Альфа излучение. Характеристика отдельных видов излучений Воздействие на человека

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием элемен­тарных частиц. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. К числу радиоактивных процессов относятся: 1) α – распад, 2) β – распад (в том числе электронный захват), 3) γ – излуче­ние ядер, 4) спонтанное деление тяжелых ядер, 5) протонная радио­активность.

Процесс радиоактивного превращения ядер, существующих в природе и ядер, полученных посредством ядерных реакций, подчиняется одинаковым законам.

Закон радиоактивного превращения . Отдельные радиоактивные ядра претерпевают превращение независимо друг от друга. Поэтому можно считать, что количество ядерdN, распадающихся за малый промежуток времениdt, пропорционально как числу имеющихся ядер N, так и промежутку времениdt:

Здесь λ– характерная для каждого радиоактивного вещества константа, называемаяпостоянной распада . Знак минус взят для того, чтобыdN можно было рассматривать как приращение числа нераспавшихся ядер N.

Интегрирование выражения приводит к соотношению

N = N 0 e -λt ,

где N 0 – количество ядер в начальный момент,N– количество нераспавшихся ядер в момент времениt. Формула выра­жает закон радиоактивного превращения. Этот закон весьма прост:число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненте.

Количество ядер, распавшихся за время t, определяется выражением

N 0 - N = N 0 (1 - e -λt).

Время, за которое распадается половина первоначального ко­личества ядер, называется периодом полураспада T. Это время определяется условием

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных ядер находится в пределах от 3 ·10 -7 с до 5·10 15 лет.

Найдем среднее время жизни радиоактивного ядра. Количество ядер dN(t), испытывающих превращение за промежуток времени отtдо (t + dt), определяется модулем выражения: dN(t) = λN(t)dt. Время жизни каждого из этих ядер равно t. Следовательно, сумма времен жизни всехN 0 имевшихся первона­чально ядер получается путем интегрирования выраженияtdN(t). Разделив эту сумму на число ядер N 0 получим среднее время жиз­ни τ радиоак-тивного ядра:

Подставим сюда выражение для N(t):

(надо перейти к переменной x = λtи осуществить интегрирование по частям). Таким образом, среднее время жизни есть величина, обратная постоянной распадаλ:

.

Сравнение с показывает, что период полураспада T отлича­ется от τчисловым множителем, равным ln2.

Часто бывает, что возникающие в результате радиоактивного превращения ядра в свою очередь оказываются радиоактивными и рас­падаются с иной скоростью, характеризуемой иной постоянной распада. Новые продукты распада могут также оказаться радиоактивными, и т.д. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений. В природе существуют три радиоактивных ряда (или семейства), ро­доначальниками которых являются
(ряд урана),
(ряд тория) и
(ряд актиноурана). Конечными продуктами во всех трех случаях служат изотопы свинца – в первом случае
, во втором
, и наконец, в третьем
.

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. француз­ским ученым А. Беккерелем. Большой вклад в изучение радиоактивных веществ внесли Пьер Кюри и Мария Склодовская – Кюри. Было обнаруже­но, что имеется три вида радиоактивных излучений. Одно из них, получившее название α – лучей, отклоняется под действием магнит­ного поля в ту же сторону, в которую отклонялся бы поток положи­тельно заряженных частиц. Второе, названное β – лучами, отклоня­ется магнитным полем в противоположную сторону, т.е. так, как отклонялся бы поток отрицательно заряженных частиц. Наконец, третье излучение, никак не реагирующее на действие магнитного поля было названо γ – лучами. Впоследствии выяснилось, что γ – лучи представляют собой электромагнитное излучение весьма малой длины волны (от 10 -3 до 1Å).

Альфа-распад . Альфа – лучи представляют собой поток ядер гелия
. Распад протекает по следующей схеме:

Буквой Xобозначен химический символ распадающегося (материнского) ядра, буквойY – химический символ образующегося (дочернего) ядра. Альфа –распад обычно сопровождается испусканием дочерним ядром γ – лучей. Из схемы распада видно, что атомный номер дочернего вещества на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы меньше, чем у исходного вещества. Примером может служить распад изотопа урана
, протекающий с образованием тория:

.

