Альфа бета гамма частицы это что
Альфа-, бета-, гамма-излучения
Всего получено оценок: 219.
Всего получено оценок: 219.
Из курса физики в 11 классе известно, что радиоактивное излучение испускается тяжелыми элементами при радиоактивном распаде. Ядро тяжелого элемента превращается в более легкие, испуская при этом излучение, которое имеет сложный состав. Поговорим кратко об основных видах радиоактивного излучения — альфа, бета, гамма.
Радиоактивное излучение
Радиоактивность была случайно открыта А. Беккерелем в конце XIX в. Оказалось, что все тяжелые элементы с номером более 83 постоянно испускают невидимые лучи, которые способны засвечивать фотопластинки даже без их экспонирования.
Рис. 1. Открытие радиоактивности Беккерелем.
При более детальном исследовании радиоактивного излучения выяснилось, что оно имеет сложный состав. Э. Резерфорд поставил эксперимент, в котором радиоактивное излучение радия проходило сквозь сильное магнитное поле и при этом распадалось на три компоненты с различными проникающими и ионизирующими способностями. Эти компоненты были названы альфа-, бета-, гамма-излучением.
В дальнейшем были обнаружены и некоторые другие виды излучения (например, нейтронное), однако эти три вида встречались наиболее часто и сопровождали распад практически всех тяжелых элементов.
Альфа-излучение
Альфа-лучами назвали положительно заряженные частицы, слабо отклонявшиеся магнитным полем. Альфа-излучение обладало самой малой проникающей способностью, но при этом наиболее сильно ионизировало вещество. По отклонению альфа-частиц установили, что отношение заряда к массе у этих частиц вдвое меньше, чем у протона, а масса — вчетверо больше, чем масса протона.
Было сделано предположение (позже доказанное), что альфа-частицы представляют собой ядра гелия. Большой заряд и масса частиц обусловили их высокую ионизирующую способность. При этом частицы быстро теряют энергию, и поэтому проникающая способность альфа-частиц очень невелика.
Слой вещества порядка миллиметра полностью задерживает поток альфа-частиц. Например, внутрь живой ткани альфа-частицы не проникают, задерживаясь кожей. Однако высокая ионизирующая способность приводит к сильным кожным ожогам. Еще более опасно попадание альфа-радиоактивных препаратов внутрь организма.
Бета-излучение
Бета-излучением были названы лучи, сильно отклоняющиеся магнитным полем в противоположную (относительно альфа-излучения) сторону. Такое отклонение означало, что бета-частицы имеют отрицательный заряд, а их отношение заряда к массе гораздо больше, чем у альфа-частиц и у протонов.
Дальнейшие исследования бета-излучения показали, что оно имеет все те же характеристики, что и катодные лучи, а в 1897 г. Дж. Томсон открыл электрон и доказал, что бета-частицы являются электронами, летящими с большой скоростью.
Бета-излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, по сравнению с альфа-излучением, но при этом более глубоко проникает в вещество.
Гамма-излучение
Наиболее высокой проникающей способностью обладает гамма-излучение. Эта компонента радиоактивных лучей не взаимодействует с магнитным полем, следовательно, гамма-частицы не имеют электрического заряда. Детальное изучение гамма-частиц показало, что их свойства эквивалентны квантам электромагнитного излучения (фотонам) высоких энергий с очень малой длины волны.
Гамма-излучение обладает наименьшей ионизирующей и наибольшей проникающей способностью: для защиты от гамма-излучения требуется слой вещества большой толщины.
Сравнительные характеристики радиоактивных излучений удобно представить в виде таблицы:
Рис. 3. Таблица: альфа-, бета-, гамма-излучения.
Что мы узнали?
Главными компонентами радиоактивного излучения являются альфа-, бета- и гамма-частицы. Альфа-частицы — это положительно заряженные ядра гелия, бета-частицы — это отрицательные электроны, гамма-частицы — это нейтральные фотоны высоких энергий.
Альфа-, бета-, гамма-излучения — свойства, характеристика и показатели
Под «радиацией» понимают любые разновидности излучений, существующих в природе. Радиоволны, солнечный свет, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение – это тоже радиация. Нейтронное, альфа-, бета-, гамма-излучения обладают наибольшей опасностью.
Что такое радиоактивность в физике
Любой атом имеет ядро и вращающиеся вокруг него отрицательные заряженные частицы — электроны.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Причем число протонов всегда одинаково и соответствует порядковому номеру химического элемента в периодической системе Менделеева. Ядра, в которых количество нейтронов отличается, называются изотопами.
Некоторые атомные ядра могут превращаться в разные изотопы с выделением элементарных частиц или легких ядер. Собственно этот процесс и называется радиоактивностью.
Можно дать такое определение этому явлению: способность атомного ядра бесконтрольно распадаться с испусканием проникающих частиц.
Распад ядер возможен в том случае, если он сопровождается выделением энергии. Сегодня известно около 3 тыс. атомных ядер. Из них не являются радиоактивными всего лишь 264.
В физике существуют такие виды радиоактивного распада:
α-распад с выделением α-частицы;
β-распад с испусканием электрона и антинейтрино, позитрона и нейтрино, а также поглощение ядром электрона с выделением нейтрино;
γ-распад — излучение атомным ядром кванта ионизирующих лучей;
бесконтрольное деление ядра на осколки.
Альфа-излучение
Это поток ядер атомов гелия, имеющих положительный заряд. Возникает из-за распада атомов урана, тория или радия.
Их пробег очень короток (до 8 сантиметров в воздухе). Это означает, что их может задержать бумажный листок.
