Ионизирующее излучение (далее - ИИ) - это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е. это взаимодействие приводит к возбуждению атома и отрыву отдельных электронов (отрицательно заряженных частиц) из атомных оболочек. В результате, лишенный одного или нескольких электронов, атом превращается в положительно заряженный ион - происходит первичная ионизация. К ИИ относят электромагнитное излучение (гамма-излучение) и потоки заряженных и нейтральных частиц - корпускулярное излучение (альфа-излучение, бета-излучение, а также нейтронное излучение).

Альфа-излучение относится к корпускулярным излучениям. Это поток тяжелых положительно заряженных а-частиц (ядер атомов гелия), возникающее в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. Поскольку частицы тяжелые, то пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким: сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5—8 см в воздухе. Таким образом, задержать эти частицы способен обычный лист бумаги или внешний омертвевший слой кожи.

Однако вещества, испускающие альфа-частицы, являются долгоживущими. В результате попадания таких веществ внутрь организма с пищей, воздухом или через ранения, они разносятся по телу током крови, депонируются в органах, отвечающих за обмен веществ и защиту организма (например, селезенка или лимфатические узлы), вызывая, таким образом, внутреннее облучение организма. Опасность такого внутреннего облучения организма высока, т.к. эти альфа-частицы создают очень большое число ионов (до нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях). Ионизация, в свою очередь, обуславливает ряд особенностей тех химических реакций, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.).

Бета-излучение (бета-лучи, или поток бета-частиц) также относится к корпускулярному типу излучения. Это поток электронов (β--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β+-излучение), испускаемых при радиоактивном бета-распаде ядер некоторых атомов. Электроны или позитроны образуются в ядре при превращении нейтрона в протон или протона в нейтрон соответственно.

Электроны значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь вещества (тела) на 10-15 сантиметров (ср. с сотыми долями миллиметра у а-частиц). При прохождении через вещество бета-излучение взаимодействует с электронами и ядрами его атомов, расходуя на это свою энергию и замедляя движение вплоть до полной остановки. Благодаря таким свойствам для защиты от бета-излучения достаточно иметь соответствующей толщины экран из органического стекла. На этих же свойствах основано применение бета-излучения в медицине для поверхностной, внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии.

Нейтронное излучение - еще один вид корпускулярного типа излучений. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда). Нейтроны не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет упругого и неупругого рассеяния на ядрах вещества.

Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы.

Гамма излучение и рентгеновское излучение относятся к электромагнитным излучениям.

Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключается в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного происхождения, гамма излучение - продукт распада ядер.

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном. Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка от - от 10 -12 до 10 -7 . Источник рентгеновских лучей - рентгеновская трубка, некоторые радионуклиды (например, бета-излучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).

В рентгеновской трубке есть два электрода - катод и анод (отрицательный и положительный электроды соответственно). При нагреве катода происходит электронная эмиссия (явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости). Электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода, где происходит их резкое торможение, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это одно его из свойств, основное для медицины - то, что оно является проникающим излучением и соответственно пациента можно просвечивать с его помощью, а т.к. разные по плотности ткани по-разному поглощают рентгеновское излучение - то мы можем диагностировать на самой ранней стадии многие виды заболеваний внутренних органов.

Гамма излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и т.д.

Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется малой длиной волны. Для ослабления потока гамма-излучения используются вещества, отличающиеся значительным массовым числом (свинец, вольфрам, уран и др.) и всевозможные составы высокой плотности (различные бетоны с наполнителями из металла).

Человек постоянно находится под воздействием разнообразных внешних факторов. Одни из них являются видимыми, например, погодные условия, и степень их воздействия можно контролировать. Другие же не видны человеческому глазу и носят название излучений. Каждый должен знать виды излучения, их роль и области применения.

Некоторые виды излучения человек может встретить повсеместно. Ярким примером являются радиоволны. Они представляют собой колебания электромагнитной природы, которые способны распределяться в пространстве со скоростью света. Такие волны несут в себе энергию от генераторов.

