Полупроводниковые детекторы

Приборы такого типа основаны на свойстве полупроводников изменять свою электропроводность под действием облучения нейтронами или γ – лучами, для регистрации которых они и применяются.

Законы радиоактивных превращений

α-, β- и γ- частицы вылетают из ядра и являются продуктами его радиоактивного превращения. Поскольку α- и β- частицы заряжены, то при их вылете изменяется заряд и атомный номер ядра, и оно превращается в ядро другого химического элемента. Такие радиоактивные превращения элементов подчиняются определенным закономерностям.

Обозначим заряд ядра распадающегося элемента через «Z», а его атомный вес через «А». При дальнейшем рассмотрении атомные веса будем округлять до ближайших целых чисел, и понимать под «А» не типичный атомный вес, а так называемое «массовое число» ядра. Значок «Z» будем помещать внизу, а значок «А» – вверху около химического символа данного элемента Х, т.е. .

α-частица – это ядро гелия с Z=2 и атомным весом 4, 00388 (А=4). Она обозначается какили .

Электрон, имеющий заряд Z=-1 и атомный вес 1/1836 (А=0) обозначим, как .

При α - распаде распадающееся ядро испускаетα-частицу и превращается в другое ядро. С учетом сохранения заряда и массы эта реакция записывается так

. (1)

Элемент Y имеет атомный номер на две единицы меньшей и, следовательно, сдвинут относительно Х на две клетки влево по таблице Менделеева.

Уравнение β – распада записывается аналогичным образом

. (2)

При испускании отрицательно заряженного электрона заряд и номер элемента Y увеличиваются на единицу, и он сдвигается относительно Х на одну клетку вправо по таблице Менделеева, сохраняя массовое число неизменным.

Оба эти уравнения ((1) и (2)) носят название правил (или законов) радиоактивного смещения. Выраженные ими изменения химических свойств при радиоактивном распаде полностью подтверждены на опыте.

Закономерности α- и β- распада

α – распад

Рассмотрим механизм α – распада, исходя из особенностей взаимодействия α – частицы с ядром-остатком . Будем считать, α – частицу материальной точкой.

Факт длительного существования α – частицы, обладающим положительным электрическим зарядом, указывает на наличие сил притяжения неэлектрической природы, обеспечивающих устойчивость ядер.

Как показывает опыт, даже для самых больших ядер, на расстоянии порядка 1,5*10^-12 см от центра ядра ядерные силы уже неощутимы. На таких расстояниях действуют только электрические силы отталкивания, и общая потенциальная энергия частицы имеет вид:

, (1)

где 2е – заряд частицы;

r – расстояние до центра ядра.

График этой функции представлен на рисунке.

Таким образом, α – распад представляет собой просачивание α – частицы через потенциальный барьер.

Согласно квантовой механике, как бы ни был высок потенциальный барьер, имеется отличная от нуля вероятность того, что частица с энергией меньшей высоты барьера, проникнет сквозь него путем туннельного перехода.

Как мы уже знаем, вероятность прохождения частицы через потенциальный барьер (или прозрачность барьера) выражается формулой

,

где d – ширина,

U – высота барьера,

Е – полная энергия частицы.

С прозрачностью барьера можно связать постоянную распада λ, вспомнив, что прозрачность барьера – это вероятность вылета α – частицы при одном ударе о барьер, а постоянная распада – это вероятность распада ядра в единицу времени.

Следовательно,

, (2)

где n – число ударов α – частицы о стенку барьера.

Величина «n» обратна времени, в течение которого α – частица пролетает расстояние равное диаметру ядра, т.е.

,

где v – скорость α – частицы,

r_o - радиус ядра.

Представив V как , где Е – энергия α – частицы (), получим

(3)

Подставив D и n из уравнений (1) и (3) в выражение (2), получим

Эта формула выражает зависимость постоянной распада от энергии выбрасываемых частиц: чем больше энергия α – частиц, тем больше постоянная распада.

В заключение следует отметить, что, подобно тому, как фотон не существует в готовом виде в недрах атома и возникает лишь в момент излучения, α – частица также возникает в момент радиоактивного распада ядра.