Вещества, которые испускают эти частицы, имеют большой период полураспада. Попадая в организм, они накапливаются в селезенке или лимфатических узлах и вызывают облучение.
Альфа-частицы опасны: они создают значительное количество ионов. Сами же альфа-частицы распространяются в тело на доли миллиметра.
Бета-излучение
Являет собой поток электронов (частиц с отрицательным зарядом) или позитронов (соответственно, с положительным зарядом). Электрон образуется при превращении нейтрона в протон, а позитрон – в процессе обратного превращения.
Электроны намного меньше ядра атомов гелия. Они могут проникать в тело человека примерно на 15 см. Попадая на кожу живого организма, частицы вызывают сильные ожоги. Чтобы оградиться от бета-излучения, достаточно тонкого оргстекла. Если вещество, излучающее электроны или позитроны, попадет в организм, то оно будет облучать ткани.
Бета-излучение применяется в медицине в качестве лучевой терапии.
Гамма-излучение
Это волны с огромной энергией, образующиеся внутри ядра.
переходе его из возбужденного состояния в стабильное;
аннигиляции электрона и позитрона.
Гамма-лучи могут проходить значительные расстояния, постепенно теряя свою энергию. Они обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью.
Очень интенсивное излучение повреждает не только кожу, но и внутренние органы человека. Особая его опасность в том, что оно способно поражать ДНК, вызывая раковые новообразования.
Чтобы ослабить поток гамма-излучения, достаточно использовать вещества с высоким массовым числом атома и плотные составы.
Нейтронное излучение
Оно являет собой поток нейтронов, без заряда, не имеющих ионизирующего воздействия. Проявляется в результате рассеивания на атомных ядрах вещества.
Вещества, облученные нейтронами, могут обретать радиоактивные характеристики. Это свойство называется наведенной радиоактивностью.
Нейтроны отличаются наибольшей проникающей характеристикой. От них можно защититься материалами, содержащими атомы водорода. Излучение быстрых нейтронов губительно для всего живого в радиусе 2,5 км.
Рентгеновское излучение
Оно имеет внеядерное происхождение. Его источник – рентгеновская трубка и некоторые радиоактивные нуклиды. Рентгеновские лучи возникают в результате сильного ускорения заряженных частиц или в результате переходов в электронных оболочках атомов.
Рентгеновская трубка имеет катод и анод. При нагревании катода происходит излучение электронов. Движение этих частиц ускоряется электромагнитным полем, и частицы падают на анод, резко снижая скорость. Вследствие этого и возникают рентген-лучи.
Рентген-излучение, проходящее сквозь вещество, рассеиваются либо поглощается. Это их свойство используется в медицине.
Какое излучение самое опасное
Наиболее опасным является излучение нейтронов. Оно может пройти толщину вещества до 10 см. Приблизившись к ядру, нейтрон только отклоняется. А при столкновении с протоном нейтрон передает ему половину внутренней энергии, и последний увеличивает свою скорость, вызывая ионизацию.
Именно эти быстрые протоны разрушают весь организм. От наведенной нейтронной радиации нельзя избавиться.
Второе место в рейтинге опасности – гамма-излучение, обладающее высокой проникающей способностью.
В природе существует много разновидностей радиационного излучения. Не каждое их них опасно для здоровья. Соблюдая меры предосторожности, можно защитить себя от вредных лучей.
Под «радиацией» понимают любые разновидности излучений, существующих в природе. Радиоволны, солнечный свет, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение – это тоже радиация. Нейтронное, альфа-, бета-, гамма-излучения обладают наибольшей опасностью.
Что такое радиоактивность в физике
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Причем число протонов всегда одинаково и соответствует порядковому номеру химического элемента в периодической системе Менделеева. Ядра, в которых количество нейтронов отличается, называются изотопами.
Некоторые атомные ядра могут превращаться в разные изотопы с выделением элементарных частиц или легких ядер. Собственно этот процесс и называется радиоактивностью.
Можно дать такое определение этому явлению: способность атомного ядра бесконтрольно распадаться с испусканием проникающих частиц.
Распад ядер возможен в том случае, если он сопровождается выделением энергии. Сегодня известно около 3 тыс. атомных ядер. Из них не являются радиоактивными всего лишь 264.
В физике существуют такие виды радиоактивного распада:
α-распад с выделением α-частицы;
β-распад с испусканием электрона и антинейтрино, позитрона и нейтрино, а также поглощение ядром электрона с выделением нейтрино;
бесконтрольное деление ядра на осколки.
Альфа-излучение
Это поток ядер атомов гелия, имеющих положительный заряд. Возникает из-за распада атомов урана, тория или радия.
Их пробег очень короток (до 8 сантиметров в воздухе). Это означает, что их может задержать бумажный листок.
Вещества, которые испускают эти частицы, имеют большой период полураспада. Попадая в организм, они накапливаются в селезенке или лимфатических узлах и вызывают облучение.
Альфа-частицы опасны: они создают значительное количество ионов. Сами же альфа-частицы распространяются в тело на доли миллиметра.
Бета-излучение
Являет собой поток электронов (частиц с отрицательным зарядом) или позитронов (соответственно, с положительным зарядом). Электрон образуется при превращении нейтрона в протон, а позитрон – в процессе обратного превращения.
Электроны намного меньше ядра атомов гелия. Они могут проникать в тело человека примерно на 15 см. Попадая на кожу живого организма, частицы вызывают сильные ожоги. Чтобы оградиться от бета-излучения, достаточно тонкого оргстекла. Если вещество, излучающее электроны или позитроны, попадет в организм, то оно будет облучать ткани.
Бета-излучение применяется в медицине в качестве лучевой терапии.