Скорости, с которыми α – частицы (т.е. ядра
) вылетают из

распавшегося ядра, очень велики (~ 10 9 см/с; кинетическая энер­гия порядка нескольких МэВ). Пролетая через вещество, α – частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию моле­кул вещества, и, в конце концов, останавливается. На образование одной пары ионов в воздухе тратится в среднем 35 эВ. Таким обра­зом, α – частица образует на своем пути примерно 10 5 пар ионов. Естественно, что чем больше плотность вещества, тем меньше пробег α – частиц до остановки. Так, в воздухе при нормальном давлении пробег составляет несколько сантиметров, в твердом веществе про­бег имеет величину порядка 10 -3 см (α – частицы полностью задержи­ваются обычным листом бумаги).

Кинетическая энергия α – частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя до­чернего ядра и α – частицы. Эта избыточная энергия распределяется между α – частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорцио­нальном их массам. Энергии (скорости) α – частиц, испускаемых данным радиоактивным веществом, оказываются строго определенными. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает несколько групп α – частиц близкой, но различной энергии. Это обусловлено тем, что дочернее ядро может возникать не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях.

На рис. 4 приведена схема, поясняю­щая возникновение различных групп α – частиц (возникновение тонкой структуры α – спектра), испускаемых при распаде ядер
(висмут-212).

Слева на схеме изображены энергетические уровни дочернего ядра
(таллий-208). Энергия основного состояния принята за нуль. Избыток энергии покоя мате­ринского ядра над энергией покоя α – частицы и дочернего ядра в нормальном состоянии составляет 6,203 МэВ. Если дочернее ядро возникает в невозбужденном состоя­нии, вся эта энергия выделяется в виде кинетической энергии, причем на долю α – частицы приходится

(эта группа частиц обозначена на схеме через α 0). Если же дочернее ядро возникает в пятом возбужденном состоянии, энергия которого на 0,617 МэВ превышает энергию нормального состояния, то выделившаяся энергия составит 6,203-0,617 = 5,586 МэВ, и на долю α – частицы достанется 5,481 МэВ (группа частиц α 5). Относитель­ное количество частиц равно ~ 27% для α 0 , ~ 70% для α 1 и всего лишь ~ 0,01% для α 5 . Относительные количества α 2 , α 3 и α 4 также очень малы (порядка 0,1-1%).

Среднее время жизни τ возбужденных состояний для большин­ства ядер лежит в пределах от 10 -8 до 10 -15 с. За время, равное в среднем τ, дочернее ядро переходит в нормальное или более низкое возбужденное состояние, испуская γ – фотон. На рис. 4 показано возникновение γ – фотонов шести различных энергий.

Энергия возбуждения дочернего ядра может быть выделена и дру­гими способами. Возбужденное ядро может испустить какую-либо час­тицу: протон, нейтрон, электрон или α – частицу. Наконец, обра­зовавшееся в результате α – распада возбужденное ядро может отдать избыток энергии непосредственно (без предварительного испускания γ – кванта) одному из электронов K-, L- или даже M– оболочки атома, в результате чего электрон вылетает из атома. Этот процесс носит названиевнутренней конверсии . Возникшее в результате вылета

электрона вакантное место будет заполняться электронами с вышеле­жащих энергетических уровней. Поэтому внутренняя конверсия всегда сопровождается испусканием характеристических рентгеновских лучей.

Подобно тому как фотон не существует в готовом виде в недрах атома и возникает лишь в момент излучения, α – частица также воз­никает в момент радиоактивного распада ядра. Покидая ядро, α – час­тице приходится преодолевать потенциальный барьер, высота которого превосходит полную энергию α – частицы, равную в среднем 6 МэВ (рис.5). Внешняя, спадающая асимптотически к нулю сторона барьера обусловлена кулоновским отталкиванием α – частицы и дочернего ядра. Внутренняя сторона барьера обусловлена ядерными силами. Опыты по рассеянию α – частиц тяжелыми α – радиоактивными ядрами показали, что высота барьера заметно превышает энергию вылетаю­щих при распаде α – частиц. По классическим представлениям пре­одоление частицей потенциального барьера при указанных условиях невозможно. Однако согласно квантовой механике имеется отличная от нуля вероятность того, что части­ца просочится через барьер, как бы пройдя по туннелю, имеющемуся в барьере. Это явление, называемое туннельным эффектом, было нами рассмотрено раньше. Теория α – распада, основывающаяся на пред­ставлении о туннельном эффекте, приводит к результатам, хорошо согласующимся с данными опыта.