β – распад

Существуют три разновидности β–распада: в одном случае, ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон; в другом – позитрон; в третьем, называемом электронным захватом, ядро поглощает один или несколько электронов заполненной внешней оболочки атома.

Первый вид распада (обозначается как β^-)протекает по схеме

.

Здесь ядро Y имеет атомный номер на 1 больший, чем ядро Х. Массовые числа обоих ядер одинаковы; - электрон, - антинейтрино. На физическом смысле этой частицы мы остановимся несколько позднее.

Энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при β–распаде, имеет вид: (см.рис.).

Площадь, охватываемая кривой, дает общее число электронов, испускаемых в единицу времени.

dN – это число электронов, энергия которых заключена в интервале dE.

Энергия Е_max соответствует разности между массой ядра Х и массами электрона и ядра Y.

Следовательно, распады, при которых энергия электрона меньше Е_max, протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

Чтобы объяснить это исчезновение энергии Е_max – Е Паули в 1932г. высказал предположение, что при β–распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, которая и уносит с собой энерги ю Е _max – Е. Так как эта частица никак себя не обнаруживает, то она нейтральна и обладает очень малой массой. По предложению Э.Ферми, эту частицу назвали нейтрино (маленький нейтрон).

Согласно современным данным, частицей, испускаемой при электронном β– распаде, является не нейтрино, а антинейтрино, т.е. частица, обладающая спином , нулевым зарядом и нулевой массой.

Энергия, выделяемая при электронном β^-- распаде, распределяется между электроном и антинейтрино в соответствии с нашей кривой таким образом, что сумма энергий этих частиц всегда равна Е_max.

Для подтверждения гипотезы о существовании антинейтрино необходима была экспериментальная проверка. Здесь возникли большие трудности. Электрическая нейтральность и ничтожно малая масса приводят к очень слабому взаимодействию антинейтрино с веществом.

Для опытного обнаружения антинейтрино был использован закон сохранения импульса. Идея опыта состояла в следующем: если бы ядро при β^--распаде испускало только один электрон, то оно испытывало бы отдачу в направлении прямо противоположном вылету электрона.

Если же ядро, кроме электрона, испускает еще и антинейтрино, то, по закону сохранения импульса, векторная сумма трех импульсов – электрона, антинейтрино и ядра отдачи – равна нулю, как и до распада. Ядро до распада считаем неподвижным. Таким образом, если антинейтрино действительно испускаются, то отдача ядра будет происходить не в направлении прямой, по которой летит электрон. Опыты полностью подтверждают это.

Второй вид β–распада протекает по схеме

,

где - позитрон – это античастица электрона. Ее заряд и энергия противоположны заряду и энергии электрона;

ν – нейтрино, т.е. частица, обладающая энергией и зарядом противоположным антинейтрино.

Следовательно, обе частицы, испускаемые при распаде, представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при электронном β^--распаде.

Третий вид β–распада - электронный захват, заключается в том, что ядро поглощает один из электронов, находящихся в ближайшей к ядру оболочке атома. При этом один из протонов превращается в нейтрон, т.е. происходит реакция

,

где p – протон, т.е. ядро атома водорода;

е – электрон;

n – нейтрон – частица, не обладающая электрическим зарядом, массой близкая к массе протона;

ν – нейтрино.

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя в более низкие энергетические состояния, оно испускает γ – частицы. Схема этого процесса выглядит следующим образом

.

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электроном из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи. Таким образом, электронный захват легко обнаруживается по сопровождающему его рентгеновскому излучению.

Сравнивая эти три вида β –распада, мы видим, что каждый из этих процессов нельзя объяснить делением системы на составные части, т.к. при этом происходит взаимопревращение частиц. Электрон, позитрон и нейтрино не содержатся в протоне или нейтроне, а порождаются при их взаимном превращении.

Близость масс нейтрона и протона, наличие их взаимных превращений с испусканием и поглощением различных легких частиц дает возможность трактовать нейтрон и протон не как различные частицы, а как два квантовые состояния одной и той же ядерной частицы или нуклона. Массовое число и спиновой механический момент по величине одинаковы для обоих состояний, а электрический заряд может принимать значения Z=1 (протон) и Z=0 (нейтрон).

Дата добавления: 2014-01-06