Источники радиоволн можно разделить на две группы.

1. Природные, к ним относятся молнии и астрономические единицы.
2. Искусственные, то есть созданные человеком. Они включают в себя излучатели с переменным током. Это могут быть приборы радиосвязи, вещания, компьютеры и системы навигации.

Кожа человека способна осаждать на своей поверхности этот вид волн, поэтому есть ряд негативных последствий их воздействия на человека. Радиоволновое излучение способно замедлить деятельность мозговых структур, а также вызвать мутации на генном уровне.

Для лиц, у которых установлен кардиостимулятор, такое воздействие смертельно опасно. У этих приборов имеется четкий максимально допустимый уровень излучения, подъем выше него вносит дисбаланс в работу системы стимулятора и ведет к его поломке.

Все влияния радиоволн на организм были изучены только на животных, прямого доказательства их негативного действия на человека нет, но способы защиты ученые все же ищут. Как таковых эффективных способов пока нет. Единственное, что можно посоветовать, так это держаться подальше от опасных приборов. Поскольку бытовые приборы, включенные в сеть, тоже создают вокруг себя радиоволновое поле, то просто необходимо отключать питание устройств, которыми человек не пользуется в данный момент.

Излучение инфракрасного спектра

Все виды излучения тем или иным образом связаны между собой. Некоторые из них видны человеческому глазу. Инфракрасное излучение примыкает к той части спектра, которую глаз человека может уловить. Оно не только освещает поверхность, но и способно ее нагревать.

Основным естественным источником ИК-лучей является солнце. Человеком созданы искусственные излучатели, посредство которых достигается необходимый тепловой эффект.

Теперь нужно разобраться, насколько полезным или вредным является такой вид излучения для человека. Практически все длинноволновое излучение инфракрасного спектра поглощается верхними слоями кожи, поэтому не только безопасно, но и способно повысить иммунитет и усилить восстановительные процессы в тканях.

Что касается коротких волн, то они могут уходить глубоко в ткани и вызывать перегрев органов. Так называемый тепловой удар является следствием воздействия коротких инфракрасных волн. Симптомы этой патологии известны почти всем:

• появление кружения в голове;
• чувство тошноты;
• возрастание пульса;
• нарушения зрения, характеризующиеся потемнением в глазах.

Как же уберечь себя от опасного влияния? Нужно соблюдать технику безопасности, пользуясь теплозащитной одеждой и экранами. Применение коротковолновых обогревателей должно быть четко дозировано, нагревательный элемент должен быть прикрыт теплоизолирующим материалом, при помощи которого достигается излучение мягких длинных волн.

Если задуматься, все виды излучения способны проникать в ткани. Но именно рентгеновское излучение дало возможность использовать это свойство на практике в медицине.

Если сравнить лучи рентгеновского происхождения с лучами света, то первые имеют очень большую длину, что позволяет им проникать даже через непрозрачные материалы. Такие лучи не способны отражаться и преломляться. Данный вид спектра имеет мягкую и жесткую составляющую. Мягкая состоит из длинных волн, способных полностью поглощаться тканями человека. Таким образом, постоянное воздействие длинных волн приводит к повреждению клеток и мутации ДНК.

Есть ряд структур, которые не способны пропустить через себя рентгеновские лучи. К ним относится, например, костная ткань и металлы. Исходя из этого и производятся снимки костей человека с целью диагностики их целостности.

В настоящее время созданы приборы, позволяющие не только делать фиксированный снимок, например, конечности, но и наблюдать за происходящими с ней изменениями «онлайн». Эти устройства помогаю врачу выполнить оперативное вмешательство на костях под контролем зрения, не производя широких травматичных разрезов. При помощи таких приборов можно исследовать биомеханику суставов.

Что касается негативного воздействия рентгеновских лучей, то длительный контакт с ними может привести к развитию лучевой болезни, которая проявляется рядом признаков:

• нарушения неврологического характера;
• дерматиты;
• снижение иммунитета;
• угнетение нормального кроветворения;
• развитие онкологической патологии;
• бесплодие.