Гамма-излучение
Это волны с огромной энергией, образующиеся внутри ядра.
переходе его из возбужденного состояния в стабильное;
аннигиляции электрона и позитрона.
Гамма-лучи могут проходить значительные расстояния, постепенно теряя свою энергию. Они обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью.
Очень интенсивное излучение повреждает не только кожу, но и внутренние органы человека. Особая его опасность в том, что оно способно поражать ДНК, вызывая раковые новообразования.
Чтобы ослабить поток гамма-излучения, достаточно использовать вещества с высоким массовым числом атома и плотные составы.
Нейтронное излучение
Оно являет собой поток нейтронов, без заряда, не имеющих ионизирующего воздействия. Проявляется в результате рассеивания на атомных ядрах вещества.
Вещества, облученные нейтронами, могут обретать радиоактивные характеристики. Это свойство называется наведенной радиоактивностью.
Нейтроны отличаются наибольшей проникающей характеристикой. От них можно защититься материалами, содержащими атомы водорода. Излучение быстрых нейтронов губительно для всего живого в радиусе 2,5 км.
Рентгеновское излучение
Оно имеет внеядерное происхождение. Его источник – рентгеновская трубка и некоторые радиоактивные нуклиды. Рентгеновские лучи возникают в результате сильного ускорения заряженных частиц или в результате переходов в электронных оболочках атомов.
Рентгеновская трубка имеет катод и анод. При нагревании катода происходит излучение электронов. Движение этих частиц ускоряется электромагнитным полем, и частицы падают на анод, резко снижая скорость. Вследствие этого и возникают рентген-лучи.
Рентген-излучение, проходящее сквозь вещество, рассеиваются либо поглощается. Это их свойство используется в медицине.
Какое излучение самое опасное
Наиболее опасным является излучение нейтронов. Оно может пройти толщину вещества до 10 см. Приблизившись к ядру, нейтрон только отклоняется. А при столкновении с протоном нейтрон передает ему половину внутренней энергии, и последний увеличивает свою скорость, вызывая ионизацию.
Именно эти быстрые протоны разрушают весь организм. От наведенной нейтронной радиации нельзя избавиться.
Второе место в рейтинге опасности – гамма-излучение, обладающее высокой проникающей способностью.
В природе существует много разновидностей радиационного излучения. Не каждое их них опасно для здоровья. Соблюдая меры предосторожности, можно защитить себя от вредных лучей.
Разница между альфа-бета и гамма-частицами
Содержание:
Ключевые области покрыты
1. Что такое альфа-частицы
— определение, свойства, механизм эмиссии, применение
2. Что такое бета-частицы
— определение, свойства, механизм эмиссии, применение
3. Что такое гамма-частицы
— определение, свойства, механизм эмиссии, применение
4. В чем разница между альфа-бета и гамма-частицами
— Сравнение основных различий
Ключевые слова: альфа, бета, гамма, нейтроны, протоны, радиоактивный распад, радиоактивность, радиация
Что такое альфа-частицы
Эмиссия альфа-частиц происходит в «богатых протонами» атомах. После испускания одной альфа-частицы из ядра атома определенного элемента это ядро изменяется, и оно становится другим химическим элементом. Это связано с тем, что при альфа-излучении два ядра удаляются из ядра, что приводит к уменьшению атомного номера. (Атомный номер является ключом для идентификации химического элемента. Изменение атомного номера указывает на превращение одного элемента в другой).
Рисунок 1: Альфа-распад
Однако проникающая способность альфа-частиц значительно слабая. Даже тонкая бумага может остановить альфа-частицы или альфа-излучение. Но ионизирующая способность альфа-частиц очень велика. Поскольку альфа-частицы заряжены положительно, они могут легко брать электроны из других атомов. Это удаление электронов из других атомов вызывает ионизацию этих атомов. Поскольку эти альфа-частицы являются заряженными частицами, они легко притягиваются электрическими полями и магнитными полями.
Какие бета-частицы
Рисунок 2: β-эмиссия
Бета-частицы способны проникать через воздух и бумагу, но могут задерживаться тонким металлическим (например, алюминиевым) листом. Это может ионизировать вещество, которое встречается. Поскольку они являются отрицательно (или положительно, если это позитрон) заряженными частицами, они могут отталкивать электроны в других атомах. Это приводит к ионизации вещества.
Поскольку это заряженные частицы, бета-частицы притягиваются электрическими полями и магнитными полями. Скорость бета-частицы составляет около 90% скорости света. Бета-частицы способны проникать в кожу человека.
Что такое гамма-частицы
Проникающая способность гамма-частиц очень высока. Даже очень небольшое излучение может проникать через воздух, бумагу и даже тонкие металлические листы.
Рисунок 3: Гамма-распад
Гамма-частицы удаляются вместе с альфа- или бета-частицами. Альфа или бета распад может изменить химический элемент, но не может изменить энергетическое состояние элемента. Следовательно, если элемент все еще находится в состоянии с более высокой энергией, то излучение гамма-частиц происходит для того, чтобы получить более низкий уровень энергии.
Разница между альфа-бета и гамма-частицами
Определение
масса
Альфа-частицы: Масса альфа-частицы составляет около 4 мкм.
Гамма-частицы: Гамма-частицы не имеют массы.
Электрический заряд
Бета-частицы: Бета-частицы являются либо положительно, либо отрицательно заряженными частицами.
Гамма-частицы: Гамма-частицы не являются заряженными частицами.
Влияние на атомный номер
Альфа-частицы: Атомный номер элемента уменьшается на 2 единицы, когда высвобождается альфа-частица.