Бета-распад . Существуют три разновидности β – распада. В од­ном случае ядро, претерпевающее превращение, испускает электрон, в другом – позитрон, в третьем случае, называемомэлектронным за­хватом (e –захватом), ядро поглощает один из электроновK – обо­лочки, значительно реже илиL – илиM – оболочки (соответственно вмес­тоe – захвата говорят оK – захвате,L – захвате илиM – зах­вате).

Первый вид распада (β - – распад илиэлектронный распад ) про­текает по схеме:

Чтобы подчеркнуть сохранение заряда и числа нуклонов в процессе β – распада, мы приписали β – электрону зарядовое числоZ = -1 и массовое число A = 0.

Из схемы видно, что дочернее ядро имеет атомный номер на единицу больший, чем у материнского ядра, массовые числа обоих ядер одинаковы. Наряду с электроном испускается также антинейтрино .Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов яд­ра
превратился в протон, претерпев превращение по схеме. Вообще процесс представляет собой частный случай процесса. Поэтому говорят, что свободный нейтрон β – радиоактивен.

Бета-распад может сопровождаться испусканием γ – лучей. Механизм их возникновения тот же, что и в случае α – распада, – дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в возбужденных состояниях. Переходя затем в состояние с меньшей энергией, ядро высвечивает γ – фотон.

Примером β – распада может служить превращение тория
в протактиний
с испусканием электрона и антинейтрино:

В отличие от α – частиц, обладаю­щих в пределах каждой группы строго определенной энергией, β – электроны обладают самой разнообразной кинетической энергией от 0 до E max .На рис. 6 изображен энергетический спектр электронов, испускаемых ядрами при β – распаде. Площадь, охватываемая кривой, даст общее число электронов, испускаемых в единицу времени,dN – число электронов, энергия которых заключена в интервалеdE. ЭнергияE max соответствует разности между массой материнского ядра и массами электрона и дочернего яд­ра. Следовательно, распады, при которых энергия электронаEмень­шеE max , протекают с кажущимся нарушением закона сохранения энергии.

Чтобы объяснить исчезновение энергии (E max - E), Паули высказал в 1932 г. предположение, что при β – распаде вместе с электроном испускается еще одна частица, которая уносит с собой энергию(E max - E). Так как эта частица никак себя не обнаружи­вает, следовало признать, что она нейтральна и обладает весьма малой массой (в настоящее время установлено, что масса покоя этой частицы равна нулю). По предложению Э. Ферми эту гипотетическую час­тицу назвали нейтрино (что означает "маленький нейтрон").

Имеется еще одно основание для предположения о нейтрино (или антинейтрино). Спин нейтрона, протона и электрона одинаков и равен 1/2. Если написать схему без антинейтрино, то суммарный спин возникающих частиц (который для двух частиц с s = 1/2может быть либо нулем, либо единицей) будет отличаться от спина исходной частицы. Таким образом, участие в β – распаде еще одной частицы диктуется законом сохранения момента импульса, причем этой частице необходимо приписать спин, равный1/2 (или3/2). Установлено, что спин нейтрино (и антинейтрино) равен1/2.

Непосредственное экспериментальное доказательство существова­ния нейтрино было получено только в 1956 г.

Итак, энергия, выделяющаяся при β – распаде, распределяется между электроном и антинейтрино (либо между позитроном и нейтрино, см. ниже) в самых разнообразных пропорциях.