Чтобы защитить себя от страшных последствий, при контакте с этим видом излучения нужно использовать экранирующие щиты и накладки из материалов, не пропускающих лучи.

Данный вид лучей люди привыкли называть попросту – свет. Этот вид излучения способен поглощаться объектом воздействия, частично проходя через него и частично отражаясь. Такие свойства широко применяются в науке и технике, особенно при изготовлении оптических приборов.

Все источники оптического излучения делятся на несколько групп.

1. Тепловые, имеющие сплошной спектр. Тепло в них выделяется за счет тока или процесса горения. Это могут быть электрические и галогенные лампы накаливания, а также пиротехнические изделия и электродосветные приборы.
2. Люминесцентные, содержащие газы, возбуждаемые потоками фотонов. Такими источниками являются энергосберегающие приборы и катодолюминесцентные устройства. Что касается радио- и хемилюминесцентных источников, то в них потоки возбуждаются за счет продуктов радиоактивного распада и химических реакций соответственно.
3. Плазменные, чьи характеристики зависят от температуры и давления плазмы, образующейся в них. Это могут быть газоразрядные, ртутные трубчатые и ксеноновые лампы. Не исключением являются и спектральные источники, а также приборы импульсного характера.

Оптическое излучение на организм человека действует в комплексе с ультрафиолетовым, что провоцирует выработку меланина в коже. Таким образом, положительный эффект длится до тех пор, пока не будет достигнуто пороговое значение воздействия, за пределами которого находится риск ожогов и кожной онкопатологии.

Самым известным и широко применяемым излучением, воздействие которого можно встретить повсеместно, является ультрафиолетовое излучение. Данное излучение имеет два спектра, один из которых доходит до земли и участвует во всех процессах на земле. Второй задерживается слоем озона и не проходит через него. Слой озона обезвреживает этот спектр, тем самым выполняя защитную роль. Разрушение озонового слоя опасно проникновением вредных лучей на поверхность земли.

Естественный источник этого вида излучения – Солнце. Искусственных источников придумано огромное количество:

• Эритемные лампы, активизирующие выработку витамина Д в слоях кожи и помогающие лечению рахита.
• Солярии, не только позволяющие позагорать, но и имеющие лечебный эффект для людей с патологиями, вызванными недостатком солнечного света.
• Лазерные излучатели, используемые в биотехнологиях, медицине и электронике.

Что касается воздействия на организм человека, то оно двоякое. С одной стороны, недостаток ультрафиолета может вызвать различные болезни. Дозированная нагрузка таким излучением помогает иммунитету, работе мышц и легких, а также предотвращает гипоксию.

Все виды влияний делятся на четыре группы:

• способность убивать бактерий;
• снятие воспаления;
• восстановление поврежденных тканей;
• уменьшение боли.

К отрицательным воздействиям ультрафиолета можно отнести способность провоцировать рак кожи при длительном воздействии. Меланома кожи крайне злокачественный вид опухоли. Такой диагноз почти на 100 процентов означает грядущую смерть.

Что касается органа зрения, то чрезмерное воздействие лучей ультрафиолетового спектра повреждает сетчатку, роговицу и оболочки глаза. Таким образом, использовать этот вид излучения нужно в меру. Если при определенных обстоятельствах приходится длительно контактировать с источником ультрафиолетовых лучей, то необходимо защитить глаза очками, а кожу специальными кремами или одеждой.

Это так называемые космические лучи, несущие в себе ядра атомов радиоактивных веществ и элементов. Поток гамма-излучения имеет очень большую энергию и способен быстро проникать в клетки организма, ионизируя их содержимое. Разрушенные клеточные элементы действуют как яды, разлагаясь и отравляя весь организм. В процесс обязательно вовлекается ядро клеток, что ведет к мутациям в геноме. Здоровые клетки разрушаются, а на их месте образуются мутантные, не способные в полной мере обеспечить организм всем необходимым.

Данное излучение опасно тем, что человек его никак не ощущает. Последствия воздействия проявляются не сразу, а имеют отдаленное действие. В первую очередь страдают клетки кроветворной системы, волос, половых органов и лимфоидной системы.

