Радиационные повреждения

Радиацио'нные поврежде'ния,то же, что .

Радиационные поправки

Радиацио'нные попра'вки,в квантовой электродинамике поправки к значениям некоторых физических величин и сечениям различных процессов (вычисленным по формулам релятивистской квантовой механики), обусловленные взаимодействием заряженной частицы с собственным электромагнитным полем. Возникновение Р. п. можно рассматривать как результат испускания и поглощения частицами виртуальных фотонов и электрон-позитронных пар. Р. п. рассчитывают по методу теории возмущений, представляя их в виде ряда по степеням постоянной тонкой структуры a = e ² l c» ¹/ ₁₃₇(где е -элементарный электрический заряд,  - постоянная Планка, с -скорость света в вакууме); поправки 1-го порядка пропорциональны a, 2-го - a ²и т.д. При вычислении Р. п. исходят из того, что Р. п. к массе и заряду частицы сами по себе не имеют физического смысла; физический смысл имеет суммарная величина массы или заряда после включения Р. п., и для этих величин в расчётах используют их экспериментальные значения (т. н. перенормировка массы и заряда).

  Наибольший интерес представляют Р. п. к магнитному моменту электрона и мюона, радиационное смещение атомных уровней энергии ( ), Р. п. к сечениям рассеяния электрона электроном или атомным ядром и др. (см. ). Результаты расчётов Р. п. вплоть до величин 3-го порядка блестяще согласуются с экспериментальными данными и свидетельствуют о справедливости квантовой электродинамики по крайней мере на расстояниях, больших 5Ч10 ^{- 15} см.Р. п. растут с ростом энергии, и эффективным параметром разложения при высоких энергиях является aln ( E/ m), а в некоторых случаях aln ( E/ m) ln ( E/D E) ,где Е -энергия частицы в системе центра инерции, m -её масса, D Е- экспериментальное разрешение прибора.

  Р. п. могут быть в ряде случаев подсчитаны не только для электродинамических процессов, но и для процессов, вызванных др. взаимодействиями. Однако для процессов, обусловленных , вычисление Р. п. обычно нельзя строго провести из-за отсутствия законченной теории сильных взаимодействий.

  При вычислении Р. п. к электродинамическим величинам с точностью выше 3-го порядка существенный вклад получается от виртуального рождения сильно взаимодействующих частиц ( ) и от учёта эффектов . Отсутствие последовательной теории слабого взаимодействия и недостаток экспериментальных данных по процессам рождения адронов за счёт электромагнитного взаимодействия препятствуют вычислению этих эффектов.

  Лит.:Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б., Квантовая электродинамика, 3 изд., М., 1969, гл. 5.

  Б. Л. Иоффе.

Радиационные пояса Земли

Радиацио'нные пояса' Земли',внутренние области земной магнитосферы, в которых магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы ( , , ), обладающие кинетической энергией от десятков кэвдо сотен Мэв(в разных областях Р. п. З. энергия частиц различна, см. ст. , раздел Строение Земли). Выходу заряженных частиц из Р. п. З. мешает особая конфигурация силовых линий геомагнитного поля, создающего для заряженных частиц .Захваченные в магнитную ловушку Земли частицы под действием совершают сложное движение, которое можно представить как колебательное движение по спиральной траектории вдоль силовой линии магнитного поля из Северного полушария в Южное и обратно с одновременным более медленным перемещением (долготным дрейфом) вокруг Земли ( рис. 1 ). Когда частица движется по спирали в сторону увеличения магнитного поля (приближаясь к Земле), радиус спирали и её шаг уменьшаются. Вектор скорости частицы, оставаясь неизменным по величине, приближается к плоскости, перпендикулярной направлению поля. Наконец, в некоторой точке (её называют зеркальной) происходит «отражение» частицы. Она начинает двигаться в обратном направлении - к сопряжённой зеркальной точке в др. полушарии. Одно колебание вдоль силовой линии из Северного полушария в Южное протон с энергией ~ 100 Мэвсовершает за время ~ 0,3 сек.Время нахождения («жизни») такого протона в геомагнитной ловушке может достигать 100 лет (~ 3Ч10 ⁹ сек) ,за это время он может совершить до 10 ¹⁰колебаний. В среднем захваченные частицы большой энергии совершают до нескольких сотен миллионов колебаний из одного полушария в другое. Долготный дрейф происходит со значительно меньшей скоростью. В зависимости от энергии частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток. Положительные ионы дрейфуют в западном направлении, электроны - в восточном. Движение частицы по спирали вокруг силовой линии магнитного поля можно представить как состоящее из вращения около т. н. мгновенного центра вращения и поступательного перемещения этого центра вдоль силовой линии.

