Проникающая способность излучений кратко

Обновлено: 25.06.2024

Д.А. Кривошеин, Л.А. Муравей, Н.Н. Роева, О.С. Шорина, Н.Д. Эриашвили, Ю.Г. Юровицкий, В.А. Яковлев
Экология и безопасность жизнедеятельности
Учебное пособие для вузов / Под ред. Л.А. Муравья. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2000. — 447 с.

Глава 19. Защита от ионизирующих излучений

19.1. Основные характеристики ионизирующих излучений

Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов различных знаков. Источники этих излучений широко используются в технике, химии, медицине, сельском хозяйстве и других областях, например, при измерении плотности почв, обнаружении течей в газопроводах, измерении толщины листов, труб и стержней, антистатической обработке тканей, полимеризации пластмасс, радиационной терапии злокачественных опухолей и др. Однако следует помнить, что источники ионизирующего излучения представляют существенную угрозу здоровью и жизни использующих их людей.

Существуют два вида ионизирующих излучений:

— корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа- и бета[19]-излучение и нейтронное излучение);

— электромагнитное (гамма(γ)-излучение и рентгеновское) с очень малой длиной волны.

Рассмотрим основные характеристики указанных излучений. Альфа(а)-излучение представляет собой поток ядер гелия, обладающих большой скоростью. Эти ядра имеют массу 4 и заряд +2. Они образуются при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. В настоящее время известно более 120 искусственных и естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская альфа-частицу, теряют 2 протона и 2 нейтрона.

Энергия альфа-частиц не превышает нескольких МэВ[20]. Излучаемые альфа-частицы движутся практически прямолинейно со скоростью примерно 20 000 км/с.

Под длиной пробега частицы в воздухе или других средах принято называть наибольшее расстояние от источника излучения, при котором еще можно обнаружить частицу до ее поглощения веществом. Длина пробега частицы зависит от заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. С возрастанием начальной энергии частицы и уменьшением плотности среды длина пробега увеличивается. Если начальная энергия излучаемых частиц одинакова, то тяжелые частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие. Если частицы движутся медленно, то их взаимодействие с атомами вещества среды более эффективно и частицы быстрее растрачивают имеющийся у них запас энергии.

Длина пробега альфа-частиц в воздухе обычно менее 10 см. Так, например, альфа-частицы с энергией 4 МэВ обладают длиной пробега в воздухе примерно в 2,5 см. В воде или в мягких тканях человеческого тела, плотность которых более чем в 700 раз превышает плотность воздуха, длина пробега альфа-частиц составляет несколько десятков микрометров. За счет своей большой массы при взаимодействии с веществом альфа-частицы быстро теряют свою энергию. Это объясняет их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию: при движении в воздушной среде альфа-частица на 1 см своего пути образует несколько десятков тысяч пар заряженных частиц – ионов.

Бета-излучение представляет собой поток электронов (β — -излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β + -излучение), возникающих при радиоактивном распаде. В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов.

Масса бета-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше массы альфа-частиц. В зависимости от природы источника бета-излучений скорость этих частиц может лежать в пределах 0,3 – 0,99 скорости света. Энергия бета-частиц не превышает нескольких МэВ, длина пробега в воздухе составляет приблизительно 1800 см, а в мягких тканях человеческого тела ~ 2,5 см. Проникающая способность бета-частиц выше, чем альфа-частиц (из-за меньших массы и заряда). Например, для полного поглощения потока бета-частиц, обладающих максимальной энергией 2 МэВ, требуется защитный слой алюминия толщиной 3,5 мм. Ионизирующая способность бета-излучения ниже, чем альфа-излучения: на 1 см пробега бета-частиц в среде образуется несколько десятков пар заряженных ионов.

Нейтронное излучение представляет собой поток ядерных частиц, не имеющих электрического заряда. Масса нейтрона приблизительно в 4 раза меньше массы альфа-частиц. В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1 КэВ), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 КэВ) и быстрые нейтроны (от 500 КэВ до 20 МэВ). Среди медленных нейтронов различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Тепловые нейтроны находятся по существу в состоянии термодинамического равновесия с тепловым движением атомов среды. Наиболее вероятная скорость движения таких нейтронов при комнатной температуре составляет 2200 м/с. При неупругом взаимодействии нейтронов с ядрами атомов среды возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц и гамма-квантов (гамма-излучение). При упругих взаимодействиях нейтронов с ядрами может наблюдаться обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у альфа- или бета-частиц. Так, длина пробега нейтронов промежуточных энергий составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов – соответственно 120 м и 10 см. Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения. Мощность нейтронного потока измеряется плотностью потока нейтронов (нейтр./см 2 • с).