Радиация очень опасна развитием лучевой болезни, но даже такому спектру нашли полезное применение:

• с его помощью стерилизуют продукты, оборудование и инструменты медицинского предназначения;
• измерение глубины подземных скважин;
• измерение длины пути космических аппаратов;
• воздействие на растения с целью выявления продуктивных сортов;
• в медицине такое излучение применяется для проведения лучевой терапии в лечении онкологии.

В заключение нужно сказать, что все виды лучей с успехом применяются человеком и являются необходимыми. Благодаря им существуют растения, животные и люди. Защита от чрезмерного воздействия должна быть приоритетным правилом при работе.

Излучение, в самом общем виде, можно представить себе как возникновение и распространения волн, приводящее к возмущению поля. Распространение энергии выражается в виде электромагнитного, ионизирующего, гравитационного излучений и излучения по Хокингу. Электромагнитные волны – это возмущение электромагнитного поля. Они бывают радиоволновыми, инфракрасными (тепловое излучение), терагерцовыми, ультрафиолетовыми, рентгеновскими и видимыми (оптическими). Электромагнитная волна имеет свойство распространяться в любых средах. Характеристиками электромагнитного излучения являются частота, поляризация и длина. Наиболее профессионально и глубоко природу электромагнитного излучения изучает наука квантовая электродинамика. Она позволила подтвердить ряд теорий, которые широко используются в различных областях знаний. Особенности электромагнитных волн: взаимная перпендикулярность трех векторов - волнового, и напряженности электрического поля и магнитного поля; волны являются поперечными, а вектора напряженности в них совершают колебания перпендикулярно направлению ее распространения.

Тепловое же излучение возникает за счет внутренней энергии самого тела. Тепловое излучение - это излучение сплошного спектра, максимум которого соответствует температуре тела. Если излучение и вещество термодинамичны, излучение - равновесное. Это описывает закон Планка. Но на практике термодинамическое равновесие не соблюдается. Так более горячему телу свойственно остывать, а более холодному, напротив, нагреваться. Данное взаимодействие определено в законе Кирхгофа. Таким образом, тела обладают поглощающей способностью и отражающей способностью. Ионизирующее излучение - это микрочастицы и поля, имеющие способность ионизировать вещество. К нему относят: рентген и радиоактивное излучение с альфа, бета и гамма лучами. При этом ренгеновское излучение и гамма-лучи являются коротковолновыми. А бета и альфа частицы являются потоками частиц. Существуют природные и искусственные источники ионизации. В природе это: распад радионуклидов, лучи космоса, термоядерная реакция на Солнце. Искусственные это: излучение рентгеновского аппарата, ядерные реакторы и искусственные радионуклиды. В быту используются специальные датчики и дозиметры радиоактивного излучения. Всем известный Счетчик Гейгера способен идентифицировать корректно только гамма-лучи. В науке же используются сцинтилляторы, которые отлично разделяют лучи по энергиям.

Гравитационным считается излучение, в котором возмущение пространственно временного поля происходит со скоростью света. В общей теории относительности гравитационное излучение обусловлено уравнениями Эйнштейна. Что характерно, гравитация присуща любой материи, которая движется ускоренно. Но вот большую амплитуду гравитационной волне может придать только излучать большой массы. Обычно же гравитационные волны очень слабые. Прибор, способный их зарегистрировать, - это детектор. Излучение Хокинга же представляет собой скорее гипотетическую возможность испускать частицы черной дырой. Эти процессы изучает квантовая физика. Согласно данной теории черная дыра только поглощает материю до определенного момента. При учете квантовых моментов получается, что она способна излучать элементарные частицы.

Моноэнергетическое ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией.

Смешанное ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или из частиц и фотонов.

Направленное ионизирующее излучение ионизирующее излучение с выделенным направлением распространения.

Естественный фон излучения - ионизирующее излучение, создаваемое космическим излучением и излучением естественно распределенных природных радиоактивных веществ (на поверхности Земли, в приземной атмосфере, в продуктах питания, воде, в организме человека и др.).