  Структура радиационных поясов.При движении заряженной частицы в магнитном поле Земли её мгновенный центр вращения находится на одной и той же поверхности, получившей название магнитной оболочки ( рис. 2 ). Магнитную оболочку характеризуют параметром L, его численное значение в случае дипольного поля (см. ) равно расстоянию, выраженному в радиусах Земли, на которое отходит магнитная оболочка (в экваториальной плоскости диполя) от центра диполя. Для реального магнитного поля Земли (см. ) параметр Lприближённо сохраняет такой же простой смысл. Энергия частиц связана со значением параметра L; на оболочках с меньшими значениями Lнаходятся частицы, обладающие большими энергиями. Это объясняется тем, что частицы высоких энергий могут быть удержаны лишь сильным магнитным полем, т. е. во внутренних областях магнитосферы. Обычно выделяют внутренний и внешний Р. п. 3., пояс протонов малых энергий (пояс кольцевого тока) и зону квазизахвата частиц ( рис. 3 ), или авроральной радиации (по лат. названию полярных сияний). Внутренний радиационный пояс характеризуется наличием протонов высоких энергий (от 20 до 800 Мэв) с максимумом плотности потока протонов с энергией E _p> 20 Мэв до 10 ⁴протон/( см ²Ч секЧ стер) на расстоянии L~ 1,5. Во внутреннем поясе присутствуют также электроны с энергиями от 20-40 кэвдо 1 Мэв; плотность потока электронов с E _e³ 40 кэвсоставляет в максимуме ~ 10 ⁶-10 ⁷электрон/( см ²Ч секЧстер) .

 Внутренний пояс расположен вокруг Земли в экваториальных широтах ( рис. 4 ).

  С внешней стороны этот пояс ограничен магнитной оболочкой с L~ 2, которая пересекается с поверхностью Земли на геомагнитных широтах ~ 45°. Ближе всего к поверхности Земли (на высоты до 200-300 км) внутренний пояс подходит вблизи Бразильской магнитной аномалии, где магнитное поле сильно ослаблено; над географическим экватором нижняя граница внутреннего пояса отстоит от Земли на 600 кмнад Америкой и до 1600 кмнад Австралией. На нижней границе внутреннего пояса частицы, испытывая частые столкновения с атомами и молекулами атмосферных газов, теряют свою энергию, рассеиваются и «поглощаются» атмосферой.

  Внешний Р. п. З. заключён между магнитными оболочками c L~ 3 и L~ 6 с максимальной плотностью потока частиц на L~ 4,5. Для внешнего пояса характерны электроны с энергиями 40-100 кэв,поток которых в максимуме достигает 10 ⁶-10 ⁷электрон/( см ²Ч секЧстер). Среднее время «жизни» частиц внешнего Р. п. З. составляет 10 ⁵-10 ⁷ сек.В периоды повышенной солнечной активности во внешнем поясе присутствуют также электроны больших энергий (до 1 Мэви выше).

  Пояс протонов малых энергий ( E _p~ 0,03-10 Мэв) простирается от L~ 1,5 до L~ 7-8. Зона квазизахвата, или авроральной радиации, расположена за внешним поясом, она имеет сложную пространственную структуру, обусловленную деформацией магнитосферы (потоком заряженных частиц от Солнца). Основной составляющей частиц зоны квазизахвата являются электроны и протоны с энергиями E< 100 кэв.Внешний пояс и пояс протонов малых энергий ближе всего (до высоты 200-300 км) подходит к Земле на широтах 50-60°. На широты выше 60° проецируется зона квазизахвата, совпадающая с областью максимальной частоты появления .В некоторые периоды отмечается существование узких поясов электронов высоких энергий ( E _e~ 5 Мэв) на магнитных оболочках с L~ 2,5-3,0.

