Физические основы получения атомной энергии

II. РАДИОАКТИВНОСТЬ

В 1896 г. французский ученый А. Беккерель обнаружил, что соли урана испускают невидимые лучи, которые сильно ионизируют воздух, действуют на фотопластинку, проникают через бумагу, картон и даже металл и вызывают некоторые другие явления.

В 1898 г. французские ученые Пьер Кюри и Мария Кюри-Склодовская открыли два новых химических элемента, у которых излучение, аналогичное излучению урана, было значительно более сильным. За это одному из вновь открытых элементов было дано наименование «радий», что означает «лучистый»; другой элемент был назван «полонием» в честь Польши — родины Марии Кюри-Склодовской.

Свойство некоторых веществ самопроизвольно испускать подобно радию невидимые лучи получило название радиоактивности. В последующем было обнаружено, что радиоактивностью, помимо урана, радия и полония, обладают также торий, актиний, радон и ряд других элементов, расположенных преимущественно в конце периодической системы Менделеева.

Химические элементы, обладающие радиоактивностью, называются радиоактивными элементами. В природе встречается около полутора десятков естественно радиоактивных элементов.

Радиоактивность, свойственная веществам, встречающимся в природе, называется естественной. Исследование естественной радиоактивности было делом всей жизни Пьера Кюри и Марии Кюри-Склодовской.

В 1934 г. была открыта искусственная радиоактивность, то есть радиоактивность, вызываемая по желанию человека у таких элементов, которые в природных условиях не обладают радиоактивностью. Открытие и исследование искусственной радиоактивности принадлежит французским ученым — выдающемуся борцу за мир коммунисту Фредерику Жолио-Кюри и его жене Ирен Жолио-Кюри. Это открытие — одно из крупнейших событий в истории естествознания; оно привело к разработке методов использования ядерной энергии и оказало чрезвычайно большое влияние на развитие всей науки и техники.

Что же представляют собой лучи радиоактивных веществ? Чтобы ответить на этот вопрос, ученые исследовали поведение этих лучей в магнитном поле между полюсами сильного магнита. Оказалось, что узкий пучок радиоактивных лучей разделяется в магнитном поле на три пучка (рис. 4). Лучи, отклонявшиеся в ту же сторону, в которую отклоняются движущиеся в магнитном поле положительно заряженные частицы, назвали альфа-лучами (α). Лучи, отклонявшиеся в противоположную сторону, назвали бета-лучами (β). Наконец, лучи, которые не испытывали отклонения в магнитном поле и распространялись прямолинейно, назвали гамма-лучами (γ).

Было установлено, что альфа-лучи — это поток быстро движущихся положительно заряженных частиц (альфа-частиц), оказавшихся при дальнейшем исследовании ядрами атомов гелия. Альфа-частицы вылетают из радиоактивных, преимущественно тяжелых, элементов во всех направлениях с большими скоростями, достигающими 20–25 тыс. км/сек. Двигаясь с такой скоростью, можно было бы совершить кругосветное путешествие вокруг Земли всего за 2 секунды. Кинетическая энергия, которой обладают альфа-частицы при этом, может достигать 10 и более миллионов электронвольт. Если бы можно было собрать один грамм таких частиц и все их одновременно направить на какую-либо мишень, то она получила бы удар, равный удару по крайней мере 100 000 артиллерийских снарядов шестидюймового калибра.

Важнейшим свойством альфа-частиц является их большая ионизирующая способность, обусловленная главным образом наличием у них двойного положительного заряда. Двигаясь в веществе, альфа-частица срывает у атомов, мимо которых пролетает, один или несколько электронов и образует ионы. В воздухе, например, на каждом сантиметре своего пробега альфа-частица ионизирует до 30 000 атомов и образует, следовательно, такое же количество пар ионов.

Растрачивая энергию на ионизацию атомов, альфа-частицы пробегают сравнительно небольшой путь, после чего, присоединяя к себе по два электрона, они превращаются в обычные атомы гелия. Пробег альфа-частиц в воздухе имеет величину 1–16 см.

Пробег альфа-частицы зависит от ее скорости (энергии). Чем больше скорость, тем больше энергия частицы и тем, следовательно, длиннее будет пробег. В подтверждение сказанного ниже приводятся величины пробега альфа-частиц в воздухе при температуре 15° Ц и нормальном давлении для разных скоростей (соответственно разных энергий).

Все альфа-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, обладают приблизительно одинаковой энергией и вследствие этого имеют практически равную длину пробега.