Второй вид распада (β + – распад илипозитронный распад ) проте­кает по схеме

В качестве примера можно привести превращение азота
в угле­род
:

Из схемы видно, что атомный номер дочернего ядра на еди­ницу меньше, чем материнского. Процесс сопровождается испусканием позитрона e + (в формуле он обозначен символом) и нейтрино ν, возможно также возникновение γ – лучей. Позитрон является античастицей для электрона. Следовательно, обе частицы, испускаемые при распаде, представляют собой античастицы по отношению к частицам, испускаемым при распаде

Процесс β + – распада протекает так, как если бы один из про­тонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

Для свободного протона такой процесс невозможен по энергетическим соображениям, так как масса протона меньше массы нейтрона. Однако протон в ядре может заимствовать требуемую энергию от других ну­клонов, входящих в состав ядра.

Третий вид β – распада (электронный захват ) заключается в том, что ядро поглощает один изK – электронов (реже один изL – или М – электронов) своего атома, в результате чего один из про­тонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино:

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетические состояния, оно испускает γ – фотоны. Схема процесса выглядит следующим образом:

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электро­ном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи. Электронный захват легко обна­руживается по сопровождающему его рентгеновскому излучению. Именно этим путем и был открыт К – захват Альварецом в 1937 г.

Примером электронного захвата может служить превращение калия

в аргон
:

Спонтанное деление тяжелых ядер . В 1940 г. советскими физи­ками Н.Г. Флеровым и К.А. Петржаком был обнаружен процесс самопро­извольного деления ядер урана на две примерно равные части. Впоследствии это явление было наблюдено и для многих других тяже­лых ядер. По своим характерным чертам спонтанное деление близко к вынужденному делению, которое рассматривается в следующем параграфе.

Протонная радиоактивность . Как следует из названия, при про­тонной радиоактивности ядро претерпевает превращение, испуская один или два протона (в последнем случае говорят о двупротонной радиоактивности). Этот вид радиоактивности наблюдался впервые в 1963 г. группой советских физиков, руководимой Г.Н. Флеровым.

Активность радиоактивного вещества . Активностью радиоактив­ного препарата называется число распадов, происходящих в препара­те за единицу времени. Если за времяdt распадаетсяdN расп ядер, то активность равнаdN расп /dt. Согласно

dN расп = |dN| = λNdt.

Отсюда следует, что активность радиоактивного препарата равна λN, т.е. произведению постоянной распада на количество имеющихся в препарате нераспавшихся ядер.

В международной системе единиц (СИ) единицей активности явля­ется расп/с. Допускается применение внесистемных единиц расп/мин и кюри (Ки). Единица активности, называемая кюри, определяется как активность такого препарата, в котором происходит 3,700·10 10 ак­тов распада в секунду. Применяются дробные единицы (милликюри, микрокюри и т.д.), а также кратные единицы (килокюри, мегакюри).

Навигация по статье:

Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.

Что такое радиация

Для начала дадим определение, что такое радиация:

В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов. Подобное излучение называют - ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение , или еще проще радиация . К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.

Радиация - это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов и мюонов. От того, какой элемент излучается, зависит вид радиации.

Ионизация - это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Альфа, бета и нейтронное излучение - это излучения, состоящие из различных частиц атомов.

Гамма и рентгеновское излучение - это излучение энергии.

Альфа излучение

• излучаются: два протона и два нейтрона
• проникающая способность: низкая
• облучение от источника: до 10 см
• скорость излучения: 20 000 км/с
• ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега
• высокое

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение - это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

Нейтронное излучение

• излучаются: нейтроны
• проникающая способность: высокая
• облучение от источника: километры
• скорость излучения: 40 000 км/с
• ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: высокое

Нейтронное излучение - это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Также нейтронная радиация излучается звездами, в которых идут активные термоядерные реакции.

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

Бета излучение

• излучаются: электроны или позитроны
• проникающая способность: средняя
• облучение от источника: до 20 м
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: среднее

Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.

При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.

Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.

Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.

Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.

Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.

Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.

Гамма излучение

• излучаются: энергия в виде фотонов
• проникающая способность: высокая
• облучение от источника: до сотен метров
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация:
• биологическое действие радиации: низкое

Гамма (γ) излучение - это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов.

Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.

Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения

Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.

Основная опасность гамма излучения - это его способность преодолевать значительные расстояния и оказывать воздействие на живые организмы за несколько сотен метров от источника гамма излучения.

Рентгеновское излучение

• излучаются: энергия в виде фотонов
• проникающая способность:высокая
• облучение от источника: до сотен метров
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: низкое

Рентгеновское излучение - это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.

Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.

Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.

Каждое из рассмотренных излучений опасно!

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.

Чем выше "коэффициент k" тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.

Видео:

Ионизирующее излучение (далее - ИИ) - это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е. это взаимодействие приводит к возбуждению атома и отрыву отдельных электронов (отрицательно заряженных частиц) из атомных оболочек. В результате, лишенный одного или нескольких электронов, атом превращается в положительно заряженный ион - происходит первичная ионизация. К ИИ относят электромагнитное излучение (гамма-излучение) и потоки заряженных и нейтральных частиц - корпускулярное излучение (альфа-излучение, бета-излучение, а также нейтронное излучение).

Альфа-излучение относится к корпускулярным излучениям. Это поток тяжелых положительно заряженных а-частиц (ядер атомов гелия), возникающее в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. Поскольку частицы тяжелые, то пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким: сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5—8 см в воздухе. Таким образом, задержать эти частицы способен обычный лист бумаги или внешний омертвевший слой кожи.

Однако вещества, испускающие альфа-частицы, являются долгоживущими. В результате попадания таких веществ внутрь организма с пищей, воздухом или через ранения, они разносятся по телу током крови, депонируются в органах, отвечающих за обмен веществ и защиту организма (например, селезенка или лимфатические узлы), вызывая, таким образом, внутреннее облучение организма. Опасность такого внутреннего облучения организма высока, т.к. эти альфа-частицы создают очень большое число ионов (до нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях). Ионизация, в свою очередь, обуславливает ряд особенностей тех химических реакций, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.).

Бета-излучение (бета-лучи, или поток бета-частиц) также относится к корпускулярному типу излучения. Это поток электронов (β--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β+-излучение), испускаемых при радиоактивном бета-распаде ядер некоторых атомов. Электроны или позитроны образуются в ядре при превращении нейтрона в протон или протона в нейтрон соответственно.

Электроны значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь вещества (тела) на 10-15 сантиметров (ср. с сотыми долями миллиметра у а-частиц). При прохождении через вещество бета-излучение взаимодействует с электронами и ядрами его атомов, расходуя на это свою энергию и замедляя движение вплоть до полной остановки. Благодаря таким свойствам для защиты от бета-излучения достаточно иметь соответствующей толщины экран из органического стекла. На этих же свойствах основано применение бета-излучения в медицине для поверхностной, внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии.

Нейтронное излучение - еще один вид корпускулярного типа излучений. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда). Нейтроны не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет упругого и неупругого рассеяния на ядрах вещества.

Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы.

Гамма излучение и рентгеновское излучение относятся к электромагнитным излучениям.

Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключается в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного происхождения, гамма излучение - продукт распада ядер.

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном. Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка от - от 10 -12 до 10 -7 . Источник рентгеновских лучей - рентгеновская трубка, некоторые радионуклиды (например, бета-излучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).

В рентгеновской трубке есть два электрода - катод и анод (отрицательный и положительный электроды соответственно). При нагреве катода происходит электронная эмиссия (явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости). Электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода, где происходит их резкое торможение, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это одно его из свойств, основное для медицины - то, что оно является проникающим излучением и соответственно пациента можно просвечивать с его помощью, а т.к. разные по плотности ткани по-разному поглощают рентгеновское излучение - то мы можем диагностировать на самой ранней стадии многие виды заболеваний внутренних органов.

Гамма излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и т.д.

Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется малой длиной волны. Для ослабления потока гамма-излучения используются вещества, отличающиеся значительным массовым числом (свинец, вольфрам, уран и др.) и всевозможные составы высокой плотности (различные бетоны с наполнителями из металла).

