Первые эксперименты с пучками заряженных частиц начали проводить в
конце 1910-х годов. Эрнест Резерфорд в своих опытах использовал
источники альфа-частиц на основе радия и продуктов его распада, и
альфа-частицы при облучении материалов вызывали самые разные
процессы. Стало ясно, что при воздействии альфа-частиц на азот
вылетает новый вид частиц протоны. Таким образом была открыта
первая ядерная реакция.Это материал изгида Излучение иматерия,
приуроченного к75-летию атомной промышленности. Партнер гида
Росатом.Важный эксперимент, который был проведен под руководством
Резерфорда, а сейчас включен во все учебники и ставится на
практикумах в университетах, это обратное рассеяние альфа-частиц.
Облучая тонкую золотую фольгу альфа-частицами, Резерфорд вместе со
своими сотрудниками обнаружил, что некоторые из этих альфа-частиц
отлетают обратно, то есть рассеиваются на большие углы. Ученый
быстро понял, в чем причина такого явления: происходит
взаимодействие с ядром атома, то есть атом имеет в составе ядро
собственно, так ядро и было открыто. В результате взаимодействия с
атомным ядром положительно заряженная альфа-частица может
рассеяться под углом, близким к 180 градусам.Эти опыты позже легли
в основу группы методов анализа вещества, которые можно назвать
ионно-пучковыми, хотя к ним примыкают и методы анализа, связанные с
использованием нейтронов и квантов электромагнитного излучения.
Суть всех этих методов примерно следующая: есть некий анализируемый
объект, который мы облучаем пучками частиц; идут определенные
процессы с атомами, молекулами, ядрами внутри облучаемого
материала, и при этом происходит испускание других видов излучения.
Таким образом мы можем регистрировать вторичные частицы или кванты
и благодаря этому делать выводы о составе и строении анализируемого
объекта.Метод PIXE и рентгенофлуоресцентный анализВ числе известных
можно назвать методы, основанные на облучении материалов протонами
или альфа-частицами, то есть положительно заряженными частицами
относительно низкой энергии, порядка 1 мегаэлектронвольта.
Происходит ионизация материала, затем перераспределение электронов
по оболочкам в атомах и, наконец, испускание рентгеновского
излучения. Этот метод называется рентгеновская эмиссия,
индуцированная протонами (PIXE) и широко используется в самых
разных областях. Он легко комбинируется с другими методами:
одновременно на том же самом образце можно наблюдать обратное
рассеяние частиц и некоторые ядерные реакции, которые протекают при
относительно низких энергиях на легких ядрах.Метод PIXE дает нам в
первую очередь элементный состав, причем с достаточно высокой
чувствительностью. Близко к PIXE стоит рентгенофлуоресцентный
анализ, но он примерно на два порядка менее чувствительный, чем
PIXE. Методы, при которых используются ионные пучки, применяются на
различных автономных аппаратах, которые запускаются на другие
планеты. В частности, на марсоходах NASA стоят источники заряженных
частиц источники альфа-частиц на основе кюрия-244 и источники
рентгеновского излучения, и когда они облучают грунт, находящийся в
непосредственной близости, детектор регистрирует вторичное
рентгеновское излучение. Таким образом можно одновременно проводить
рентгенофлуоресцентный анализ и анализ с помощью ионных пучков и
получать информацию о грунте и других объектах, обнаруженных на
поверхности Марса.Есть и другие задачи, например анализ объектов
искусства и артефактов. Большие музеи вроде Лувра имеют
лаборатории, оснащенные установками на основе ускорителей (здесь
используются не изотопные, а ускорительные источники ионов). Их
используют, чтобы изучить элементный состав объектов: керамики,
древних монет и так далее. Обычно этот метод применяют, когда
работают с поверхностью образца: пробег положительно заряженных
частиц небольшой в твердом материале. Мы можем узнать состав
поверхностного слоя (верхнего слоя краски, глазури), определить
состав металла, входящего в монеты или украшения. Этот метод не