Пробег альфа-частиц зависит также и от плотности среды, в которой они движутся. В твердых веществах, например, в металлах, бумаге, ткани, стекле и т. п., в которых атомы расположены значительно ближе друг к другу, чем в воздухе, пробег альфа-частиц во много раз короче и составляет несколько тысячных долей сантиметра. Поэтому для полного поглощения всех альфа-частиц с энергией не более 5 Мэв требуется листовой алюминий толщиной всего 0,002 см. Ткань нашей одежды полностью поглощает альфа-частицы любых скоростей.

Вторая часть радиоактивного излучения — бета-лучи — представляет собой поток сверхбыстрых электронов, вылетающих из ядер радиоактивных веществ со скоростями, близкими к скорости света, которая для пустоты равна 300 000 км/сек. Бета-лучи — наиболее распространенное излучение при искусственной радиоактивности.

Ионизирующее действие бета-частиц слабее, чем у альфа-частиц, примерно в 100 раз. Поэтому пробег у них значительно длиннее, как это видно из нижеследующей таблицы, в которой приведен пробег бета-частиц в воздухе при 15° Ц и нормальном давлении, в воде и свинце для разных скоростей соответственно разным энергиям.

Как видим, наиболее быстрые бета-частицы пробегают в воздухе до 2000 см, то есть до 20 м, в воде — до 2,6 см, в свинце — до 0,3 см. Таким образом, проникающая способность у бета-лучей гораздо больше, чем у альфа-лучей.

Бета-частицы, испускаемые каким-либо радиоактивным веществом, обладают в отличие от альфа-частиц различными скоростями, то есть различной энергией — от нуля и до некоторого максимального значения, вполне определенного для каждого вещества. Например, у радиоактивного кобальта 60 (то есть кобальта с атомным весом 60) максимальная энергия бета-частиц составляет около 0,3 Мэв, у стронция 89 равна 1,5 Мэв. Вследствие этого бета-частицы любого вещества имеют различные пробеги. Поэтому ослабление пучка бета-частиц при прохождении через вещество происходит постепенно, как это показывает кривая поглощения рис. 5. Толщина слоя вещества, в котором пучок бета-частиц полностью поглощается, как раз равна их максимальному пробегу.

Третья часть радиоактивного излучения — гамма-лучи — представляет собой электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света. По своей природе оно подобно радиоволнам, но имеет очень малую длину волны, измеряемую ничтожными долями миллиметра; гамма-лучи близки по своим свойствам к рентгеновским лучам. Распространение гамма-лучей сопровождается ионизацией частиц среды, правда, в тысячи раз более слабой, чем при прохождении альфа-частиц. Поэтому гамма-лучи обладают наибольшей из всех видов радиоактивного излучения проникающей способностью.

Относительная проникающая способность альфа-, бета- и гамма-лучей показана на рис. 6. Радиоактивный источник, находящийся в свинцовой коробочке, испускает все три сорта радиоактивного излучения. Альфа-лучи поглощаются тонким алюминиевым листком, а бета- и гамма-лучи проходят через него без заметного ослабления. Во втором листке алюминия толщиной 3 мм бета-лучи поглощаются полностью, а гамма-лучи проходят, лишь несколько ослабляясь. Наконец, слой алюминия толщиной 120 см значительно ослабляет гамма-лучи, хотя целиком их и не поглощает.

Ослабление параллельного пучка гамма-лучей при прохождении через вещество происходит постепенно по так называемому экспоненциальному закону, как это показывает кривая (экспонента) на рис. 7. По вертикальной оси здесь отложена интенсивность гамма-лучей, то есть количество лучистой энергии, проходящей в секунду через квадратный сантиметр площадки, перпендикулярной к лучам; по горизонтальной оси отложена толщина слоя вещества. Интенсивность гамма-лучей, попадающих на поверхность вещества, принята за единицу. Из рисунка видно, что полностью поглотить гамма-лучи может, строго говоря, лишь слой бесконечно большой толщины. Слой вещества, при прохождении которого интенсивность гамма-лучей уменьшается в 2 раза, называется слоем половинного ослабления. Этим слоем, обозначенным на рис. 7 через x_½, характеризуют обычно поглощающие свойства вещества по отношению к гамма-лучам.

Различные материалы поглощают гамма-лучи по-разному. На рис. 8 приведено ослабление гамма-лучей средней энергии в некоторых материалах. Для ослабления таких лучей в 10 раз необходим слой свинца толщиной 5 см, либо слой бетона в 20–30 см, либо слой земли в 50–60 см. В воздухе подобное ослабление гамма-лучи испытывают, пройдя несколько сот метров.

Гамма-лучи распространяются из радиоактивного вещества во всех направлениях, вследствие чего их интенсивность сильно уменьшается с расстоянием; при увеличении расстояния в 2 раза интенсивность уменьшится в 4 раза, при увеличении расстояния в 5 раз — в 25 раз.