Фон - ионизирующее излучение, состоящее из естественного фона и ионизирующих излучений посторонних источников.

Космическое излучение - ионизирующее излучение, которое состоит из первичного излучения, поступающего из космического пространства, и вторичного излучения, возникающего в результате взаимодействия первичного излучения с атмосферой.

Узкий пучок излучения - такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует только нерассеянное излучение источника.

Широкий пучок излучения - такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует нерассеянное и рассеянное излучения источника.

Поле ионизирующего излучения - пространственно-временное распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде.

Поток ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу: F = dN/dt.

Поток энергии частиц - отношение энергии падающих частиц к интервалу времени Ψ=dЕ/dt.

Плотность потока ионизирующих частиц (фотонов) - отношение потока ионизирующих частиц (фотонов) dF

проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: φ = dF/dS = d 2 N/dtdS. (Плотность потока энергии частиц определяется аналогично).

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN , проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: Ф = dN/dS.

Энергетический спектр ионизирующих частиц - распределение ионизирующих частиц по их энергии. Эффективная энергия фотонного излучения - энергия фотонов такого моноэнергетического фотонного

излучения, относительное ослабление которого в поглотителе определенного состава и определенной толщины то же самое, что и рассматриваемого немоноэнергетического фотонного излучения.

Граничная энергия спектра β -излучения - наибольшая энергия β -частиц в непрерывном энергетическом спектре β -излучения данного радионуклида.

Альбедо излучения - отношение числа частиц (фотонов), отражающихся от границы раздела двух сред, к числу частиц (фотонов), падающих на поверхность раздела.

Запаздывающее излучение : частицы, излучаемые продуктами распада, в отличии от частиц (нейтронов и гамма - лучей), возникающих непосредственно в момент деления.

Ионизация в газах: отрыв от атома или молекулы газа одного или нескольких электронов. В результате ионизации в газе возникают свободные носители заряда (электроны и ионы) и он приобретает способность проводить электрический ток.

Термин «излучение» охватывает диапазон электромагнитных волн, включая видимый спектр, инфракрасную и ультрафиолетовую области, а также радиоволны, электрический ток и ионизирующее излучение. Вся несхожесть этих явлений обусловлена лишь частотой (длиной волны) излучения. Ионизирующее излучение может представлять опасность для здоровья человека. Ионизирующее излучение (радиация ) - вид излучения, который изменяет физическое состояние атомов или атомных ядер, превращая их в электрически заряженные ионы или продукты ядерных реакций. При определенных обстоятельствах присутствие таких ионов или продуктов ядерных реакций в тканях организма может изменять течение процессов в клетках и молекулах, а при накоплении этих событий может нарушить ход биологических реакций в организме, т.е. представлять опасность для здоровья человек.

2. ВИДЫ ИЗЛУЧЕНИЙ

Различают корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой отличной от нуля, и электромагнитное (фотонное) излучение.

2.1. Корпускулярное излучение

К корпускулярному ионизирующему излучению относят альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения. Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (α-, β-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при

столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят.

Соответственно, корпускулярное излучение, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением.

Рис.1 . Схема распада 212 Bi.

2.1.1 Альфа-излучение

Альфа частицы (α - частицы) - ядра атома гелия, испускаемые при α - распаде некоторыми радиоактивными атомами. α - частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Альфа излучение - поток ядер атомов гелия (положительно заряженных и

относительно тяжелых частиц).

Естественное альфа-излучение как результат радиоактивного распада ядра, характерно для неустойчивых ядер тяжелых элементов, начиная с атомного номера более 83, т.е. для естественных радионуклидов рядов урана, и тория, а также, для полученных искусственным путем трансурановых элементов.

Типичная схема α -распада природного радионуклида представлена на Рис.1 , а энергетический спектр α -частиц, образующихся при распаде радионуклида – на

Рис.2.

