Радиационная физика твердого тела является новой областью науки, возникшей около полутора десятилетия назад. Своей основной задачей она ставит исследование действия излучений на твердые тела (в частности «бомбардировки» их быстрыми частицами).
Так, она занимается изучением изменения их структуры, создания и эволюция дефектов, воздействия изменений структуры на различные свойства твердых тел, а также - на протекание в них разнообразных физико-химических процессов и механических процессов и др.
Суть радиационной физики твердого тела
В качестве одного из главнейших направлений для современной радиационной физики твердого тела выступает возможность создания экологически чистых материалов с быстрым спадом радиоактивности. В этом направлении проводятся интенсивные исследования как в теоретическом, так и в экспериментальном формате. Так, в число перспективных конструкционных материалов входят: сплав на основе ванадия; хромомарганцевые аустенитные стали и др.
Облучение материалов может провоцировать не только деградацию их свойств, но в определенных случаях – к существенному физических и химических характеристик облучаемого твердого тела. К широко распространенному технологическому методу (ионная имплантация) добавился ряд новых направлений в радиационной модификации свойств материала.
Рисунок 1. Состав радиоактивного излучения. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Так, на сегодняшний день успешное развитие наблюдается для таких методов радиационной технологии, как:
- ионное перемешивание;
- легирование материала ядрами отдачи;
- нейтронно-трансмутационное легирование;
- матричный синтез наноструктур.
При этом ученым удалось получение, например, новых сплавов из несмешивающихся термодинамически компонентов.
Модификация свойств твердых тел посредством ядерного излучения выступила в качестве мощного инструмента, направленного изменения свойств, которыми обладают твердые тела, с целью создания новых материалов, а также приборов с заданными характеристиками. Наибольший интерес в данном отношении вызывали полупроводники (наиболее чувствительный материал к присутствию весьма малого числа дефектов, в сравнении с другими типами твердых тел).
Разного рода дефекты в полной мере определяют электрофизические, оптические, механические свойства, что объясняется тем фактом, что абсолютно любое искажение периодичности потенциала у кристаллической решетки, провоцируемое дефектами, приводит к возникновению в запрещенной зоне полупроводника локальных энергетических уровней. При этом также изменяются его основные параметры.
Широкое и активное применение материалов и полупроводниковых приборов вблизи ядерных установок вызвало необходимость более глубокого исследования природы радиационных повреждений в полупроводниках под воздействием проникающего излучения. Стала очевидной необходимость фундаментальных исследований механизмов появления радиационных дефектов с целью направленного управления параметрами таких приборов в условиях действия повышенной радиации.
Воздействие радиации на твердые тела
Впервые такое понятие, как радиация (точнее – рентгеновские лучи) было введено в 1895 г. немецким физиком В. Рентгеном. Именно он считается первооткрывателем радиоактивного излучения. Несколько месяцев спустя после этого были открыты радиоактивные вещества.
Рисунок 2. Рентгеновская трубка. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Рентген, в частности предположил, что в качестве реального источника Х-лучей выступает фосфоресцирующая поверхность стеклянной (вакуумной) трубки, куда попадают катодные лучи. Проверить данную гипотезу взялся известный физик А. Беккерель, многие годы исследовавший явление фосфоресценции.
В рамках эксперимента, физик выдерживал на свету тонкие кристаллы минералов, а потом накладывал их на фотопластинку, завернутую в черную бумагу. При этом он помещал металлические кольца между препаратом и защитной бумагой, предполагая, что возбуждаемые солнечным светом Х-лучи смогут легко пройти сквозь бумагу, но их задержит металл.
В таком случае на пластинке должны будут появиться кольцевые тени. Опыты имели успех. Так, после проявления на фотопластинке действительно появлялось четкое очертание кольца. С тех пор проводилось еще множество исследований и экспериментальных опытов, направленных на исследованию этих излучений, в частности, и под руководством Марии Кюри.
Понятие радиоактивности и виды излучений
Рисунок 3. Закон радиоактивного распада. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Радиоактивностью считается неустойчивость ядер некоторых атомов, проявляющаяся в их способности самопроизвольно превращаться (способность к распаду), что сопровождает выход ионизирующего излучения (радиации).
Рисунок 4. Дифракция рентгеновских лучей. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Энергия такого излучения в действительности довольно большая, поэтому она может влиять на вещество, создавая при этом ионы разных знаков. Так же различают несколько ее разновидностей:
- Ионизирующее излучение (поток квантов или элементарных частиц, энергия которых является настолько мощной, что способна вызвать в облученном веществе ионизацию атомов и молекул). Основными видами такого излучения являются альфа-частицы, гамма- и бета-лучи, нейтроны, рентгеновские лучи.
- Альфа-частица (представляет ядро атома гелия и состоит из двух нейтронов и стольких по количеству протонов). В воздушном пространстве пробег альфа-частицы не превышает несколько сантиметров, а в мягких биологических тканях - несколько десятков микрометров.
- Бета-лучи (речь идет об электронах и позитронах), обладают способностью пролетать несколько метров и проникать в мягкие ткани на расстояние в нескольких миллиметров.
- Гамма-лучи (это кванты электромагнитного излучения высокой энергии, длина волны при этом оказывается короче 0,01 нм). Они могут распространяться на довольно большие расстояния.
- Рентгеновские лучи (представляют кванты электромагнитного излучения, длина волны - от 0,01 до 100 нм). Они обладают уже меньшей энергией, в сравнении с гамма-лучами. Способны образовываться как при радиоактивном распаде, так и в рентгеновской трубке.
- Нейтроны (представляют нейтральные частицы, вызывающие косвенную ионизацию). Различают следующие единицы измерения радиоактивности: распада радиоактивного атома, единицы измерения в отношении энергии, появляющейся в процессе распада этого атома.