Чем объясняется радиоактивность? Каково происхождение радиоактивных лучей?

В результате многолетних исследований было установлено, что радиоактивность — ядерный процесс, что испускание радиоактивных лучей является следствием сложных превращений, испытываемых ядрами атомов радиоактивных веществ. Оказалось, что ядра урана, радия, полония и других радиоактивных элементов недостаточно прочны и поэтому сами без всякого внешнего воздействия последовательно превращаются в более простые и устойчивые ядра атомов других элементов. Подобные самопроизвольные превращения ядер атомов одних элементов в ядра атомов других элементов называются радиоактивным распадом. В куске урана, например, сложные и недостаточно устойчивые ядра его атомов постепенно (то одно, то другое) самопроизвольно превращаются в несколько более прочные ядра тория, выбрасывая при этом альфа-частицу.

Подобным же образом ядра радия, испуская альфа-частицу, самопроизвольно превращаются в ядра атомов тяжелого инертного газа — радона.

Радиоактивный распад с испусканием альфа-частиц называют альфа-распадом, а сами вещества, распадающиеся таким путем, — альфа-активными. Уран, радий, полоний и другие преимущественно тяжелые элементы являются альфа-активными веществами.

Распад многих других радиоактивных веществ сопровождается испусканием бета-частиц и называется бета-распадом. Так, например, ядро актиния самопроизвольно превращается в ядро тория, выбрасывая бета-частицу. Вещества, распадающиеся с испусканием бета-частицы, называются бета-активными.

Искусственные радиоактивные вещества обладают обычно бета-активностью, но среди них встречаются такие вещества, ядра которых при своем распаде испускают «антиэлектроны», то есть положительно заряженные электроны, называемые позитронами. Соответственно этому различают электронный бета-распад, свойственный многим бета-активным атомам, и позитронный бета-распад, встречающийся у искусственно-радиоактивных атомов.

Существуют и такие Вещества, которые обладают одновременно и альфа- и бета-активностью.

Что касается гамма-лучей, то испускание их представляет собой процесс, обычно сопровождающий альфа- и бета-распад атомных ядер.

Атомные ядра, получающиеся при распаде большинства радиоактивных веществ, оказываются в свою очередь радиоактивными и распадаются дальше. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не образуется, наконец, устойчивое ядро нерадиоактивного элемента. Цепочки радиоактивных превращений оказались весьма длинными и сложными, но все же удалось в них разобраться. Установлено, что почти все естественные радиоактивные элементы образуют всего четыре радиоактивных ряда или семейства. У каждого семейства имеется свой родоначальник; остальные же элементы — продукты его последовательного радиоактивного распада, связанные между собой по происхождению. Эти семейства следующие:

1. Семейство урана — радия, родоначальником которого является уран с атомным весом 238 (уран 238), одним из главных представителей — радий и конечным продуктом — нерадиоактивный свинец с атомным весом 206 (свинец 206).

2. Семейство тория; его родоначальник — торий 232, конечный стабильный продукт — свинец 208.

3. Семейство урана — актиния; его родоначальник — одна из разновидностей урана (уран 235), один из представителей — актиний и конечный стабильный продукт — свинец 207.

4. Семейство нептуния, открытое в 1947 г.; его родоначальник — плутоний 241, конечный стабильный продукт — висмут 209.

Семейство урана — радия схематически дано на рис. 9, где по горизонтальной оси отложен порядковый номер элемента в системе Менделеева (атомный номер), а по вертикальной оси — атомный вес.

Цепочка радиоактивных превращений начинается здесь с урана 238 (₉₂U²³⁸) и тянется в направлении, обозначенном стрелками, к свинцу 206.

Альфа-распад ведет на этой диаграмме к смещению влево вниз, а бета-распад к смещению по горизонтали вправо.

Ряд имеет разветвления, обусловленные тем, что одно и то же вещество может обладать и альфа- и бета-активностью. Например, атомы RaC (разновидности висмута) способны превращаться либо в RaC' (разновидность полония) путем бета-распада, либо в RaC'' (разновидность таллия) путем альфа-распада. Затем RaC' претерпевает альфа-распад, a RaC'' — бета-распад. В итоге оба эти распада ведут к возникновению одного и того же вещества RaD, являющегося разновидностью свинца.

Прежде всего следует указать, что атомы радиоактивных элементов распадаются не одновременно все сразу, а как бы по очереди: один, потом другой, третий и т. д. Но рано или поздно все радиоактивные атомы распадаются, превращаясь в более устойчивые атомы.

Процесс этот происходит с определенной для каждого вещества скоростью, которую невозможно ни увеличить, ни уменьшить. У каждого радиоактивного вещества распадается в единицу времени вполне определенная часть (доля) общего числа его атомов.

