0 просмотров

Гамма лучи

Через шесть лет после открытия радиоактивности (1896 г.) Анри Беккерелем из Франции британский физик новозеландского происхождения Эрнест Резерфорд обнаружил, что при распаде радиоактивных веществ испускаются три различных вида излучения; их он назвал альфа-, бета- и гамма-лучами в зависимости от их способности проникать в материю. Было обнаружено, что альфа-частицы идентичны ядрам атомов гелия, а бета-лучи идентифицированы как электроны. В 1912 году было показано, что гораздо более проникающие гамма-лучи обладают всеми свойствами очень энергичного электромагнитного излучения, или фотонов. Фотоны гамма-излучения в 10 000–10 000 000 раз более энергичны, чем фотоны видимого света, когда они исходят из радиоактивных атомных ядер.Гамма-лучи с энергией в миллион миллионов раз выше составляют очень небольшую часть космических лучей, достигающих Земли от сверхновых или от других галактик. Происхождение самых энергетических гамма-лучей пока неизвестно.

радиоактивный распад натрия-24

При радиоактивном распаде нестабильное ядро ​​обычно спонтанно испускает альфа-частицы, электроны, гамма-лучи и нейтрино. При делении ядра нестабильное ядро ​​распадается на фрагменты, которые сами по себе являются сложными ядрами вместе с такими частицами, как нейтроны и протоны. Получающиеся в результате стабильные ядра или ядерные фрагменты обычно находятся в сильно возбужденном состоянии, а затем достигают своего основного состояния с низкой энергией, испуская одно или несколько гамма-лучей. Схема такого распада показана на рис. 7 для нестабильного ядра натрия-24 ( 24 Na). Многое из того, что известно о внутренней структуре и энергиях ядер, было получено из испускания или резонансного поглощения гамма-лучей ядрами. Поглощение гамма-лучей ядрами может привести к выбросу ими нейтронов или альфа-частиц или даже расщеплению ядра подобно лопнувшему пузырю в так называемом фотодезинтеграции. Гамма-частица, столкнувшаяся с ядром водорода (то есть с протоном), например, производит положительный пи-мезон и нейтрон или нейтральный пи-мезон и протон. Нейтральные пи-мезоны, в свою очередь, имеют очень короткую среднюю жизнь 1,8 × 10 -16 секунд и распадаются на два гамма-кванта с энергией часν ≈ 70 МэВ. Когда энергичный гамма-луч часν > 1,02 МэВ проходит ядро, оно может исчезнуть при образовании электрон-позитронной пары. Гамма-фотоны взаимодействуют с веществом посредством дискретных элементарных процессов, которые включают резонансное поглощение, фоторасщепление, ионизацию, рассеяние (комптоновское рассеяние) или образование пар.

Статья в тему:  Когда было разработано ядерное оружие

Гамма-лучи обнаруживаются по их способности ионизировать атомы газа или создавать электронно-дырочные пары в полупроводниках или изоляторах.Подсчитывая скорость импульсов заряда или импульсов напряжения или измеряя мерцание света, испускаемого последовательно рекомбинирующими электронно-дырочными парами, можно определить количество и энергию гамма-лучей, попадающих на ионизационный детектор или сцинтилляционный счетчик.

Как удельная энергия излучаемого фотона гамма-излучения, так и период полураспада конкретного процесса радиоактивного распада, в результате которого образуется фотон, определяют тип имеющихся ядер и их концентрации. Путем бомбардировки стабильных ядер нейтронами можно искусственно превратить более 70 различных стабильных ядер в радиоактивные ядра и использовать их характерное гамма-излучение в целях идентификации, для анализа примесей в металлургических образцах (нейтронно-активационный анализ) или в качестве радиоактивных индикаторов, с помощью которых для определения функций или неисправностей органов человека, для отслеживания жизненных циклов организмов или для определения воздействия химических веществ на биологические системы и растения.

Большая проникающая способность гамма-лучей связана с тем, что они не имеют электрического заряда и поэтому не взаимодействуют с веществом так сильно, как заряженные частицы. Благодаря своей проникающей способности гамма-лучи могут использоваться для рентгенографии отверстий и дефектов в металлических отливках и других деталях конструкций. В то же время это свойство делает гамма-лучи чрезвычайно опасными. Смертельный эффект этой формы ионизирующего излучения делает его полезным для стерилизации предметов медицинского назначения, которые нельзя продезинфицировать кипячением, или для уничтожения организмов, вызывающих порчу пищевых продуктов. Более 50 процентов ионизирующего излучения, которому подвергается человек, исходит от природного газа радона, который является конечным продуктом цепи радиоактивного распада природных радиоактивных веществ в минералах. Радон выходит из земли и в различных количествах попадает в окружающую среду.

Статья в тему:  Как построить ядерное убежище

Исторический обзор

Развитие классической теории излучения

Классическая теория электромагнитного излучения «на все времена остается одним из величайших триумфов человеческого интеллектуального труда». Так сказал Макс Планк в 1931 году, отмечая 100-летие со дня рождения шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла, первооткрывателя этой теории. Теория действительно имела большое значение, поскольку она не только объединила явления электричества, магнетизма и света в единую структуру, но и явилась фундаментальным пересмотром принятого в то время ньютоновского способа мышления о силах в физической вселенной. Развитие классической теории излучения представляло собой концептуальную революцию, продолжавшуюся почти полвека. Она началась с плодотворной работы британского физика и химика Майкла Фарадея, опубликовавшего свою статью «Мысли о лучевых колебаниях» в Философский журнал в мае 1846 г. и завершилась в 1888 г., когда Герцу удалось генерировать электромагнитные волны на радио- и микроволновых частотах и ​​измерять их свойства.