Альфа излучение представляет собой поток тяжелых, положительно заряженных частиц, состоящих из протона и нейтрона – ядер гелия, имеющий небольшую начальную скорость и сравнительно высокий уровень энергии (от 3 до 9 МэВ). Пробег альфа частиц, испускаемых преимущественно естественными элементами (радий, торий, уран, полоний и др.), сравнительно невелик. Так, в воздухе он составляет 10…11см, а в биологических тканях - всего несколько десятков микрометров (30…40 Мкм). Альфа частицы, имея сравнительно большую массу и низкую начальную скоростью, при взаимодействии с веществом быстро теряют свою энергию и поглощаются им. Вследствие этого они обладают наибольшей линейной плотностью ионизации, но низкой проникающей способностью.

Бета-излучение представляет собой поток отрицательно заряженных частиц - электронов или положительно заряженных частиц - позитронов и возникает при распаде естественных и искусственных радиоактивных элементов. Обладая высокой скоростью распространения, приближающейся к скорости света, бета частицы имеют больший пробег в среде, чем альфа частицы. Так, максимальный пробег в воздухе бета частиц достигает несколько метров, а в биологических средах –1…2 см. Значительно меньшая масса и уровень энергии (0,0005…3,5 МэВ) бета частиц определяют и более низкую их ионизирующую способность.

Они обладают большей, чем у альфа частиц, проникающей способностью, которая зависит от уровня энергии бета излучателя.

Гамма-излучение, рассматриваемое как поток гамма квантов и представляющее собой электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны, возникает в процессе ядерных реакций и радиоактивного распада. Диапазон энергии гамма излучений лежит в пределах 0.01…3 МэВ. Оно обладает весьма высокой проникающей способностью и малым ионизирующим действием. Гамма-излучение глубоко проникает в биологические ткани, вызывая в них разрыв молекулярных связей.

Нейтронное излучение, представляющее собой поток элементарных частиц атомных ядер – нейтронов, обладает большой проникающей способностью, зависящей от энергии нейтронов и химической структуры облучаемого вещества. Нейтроны не имеют электрического заряда и обладают массой, близкой к массе протона. Взаимодействие нейтронов со средой сопровождается рассеянием (упругим или не упругим) нейтронов на ядрах атомов, которое является результатом упругих либо неупругих столкновений нейтронов с атомами облучаемого вещества. В результате упругих столкновений, сопровождающихся изменением траектории нейтронов и передачей атомным ядрам части кинетической энергии, происходит обычная ионизация вещества.

При неупругом рассеянии нейтронов их кинетическая энергия затрачивается, в основном, на радиоактивное возбуждение ядер среды, что может вызвать вторичное излучение, состоящее как из заряженных частиц, так из гамма квантов. Приобретение веществами, облучаемыми нейтронами, так называемой наведенной радиации, увеличивает возможность радиоактивного заражения и является важной особенностью нейтронного излучения.

Рентгеновское изучение представляет собой электромагнитное излучение, возникающее при облучении вещества потоком электронов при достаточно высоких напряжениях, достигающих сотни киловольт. По характеру действия рентгеновское излучение сходно с гамма-излучением. Оно обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения при облучении вещества. В зависимости от величины электрического напряжения в установке, энергия рентгеновского излучения может быть в пределах от 1 кэВ до 1 MэB.

Радиоактивные вещества самопроизвольно распадаются, с течением времени теряя свою активность. Скорость распада является одной из важных характеристик радиоактивных веществ.

Каждому изотопу присущ определенный период полураспада, т.е. время, за которое распадается половина ядер этого изотопа. Периоды полураспада бывают небольшими (радон-222, протактиний-234 и др.) и весьма большими (уран-238, радий, плутоний и др.).

При внедрении в организм радиоактивных элементов с коротким периодом полураспада вредное воздействие радиации и болезненные явления прекращаются довольно быстро.

Дозы радиационного облучения

Мерой количества радиоактивных веществ является их активность С, выражающаяся числом распадов атомных ядер в единицу времени. За единицу активности принимают распад в секунду (распад/с).