Рис.2 Энергетический спектр α -частиц

Возможность α- распада связана с тем, что масса (а, значит, и суммарная энергия ионов) α- радиоактивного ядра больше суммы масс α- частицы и образующегося после α- распада дочернего ядра. Избыток энергии исходного (материнского) ядра освобождается в форме кинетической энергии α- частицы и отдачи дочернего ядра. α- частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия - 2 Не4 и вылетают из ядра со скоростью 15-20 тыс. км/сек. На своём пути они производят сильную ионизацию среды,

вырывая электроны из орбит атомов.

Пробег α- частиц в воздухе порядка 5-8 см, в воде - 30-50 микрон, в металлах - 10-20 микрон. При ионизации α- лучами наблюдаются химические изменения вещества, и нарушается кристаллическая структура твердых тел. Так как между α- частицей и ядром существует электростатическое отталкивание, вероятность ядерных реакций под действием α- частиц природных радионуклидов (максимальная энергия 8,78 МэВ у 214 Ро) очень мала, и наблюдается лишь на легких ядрах (Li, Ве, В, С, N, Na, Al) с образованием радиоактивных изотопов и свободных нейтронов.

2.1.2 Протонное излучение

Протонное излучение – излучение, образующееся в процессе самопроизвольного распада нейтроннодефицитных атомных ядер или как выходной пучок ионного ускорителя (например, синхрофазоторона).

2.1.3 Нейтронное излучение

Нейтронное излучение - поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов. При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов (гамма-излучения). При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества.

Источниками нейтронного излучения являются: спонтанно делящиеся радионуклиды; специально изготовленные радионуклидные источники нейтронов; ускорители электронов, протонов, ионов; ядерные реакторы; космическое излучение.

С точки зрения биологического Нейтроны образуются в ядерных реакциях (в ядерных реакторах и в других промышленных и лабораторных установках, а также при ядерных взрывах).

Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Условно нейтроны в зависимости от кинетической энергии разделяются на быстрые (до 10 МэВ), сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. Медленные и тепловые нейтроны вступают в ядерные реакции, в результате могут образовываться стабильные или радиоактивные изотопы.

Свободный нейтрон - это нестабильная, электрически нейтральная частица со следующими

свойствами:

Эти свойства нейтрона позволяют использовать его, с одной стороны, как объект, который изучается и, с другой стороны, как инструмент, при помощи которого ведутся исследования. В первом случае исследуются уникальные свойства нейтрона, что является актуальным и дает возможность наиболее надежно и точно определить фундаментальные параметры электрослабого взаимодействия и, тем самым либо подтвердить, либо опровергнуть Стандартную модель. Наличие магнитного момента у нейтрона уже свидетельствует о его сложной структуре, т.е. его "неэлементарности". Во втором случае взаимодействие неполяризованных и поляризованных нейтронов разных энергий с ядрами позволяет их использовать в физике ядра и элементарных частиц. Изучение эффектов нарушения пространственной четности и инвариантности относительно обращения времени в различных процессах - от нейтронной оптики до деления ядер нейтронами - это далеко не полный перечень наиболее актуальных сейчас направлений исследований.

Тот факт, что реакторные нейтроны тепловых энергий имеют длины волн, сравнимые с межатомными расстояниями в веществе, делает их незаменимым инструментом для исследования конденсированных сред. Взаимодействие нейтронов с атомами является сравнительно слабым, что позволяет нейтронам достаточно глубоко проникать в вещество - в этом их существенное преимущество по сравнению с рентгеновскими и γ - лучами, а также пучками заряженных частиц. из-за наличия массы нейтроны при том же импульсе (следовательно, при той же длине волны) обладают значительно меньшей энергией, чем рентгеновские и γ - лучи, и эта энергия оказывается сравнимой с энергией тепловых колебаний атомов и молекул в веществе, что дает возможность изучать не только усредненную статическую атомную структуру вещества, но и динамические процессы, в нем происходящие. Наличие магнитного момента у нейтронов позволяет использовать их для изучения магнитной структуры и магнитных возбуждений вещества, что очень важно для понимания свойств и природы магнетизма материалов.

