Лекция № 4 - ИНСТИТУТ ЖИВЫХ СИСТЕМ

Лекция № 4
Взаимодействие электромагнитных излучений и нейтронов с
веществом
Особенности взаимодействия нейтронов с веществом. Взаимодействие
фотонных излучений с веществом. Фотоэффект. Комптоновское рассеяние. Эффект
образования электрон-позитронных пар. Рассеяние и поглощение нейтронов.
Особенности защиты от нейтронного излучения.
Радиационно-химические процессы инициируются корпускулярным и
фотонным излучениями высокой энергии. При прохождении через среду эти
излучения производят ее ионизацию и возбуждение. Различают непосредственно
ионизирующие излучения (заряженные частицы) и косвенно ионизирующие
(фотонное излучение, нейтроны). В принципе гамма-кванты способны
непосредственно вызывать ионизацию. Однако их относят к косвенно
ионизирующему излучению, так как число актов прямой ионизации незначительно
по сравнению с числом актов ионизации, вызванных вторичными электронами.
Деление атомных ядер может быть вызвано различными частицами, однако
практически наиболее выгодно использовать для этой цели нейтроны. Отсутствие
кулоновского отталкивания позволяет нейтронам со сколь угодно малой
кинетической энергией приблизиться к ядру на расстояние меньше радиуса
действия ядерных сил. Захват ядром нейтрона приводит к возбуждению ядра, и,
если энергия возбуждения достаточна, происходит деление.
Основной вид взаимодействия нейтронов с веществом – рассеяние ( неупругое и
упругое ) на ядрах атомов и захват. Ни быстрые, ни тепловые нейтроны сами по
себе ионизации и возбуждения среды не производят. Эти процессы в веществе
осуществляют продукты, возникающие в результате диссипации кинетической
энергии проходящих через вещество нейтронов – протоны и тяжелые ионы,
захватное гамма-излучение, а также корпускулярное и фотонное излучения
образующихся радионуклидов.
Неупругое рассеяние. В этом процессе нейтрон (n) поглощается ядром с
образованием возбужденного ядра, которое затем вновь испускает нейтрон с
энергией, меньшей, чем энергия бомбардирующего нейтрона. Переход
возбужденного ядра в основное состояние сопровождается также испусканием
гамма-кванта. Таким образом, неупругое рассеяние – это, фактически, ядерная
реакция (n, n). Неупругое рассеяние может происходить лишь в том случае, если
энергия бомбардирующего нейтрона больше минимальной энергии возбужденного
ядра: при энергиях нейтронов в несколько сотен кэВ (на тяжелых ядрах) и более 1
МэВ (на легких ядрах).
Упругое рассеяние преобладает для быстрых нейтронов. Взаимодействие
между нейтроном и ядром происходит на расстоянии, соответствующему радиусу
действия ядерных сил ( порядка 10-14 м ), и обычно рассматривается как соударение
твердых недеформируемых шаров.
При столкновении нейтрона с энергией Еn и ядра с атомной массой А энергия
ЕA, воспринятая ядром, будет меняться от нуля до максимального значения.
Образующийся при этом протон отдачи ионизирует (и/или) возбуждает молекулы
среды.
Энергия быстрых нейтронов, генерируемых в ядерных реакторах, охватывает
диапазон 1–2 МэВ. Нейтроны с такими энергиями при столкновении с протоном
замедляются до тепловой энергии (0,025 эВ ) примерно после 15–20 столкновений.
Таким образом, воздействие быстрых нейтронов на водородсодержащие среды
1
сводится фактически к облучению их быстрыми протонами.
Захват ядрами. После ряда столкновений нейтрона с ядрами среды, его энергия
становится равной средней энергии теплового движения окружающих молекул.
Тепловые нейтроны в результате диффузии продолжают смещаться от точек, где
они достигли энергии теплового движения. Диффузия длится до тех пор, пока
нейтрон либо не покинет пределы среды, либо не захватится ядром атома среды.
При захвате медленных нейтронов происходят ядерные реакции, изменяющие
состав ядра. На легких ядрах преимущественно наблюдаются ядерные реакции с
испусканием заряженных частиц. На более тяжелых ядрах характерен
радиационный захват, т. е. поглощение нейтронов с испусканием одного или
нескольких следующих друг за другом гамма-квантов.
"Сверхтяжелым" атомам (например,233U, 235U, 238U, 239Pu, 241Pu) свойственны
реакции деления. Осколки деления обладают кинетической энергией и способны
вызывать ионизацию и возбуждение среды, в которой находится делящийся
материал, а также смещение атомов и другие эффекты. Реакции деления
сопровождаются нейтронным, гамма- и бета-излучениями, которые также
ионизируют и возбуждают молекулы среды .
Фотонное излучение
Фотонное
излучение
(гамма-кванты
и
рентгеновское
излучение)
взаимодействует со средой по нескольким механизмам, определяемым как
энергией фотонов, так и характеристиками среды. Для излучения,
сопровождающего деление ядер урана в атомных реакторах главными процессами
являются фотоэффект, комптоновское (некогерентное) рассеяние и образование
электрон-позитронных пар. Именно в этих процессах генерируются электроны,
ионизирующие и возбуждающие молекулы среды.
Фотоэффект состоит во взаимодействии гамма-кванта со связанным электроном
атома. При этом вся энергия падающего фотона поглощается атомом, из которого
выбивается электрон. Появляющийся свободный уровень заполняется одним из
наружных электронов. Избыток энергии освобождается в виде вторичного мягкого
характеристического излучения или электронов. Последнее явление преобладает в
материалах с низким атомным номером.