  Энергетические спектры для всех частиц Р. п. З. описываются функциями вида: N( E) ~ E ^g, где N( E) - число частиц с данной энергией E, или N( E) ~  с характерными значениями g » 1,8 для протонов в интервале энергий от 40 до 800 Мэв, E ₀~ 200-500 кэвдля электронов внешних и внутренних поясов и E ₀~ 100 кэвдля протонов малых энергий.

  История открытия радиационных поясов.Исторически первыми были открыты внутренний пояс (группой американских учёных под руководством Дж. Ван Аллена, 1958) и внешний пояс (сов. учёными во главе с С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым, 1958). Потоки частиц Р. п. З. были зарегистрированы приборами ( ), установленными на искусственных спутниках Земли. По существу, Р. п. З. не имеют четко выраженных границ, т.к. каждый тип частиц в соответствии со своей энергией образует «свой» радиационный пояс, поэтому правильнее говорить об одном едином радиационном поясе Земли. Разделение Р. п. З. на внешний и внутренний, принятое на первой стадии исследований и сохранившееся до настоящего времени из-за ряда различий в их свойствах, по существу, условно.

  Принципиальная возможность существования магнитной ловушки в магнитном поле Земли была показана расчётами К. (1913) и Х. (1950), но лишь эксперименты на спутниках показали, что ловушка реально существует и заполнена частицами высоких энергий.

  Пополнение радиационных поясов Земли частицами и механизм потери частиц.Происхождение захваченных частиц с энергией, значительно превышающей среднюю энергию теплового движения атомов и молекул атмосферы, связывают с действием нескольких физических механизмов: распадом , созданных в атмосфере Земли (образующиеся при этом протоны пополняют внутренние Р. п. З.); «накачкой» частиц в пояса во время геомагнитных возмущений ( ), которая в первую очередь обусловливает существование электронов внутреннего пояса; ускорением и медленным переносом частиц солнечного происхождения из внешнего во внутренние области магнитосферы (так пополняются электроны внешнего пояса и пояс протонов малых энергий). Проникновение частиц солнечного ветра в Р. п. З. возможно через особые точки магнитосферы (т. н. дневные полярные каспы, см. рис. 5 ), а также через т. н. нейтральный слой в хвосте магнитосферы (с её ночной стороны). В области дневных каспов и в нейтральном слое хвоста геомагнитное поле резко ослаблено и не является существенным препятствием для заряженных частиц межпланетной плазмы. Частично Р. п. З. пополняются также за счёт захвата протонов и электронов солнечных космических лучей, проникающих во внутренние области магнитосферы. Перечисленных источников частиц, по-видимому, достаточно для создания Р. п. З. с характерным распределением потоков частиц. В Р. п. З. существует динамическое равновесие между процессами пополнения поясов и процессами потерь частиц. В основном частицы покидают Р. п. З. из-за потери своей энергии на (эта причина ограничивает, например, пребывание протонов внутреннего пояса в магнитной ловушке временем t ~ 10 ⁹ сек), из-за рассеяния частиц при взаимных столкновениях и рассеяния на магнитных неоднородностях и плазменных волнах различного происхождения (см. ). Рассеяние может сократить время «жизни» электронов внешнего пояса до 10 ⁴-10 ⁵ сек.Эти эффекты приводят к нарушению условий стационарного движения частиц в геомагнитном поле (т. н. адиабатических инвариантов) и к «высыпанию» частиц из Р. п. З. в атмосферу вдоль силовых линий магнитного поля.