Бета-частицы: Атомный номер элемента увеличивается на 1 единицу, когда высвобождается бета-частица.
Гамма-частицы: Атомный номер не зависит от излучения гамма-частиц.
Изменение в химическом элементе
Альфа-частицы: Излучение альфа-частиц вызывает изменение химического элемента.
Бета-частицы: Излучение бета-частиц вызывает изменение химического элемента.
Гамма-частицы: Излучение гамма-частиц не приводит к замене химического элемента.
Сила проникновения
Альфа-частицы: Альфа-частицы имеют наименьшую проникающую способность.
Бета-частицы: Бета-частицы имеют умеренную проникающую способность.
Гамма-частицы: Гамма-частицы обладают самой высокой проникающей способностью.
Ионизирующая сила
Альфа-частицы: Альфа-частицы могут ионизировать многие другие атомы.
Бета-частицы: Бета-частицы могут ионизировать другие атомы, но не так хороши, как альфа-частицы.
Гамма-частицы: Гамма-частицы обладают наименьшей способностью ионизировать другие вещества.
скорость
Альфа-частицы: Скорость альфа-частиц составляет около одной десятой скорости света.
Бета-частицы: Скорость бета-частиц составляет около 90% скорости света.
Гамма-частицы: Скорость гамма-частиц равна скорости света.
Электрические и магнитные поля
Альфа-частицы: Альфа-частицы притягиваются электрическими и магнитными полями.
Бета-частицы: Бета-частицы притягиваются электрическими и магнитными полями.
Гамма-частицы: Гамма-частицы не притягиваются электрическими и магнитными полями.
Заключение
Альфа, бета и гамма частицы испускаются из нестабильных ядер. Ядро испускает эти разные частицы, чтобы стать стабильным. Хотя альфа- и бета-лучи состоят из частиц, гамма-лучи не состоят из реальных частиц. Однако, чтобы понять поведение гамма-лучей и сравнить их с альфа- и бета-частицами, вводится гипотетическая частица, называемая фотоном. Эти фотоны являются энергетическими пакетами, которые переносят энергию из одного места в другое в виде гамма-излучения. Поэтому они называются гамма-частицами. Основное различие между альфа-бета и гамма-частицами заключается в их проникающей способности.
Радиация: Будни радиохимической лаборатории
В этой статье я вернусь к теме радиации, затронутой в своем посте о счетчике Гейгера.
… В конце восьмидесятых, начале девяностых годов люди часто ходили на рынок с дозиметром, выбирая с его помощью «чистые», как они думали, овощи и фрукты. Иногда и сейчас в тематических пабликах и форумах встречается вопрос: какой дозиметр купить, чтобы ходить на рынок за продуктами. И если в сообществе есть компетентные люди, они дадут правильный ответ: никакой. И объяснят, что дозиметром радиоактивность продуктов питания обнаруживается только при уровнях, многократно превышающих предельные, дозиметр не отличит безвредную активность калия-40 от эквивалентной по показаниям дозиметра, но убийственной при регулярном потреблении активности стронция-90, а альфа-активные и очень радиотоксичные плутоний с америцием и вовсе не увидит, а для оценки пригодности продукта к употреблению необходимо исследование в специальной лаборатории.
В настоящий момент я как раз в такой лаборатории работаю. Мы не занимаемся санитарно-гигиеническими измерениями. Наша задача – это исследование радиоактивности природной среды – в основном, морской воды, осадков. Нас интересует не факт превышения нормативов, а сами уровни содержания радионуклидов в природных объектах, формы, в которых они присутствуют, их распределение и миграция. К счастью, пока содержание радионуклидов в окружающей среде в большинстве случаев очень мало. И я хотел бы рассказать, как мы эти низкие уровни обнаруживаем, а заодно развеять некоторые расхожие мифы.
На КДПВ — Новая Земля, где я побывал в позапрошлом году в рамках экспедиции на научно-исследовательском судне «Мстислав Келдыш» в Арктику.
Альфа, бета, гамма, крибле, крабле, бумс
Уникальным свойством радиоактивного распада, как источника аналитического сигнала является то, что мы легко регистрируем единичный акт распада – то есть то, что произошло с одним атомом. Поэтому измерение радиоактивности часто превосходит по чувствительности любые другие аналитические методы. Только очень долгоживущие элементы – уран-238 и 235, торий, иногда нептуний – чувствительнее определять химически.
Как все, наверное, знают, при радиоактивном распаде излучаются альфа-частицы – ядра гелия-4, бета-частицы – электроны и иногда позитроны, гамма-кванты, и в редких случаях – нейтроны, «осколочные» ядра и протоны. Иногда, впрочем, бывает, что вроде бы не излучается ничего: наоборот, ядро захватывает электрон. Но и в этом случае не обходится без радиации: электронная оболочка атома, перестраиваясь, испускает характеристическое рентгеновское излучение.
Проще всего, если интересующий нас изотоп является гамма-излучателем. Гамма-излучение редко существует отдельно от всех прочих – только при переходе долгоживущих ядерных изомеров в основное состояние ядра. Как правило, оно возникает при альфа- и бета-распаде, из-за того, что после распада новому ядру нужно сбросить излишек энергии. За счет проникающей способности, гамма-излучение обычно легко покидает пределы очень толстого образца, что невозможно в случае альфа-излучения и не всегда возможно, когда речь идет о бете. А еще у гамма-излучения есть хорошая черта: его спектр линейчатый, и он однозначно идентифицирует испустивший его нуклид.