оказывает разрушительного воздействия на изучаемый объект и не
повреждает его.Кроме того, очень часто его используютдля анализа
разного рода нанообъектов: слоистых структур, полупроводниковых и
так далее. Особенно полезным здесь является резерфордовское
обратное рассеяние. Его суть заключается в том, что, когда мы
облучаем объект ионами гелия или протонами, по мере движения внутрь
материала ионы теряют энергию. Дальше происходит рассеяние, и
частицы движутся обратно, в сторону детектора, при этом снова теряя
энергию внутри материала. С одной стороны, энергия определяется
кинематикой, то есть столкновением частиц, а с другой потерями
энергии по мере движения через объект. Таким образом, мы можем не
просто проводить анализ, а узнавать толщину тех или иных слоев, а в
отдельных случаях определять градиенты
концентраций.Нейтронно-активационный анализГруппа рассматриваемых
нами методов связана с облучением образца положительно заряженными
ионами, но, в принципе, вариантов может быть много: образец можно
облучать, например, нейтронами. Если мы используем реакторные
нейтроны, при этом в объекте часто протекают те или иные ядерные
реакции, и можно регистрировать результат этих процессов. Это может
быть мгновенный анализ, когда непосредственно под пучком нейтронов
мы можем регистрировать, например, испускаемые гамма-кванты.
Мгновенный нейтронно-активационный анализ очень хорош для
определения легких атомов, таких как водород, как ни странно,
легкие атомы труднее всего определять в разного рода образцах.Еще
один метод, который давно и хорошо развит и до сих пор активно
применяется, классический нейтронно-активационный анализ, суть
которого заключается в том, что объект, помещенный обычно внутрь
реактора, облучается нейтронами и в нем протекают ядерные реакции,
как правило захват нейтронов. Дальше он извлекается и кладется на
гамма-спектрометр, благодаря которому можно увидеть, что произошло
в результате захвата нейтронов. Этот метод неуниверсальный и
подходит не для всех элементов, но при этом обладает для некоторых
сверхвысокой чувствительностью.Известны опыты, которые в свое время
провел Луис Альварес, лауреат Нобелевской премии по физике: он
проанализировал отложения, отобранные на границе мела и палеогена в
Губбио (Италия), и обнаружил в этих образцах повышенное содержание
иридия. Таким образом было зафиксировано столкновение Земли с
крупным небесным телом, приведшее, как мы теперь знаем, к массовому
вымиранию организмов на границе мела и палеогена. Альварес выбрал
именно иридий, поскольку его удобно было определять
нейтронно-активационным анализом. С тем же успехом можно было бы
определять платину и другие элементы из платиновой группы, но для
них подобных методов не существовало, и до сих пор их определение
связано со значительными трудностями.Методы, связанные с облучением
нейтронами, можно также применять в целях выявления нелегальной и
запрещенной деятельности например, детектировать взрывчатые
вещества или делящиеся материалы (плутоний или обогащенный уран).
Идея метода заключается в том, что когда мы просвечиваем объект
нейтронами, то можем исследовать крупные образцы. Положительно
заряженные частицы исследуют только поверхность, но нейтроны
обладают колоссальной проникающей способностью: они могут
просветить контейнер большого размера. А если мы имеем дело с
плутонием или обогащенным ураном, мы увидим всплеск реакций деления
этих материалов и по вторичным излучениям, например по вторичным
нейтронам, сможем зарегистрировать объекты. Для обнаружения
вторичных процессов можно использовать не только частицы, то есть
не только нейтроны и положительно заряженные частицы, но и
высокоэнергетические гамма-кванты.Подобных методов исследования
существует огромное количество, и их появляется все больше. Даже
специалисты зачастую знакомы не со всеми ними, и здесь нет
общепринятой классификации. Это очень динамично развивающаяся
область, в которой постоянно происходит что-то новое.