  Связь процессов в радиационных поясах Земли с другими процессами в околоземном пространстве.Радиационные пояса испытывают различные временные вариации: расположенный ближе к Земле и более стабильный внутренний пояс - незначительные, внешний пояс - наиболее частые и сильные. Для внутреннего Р. п. З. характерны небольшие вариации в течение 11-летнего цикла солнечной активности. Внешний пояс заметно меняет свои границы и структуру даже при незначительных возмущениях магнитосферы. Пояс протонов малых энергий занимает в этом смысле промежуточное положение. Особенно сильные вариации Р. п. З. претерпевают во время .Сначала во внешнем поясе резко возрастает плотность потока частиц малых энергий и в то же время теряется заметная доля частиц больших энергий. Затем происходит захват и ускорение новых частиц, в результате которых в поясах появляются потоки частиц на расстояниях обычно более близких к Земле, чем в спокойных условиях. После фазы сжатия происходит медленное, постепенное возвращение Р. п. З. к исходному состоянию. В периоды высокой солнечной активности магнитные бури происходят очень часто, так что эффекты от отдельных бурь накладываются друг на друга, и максимум внешнего пояса в эти периоды располагается ближе к Земле ( L~ 3,5), чем в периоды минимума солнечной активности ( L~ 4,5-5,0).

  Высыпание частиц из магнитной ловушки, в особенности из зоны квазизахвата (авроральной радиации), приводит к усилению ионизации ионосферы, а интенсивное высыпание - к полярным сияниям. Запас частиц в Р. п. З., однако, недостаточен для поддержания продолжительного полярного сияния, и связь полярных сияний с вариациями потоков частиц в Р. п. З. говорит лишь об их общей природе, т. е. о том, что во время магнитных бурь происходит как накачка частиц в Р. п. З., так и сброс их в атмосферу Земли. Полярные сияния длятся всё время, пока идут эти процессы, - иногда сутки и более. Р. п. З. могут быть созданы также искусственным образом: при взрыве ядерного устройства на больших высотах; при инжекции искусственно ускоренных частиц, например с помощью ускорителя на борту спутника; при распылении в околоземном пространстве радиоактивных веществ, продукты распада которых будут захвачены магнитным полем. Создание искусственных поясов при взрыве ядерных устройств было осуществлено в 1958 и в 1962 годах. Так, после американского ядерного взрыва (9 июля 1962) во внутренний пояс было инжектировано около 10 ²⁵электронов с энергией ~ 1 Мэв,что на два-три порядка превысило интенсивность потока электронов естественного происхождения. Остатки этих электронов наблюдались в поясах в течение почти 10-летнего периода.

  Р. п. З. представляют собой серьёзную опасность при длительных полётах в околоземном пространстве. Потоки протонов малых энергий могут вывести из строя и вызвать помутнение тонких оптических покрытий. Длительное пребывание во внутреннем поясе может привести к живых организмов внутри космического корабля под воздействием протонов высоких энергий.

  Кроме Земли, радиационные пояса существуют у Юпитера и, возможно, у Сатурна и Меркурия. Радиационные пояса Юпитера, исследованные американским космическим аппаратом «Пионер-10», имеют значительно большую протяжённость и большие энергии частиц и плотности потоков частиц, чем Р. п. З. Радиационные пояса Сатурна обнаружены радиоастрономическими методами. Советские и американские космические аппараты показали, что Венера, Марс и Луна радиационных поясов не имеют. Магнитное поле Меркурия обнаружено американской космической станцией «Маринер-10» при пролёте вблизи планеты. Это делает возможным существование у Меркурия радиационного пояса.

  Лит.:Вернов С. Н., Вакулов П. В., Логачев Ю. И., Радиационные пояса Земли, в сборнике: Успехи СССР в исследовании космического пространства, М., 1968, с. 106; Космическая физика, пер. с англ., М., 1966; Тверской Б. А., Динамика радиационных поясов Земли, М., 1968; Редерер Х., Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем, пер. с англ., М., 1972; Хесс В., Радиационный пояс и магнитосфера, пер. с англ., М., 1972; Шабанский В. П., Явления в околоземном пространстве, М., 1972; Гальперин Ю. И., Горн Л. С., Хазанов Б. И., Измерение радиации в космосе, М., 1972.

  Ю. И. Логачев.

Рис. 5. Разрез магнитосферы Земли по полуденному меридиану для случая, когда ось земного магнитного диполя перпендикулярна направлению на Солнце. Стрелками указаны области, через которые частицы солнечного ветра проникают в магнитосферу.