Увы, далеко не все радионуклиды – эффективные источники гамма-излучения. У кого-то гамма-квант излучается в 0,0001% всех распадов, у кого-то вовсе распад происходит сразу в основное состояние дочернего ядра и никакой гаммы от него не дождешься. Поэтому приходится смотреть еще и на альфа- и бета-излучения.
Еще со школы мы знаем, что альфа-излучение задерживается листком бумаги. Я скажу больше: оно задерживается парой сантиметров воздуха, а главное — оно задерживается самой пробой. И если мы попытаемся обнаружить альфа-излучение, поднеся к ней датчик снаружи, то в него попадут только альфа-частицы, испущенные самым верхним слоем вещества, толщиной в доли микрона или единицы микрон. Аналогичная проблема и с регистрацией бета-излучения. Если оно жесткое (как у стронция-90), оно способно преодолеть несколько миллиметров пробы. А бета-лучи трития еще меньше «пробивают», чем альфа-частицы, и не могут преодолеть никакое окно. Даже бета-частицы углерода-14 или никеля-63 с трудом проходят сквозь тонкую слюду счетчика Гейгера или светонепроницаемую фольгу, закрывающую сцинтилляционный детектор.
Потом я расскажу, что с этой непроницаемостью делают и как с ней справляются.
Но сначала — о гамма-спектрометрии
Про гамма-спектрометрию наверняка упомянут в любой дискуссии на тему «проверки грибов дозиметром». Это и понятно: метод в рамках решения задачи «определить цезий-137 на уровне ПДК» относительно прост аппаратурно (вплоть до домашних «наколенных» вариантов) и достаточно экспрессен (то есть дает быстрый результат).
Гамма-спектрометрия основана на том, что гамма-излучение, возникающее при радиоактивном распаде данного конкретного изотопа, представляет собой поток практически моноэнергетических гамма-квантов. То есть на спектре излучения мы видим узкую линию, либо несколько линий. И этот спектр — характеристический, по нему можно надежно идентифицировать радионуклид.
Если оптическое излучение или даже рентген можно разложить в спектр с помощью некоего диспергирующего элемента — призмы или дифракционной решетки (для рентгена в качестве последней служит кристаллическая решетка, например, графита), то единственный способ получить спектр гамма-излучения — это измерять энергию каждого из зарегистрированных его квантов. Способов такого измерения достаточно много, существуют, например, различные способы, при которых гамма-квант «конвертируется» в электрон с почти такой же энергией, а затем поток электронов раскладывают в спектр по энергиям в магнитном поле. Но такие методы бывают применимы в экспериментальной ядерной физике — но не в рутинных измерениях. Обычно для измерения энергии гамма-квантов служит какой-либо пропорциональный детектор ионизирующего излучения.
Счетчик Гейгера-Мюллера, например, таким детектором не является. Поглотив квант гамма-излучения америция-241, он сформирует импульс, который ничем не будет отличаться от такого же импульса, который счетчик Гейгера выдаст в ответ на квант гамма-излучения кобальта-60, несмотря на то, что энергии этих двух квантов отличаются в 23 раза. А вот сцинтилляционный счетчик напротив, свойством пропорциональности обладает — интенсивность вспышки света, а значит, и амплитуда импульса на аноде фотоэлектронного умножителя определяется величиной поглощенной в кристалле энергии.
Сцинтилляционный гамма-спектрометр, таким образом, представляет просто сцинтилляционный детектор — кристалл сцинтиллятора, например, йодистого натрия, активированного таллием, к которому приставлен ФЭУ. Импульсы с ФЭУ подаются на особый прибор, называемый многоканальный анализатор (часто встречается англоязычная аббревиатура MCA). По сути, это АЦП, но с рядом специфических требований (в частности, предельно малая дифференциальная нелинейность, которая в обычных применениях мало кого волнует). Принцип его действия — он измеряет величину (его амплитуду, или же интеграл под этим импульсом) каждого импульса и «раскладывает» эти импульсы по «кучкам» в соответствии с их величиной. Этих «кучек» — каналов — обычно от 256 до 4096 и больше. По сути, MCA работает, подобно функции, вызываемой с каждым новым импульсом:
А потом, когда наберется достаточно много импульсов, можно построить график, который и становится визуальным отображением гамма-спектра. Примерно такой:
Это я привел очень показательную картинку, которая демонстрирует, что все вроде просто, а вместе с тем — не очень. Дело в том, что это — спектр, зарегистрированный от источника моноэнергетического излучения. Но на нем — отнюдь не единственная «палка» на 662 кэВ. Мало того, что вместо палки мы имеем довольно расплывчатый «колокол». Слева от него мы имеем то, чего на самом деле нет (кроме самого левого зашкаленного пика — он существует в реальности). Увы, аппаратурный спектр не равен реальному.
Откуда берутся эти различия? Из физики процесса регистрации гамма-излучения.