Число атомов, распадающихся в единицу времени, зависит, разумеется, от начального количества атомов, то есть от начальной массы радиоактивного вещества. Чем меньше взято вещества, тем меньше в нем атомов и тем меньше будет число распадающихся атомов. Так, например, в грамме радия распадается в течение секунды 37∙10⁹ (37 млрд.) атомов. Если же взять ½ г, то число распадающихся за то же время атомов уменьшится вдвое. Но доля распадающихся атомов не изменится и будет для данного радиоактивного вещества постоянной величиной, за что ее и называют постоянной распада.

Постоянную распада λ для радия мы найдем, если 37∙10⁹ разделим на число атомов, содержащихся в грамме радия, приблизительно равное 27∙10²⁰:

Эта малая дробь показывает, что в секунду из каждых 10 триллионов атомов радия распадается всего 137 атомов.

Постоянная распада зависит от устойчивости атомных ядер и у различных радиоактивных веществ имеет свои разные значения. Чем больше постоянная распада, тем быстрее уменьшается первоначальное количество атомов. Время, в течение которого распадается половина атомов данного радиоактивного вещества, обозначается Т и называется периодом полураспада. Этой величиной и характеризуется на практике скорость радиоактивного распада.

Радиоактивные вещества обладают различными периодами полураспада: от малых долей секунды до многих миллиардов лет.

Период полураспада урана 238 составляет 4,5 млрд. лет, радия — около 1590 лет, кобальта 60 — 5,2 года, радона — менее четырех дней. Если взять, например, 1 г радия, то через 1590 лет его останется полграмма, а вторые полграмма распадутся, превращаясь в конечном счете в ядра атомов свинца 206. Еще через 1590 лет радия останется четверть грамма и т. д.

Поскольку количество радиоактивного вещества за один период полураспада уменьшается до половины, постольку очевидно, что по истечении, например, пяти периодов количество вещества уменьшится до 1/2⁵=0,03, что составит 3% начального количества.

Количество атомов, распадающихся за одну секунду, называется активностью радиоактивного вещества. Чем больше имеется атомов радиоактивного вещества, то есть чем больше количество этого вещества, тем больше активность. Если имеется N₀ радиоактивных атомов и известна постоянная распада λ, то активность а определится произведением

Вследствие распада число нераспавшихся атомов радиоактивного вещества непрерывно уменьшается. Соответственно этому происходит уменьшение активности вещества. Распад атомов с испусканием альфа- и бета-частиц сопровождается в большинстве случаев гамма-излучением.

Один грамм радия испускает в секунду 37 млрд. альфа-частиц, так как за это время в нем совершается 37 млрд. распадов. С уменьшением количества радия уменьшается и число альфа-частиц, происходит, следовательно, ослабление радиоактивного излучения, испускаемого веществом. После пяти периодов активность становится равной 3% первоначальной. По истечении десяти периодов активность снижается до 1/2¹⁰=0,001, что составляет 0,1% первоначальной величины. Следовательно, по истечении достаточно большого числа периодов полураспада можно считать, что распад фактически закончился.

Уменьшение количества радиоактивного вещества, или его активности, с течением времени можно изобразить графически с помощью кривой (рис. 10). Здесь для простоты начальная активность принята за единицу, а время отложено по горизонтальной оси в периодах полураспада.

Обычно при измерении активности пользуются единицей кюри, установленной по чистому радию.

Активность данного количества радиоактивного вещества равна 1 кюри, если в нем, как и в 1 г радия, происходит 37∙10⁹ распадов в 1 секунду.

По активности того или другого препарата можно судить о количестве (точнее массе) радиоактивного вещества, находящегося в нем. Единица активности — кюри — служит в то же время единицей для измерения количества радиоактивного вещества. Под кюри понимают в этом случае такое количество радиоактивного вещества, в котором происходит 37 млрд. распадов в секунду.

Активность вещества тем больше, чем меньше период его полураспада. В атомной физике доказывается, что период полураспада Т и постоянная распада λ связаны между собой простым соотношением

Тогда вышеприведенная формула для активности примет следующий вид:

Чем меньше период полураспада Т, тем больше активность а. Например, для бета-активной сурьмы 131, образующейся наряду с другими элементами при атомном взрыве, период полураспада Т=21,3 минуты=1278 секунд. Поэтому активность одного грамма этой сурьмы, в котором содержится N₀=4,6∙10²¹ атомов, будет равна атомов в секунду.

Таково же будет число бета-частиц, испускаемых в секунду.