Рис. 3. Структура радиационных поясов Земли (сечение соответствует полуденному меридиану): I - внутренний пояс: II - пояс протонов малых энергий; III - внешний пояс; IV - зона квазизахвата.

Рис. 1. Движение заряженных частиц, захваченных в геомагнитную ловушку. Частицы движутся по спирали вдоль силовой линии магнитного поля Земли и одновременно дрейфуют по долготе.

Рис. 2. Поверхность, описываемая частицей (электроном) радиационного пояса; основной характеристикой поверхности является параметр L; N и S - магнитные полюсы Земли.

Рис. 4. Распределение плотности потоков протонов различных энергий над геомагнитным экватором. Кривые соответствуют потокам протонов с энергией выше указанной: 1 - Е _p> 1 Мэв; 2 - Е _p> 1,6 Мэв; 3 - Е _p> 5 Мэв; 4 - Е _p> 9 Мэв; 5 - Е _p> 30 Мэв.

Радиационные эффекты в твёрдом теле

Радиацио'нные эффе'кты в твёрдом те'ле,различные явления в твёрдом теле, вызванные воздействием ионизирующих излучений (потоков ядерных частиц, рентгеновского и g-излучений). Взаимодействуя с кристаллической решёткой, частицы и кванты вызывают образование в ней и междоузельных атомов (см. ), ионизацию, иногда появление примесей за счёт деления атомных ядер, .Облучение вызывает изменение физических свойств кристаллов (механических, оптических, электрических и др., см. ). В ряде случаев облучение потоком ускоренных ионов применяется для изменения свойств поверхностных слоев твёрдых тел (см. ).

 Изменения свойств при облучении обусловлены радиационно-химическими превращениями (см. ).

Радиационный баланс

Радиацио'нный бала'нсатмосферы и подстилающей поверхности, сумма прихода и расхода лучистой энергии, поглощаемой и излучаемой атмосферой и .Для атмосферы Р. б. состоит из приходной части - поглощённой прямой и рассеянной солнечной радиации, а также поглощённого длинноволнового (инфракрасного) излучения земной поверхности, и расходной части - потери тепла за счёт длинноволнового излучения атмосферы в направлении к земной поверхности (т. н. ) и в мировое пространство.

  Приходную часть Р. б. подстилающей поверхности составляют: поглощённая подстилающей поверхностью прямая и рассеянная солнечная радиация, а также поглощённое противоизлучение атмосферы; расходная часть состоит из потери тепла подстилающей поверхностью за счёт собственного теплового излучения. Р. б. является составной частью атмосферы и подстилающей поверхности.

Радиационный захват

Радиацио'нный захва'тнейтронов, ядерная реакция ( n, g), в которой ядро-мишень захватывает нейтрон, а энергия возбуждения образующегося ядра излучается в виде g-кванта. Вероятность Р. з. зависит от свойств ядра-мишени и от энергии нейтрона E.Вероятность Р. з., как правило, уменьшается с ростом Е(исключения составляют т. н. резонансные реакции Р. з.). Для Р. з. пропорционально E ^-1/2.Исследование спектра g-лучей Р. з. позволяет определять характеристики образующихся ядер (уровни энергии, , ). Р. з. широко используется для получения радиоактивных изотопов. Этим объясняется его применение в смежных областях. Р. з. является основным процессом, обусловливающим поглощение нейтронов в процессе работы ; его используют для регулирования работы реактора.

  Лит.:Демидов А. М., Методы исследования излучения ядер при радиационном захвате тепловых нейтронов, М., 1963; Мотц Г., Бэкстрем Г., Спектроскопия g-излучения, сопровождающего захват нейтронов, в кн.: Альфа, бета- и гамма-спектроскопия, под ред. К. Зигбана, пер. с англ., в. 2, М., 1969.

  В. П. Парфенова.

Радиационный контур

Радиацио'нный ко'нтур,техническая система для циркуляционного переноса по замкнутому кольцу трубопроводов жидкого радиоактивного вещества из активной зоны к месту использования радиоактивного излучения. Применяют, например, Р. к. с индий-галлиевым сплавом (жидким уже при комнатной температуре). В реакторе под действием нейтронов стабильный изотоп ⁷¹Ga активируется, образуя g-радиоактивный изотоп ⁷²Ga (с периодом полураспада T _1/2= 14,2 ч), излучение которого используется для интенсификации некоторых технологических процессов, в частности процесса образования (см. ).