Волновая теория и корпускулярная теория

Ньютоновский взгляд на вселенную можно описать как механистическую интерпретацию. Все компоненты Вселенной, малые или большие, подчиняются законам механики, и все явления в конечном счете основаны на движении материи. Однако концептуальная трудность ньютоновской механики заключается в том, как сила гравитации между двумя массивными объектами действует на расстоянии в пустом пространстве. Ньютон не задавался этим вопросом, но многие его современники предполагали, что гравитационная сила передается через невидимую и лишенную трения среду, которую Аристотель назвал эфиром (или эфиром). Проблема в том, что повседневный опыт природных явлений показывает, что механические вещи приводятся в движение силами, вступающими в контакт. Любая причина и следствие без различимого контакта или «действие на расстоянии» противоречит здравому смыслу и с древних времен было неприемлемым понятием.Всякий раз, когда природа передачи определенных действий и эффектов на расстояние еще не была понята, к эфиру прибегали как к концептуальному решению передающей среды. По необходимости любое описание функционирования эфира оставалось расплывчатым, но его существование требовалось здравым смыслом и поэтому не подвергалось сомнению.

Статья в тему:  Как ядерный синтез делает возможной жизнь на Земле

Во времена Ньютона свет был еще одним явлением, помимо гравитации, действие которого проявлялось на больших расстояниях от его источника. Ньютон внес большой вклад в научные знания о свете. Его эксперименты показали, что белый свет представляет собой смесь многих цветов, которые можно рассеять призмой и воссоединиться, чтобы снова получить белый свет. Распространение света по прямым линиям убедило его в том, что он состоит из мельчайших частиц, исходящих с большой или бесконечной скоростью из источника света. Первое наблюдение, из которого была выведена конечная скорость света, было сделано вскоре после этого, в 1676 году, датским астрономом Оле Ремером (Смотри ниже Скорость света).

Наблюдения за двумя явлениями убедительно свидетельствовали о том, что свет распространяется как волны. Один из них связан с интерференцией тонких пленок, обнаруженной в Англии независимо друг от друга Робертом Бойлем и Робертом Гуком. Другой был связан с дифракцией света в геометрической тени непрозрачного экрана. Последний также был открыт Гуком, опубликовавшим в 1665 году волновую теорию света для его объяснения.

Голландский ученый Кристиан Гюйгенс значительно усовершенствовал волновую теорию и объяснил отражение и преломление с точки зрения того, что сейчас называется принципом Гюйгенса. Согласно этому принципу (опубликованному в 1690 г.), каждая точка волнового фронта в гипотетическом эфире или в оптической среде является источником новой сферической световой волны, а волновой фронт представляет собой огибающую всех отдельных вейвлетов, исходящих из фронт старой волны.

Статья в тему:  Для чего нужны медные помещения в ядерных лабораториях

В 1669 году другой датский ученый Эразм Бартолин открыл поляризацию света путем двойного лучепреломления в исландском шпате (кальците). Это открытие оказало глубокое влияние на представление о природе света. В то время были известны только волны звука, которые являются продольными. Ни Ньютон, ни Гюйгенс не могли себе представить, что свет может состоять из поперечных волн, в которых колебания перпендикулярны направлению распространения. Гюйгенс дал удовлетворительное объяснение двойного лучепреломления, предположив, что асимметрия структуры исландского шпата приводит к тому, что вторичные вейвлеты становятся эллипсоидальными, а не сферическими в его конструкции волнового фронта. Однако, поскольку Гюйгенс верил в продольные волны, ему не удалось понять явления, связанные с поляризованным светом. Ньютон, с другой стороны, использовал эти явления как основу для дополнительного аргумента в пользу своей корпускулярной теории света. Частицы, утверждал он в 1717 году, имеют «стороны» и, таким образом, могут проявлять свойства, зависящие от направлений, перпендикулярных направлению движения.

Может показаться удивительным, что Гюйгенс не использовал явление интерференции для обоснования своей волновой теории; но для него волны на самом деле были импульсами, а не периодическими волнами с определенной длиной волны. Следует иметь в виду, что слово волна может иметь совершенно разное концептуальное значение и передавать разным людям разные образы в разное время.

Потребовалось почти столетие, прежде чем физиками Томасом Янгом из Англии и Огюстеном-Жаном Френелем из Франции была сформулирована новая волновая теория. На основе своих экспериментов по интерференции Юнг впервые понял, что свет представляет собой поперечную волну. Затем Френелю удалось объяснить все оптические явления, известные в начале 19 века, с помощью новой волновой теории. Сторонников корпускулярной теории света не осталось.Тем не менее, всегда приятно, когда конкурирующая теория отвергается на том основании, что одно из ее основных предсказаний противоречит эксперименту. Корпускулярная теория объясняла преломление света при переходе из среды данной плотности в более плотную с точки зрения притяжения в последнюю световых частиц. Это означает, что скорость света должна быть больше в более плотной среде. Конструкция Гюйгенса о волновых фронтах, пересекающих границу между двумя оптическими средами, предсказывала обратное, то есть меньшую скорость света в более плотной среде. Измерение скорости света в воздухе и воде Арманом-Ипполитом-Луи Физо и независимо Леоном Фуко в середине 19 века решило дело в пользу волновой теории (Смотри ниже Скорость света).

Статья в тему:  Когда северная корея научилась атомной энергетике

Поперечная волновая природа света предполагала, что эфир должен быть твердой упругой средой. Кроме того, большая скорость света предполагала большую упругую жесткость этой среды. Тем не менее было признано, что все небесные тела движутся в эфире, не встречая таких трудностей, как трение. Эти концептуальные проблемы оставались нерешенными до начала 20 века.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
Adblock
detector