Сравнивая это число с числом альфа-частиц, испускаемых таким же количеством радия, имеющего большой период полураспада (1590 лет), найдем:

Таким образом, за одно и то же время при одинаковой первоначальной массе в сурьме распадается атомов в 67 млн. раз больше, чем у радия. Соответственно этому активность 1 г сурьмы 131 составит 67 млн. кюри, то есть будет такой же, как и у 67 т радия.

Из естественно радиоактивных веществ наиболее активным элементом является полоний, активность одного грамма которого составляет около 4,4 тыс. кюри.

При радиоактивном распаде из атомных ядер непрерывно выделяется энергия, носителем которой являются радиоактивные лучи. Поэтому температура радиоактивных веществ всегда несколько выше температуры окружающего воздуха. Как показал еще Пьер Кюри, один грамм радия в течение часа выделяет около 140 кал (калорий) тепла. Это, конечно, немного. Таким количеством тепла можно нагреть 100 г воды всего лишь на 1,4 градуса. Однако следует иметь в виду, что теплота выделяется радием непрерывно в течение тысяч лет. Поэтому общее количество энергии, которое освободится за время распада, оказывается большим.

Один грамм радия при полном распаде (превращении в радон) выделяет около 490 тыс. ккал (килокалорий) энергии, что примерно равно тому количеству энергии, которое получается при сжигании 70 кг хорошего каменного угля. Обнаружение того, что радиоактивные вещества непрерывно выделяют энергию, впервые показало, что внутри атомных ядер заключены огромные запасы энергии. Поэтому открытие и изучение радиоактивности справедливо считают первым шагом на пути овладения ядерной энергией.

К сожалению, промышленное использование энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде, невозможно в силу того, что активность любого радиоактивного вещества со временем падает, вследствие чего средний выход энергии в единицу времени оказывается ничтожным. Так, например, среднечасовой выход энергии при распаде одного грамма радия составляет всего 0,025 калорий.

Радиоактивные излучения обладают биологическим действием. Вызываемая ими ионизация в живых тканях оказывает вредное влияние на живой организм и может привести к заболеванию. Биологическое действие радиоактивных излучений качественно одинаково с действием рентгеновских лучей. Однако в количественном отношении действие различных видов излучения различно. При одинаковом количестве энергии, поглощенной живой тканью, биологическая эффективность альфа-частиц в 10–20 раз больше, чем у бета-частиц и гамма-лучей, обладающих примерно одинаковой эффективностью воздействия на живой организм.

Но поскольку альфа-лучи сильно поглощаются в самых тонких слоях вещества и поэтому обладают совершенно незначительной проникающей способностью, постольку при внешнем облучении человека биологическое воздействие определяется практически бета- и гамма-лучами.

Действие излучения на живой организм зависит прежде всего от общего количества или дозы поглощенного излучения. Единицей дозы излучения служит рентген (р), заимствованный из практики рентгеновских лучей.

Рентген — это такое количество рентгеновского, или гамма-излучения (доза излучения), которое создает в одном кубическом сантиметре воздуха (при нормальном атмосферном давлении и температуре 0° Ц) 2,083 млрд. пар ионов, несущих одну электростатическую единицу заряда каждого знака. Доза гамма-излучения в 1 р создает около 800 электростатических единиц заряда в каждом грамме воздуха, что соответствует поглощению около 83 эргов энергии на каждый грамм. Примерно столько же энергии при дозе в 1 р получается и в 1 г воды.

Количество альфа- или бета-излучения, эквивалентное по создаваемой ионизации одному рентгену гамма-лучей, и которому, следовательно, соответствует поглощение энергии в 83 эрга на грамм, называется физическим, или практическим, эквивалентом рентгена. Физический эквивалент рентгена служит единицей дозы альфа- и бета-излучения. Таким образом, в конечном счете единицей дозы радиоактивного излучения любого вида служит рентген.

Чтобы лучше себе представить рентген как единицу количества или дозы излучения, приведем несколько примеров.

Ручные часы со светящимся циферблатом имеют около 0,3 микрограмма радиоактивного вещества, излучение которого служит для возбуждения свечения светосостава, покрывающего стрелки и цифры часов. Доза гамма-излучения, проникающего через заднюю стенку корпуса часов и воздействующего на кожу руки, составляет около 0,1 р за сутки.

Радиоактивный элемент активностью 1 кюри, испускающий гамма-лучи, дает на расстоянии 1 м излучение порядка 1 р в час.

Доза рентгеновского излучения, получаемая человеком при рентгеноскопии грудной клетки, составляет несколько рентгенов в минуту.

Действие излучения на живой организм зависит не только от общего количества поглощенного излучения, но также и от характера облучения, то есть от того, происходит ли однократное облучение большой дозой или продолжительное (хроническое) облучение малыми дозами.