Радиационный пирометр

Радиацио'нный пиро'метр, , применяемый для измерения , т. е. прибор для бесконтактного определения температур тел по их суммарному тепловому излучению во всём диапазоне длин волн.

Радиация Солнца

Радиа'ция Со'лнца,см. .

Радий

Ра'дий(лат. Radium), Ra, радиоактивный химический элемент II группы периодической системы Менделеева, атомный номер 88. Известны изотопы Р. с массовыми числами 213, 215, 219-230. Самым долгоживущим является a-радиоактивный ²²⁶Ra с периодом полураспада около 1600 лет. В природе как члены естественных встречаются ²²²Ra (специальное название изотопа - актиний-икс, символ AcX), ²²⁴Ra (торий-икс, ThX), ²²⁶Ra и ²²⁸Ra (мезоторий-I, MsThI).

  Об открытии Р. сообщили в 1898 супруги П. и М. Кюри совместно с Ж. Бемоном вскоре после того, как А. впервые (в 1896) на солях урана обнаружил явление радиоактивности. В 1897 работавшая в Париже М. установила, что интенсивность излучения, испускаемого урановой смолкой (минерал ), значительно выше, чем можно было ожидать, учитывая содержание в смолке урана. Склодовская-Кюри предположила, что это вызвано присутствием в минерале ещё неизвестных сильно радиоактивных веществ. Тщательное химическое исследование урановой смолки позволило открыть два новых элемента - сначала , а чуть позже - и Р. В ходе выделения Р. за поведением нового элемента следили по его излучению, поэтому и назвали элемент от лат. radius - луч. Чтобы выделить чистое соединение Р., супруги Кюри в лабораторных условиях переработали около 1 тзаводских отходов, оставшихся после извлечения урана из урановой смолки. Было выполнено, в частности, не менее 10 000 перекристаллизаций из водных растворов смеси BaCl ₂и RaCl ₂(соединения служат т. н. изоморфными носителями при извлечении Р.). В итоге удалось получить 90 мгчистого RaCI _2.

  В СССР работы по выделению Р. из отечественного сырья были начаты вскоре после Октябрьской революции 1917 по прямому указанию В. И. Ленина. Первые препараты Р. были получены в СССР в 1921 В. Г. и И. Я. .Образцы солей Р. демонстрировались в мае 1922 участникам 3-го Менделеевского съезда.

  Р. - чрезвычайно редкий элемент. В , являющихся главным его источником, на 1 тU приходится не более 0,34 гRa. Р. принадлежит к сильно рассеянным элементам и в очень малых концентрациях обнаружен в самых различных объектах.

  Все соединения Р. на воздухе обладают бледно-голубоватым свечением. За счёт самопоглощения a- и b-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде ²²⁶Ra и его дочерних продуктов, каждый грамм ²²⁶Ra выделяет около 550 дж(130 кал) теплоты в час, поэтому температура препаратов Р. всегда немного выше окружающей.

  Р. - серебристо-белый блестящий металл, быстро тускнеющий на воздухе. Решётка кубическая объёмноцентрированная, расчётная плотность 5,5 г/см ³ .По разным источникам, t _пл.составляет 700-960 °С, t _kипоколо 1140 °С. На внешней электронной оболочке атома Р. находятся 2 электрона (конфигурация 7 s ²). В соответствии с этим Р. имеет только одну степень окисления +2 (валентность II). По химическим свойствам Р. больше всего похож на барий, но более активен. При комнатной температуре Р. соединяется с кислородом, давая окисел RaO, и с азотом, давая нитрид Ra ₃N ₂. С водой Р. бурно реагирует, выделяя H ₂, причём образуется сильное основание Ra (OH) ₂. Хорошо растворимы в воде хлорид, бромид, иодид, нитрат и сульфид Р., плохо растворимы карбонат, сульфат, хромат, оксалат.