Эта единица в системе Си получила название Беккерель (Бк). Один Беккерель соответствует одному распаду в секунду для любого радионуклида. Внесистемной единицей активности является кюри. Кюри (Kи) – это активность радиоактивного вещества, в котором распадается 3,7*1010 ядер в секунду. 1 Ки = 3,7*1010 Бк. Обычно пользуются единицами более мелкими - милликюри (мКи) и микрокюри (мкКи).

Различают экспозиционную, поглощенную и эквивалентную дозу излучения.

Экспозиционная доза – кулон на килограмм, (Кл/кг) характеризует действие ионизирующего излучения

Dэксп. = Q/m,

где Q - заряд одного знака образованный при радиоактивном облучении воздуха, Кл (кулон);

m - масса воздуха, кг.

Внесистемной единицей экспозиционной дозы излучения является рентген (Р).

1 рентген - доза радиоактивного излучения, которая в 1 см3 сухого воздуха при нормальных атмосферных условиях производит ионы, несущие заряд каждого знака в одну электростатическую единицу.

Важное значение для эффекта облучения имеет мощность дозы облучения. За внесистемную единицу мощности дозы облучения принят рентген в секунду (Р/с).

Мощность экспозиционной дозы (ампер на килограмм) определяется по формуле:

Рэксп = Dэксп /t ,

где t - время облучения.

Поглощенная доза излучения (Дж/кг) характеризует поглощающие свойства облучаемой среды и во многом зависит от вида излучения. Эта единица получила название грей (Гр).

Dпогл = E/m,

где Е - энергия излучения, Дж;

m - масса среды, поглотившей энергию, кг.

3а внесистемную единицу поглощенной дозы излучения принят рад. 1рад.=10-2Гр.

Более мелкими единицами является миллирад (мрад) и микрорад (мкрад).

Мощность поглощенной дозы, вт/кг

Рпогл = Dпогл/t .

Для оценки неодинакового биологического эффекта, вызываемого одной и той же дозой различных видов ионизирующих излучений, введено понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза радиоактивного излучения характеризуется поглощенной дозой излучения и коэффициентом относительной биологической эффективности, называемым коэффициентом качества (Кк) различных излучений при воздействии их на человека.

Dэкв = DпоглKk .

Единица эквивалентной дозы в системе СИ – Зиверт (Зв). Один Зиверт соответствует дозе в 1 Дж/кг (для рентгеновского, γ-, и β- излучений).

Единицей эквивалентной дозы излучения является бэр (биологический эквивалент рентгена).

Бэр – доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или гамма-излучения в 1 рентген.

Коэффициент качества для гамма- и рентгеновского излучения, бета частиц, электронов и позитронов ранен единице.

Эмпирическая формула для расчета среднего пробега в воздухе при нормальных условиях:

4Мэв< Е α < 7 МэВ

Средний пробег альфа-частиц в веществе

(формула Брэгга)

при известном атомном номере вещества-поглотителя

при известном пробеге альфа-частиц в воздухе с той же энергией

Бета-частицы- это поток электронов и позитронов. Заряд и масса у них одинаковы. Но отличается знак заряда. Кроме того, среднее время жизни электронов неограниченно долго, у позитронов – 10 -9 с. При аннигиляции они образуют два гамма-кванта: . Частицы от искусственных и естественных радионуклидов имеют энергию от 0 до 10 МэВ. Распределение бета-частиц по энергии называется бета-спектром. Зависимость количества бета-частиц после прохождения слоя вещества зависит от энергии бета-частиц и толщины поглотителя (3- при минимальной толщине поглотителя):

(0,15<Е β <0,8 МэВ)

(0,8<Е β <3 МэВ)

(Е β >0,5 МэВ) (Е β <0,5 МэВ)

Если толщина поглотителя намного меньше максимального пробега, то ослабление плотности потока происходит по закону экспоненты:

Ф(х)= Ф о ехр (-μх),

где х- толщина поглотителя, ; μ- массовый коэффициент п

Число частиц, прошедших через слой поглотителя, убывает с увеличением толщины поглотителя х по закону.