Однократное общее облучение дозой, превышающей 200 р, может вызвать заболевание лучевой болезнью. Возможность заболевания лучевой болезнью возрастает с увеличением дозы.

Но та же доза в 200 р не окажет заметного воздействия, если она будет получена за несколько лет. В этом случае количество излучения, поглощаемого каждый день, мало и повреждаемые ткани успевают восстанавливаться.

Радиоактивные излучения не ощущаются непосредственно нашими органами чувств; однако это не помешало науке разработать многочисленные методы их обнаружения и измерения. Быстро развивающаяся область измерительной техники, занимающаяся созданием измерительной аппаратуры и разработкой методов измерения радиоактивных, рентгеновских и иных проникающих излучений, называется дозиметрией. Соответственно этому приборы, используемые для обнаружения проникающих излучений и измерения их дозы, получили собирательное название дозиметрических приборов. В качестве составного элемента дозиметрических приборов, непосредственно воспринимающего излучение, наиболее часто применяются ионизационная камера, газовый счетчик и так называемый сцинтилляционный счетчик.

Ионизационная камера. Ионизационная камера представляет собой воздушный конденсатор K (рис. 11) с двумя электродами (пластинами), к которым присоединяется батарея Б. Эта батарея заряжает один из электродов камеры положительно, а другой — отрицательно.

Зарядив камеру, можно отключить батарею; при хорошей изоляции электродов они сохраняют свой заряд достаточно длительное время, так как воздух в обычном своем состоянии не проводит электричество. Если же камера подвергается действию радиоактивного излучения, то в воздухе между электродами ее возникают ионы. Положительные ионы движутся к отрицательно заряженному электроду, а отрицательные — к положительному. При этом электроды частично разряжаются, вследствие чего напряжение между ними уменьшается. По уменьшению напряжения можно будет судить о количестве излучения, прошедшего через ионизационную камеру.

Простейшей ионизационной камерой описанного типа является школьный электроскоп с листочком алюминиевой фольги (рис. 12). Одним электродом служит корпус прибора, другим — изолированный от корпуса металлический стержень с прикрепленным к нему листочком фольги.

Если с помощью эбонитовой палочки, натертой мехом, или при помощи батареи с достаточно большим напряжением зарядить электроскоп, то листочек фольги отклоняется от стержня.

При воздействии излучения образующиеся в воздухе ионы разряжают электроскоп, отклонение листочка фольги уменьшается. Чем сильнее излучение, тем быстрее спадает листочек. Можно отградуировать электроскоп таким образом, что по уменьшению отклонения алюминиевого листочка за определенное время можно будет определить количество излучения за это время.

Более совершенной является карманная ионизационная камера, применяемая для индивидуального дозиметрического контроля, то есть для определения дозы излучения, получаемой человеком. На рис. 13 показан разрез одной из возможных конструкций такой камеры, похожей по форме и размерам на автоматическую ручку. Она состоит из цилиндрического бакелитового корпуса 1, покрытого изнутри графитом, внутри которого натянута на изоляторах 2 проволока 3. Одним электродом является корпус камеры, другим — проволока. С помощью мембраны 4 камера заряжается до определенного напряжения и кладется в карман. Если данный человек не будет подвергаться действию радиоактивных излучений и если в камере хорошая электрическая изоляция, то напряжение сохранится без изменения. Если же человек подвергался облучению, то ионы, образующиеся в камере, разрядят ее в большей или меньшей мере, о чем можно судить по уменьшению напряжения камеры, измеряемому соответствующим прибором. По разности значений между измеренным напряжением и его начальной величиной можно будет определить количество (дозу) излучения, полученного человеком.

Можно применять ионизационную камеру, не отключая ее от батареи. В этом случае напряжение между электродами будет оставаться постоянным. В отсутствие радиоактивного излучения воздух, заполняющий камеру, является непроводником электричества, и поэтому ток в цепи батарея — камера будет отсутствовать. При воздействии излучения воздух ионизируется, то есть становится проводником, и в цепи появляется ток, называемый ионизационным током. По силе тока и судят о количестве излучения.

Так как ионизационный ток очень слаб, то для непосредственного его измерения требуется слишком чувствительный прибор. Поэтому этот ток сначала обычно усиливается с помощью усилителя, а уж потом подается для измерения на стрелочный прибор обычного типа.

Описанным здесь способом ионизационные камеры используются в некоторых дозиметрических приборах. Конструкции их могут быть самыми разнообразными. Применяемый усилитель ионизационного тока собирается на электронных лампах, подобных имеющимся в каждом ламповом радиоприемнике.

Газовый счетчик. Если радиоактивное излучение слабое, то вместо ионизационной камеры применяют газовые счетчики, позволяющие обнаружить появление отдельной ионизирующей частицы.