Гамма-квант может поглотиться в кристалле-сцинтилляторе целиком, отдав ему всю энергию, которая превратится в кинетическую энергию фотоэлектронов, которые в конечном счете возбудят в кристалле вспышку люминесценции — сцинтилляцию. От таких квантов мы имеем пик справа, его мы называем фотопиком, потому что он относится к поглощению посредством фотоэффекта. А другой квант может и «пройти навылет», отдав ему только часть энергии. Причем — любую: от почти нулевой до некоторой предельной доли — в зависимости от того, под каким углом улетит провзаимодействующий с квантом электрон. Это эффект Комптона. И от него — вот это широкое плато слева от пика — комптоновский континуум. При больших энергиях мы увидим еще и такой эффект, как образование электрон-позитронных пар, из-за которых на спектре появятся пики одинарного и двойного вылета, отстоящие от фотопика вниз на 511 и 1022 кэВ, ну и сам пик 511 кэВ от гамма-излучения аннигиляции. Еще на фоне комтоновского континуума виден пик обратного рассеяния — это отраженное гамма-излучение от окружающих детектор предметов, за счет эффекта Комптона потерявшее часть энергии, а еще ниже мы видим характеристические рентгеновские линии от свинца защиты. Ну а крайняя левая линия — это тоже характеристическая рентгеновская линия, только от того бария, в который превратился цезий, распавшись. Да, это спектр цезия-137. И почти все, что мы видим на этом спектре — это отображение единственной спектральной линии. Будет две линии — каждая будет иметь такой же вид, а видеть мы будем их сумму. И да — вид каждой из таких линий зависит от ее энергии: с ростом ее сначала растет доля комптоновской составляющей и падает фотопик, потом появляются и растут эффекты рождения электрон-позитронных пар (пики вылета, аннигиляционный пик). Отсюда получаем приличную сложность обработки спектров.
Сцинтилляционный гамма-спектрометр — прибор, как я уже говорил, относительно несложный. Вплоть до того, что его может завести себе любая домохозяйка. На полном серьезе: выпускаются и продаются приборы ценой меньше тысячи долларов, которым все, что нужно для работы — компьютер с USB-портом и свинцовая защита. Внутри цилиндрического корпуса — все, и кристалл, и ФЭУ, и его источник питания, и АЦП. Интересующимся — гуглить про Atom Spectra. А тем, кто умеет держать в руках паяльник, вполне по силам сделать такой прибор самостоятельно — роль многоканального анализатора с успехом сыграет звуковая плата компьютера и специальная программа, например, BeckMoni, а можно на основе микроконтроллера, интегратора со сбросом и внешнего АЦП (встроенный имеет очень плохие параметры) сделать MCA, не уступающий тем, что делает тот же «Гринстар». Да и лабораторные приборы порой укладываются в ценник «до миллиона рублей» и (не считая свинцовой защиты) почти не занимают места на лабораторном столе (так, Kolibri от фирмы Green Star имеет размер 8х13х3 см и также работает от USB-порта). Недостаток у них один — низкая разрешающая способность.
Самые лучшие кристаллы NaI(Tl) дают спектральное разрешение по линии цезия-137 около 6%. Новый и очень дорогой сцинтиллятор — бромид лантана — это 3,2%. И эти цифры приводят к тому, что реальный спектр выглядит примерно вот так:
А в худшем — это будет такой невыразительный холм, на склоне которого еле-еле проглядывают отдельные бугорки, по которым еще как-то можно идентифицировать изотопы, но о количественном их определении речи не идет. И наши природные пробы на сцинтилляционном гамма-спектрометре так и выглядят. А спектр «в лучшем случае», к слову — это от камешка, от которого «Терра-П» заливалась трелью и показывала миллирентгены в час (гранит бы дал почти такую же картинку, только ждать набора спектра пришлось бы целый день, а этот спектр набрался за минуту).
Поэтому в большинстве случаев мы работаем на спектрометре с полупроводниковым детектором. По конструкции он напоминает германиевый pin-фотодиод, спрятанный от света, но доступный гамма-лучам. А по сути — это просто ионизационная камера. Только заполненная не газом, а нелегированным германием, к которому сделаны контакты в виде p-области с одной стороны и n-области с другой. Пролетевший через детектор (вернее, через область фотон рождает на своем пути электронно-дырочные пары, которые электрическим полем от подаваемого на кристалл полупроводника напряжения растаскиваются на электроды этой ионизационной камеры, что приводит к появлению короткого и очень слабого импульса тока, опять таки пропорционального энергии, поглощенной в кристалле полупроводника. Благодаря очень низкой энергии, необходимой на образование пары, и по ряду других причин, спектральное разрешение у ОЧГ или HPGE детектора — десятые доли процента. И спектральная линия на спектре действительно — линия (правда, ее спутники в виде комптоновского континуума, пиков вылета, обратного рассеяния и прочего — никуда не деваются).
Для иллюстрации — вот спектр не из моих работ и взят мною из интернета. Это суммарный спектр 89 образцов лосося, выловленного у берегов Британской Колумбии, показывающий, что эхо Фукусимы туда не дошло: обнаружены следы цезия-137, но нет «свежего» цезия-134, имеющего короткий период полураспада.
Видите, как много всяких слабых и мелких линий проявилось на спектре? Сцинтилляционный гамма-спектр не дал бы тут ровно ничего. В первую очередь потому что линия цезия-137 наложилась бы на линию 609 кэВ, относящуюся к висмуту-214, а линия цезия-134 даже и не попыталась бы разделиться с линией свинца-214.
Но ППД не работает при комнатной температуре и требует охлаждения жидким азотом, и в целом это — весьма дорогой прибор, который есть не в каждой лаборатории. Нам повезло — у нас есть своя собственная «Канберра», но часть образцов мы все равно меряем на кафедре радиохимии Химфака МГУ.
А вот сцинтилляционный спектрометр можно взять с собой в рейс на корабль. И даже сунуть в сумку и провести набор спектра гамма-фона на Новой Земле во время высадки.
