Материал: Теория радиационного действия - Курсовая работа


Критика   современного   состояния   теории радиационного  действия

Мы уже указывали, что главный вклад в теорию радиационных нарушений был сделан Бором. Имеются также опубликованные материалы и других авторов. Никто из них, однако, не вышел за рамки основной работы Бора, хотя они и расширили её в детальных приложениях к твёрдым телам. В настоящее время теория радиационного действия достаточно хорошо разработана для быстрых частиц. В области же теории медленных частиц необходима большая дальнейшая работа.

Если два ядра, лишённые электронных оболочек и обладающие энергиями в несколько миллионов вольт, приближаются друг к другу, то они оттолкнутся только сблизившись на расстояние, сравнимое с размерами ядер. Теория столкновения оперирует с параметром удара — расстоянием наибольшего сближения при лобовом ударе; эта величина порядка 10-13 см. То, что атомы или ионы в действительности окружены электронными оболочками, почти несущественно. Время столкновения, как это можно определить, столь мало, что ядра сближаются и удаляются друг от друга за промежуток времени, короткий в сравнении с периодами вращения электронов по их орбитам, так что перестройка электронов не успевает осуществиться, и их экранирующее действие остаётся неизменённым. Поэтому такие столкновения будут подобны классическим столкновениям альфа-частиц и ядер в опытах Резерфорда по рассеянию. Теория этого опыта, являющаяся хорошо известной теорией столкновений, прямо приложима к описанному ранее случаю. Эта теория столкновений имеет действительно твёрдое обоснование. Поперечное сечение отдачи в этом диапазоне энергий представляет собой круг с радиусом порядка параметра удара, что объясняет очень малое поперечное сечение упругого рассеяния для быстрых частиц.

В том же самом диапазоне энергий очень быстрых частиц очевидно, что, ввиду малости поперечного сечения упругого рассеяния, в большинстве   соударений  сталкивающиеся ядра  не подойдут достаточно близко для того, чтобы произошло упругое рассеяние, но пройдут вместо этого через электронные облака. Здесь опять столкновение произойдёт настолько быстро, что электроны не смогут перестроиться за время столкновения. Результатом такого столкновения окажется ионизация. Этот вопрос рассматривается с помощью разложения в ряд Фурье электрического поля падающей частицы, быстро меняющегося при прохождении последней через атом, подобно тому, что имело бы место при суперпозиции монохроматических световых волн, и затем рассматривается действие этих волн раздельно, как это делается при исследовании фотоэлектрического эффекта. Этот вопрос, хотя и более сложен, чем рассеяние альфа-частиц, но вполне разрешим и соответствующие решения точны. В этом диапазоне энергий мы впервые встречаем случай, когда в зависимости от агрегатного состояния мишени возможно различное действие частиц. Как мы уже упоминали, электроны, выбитые из атома, ведут себя подобно фотоэлектронам и переходят на ионизованные или возбуждённые энергетические уровни. В твёрдом теле имеется зонная структура уровней и поэтому расположение возбуждённых энергетических уровней резко отличается от расположения уровней в газе. Вероятности ионизации в твёрдом теле и газе поэтому должны быть совершенно различными. Однако исследование показывает, что при средних энергиях порядка десяти или двадцати электрон-вольт, получаемых ионизованным или возбуждённым электроном, различие между распределениями энергетических уровней в твёрдом теле и газе невелико и, следовательно, в обоих случаях результаты должны быть сходны.

Таким образом, можно ожидать, что теория будет применима для энергий порядка нескольких миллионов вольт. Эти предположения подтверждаются хорошим согласием теории с опытными данными, полученными в камере Вильсона при определении длины пробега и ионизации на единицу пути для осколков деления ядер и других частиц с высокой энергией. Следует провести большее количество таких экспериментов. Следует провести также опыты с твёрдыми телами, например со стопками тонких фольг. Эти опыты позволят сравнивать значения теоретически предсказываемого пробега быстрых частиц в твёрдых телах с экспериментальными данными. Здесь мы должны ожидать скорее подтверждения теории, чем каких-либо неожиданных новшеств.

Иначе обстоит дело для более медленных частиц. К сожалению, как мы уже видели, как раз в этом диапазоне энергий происходят максимальные радиационные нарушения, так как большая часть энергии первичных частиц переходит к атомам отдачи. Совершенно ясна причина, по которой теория столкновений быстрых частиц должна давать плохие результаты в области медленных частиц. Если поперечное сечение упругого рассеяния становится больше, а поперечное сечение ионизации уменьшается, то это соответствует столкновениям, при которых ядра не сближаются на столь малые расстояния, как в случае столкновения частиц с высокой энергией. Здесь ядро одного атома уже не проникнет во внутренние электронные оболочки другого. В этом случае нельзя рассматривать межатомное отталкивание одних только ядер без учёта электронного экранирования. Бор сделал первую попытку рассмотреть это экранирование, но на основе довольно грубой атомной модели. Зейтц применил несколько более тонкий метод. Можно видеть, что при таких столкновениях, происходящих в течение более длительного промежутка времени, чем столкновения очень быстрых частиц, внутренние электроны могут сделать много оборотов за время столкновения и поэтому способны изменить своё движение, что приводит, в свою очередь, к изменению экранирования и межатомного отталкивания. При достаточно медленных столкновениях расстояния наибольшего приближения сталкивающихся атомов сравнимы с межатомными расстояниями в твёрдых телах, находящихся под давлением. Время таких столкновений сравнимо с периодами вращения наружных электронов. При этих условиях электронная система атома может перестроиться так, что она будет сходна с электронными системами атомов твёрдого тела, находящегося под давлением, или атомов, приближающихся друг к другу во время молекулярных колебаний. Из теории межатомных взаимодействий мы знаем природу сил отталкивания, возникающих при приближении атомов друг к другу. Несмотря на возможность рассмотрения столкновений с такой точки зрения, здесь не было сделано сколько-нибудь полной работы. Состояние теории медленных частиц таково, что в этой области необходимо проделать ещё большую работу и проверить её экспериментально. Можно ожидать, что действие частиц с малой энергией в твёрдых телах и в газах будет совершенно различным. В твёрдом теле атом, обладающий достаточно малой энергией, при столкновении с соседним атомом не переводит его в атом отдачи, как это происходит в газе, поскольку соударяющийся атом отбрасывается назад своими соседями, которые и поглощают энергию отдачи подобно амортизатору. Здесь мы встречаемся с проблемой столкновений в твёрдых телах, которую разберём ниже. Желательно экспериментально изучить такие столкновения в газе, где относительно легко проверить теорию, которая обещает быть довольно сложной. Эксперименты принципиально нетрудны. Необходимо только ускорять тяжёлые частицы до относительно низких энергий, порядка нескольких сотен тысяч вольт и даже меньше, что можно осуществить во многих типах ускорителей, а затем исследовать их упругое рассеяние в газе и производимую ими ионизацию. Результаты этой теории и экспериментов необходимы для заполнения серьёзных пробелов в теории. Эти пробелы делают сомнительными все современные оценки числа смещённых атомов при радиационных нарушениях.