Простейший счетчик представляет собой стеклянный или металлический цилиндр Ц, по оси которого на изоляторах натянута тонкая проволока (рис. 14). Вся эта система наполняется обычно инертным газом (отсюда и само название «газовый счетчик») при давлении в несколько десятков миллиметров ртутного столба.

Показанный на рис. 14 стеклянный газовый счетчик предназначен для измерения гамма-излучений. Внутренняя поверхность стеклянного цилиндра покрыта тонким слоем металла, который соединяется с отрицательным полюсом батареи высокого напряжения Б. Второй электрод (проволока) присоединяется через большое сопротивление R к положительному полюсу. Напряжение батареи подбирается так, чтобы оно было немного меньше того напряжения, при котором в счетчике может произойти электрический пробой. При таком напряжении в отсутствие ионизирующих частиц тока между электродами счетчика не будет. При попадании же в счетчик такой частицы, образующей внутри его ионы, между электродами возникает разряд, и в цепи протекает ток. Напряжение на счетчике при этом уменьшается вследствие падения напряжения на сопротивлении R, и вспыхнувший разряд гаснет. Таким образом, каждая попавшая в счетчик ионизирующая частица вызывает в нем лишь кратковременный импульс тока, который, протекая по цепи, создает на сопротивлении R импульс напряжения. Этот импульс может быть зафиксирован после надлежащего усиления с помощью обычного микроамперметра или электромеханического счетчика-нумератора.

Газовый счетчик с усилителем электрических импульсов и микроамперметром может быть использован в дозиметрическом приборе. Такой прибор может состоять из двух основных частей — зонда и измерительного пульта, соединенных между собой гибким кабелем. Для счета импульсов на слух прибор может снабжаться головными телефонами.

Сцинтилляционный счетчик. Для обнаружения и измерения проникающих излучений может быть использован метод сцинтилляций, основанный на свойстве частиц радиоактивных лучей вызывать кратковременные точечные вспышки света в некоторых веществах при попадании в них. Для этой цели годятся сернистый цинк, иодистый калий, нафталин, антрацен и другие вещества. Вспышка света, или сцинтилляция, возникает в той точке облучаемого вещества, в которую попадает частица. Подсчитывая число световых вспышек, можно подсчитать тем самым число частиц, ударяющихся в слой вещества. Это свечение по своей природе подобно свечению экрана телевизора, возбуждаемому бомбардирующими его электронами, и называется люминесцентным. На рис. 15 показано устройство простого физического прибора — спинтарископа, позволяющего видеть световые вспышки, возбуждаемые отдельными альфа-частицами. Вблизи от экрана, покрытого люминесцирующим веществом (например, сернистым цинком), укреплена стрелка, на кончике которой находится ничтожное количество соли радия; каждая альфа-частица, попавшая из радия на кристаллик сернистого цинка, вызывает вспышку света, хорошо заметную в темноте сквозь лупу.

Обнаружение отдельных ионизирующих частиц по световым вспышкам — сцинтилляциям, регистрируемым глазом, используется в ядерной физике давно. Этим методом пользовался Резерфорд, установивший существование в атоме ядра. Этим методом было установлено, что 1 г радия испускает каждую секунду 37 млрд. альфа-частиц.

В настоящее время метод сцинтилляций, возрожденный на новой технической основе, используют в так называемых сцинтилляционных, или люминесцентных, счетчиках. В таком счетчике сцинтилляции, возникающие в люминесцирующем экране или кристалле, регистрируются не глазом, а весьма чувствительным к свету прибором — фотоэлектронным умножителем, изобретенным в 1930 г. советским инженером Л. А. Кубецким. Фотоэлектронный умножитель (кратко фотоумножитель) — это прибор в виде небольшого цилиндрического баллона из стекла, заключающего в себе фотоэлемент с фотокатодом и ряд электродов — эмиттеров, образующих собственно электронный умножитель.

Вспышка света (сцинтилляция) вызывает в фотоэлементе слабый импульс электрического тока, который затем усиливается в умножителе. Для усиления тока пользуются тем обстоятельством, что каждый электрон, испущенный фотокатодом, ударяясь о поверхность ближайшего электрода-эмиттера, выбивает из него при соответствующих условиях до десяти новых (вторичных) электронов. На эмиттере происходит таким образом «умножение» числа электронов и соответственно усиление тока. Это умножение многократно повторяется благодаря тому, что поток электронов с первого эмиттера направляется на второй эмиттер, затем на третий, четвертый и т. д. В результате слабый ток, первоначально вызванный сцинтилляциями в фотоэлементе, усиливается в несколько миллионов раз. После такого усиления импульсы тока можно уже регистрировать с помощью микроамперметра или какого-либо другого прибора подобно тому, как это делается в схемах с газовыми счетчиками. Простейшая блок-схема сцинтилляционного счетчика приведена на рис. 16.