Альфа-спектрометрия и немного про бета-лучи
Альфа-излучение радиоактивных изотопов тоже является моноэнергетичным и спектр его — характеристический. Поэтому спектрометрия альфа-излучения является очень ценным источником информации о радионуклидном составе. И в чем-то она — более простой метод, чем гамма-спектрометрия: альфа-частица всегда поглощается в детекторе нацело, поэтому аппаратурный спектр альфа-излучения совпадает с реальным с учетом ограниченного спектрального разрешения. Да и детектор прост, как три копейки: это либо тонкий сцинтиллятор, либо все тот же полупроводниковый детектор, который в варианте для альфа-излучения очень похож по строению на стандартный pin-фотодиод, с той только разницей, что толщина «мертвого» слоя на поверхности, включающего металл и p+-область имеют минимально возможную толщину (помним про проникающую способность альфа-частиц). Охлаждения ему не требуется, а так как альфа-частицы имеют энергии в несколько МэВ, электрон-дырочных пар с каждой из них выходит много и уровень сигнала не столь мал, как с HPGE, где приходится использовать весьма малошумящий предусилитель, охлаждаемый вместе с детектором.
Сложности здесь возникают только из-за все той же малой проникающей способности. Детектор вместе с образцом помещают в небольшую вакуумную камеру, которую откачивают до нескольких миллиметров ртутного столба, а образец делают очень тонким. Одним из методов является электроосаждение — в электролизную ячейку помещают азотнокислый раствор, содержащий альфа-активные изотопы, анод — платиновая проволочка, а катод — диск из нержавеющей стали. Предварительно раствор по максимуму очищают от всего лишнего с помощью колонки с ионообменной смолой. Полтора часа — и 10 миллилитров раствора превратились в пленку толщиной не более одной десятой микрона.
Что же касается бета-лучей, то их спектр не столь ярок и впечатляющ. Из-за того, что при каждом бета-распаде часть энергии (и притом какую придется часть) уносит антинейтрино, спектр бета-излучения сплошной, имеет вид широких горбов. Поэтому зачастую ограничиваются их счетом, предварительно выделив интересующий элемент химическим путем.
Тут, если излучение достаточно жесткое, его можно регистрировать и сцинтилляционным детектором, и полупроводниковым (похожим на тот, что для альфа-излучения, но потолще — а бывают и универсальные детекторы, как в «рабочей лошадке» радиохимической лаборатории — настольном альфа-бета радиометре УМФ-2000). А если нам достался, к примеру, тритий, то нет лучше варианта, чем взять и смешать пробу с жидким сцинтиллятором. Этот метод так и и называется — жидкостный сцинтилляционный счет. Он, кстати, и для альфы годится, и вообще является достаточно универсальным методом. Приборы, правда, опять-таки дорогие и сложные, у нас такого прибора нет, мы отдаем пробы либо в Радиохимическую лабораторию ГЕОХИ РАН, либо на кафедру радиохимии Химфака. Причиной является в первую очередь то, что энергия распада зачастую очень мала, так что в случае трития приходится вылавливать световые импульсы, составляющие всего десяток-другой фотонов. Здесь используется любимый ядерными физиками метод — метод совпадений. Фотоэлектронный умножитель даже в отсутствии света постоянно генерирует импульсы, соответствующие по амплитуде одному, а то и нескольку фотоэлектронов. Но вероятность того, что импульсы, превышающие одноэлектронный, совпадут сразу у трех ФЭУ в один момент времени, очень мала. А вот реальная вспышка сцинтилляции, даже если в ней было только 10-15 фотонов, даст совпадающий отклик сразу по всем трем каналам и будет зарегистрирована.
Пару слов о защите
Когда заходит речь о радиации, не обходится без разговора о защите от излучения. Нам об этом тоже приходится думать, но не чтобы защититься самим — уровни облучения от наших образцов исчезающе малы. Защищать нужно наши приборы, иначе внешний радиационный фон сведет на нет все попытки увидеть слабые потоки излучения. Чем меньше будет фон в защите, тем чувствительнее определение.
Проще всего — с альфа-излучением. Оно само ни через что не проходит, а энергия альфа-частиц резко отличается от фонового гамма-излучения, поэтому альфа-спектрометру защита особо и не требуется. Гамма-спектрометры и бета-счетчики помещают в массивную, обычно свинцовую защиту. Кстати, свинец для нее берется особенный. «Канберра», например, использует свинец, поднятый со дна моря, с мест кораблекрушений старинных судов. Во-первых, в этом свинце совсем нет радионуклидов антропогенного происхождения, а во вторых, в нем успел распасться свинец-210. Нам этот изотоп особенно важен, как «радиоактивные часы», позволяющие определять скорость накопления осадков на дне морей.
Для дополнительного снижения фона, в том числе и связанного с космическим излучением, внутренность защиты облицовывают медью, кадмием, пластиком. Это делается для того, чтобы убрать рентгеновскую флюоресценцию свинца, а также вторичные электроны.
А для особо низкофоновых измерений аппаратуру ставят в глубокий подвал или даже вырубленную в низкоактивных породах шахту. Это порой единственный способ многократно снизить уровень космических лучей, которые без задержки пролетают через десятки сантиметров свинца.
Что такое радиохимия
Обычная ситуация — это когда интересующего радионуклида так мало, что такой объем пробы, в котором содержится его минимально-детектируемая активность, в прибор не засунешь. Иногда в связи с габаритами прибора, а иногда — по принципиальным причинам (как в случае с альфа-активными изотопами: нужно превратить ведро пробы в пленку толщиной в доли микрона). Это — задача методов концентрирования.
Например, у нас есть в воздухе цезий-137. Ядерной войны еще не было, Чернобыль был давно, так что цезия-137 мало. 
и меньше беккереля на кубометр. То есть, в вашей комнате распад одного атома цезия-137 происходит несколько раз за час. Для гамма-спектрометрии нужно хотя бы беккерель набрать. Что делать? Берем пылесос, подключаем к нему специальный фильтр. Цезий будет в составе пыли и он на этот фильтр сядет. Прогнали через него тысяч десять кубометров воздуха, и полученную банку пыли можно засунуть в гамма-спектрометр.
