Вопрос 34. Радиационная безопасность.

Радиационная безопасность - новая научно практическая дисциплина, возникшая с момента создания атомной промышленности, решающая комплекс теоретических и практических задач, связанных с уменьшением возможности возникновения аварийных ситуаций и несчастных случаев на радиационно-опасных объектах.

Первой задачей радиационной безопасности является разработка критериев:

а) для оценки ионизирующего излучения как вредного фактора воздействия на отдельных людей, популяцию в целом и объекты окружающей среды;

б) способов оценки и прогнозирования радиационной обстановки, а также путей приведения ее в соответствие с выработанными критериями безопасности на основе создания комплекса технических, медико-санитарных и административно-организационных мероприятий, направленных на обеспечение безопасности в условиях применения атомной энергии в сфере человеческой деятельности.

В настоящий момент существует разработанная система допустимых пределов воздействия ионизирующего излучения на человеческий организм, оформленная в виде законодательных документов Норм Радиационной Безопасности (НРБ) [4].

Второй немаловажной задачей радиационной безопасности является разработка систем радиационного контроля. Различные условия эксплуатации радиационных установок, набор используемых радиоактивных веществ, экономия материальных средств диктуют необходимость осознанного выбора средств и частоты измерения уровня радиации, концентрации радиоактивных веществ. Так, при эксплуатацииg-дефектоскопов достаточно ограничиться контролем уровня g- излучения, а на радиохимических предприятиях наряду с указанным контролем необходимо проводить измерения концентрации радиоактивных газов в воздухе и уровень загрязнения рабочих помещений с целью не допустить пере облучение сотрудников.

Радиационная безопасность, кроме перечисленных выше задач, решает еще две функциональные задачи:

1) Снижение уровня облучения персонала и населения ниже (в крайнем случае, до) регламентируемого предела на основе следующих мероприятий: технических (создание защитных ограждений, автоматизация технологического процесса, очистка выбросов от радиоактивных веществ), медико-санитарных (обеспечение персонала средствами индивидуальной защиты-СИЗ, снабжение местных штабов ГО средствами защиты населения), организационных (создание специального графика работы в условиях пере облучения).

2)Создание эффективных систем радиационного контроля, позволяющих оперативно регистрировать изменения в радиационной обстановке.

Вопрос 35. Физика лазеров. Спонтанные и вынужденные переходы между энергетическими уровнями атома. Коэффициенты Эйнштейна.

Основываясь на представлениях Бора о квантовом характере механизма излучения света атомом, Эйнштейн в 1916г. получил новый вывод формулы Планка, где ввел понятие индуцированного излучения – явления, на котором основан принцип действия лазера.

Состояние частицы или системы частиц в физике можно характеризовать энергией. Из квантовой механики известно, что связанная микрочастица или система микрочастиц может обладать дискретным спектром значений энергии E ₁, E ₂, E ₃,... Количество частиц, находящихся на некотором энергетическом уровне, называют населенностью этого уровня. Как отмечалось выше, состояние частицы с наименьшей энергией и соответствующий энергетический уровень E ₁ называют основными, а все остальные − возбужденными уровнями.

В реальных системах микрочастицы, находящиеся при абсолютной температуре Т >0, вследствие обмена энергией с окружающей средой способны переходить с одного энергетического уровня на другой. Этот скачкообразный переход микрочастиц называется квантовым переходом.

При каждом значении температуры устанавливается динамическое равновесие, характеризуемое постоянным во времени распределением частиц по энергиям. Это распределение, например, для уровней с энергиями Е ₁ и Е ₂ подчиняется закону Больцмана:

,, (9.1)

где п ₂ и n ₁– концентрации частиц соответственно на верхнем и нижнем уровнях. Формула (9.1) свидетельствует о том, что с увеличением «высоты» уровня его населенность уменьшается. Избыточная энергия при квантовом переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий может передаваться окружающим микрочастицам (безызлучательный переход) или выделяться в виде квантов света. В последнем случае частота ν излучаемого света связана с разностью энергий начального и конечного состояний микрочастицы формулой: hν = E ₂– E ₁.

Первоначально считалось, что между энергетическими уровнями атомов происходят два вида переходов: спонтанные (самопроизвольные) с более высоких на более низкие уровни и те, которые происходят под действием излучения (вынужденные) с более низких на более высокие уровни. Переходы первого рода приводят к спонтанному испусканию фотонов, переходы второго рода обусловливают поглощение излучения веществом.

Если атом находится в основном состоянии 1с энергией Е ₁, то под действием внешнего излучения может осуществиться вынужденный переход в возбужденное состояние 2 с энергией Е ₂, приводящий к поглощению излучения (рис. 9.1,а). Атомы, поглощая свет, переходят на энергетические уровни с большей энергией, причем в соответствии с законом сохранения энергии переход может быть вызван лишь светом определенной частоты. Такой процесс называют резонансным, а также вынужденным (индуцированным) поглощением света.

Электромагнитное излучение в вакууме характеризуется полной объемной плотностью энергии излучения, состоящей из электрической и магнитной составляющих:

, (9.2)(для вакуума).

Объемная плотность энергии излучения определенным образом распределена по спектру частот. Распределение энергии излучения по частотам описывается спектральной плотностью энергии излучения w (ν, T), равной отношению плотности энергии dw в интервале частот отν до ν + dν к частотному интервалу dν:

. (9.3)

Так как из формулы (9.3) следует соотношение dw = w (ν, T) dν, то для вычисления интегральной плотности энергии во всем частотном диапазоне следует проинтегрировать его по всем частотам, т.е.

. (9.4)

Эйнштейн применил к описанию процессов спонтанного и вынужденного излучения вероятностные методы.

Если количество переходов атомов с верхнего уровня на нижний спонтанно равно, вынужденно –, с нижнего уровня на верхний вынужденно равно, то условие термодинамического равновесия запишется в виде

. (9.5)

Пусть А ₂₁ – вероятность спонтанного перехода () в секунду, п ₂ и n ₁– концентрации атомов соответственно на верхнем и нижнем уровнях. Тогда

. (9.6)

 

Количество вынужденных переходов пропорционально спектральной плотности излучения. Обозначим вероятности вынужденных переходов в секунду (и) соответственно величинами и, которые относятся к спектральной плотности излучения, тогда

,. (9.7)

С учетом (9.6) и (9.7) соотношение (9.5) примет вид:

. (9.8)

Подставляя (9.1) в (9.8) и сокращая полученное выражение на общий множитель п ₀, находим:

. (9.9)

Величины А ₂₁, В ₂₁, В ₁₂ называются коэффициентами Эйнштейна. Они являются характеристиками только самого атома и могут зависеть лишь от частоты.Для установления связи между коэффициентами Эйнштейна исследуем асимптотическое поведение выражения (9.9) при Т→∞. Из физических соображений полагают, что при величина w (ν, T) → ∞, поэтому и слагаемым A ₂₁в скобках можно пренебречь. Кроме того,. В результате равенство (9.9) примет вид:

. После сокращения последнего равенства на w (ν, T) получаем первое соотношение между коэффициентами Эйнштейна:

. (9.10)

Физический смысл этого соотношения заключается в том, что при постоянной спектральной плотности энергии w (ν,T) вероятность индуцированного излучения кванта светаатомом равна вероятности резонансного поглощения кванта света этим же атомом за одинаковые промежутки времени.