Сцинтилляционные счетчики отличаются весьма высокой чувствительностью к различным видам проникающего излучения и имеют ряд других достоинств, благодаря которым они получают в настоящее время широкое применение в дозиметрических приборах.

Расскажем коротко о приборах радиационной разведки и дозиметрического контроля.

Приборами радиационной разведки и дозиметрического контроля являются индикаторы радиоактивности, рентгенометры, радиометры и собственно дозиметры.

Индикатор радиоактивности предназначен для обнаружения радиоактивного заражения местности. Основными частями индикатора обычно являются: генератор переменного тока с ручным приводом, две неоновые лампы (лампа стабилизатора напряжения — красная и индикаторная лампа— белая) и газовый счетчик.

Для включения такого индикатора достаточно привести в действие генератор переменного тока путем периодических нажатий на рычаг. Частота нажатия на рычаг выбирается такой, чтобы получить непрерывное свечение лампы стабилизатора напряжения. Если при работе прибора индикаторная лампа не дала ни одной вспышки, значит, местность не заражена радиоактивными веществами.

Появление отдельных вспышек индикаторной лампы свидетельствует о наличии заражения с уровнем радиации 0,01–0,5 р в час. Чем больше уровень радиации, тем чаще вспыхивает индикаторная лампа. При уровнях радиации свыше, например, 0,5 р в час она светится непрерывно.

Рентгенометр предназначен для измерения уровней радиации в зараженных районах. Основные части рентгенометра: ионизационная камера, усилитель постоянного тока, электроизмерительный прибор (микроамперметр) и источники питания. Принцип действия рентгенометра заключается в следующем. При воздействии бета- и гамма-излучения на ионизационную камеру в цепи камеры возникает ионизационный ток, который затем усиливается и измеряется микроамперметром.

Показания микроамперметра пропорциональны величине тока, возникающего в ионизационной камере, а следовательно, пропорциональны уровням радиации. Некоторые образцы рентгенометров позволяют измерять уровни радиации от 0,2 до 400 р в час.

Радиометр служит для определения степени радиоактивного заражения поверхностей различных объектов, продовольствия, воды, а также обмундирования и кожных покровов людей после выхода их из зараженного района.

Кроме того, радиометр может быть использован для измерения небольших уровней гамма-излучения.

Зараженность различных предметов измеряют количеством распадов радиоактивных веществ на 1 см² поверхности предмета в 1 минуту. Некоторые образцы радиометров позволяют измерять зараженность предметов до 1 000 000 распадов на 1 см² в 1 минуту.

Радиометр применяется главным образом для контроля зараженности людей, оружия, техники и имущества на пунктах специальной обработки. При помощи его можно измерять также небольшие уровни гамма-излучения (до 0,02 р в час), что позволяет использовать радиометр для ведения радиационной разведки местности, например, с самолета.

Основные части радиометра; газовый счетчик, усилитель электрических импульсов, преобразователь импульсов, электроизмерительный прибор и источники питания.

Принцип действия радиометра заключается в следующем. При воздействии на счетчик бета-частиц и гамма-лучей в цепи счетчика возникают электрические импульсы, которые после предварительного усиления подаются на специальный элемент схемы (преобразователь импульсов), где они преобразуются в постоянный ток. Величина этого тока, пропорциональная количеству бета-частиц и гамма-лучей, воздействующих на счетчик, измеряется микроамперметром.

Конструктивно многие образцы радиометров выполнены в виде двух узлов — зонда и пульта, соединенных между собой гибким кабелем. Для ведения слухового контроля радиометр снабжается головными телефонами.

Во время измерений пульт радиометра находится на груди, а зонд в руке. Для обследования зараженной поверхности зонд радиометра подносят к ней на расстояние 1–2 см и слушают сигналы в телефонах. Непрерывный треск в телефонах означает, что поверхность предмета заражена. Степень заражения предмета определяется по шкале прибора.

Дозиметр предназначен для измерения суммарной дозы облучения, полученной человеком за время пребывания на зараженной местности. Действие дозиметра основано на измерении уменьшения первоначального напряжения (заряда) камеры под воздействием радиоактивных излучений.

Для контроля облучения личного состава подразделения используется обычно так называемый дозиметрический комплект. В некоторых образцах он состоит из 200 индивидуальных ионизационных камер, аналогичных по конструкции карманной ионизационной камере, описанной выше, и зарядно- измерительного пульта. Камеры имеют небольшие размеры и помещаются в кармане гимнастерки.

Камеры позволяют измерять дозы от нуля до 50 р.