При эффекте Комптона падающий фотон в результате упругого столкновения
с электронами теряет часть своей энергии и изменяет направление
первоначального движения, а из атома выбивается электрон отдачи. Рассеянные
гамма-кванты и комптоновские электроны способны производить дальнейшую
ионизацию молекул среды.
Комптоновское рассеяние является одним из наиболее существенных процессов
взаимодействия гамма-излучения с веществом в сравнительно широкой области
энергий.
При превышении энергии гамма-квантов некоторого порогового значения,
растет вероятность образования электронно-позитронных пар – одной из
простейших ядерных реакций. Фотон исчезает в кулоновском поле ядра (или
электрона). При этом возникшей паре передается вся энергия падающего фотона за
вычетом энергии покоя пары.
Возникающие в процессе поглощения гамма-квантов электроны и позитроны
теряют свою кинетическую энергию в результате ионизации молекул среды, а при
встрече аннигилируют с испусканием двух фотонов с энергией 0,511 МэВ каждый.
2
– эффект Комптона
– эффект образования пар
– фотоэффект
Нейтронный заряд конструктивно представляет собой обычный ядерный заряд
малой мощности, к которому добавлен блок, содержащий небольшое количество
термоядерного топлива (смесь дейтерия и трития). При подрыве взрывается
основной ядерный заряд, энергия которого используется для запуска термоядерной
реакции. Большая часть энергии взрыва при применении нейтронного оружия
выделяется в результате запущенной реакции синтеза. Конструкция заряда такова,
что до 80 % энергии взрыва составляет энергия потока быстрых нейтронов, и
только 20 % приходится на остальные поражающие факторы (ударную волну,
ЭМИ, световое излучение).
Мощный поток нейтронов не задерживается обычной стальной бронёй и
намного сильнее проникает сквозь преграды, чем рентгеновское или гаммаизлучение, не говоря уже об альфа- и бета- частицах. Благодаря этому нейтронное
оружие способно поражать живую силу противника на значительном расстоянии от
эпицентра взрыва и в укрытиях, даже там, где обеспечивается надёжная защита от
обычного ядерного взрыва.
Поражающее действие нейтронного оружия на технику обусловлено
взаимодействием
нейтронов
с
конструкционными
материалами
и
радиоэлектронной аппаратурой, что приводит к появлению наведённой
радиоактивности и, как следствие, нарушению функционирования. В
биологических объектах под действием излучения происходит ионизация живой
ткани, приводящая к нарушению жизнедеятельности отдельных систем и
организма в целом, развитию лучевой болезни. На людей действует как само
нейтронное излучение, так и наведённая радиация. В технике и предметах под
действием потока нейтронов могут образовываться мощные и долго действующие
источники радиоактивности, приводящие к поражению людей в течение
длительного времени после взрыва. Так, например, экипаж танка Т-72,
3
находящегося в 700 м от эпицентра нейтронного взрыва мощностью в 1 кт,
мгновенно получит безусловно смертельную дозу облучения (8000 рад), мгновенно
выйдет из строя и погибнет в течение нескольких минут. Но если этот танк после
взрыва начать использовать снова (физически он почти не пострадает), то
наведённая радиоактивность приведёт к получению новым экипажем смертельной
дозы радиации в течение суток.
Из-за сильного поглощения и рассеивания нейтронов в атмосфере дальность
поражения нейтронным излучением, по сравнению с дальностью поражения
незащищённых целей ударной волной от взрыва обычного ядерного заряда той же
мощности, невелика. Поэтому изготовление нейтронных зарядов высокой
мощности нецелесообразно – излучение всё равно не дойдёт дальше, а прочие
поражающие факторы окажутся снижены. Реально производимые нейтронные
боеприпасы имеют мощность не более 1 кт. Подрыв такого боеприпаса даёт зону
поражения нейтронным излучением радиусом около 1,5 км (незащищённый
человек получит опасную для жизни дозу радиации на расстоянии 1350 м).
Вопреки распространённому мнению, нейтронный взрыв вовсе не оставляет
материальные ценности невредимыми: зона сильных разрушений ударной волной
для того же килотонного заряда имеет радиус около 1 км.
Защита
Нейтронные боеприпасы разрабатывались в 1960–1970-х годах, главным
образом, для повышения эффективности поражения бронированных целей и живой
силы, защищённой бронёй и простейшими укрытиями. Бронетехника 1960-х годов,
разработанная с учётом возможности применения на поле боя ядерного оружия,
чрезвычайно устойчива ко всем его поражающим факторам. Другим мотивом
разработки нейтронных зарядов было их использование в системах
противоракетной обороны. Для защиты от массированного ракетного удара в эти
годы на вооружение ставились зенитно-ракетные комплексы с ядерной боевой
частью, но применение обычного ядерного оружия против высотных целей сочли
недостаточно эффективным, поскольку основной поражающий фактор – ударная
волна, – в разрежённом воздухе на большой высоте и, тем более, в космосе не
образуется, световое излучение поражает боеголовки только в непосредственной
близости от центра взрыва, а гамма-излучение поглощается оболочками
боеголовок и не может нанести им серьёзного вреда. В таких условиях
превращение максимальной части энергии взрыва в нейтронное излучение могло
позволить более надёжно поражать ракеты противника.
Естественно, после появления сообщений о разработке нейтронного оружия
стали разрабатываться и методы защиты от него. Были разработаны новые типы
брони, которая уже способна защитить технику и её экипаж от нейтронного
излучения. Для этой цели в броню добавляются листы с высоким содержанием
бора, являющегося хорошим поглотителем нейтронов, а в броневую сталь
добавляется обеднённый уран (уран с пониженной долей изотопов U234 и U235).
Кроме того, состав брони подбирается так, чтобы она не содержала элементов,
дающих под действием нейтронного облучения сильную наведённую
радиоактивность.
4