спектрометра. Определение положения и площади пиков.
Определение энергии и расчет абсолютной активностей нуклидов.
9) Определение абсолютной активности β-излучателей методом
ЖС-спектрометрии.
Использование внешнего стандарта. Расчет параметров гашения. Определение максимальной
энергии β-излучения и абсолютной активности нуклида.
10) Связь регистрируемой и абсолютной активности. Расчет коэффициентов регистрации β- и
-излучений для различных детекторов и условий измерения.