Или другой вариант — для выделения того же цезия-137 из морской воды прогнать тысячу литров забортной воды через мочалку, пропитанную ферроцианидом кобальта, которая имеет свойство эффективно выделять цезий из воды.
Вы помните, как супруги Кюри добывали радий? Его соосаждали с сульфатом бария, многократно повторяя этот процесс и увеличивая концентрацию радия на каждом этапе. Примерно таким же способом — путем соосаждения, сорбции на ионообменных смолах и других сорбентах, электролиза и других методов мы концентрируем элемент, изотоп которого нас интересует, избавляясь от тех, что мешают (в том числе и своей радиоактивностью) и уменьшая объем пробы порой в миллионы раз.
Про один из методов концентрирования я уже рассказал, когда рассказывал про альфа-спектрометрию: из нескольких миллилитров азотнокислого раствора мы получили тончайшую пленку. А перед этим мы зачерпнули за бортом бочку морской воды, добавили туда хлорного железа, а затем осадили его аммиаком. Большая часть содержавшегося в воде плутония оказалась в осадке (соосаждение вообще часто используется в радиохимии — например, его используют для выделения стронция-90). Весь этот осадок вместе с небольшим количеством воды поместился в литровую бутылку, которую мы привезем на берег. А дальше уберем сначала лишнюю воду, потом растворим осадок и уберем оттуда железо с помощью одной ионообменной смолы, а потом уберем все остальное с помощью хроматографической колонки с другой ионообменной смолой, из которой плутоний пойдет в нужный момент времени. Вот так и появляются эти несколько миллилитров, из которых затем плутоний осаждается электролизом.
Допустим, так и было. Что искать в качестве доказательств? Вы скажете «радиоактивное заражение» и будете неправы. Вернее, правы только частично.
Радиоактивность была и есть и безо всякой ядерной войны. Но радиоактивность от атомной бомбы — особая, в ней есть то, что позволяет отличить ее от природной безошибочно. Это особый радионуклидный состав.
Природная радиоактивность обусловлена совершенно определенными изотопами. Это калий-40, рубидий-87, уран и торий (с радиоактивными продуктами их распада) — в общем, изотопы, имеющие огромные периоды полураспада, позволившие им сохраниться еще с тех времен, когда не было ни Земли, ни Солнца. К ним добавляется немного так называемых космогенных изотопов — углерод-14, бериллий-7, натрий-22, тритий. Они образуются под действием космических лучей и постоянно воспроизводятся.
А вот радионуклиды, характерные для ядерного взрыва, совсем другие. В доядерную эру на Земле (не считая природных ядерных реакторов типа Окло) не было ни атома ни цезия-137, ни кобальта-60, ни рутения-106. Если они и возникли когда-то, во время вспышки Сверхновой, породившей вещество, из которого со временем образовались Солнце и планеты, то к нашей эпохе они бесследно исчезли. А спустя 200 лет наиболее долгоживущие из них сохранились бы. И мы бы нашли их — в виде отчетливых пиков активности в слоях донных осадков, какие мы видим сейчас в слоях 1950-60-х годов прошлого века, а также в слое 1986 года.
Мы бы их нашли и в Мохенджо-Даро, и в тех самых радиоактивных костях из каменного века. Но находим мы там лишь торий и уран. И продукты их распада — тот же радий.
Еще один миф: радиационный фон с момента открытия радиоактивности возрос в десятки раз. Вариант мифа с элементами теории заговора: чтобы это скрыть, в шестидесятых годах изымали радиометрические приборы из лабораторий и возвращали после перекалибровки.
Данный миф опровергается очень просто. С тех времен удивительно как, но в лабораторных залежах сохранились старые счетчики Гейгера в родных коробочках с паспортами. Типов МС-6, ВС-6 и т.п. И в них была вписанная от руки цифра «натурального фона». И если эти счетчики «запустить» сейчас, они выдадут практически те же значения фоновой скорости счета, что записана в паспорте.
И даже если предположить, что счетчики и паспорта тоже подменили — если бы в настоящий момент значительная доля фоновой радиации была обусловлена техногенной ее компонентой, то есть продуктами деления урана и плутония — на гамма-спектре фона мы бы имели отчетливые, возвышающиеся над всем остальным спектром, пики цезия-137 и других характерных нуклидов. Такую картину можно увидеть, если привезти гамма-спектрометр в Припять или хотя бы в некоторые районы Брянщины или Тульской области. А вот московские 8-12 мкР/ч обусловлены все теми же ураном, торием и калием, и на четверть — космическим излучением. И фона в 0,5-1 мкР/ч в Москве не было никогда.
Послесловие или еще раз про дозиметр на рынке
Предельно-допустимые уровни содержания радионуклидов в пищевых продуктах сильно различаются. Причиной различной радиотоксичности их является в первую очередь склонность к концентрированию в различных органах и тканях и к прочному закреплению в них. Так, у стронция-90, который накапливается в костях, рядом с костным мозгом и остается там почти что навечно, дозовый коэффициент более чем вдвое превышает таковой для равномерно распределяющегося по организму цезия-137. Поэтому если для цезия-137 предельно допустимой активностью для большинства продуктов являются значения 50-100 Бк/кг, то для радиостронция — вдвое меньшие. А вот для плутония-239 предельно допустимое поступление в организм измеряется в десятках беккерелей в год.
Поэтому — нет, дозиметр не поможет. И даже домашний гамма-спектрометр, который легко выявит загрязнение цезием-137 на предельно-допустимом уровне, «пропустит» загрязнение гораздо более опасными альфа-активными изотопами.