Рассеяние нейтронов атомами обусловлено, в основном, ядерными силами, следовательно сечения их когерентного рассеяния никак не связаны с атомным номером (в отличие от рентгеновских и γ -лучей). Поэтому облучение материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких (водород, кислород и др.) элементов, идентификация которых почти невозможна с использованием рентгеновских и γ - лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении биологических объектов, в материаловедении, в медицине и др. областях. Кроме того, различие в сечениях рассеяния нейтронов у разных изотопов позволяет не только отличать в материале элементы с близкими атомными номерами, но и исследовать их изотопный состав. Наличие изотопов с отрицательной амплитудой когерентного рассеяния дает уникальную возможность контрастирования исследуемых сред, что также очень часто используют в биологии и медицине.

Когерентное рассеяние - рассеяние излучения с сохранением частоты и с фазой, отличающейся на π от фазы первичного излучения. Рассеянная волна может интерферировать с падающей волной или другими когерентно рассеянными волнами.

Сегодня поговорим о том, что такое излучение в физике. Расскажем о природе электронных переходов и приведем электромагнитную шкалу.

Божество и атом

Строение вещества стало предметом интереса ученых более двух тысяч лет назад. Древнегреческие философы задавались вопросами, чем воздух отличается от огня, а земля от воды, почему мрамор белый, а уголь черный. Они создавали сложные системы взаимозависимых компонентов, опровергали или поддерживали друг друга. А самые непонятные явления, например, удар молнии или восход солнца приписывали действию богов.

Однажды, долгие годы наблюдая за ступенями храма, один ученый заметил: каждая нога, встающая на камень, уносит крошечную частичку вещества. Со временем мрамор менял форму, прогибался посередине. Имя этого ученого - Левкипп, и он назвал мельчайшие частицы атомами, неделимыми. С этого начался путь к изучению того, что такое излучение в физике.

Пасха и свет

Затем настали темные времена, науку забросили. Всех, кто пытался изучать силы природы, окрестили ведьмами и колдунами. Но, как ни странно, именно религия дала толчок к дальнейшему развитию науки. Исследование о том, что такое излучение в физике, началось с астрономии.

Время празднования Пасхи вычислялось в те времена каждый раз по-разному. Сложная система взаимоотношений между днем весеннего равноденствия, 26-дневным лунным циклом и 7-дневной неделей не позволяла составлять таблицы дат для празднования Пасхи более чем на пару лет. Но церкви надо было все планировать заранее. Поэтому Папа Римский Лев X заказал составление более точных таблиц. Это потребовало тщательно наблюдения за движением Луны, звезд и Солнца. И в конце концов Николай Коперник понял: Земля не плоская и не центр вселенной. Планета - шар, который вращается вокруг Солнца. А Луна - сфера на орбите Земли. Конечно, можно спросить: «Какое отношение все это имеет к тому, что такое излучение в физике?» Сейчас раскроем.

Овал и луч

Позже Кеплер дополнил систему Коперника, установив, что планеты движутся по овальным орбитам, и движение это неравномерное. Но именно тот первый шаг привил человечеству интерес к астрономии. А там недалеко было и до вопросов: «Что такое звезда?», «Почему люди видят ее лучи?» и «Чем одно светило отличается от другого?». Но сначала придется перейти от огромных объектов к самым маленьким. И затем подойдем к излучению, понятию в физике.

Атом и изюм

В конце девятнадцатого века накопилось достаточно знаний о малейших химических единицах вещества - атомах. Было известно, что они электронейтральны, но содержат как положительно, так и отрицательно заряженные элементы.

Предположений выдвигалось множество: и что положительные заряды распределены в отрицательном поле, как изюм в булке, и что атом - это капля из разнородно заряженных жидких частей. Но все прояснил опыт Резерфорда. Он доказал, что в центре атома находится положительное тяжелое ядро, а вокруг него располагаются легкие отрицательные электроны. И конфигурация оболочек для каждого атома своя. Тут-то и кроются особенности излучения в физике электронных переходов.

Бор и орбита

Когда ученые выяснили, что легкие отрицательные части атома - это электроны, встал другой вопрос - почему они не падают на ядро. Ведь, согласно теории Максвелла, любой движущийся заряд излучает, следовательно, теряет энергию. Но атомы существовали столько же, сколько вселенная, и не собирались аннигилировать. На выручку пришел Бор. Он постулировал, что электроны находятся на некоторых стационарных орбитах вокруг атомного ядра, и находиться могут только на них. Переход электрона между орбитами осуществляется рывком с поглощением или испусканием энергии. Этой энергией может быть, например, квант света. По сути, мы сейчас изложили определение излучения в физике элементарных частиц.

Водород и фотография

Изначально технология фотографии была придумана как коммерческий проект. Люди хотели остаться в веках, но заказать портрет у художника было не каждому по карману. А фотографии были дешевыми и не требовали таких больших вложений. Потом искусство стекла и нитрата серебра поставило себе на службу военное дело. А затем и наука стала пользоваться преимуществами светочувствительных материалов.

В первую очередь фотографировать стали спектры. Уже давно было известно, что горячий водород испускает конкретные линии. Расстояние между ними подчинялось определенному закону. Но вот спектр гелия был более сложным: он содержал тот же набор линий, что и водород, и еще один. Вторая серия уже не подчинялась закону, выведенному для первой серии. Тут на помощь пришла теория Бора.

Выяснилось, что электрон в атоме водорода один, и он может переходить из всех высших возбужденных орбит на одну нижнюю. Это и была первая серия линий. Более тяжелые атомы устроены сложнее.

Линза, решетка, спектр

Таким образом было положено начало применению излучения в физике. Спектральный анализ - один из самых мощных и надежных способов определения состава, количества и структуры вещества.

1. Электронный эмиссионный спектр расскажет, что содержится в объекте и каков процент того или иного компонента. Этот способ используют абсолютно все области науки: от биологии и медицины до квантовой физики.
2. Спектр поглощения расскажет, какие ионы и на каких позициях присутствуют в решетке твердого тела.
3. Вращательный спектр продемонстрирует, насколько далеко находятся молекулы внутри атома, сколько и каких связей присутствует у каждого элемента.

А уж диапазонов применения электромагнитного излучения и не счесть:

• радиоволны исследуют структуру очень далеких объектов и недра планет;
• тепловое излучение расскажет об энергии процессов;
• видимый свет подскажет, в каких направлениях лежат самые яркие звезды;
• ультрафиолетовые лучи дадут понять, что происходят высокоэнергетические взаимодействия;
• рентгеновский спектр сам по себе позволяет людям изучать структуру вещества (в том числе и человеческого тела), а наличие этих лучей в космических объектах известят ученых, что в фокусе телескопа нейтронная звезда, вспышка сверхновой или черная дыра.

Абсолютно черное тело

Но есть особый раздел, который изучает, что такое тепловое излучение в физике. В отличие от атомного, тепловое испускание света имеет непрерывный спектр. И наилучшим модельным объектом для расчетов является абсолютно черное тело. Это такой объект, который «ловит» весь попадающий на него свет, но не выпускает обратно. Как ни странно, абсолютно черное тело излучает, и максимум длины волны будет зависеть от температуры модели. В классической физике тепловое излучение порождало парадокс Выходило, что любая нагретая вещь должна была излучать все больше и больше энергии, пока в ультрафиолетовом диапазоне ее энергия не разрушила бы вселенную.

Разрешить парадокс смог Макс Планк. В формулу излучения он ввел новую величину, квант. Не придавая ей особенного физического смысла, он открыл целый мир. Сейчас квантование величин - основа современной науки. Ученые поняли, что поля и явления состоят из неделимых элементов, квантов. Это привело к более глубоким исследованиям материи. Например, современный мир принадлежит полупроводникам. Раньше все было просто: металл проводит ток, остальные вещества - диэлектрики. А вещества типа кремния и германия (как раз полупроводники) ведут себя непонятно по отношению к электричеству. Чтобы научиться управлять их свойствами, потребовалось создать целую теорию и рассчитать все возможности p-n переходов.