Гамма-излучение (γ-излучение) представляет собой электромагнитное излучение с высокой энергией и с малой длиной волны[21]. Оно испускается при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Высокая энергия (0,01–3МэВ) и малая длина волны обусловливает большую проникающую способность гамма-излучения. Гамма-лучи не отклоняются в электрических и магнитных полях. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем альфа- и бета-излучение.

Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубах, в ускорителях электронов, в среде, окружающей источник бета-излучения, и др. Рентгеновские лучи представляют собой один из видов электромагнитного излучения. Энергия его обычно не превышает 1 МэВ.

В качестве примера определим длину волны γ -излучения с энергией 0,048 МэВ.

Используя известное соотношение 1 эВ = 1,602 • 10 -19 Дж, выразим энергию γ-излучения в джоулях:

Энергия γ-излучения определяется следующей формулой:

, (19.2)

где h – постоянная планка (h = 6,626 • 10 -34 Дж-с);

v – частота кванта электромагнитной энергии, гц;

с – скорость света (с ≈ 3,00 10 8 м/с);

λ – длина волны, м.

Рентгеновское излучение, как и гамма-излучение, обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.

Рассмотрим основные показатели и единицы измерения, применяемые для характеристики ионизирующих излучений. Как уже сказано выше, при распаде ядер атомов его продукты вылетают с большой скоростью. Встречая на своем пути ту или иную преграду, они производят в ее веществе различные изменения. Воздействие излучения на вещество будет тем больше, чем больше распадов происходит в единицу времени. Для характеристики числа распадов вводится понятие активности (А) радиоактивного вещества, под которым понимают число самопроизвольных ядерных превращений dN в этом веществе за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток времени:

А = . (19.3)

Единицей измерения активности является Кюри (Кu), соответствующая 3,7 • 10 10 ядерных превращений в секунду. Такая активность соответствует активности 1 г радия-226. Гораздо реже используется единица активности беккерель (Бк)

1 Кu = 3,7.10 11 Бк.

Для характеристики воздействия ионизирующего излучения на вещество введено понятие дозы излучения. Дозой излучения называется часть энергии, переданная излучением веществу и поглощенная им. Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения и вещества является поглощенная доза излучения (Д), равная отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе облученного вещества в этом объеме dm:

. (19.4)

Поглощенная доза является основной дозиметрической величиной. В системе СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр). 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг[22].

До недавнего времени за количественную характеристику только рентгеновского и гамма-излучения, основанную на их ионизирующем действии, принималась экспозиционная доза Х – отношение полного электрического заряда dQ ионов одного знака, возникающих в малом объеме сухого воздуха, к массе воздуха dm в этом объеме, т. е.

. (19.5)

Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является кулон на килограмм (Кл/кг)[23].

Для оценки возможного ущерба здоровья при хроническом воздействии ионизирующего излучения произвольного состава введено понятие эквивалентной дозы (Н). Эта величина определяется как произведение поглощенной дозы Д на средний коэффициент качества излучения Q (безразмерный) в данной точке ткани человеческого тела, т. е.:

(19.6)

Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт[24] (Зв). В табл. 19.1 представлены сведения о величинах коэффициента Q.

Существует еще одна характеристика ионизирующего излучения – мощность дозы Х (соответственно поглощенной, экспозиционной или эквивалентной), представляющая собой приращение дозы за малый промежуток времени dx, деленное на этот промежуток dt. Так, мощность экспозиционной дозы ( Х или W, Кл/кг-с) составит:

(19.7)

Аналогично рассчитывают мощность поглощенной (Гр/с) или эквивалентной (Зв/с) доз.

Биологическое действие рассмотренных излучений на организм человека различно.

Альфа-частицы, проходя через вещество и сталкиваясь с атомами, ионизируют (заряжают) их, выбивая электроны. В редких случаях эти частицы поглощаются ядрами атомов, переводя их в состояние с большей энергией. Эта избыточная энергия способствует протеканию различных химических реакций, которые без облучения не идут или идут очень медленно. Альфа-излучение производит сильное действие на органические вещества, из которых состоит человеческий организм (жиры, белки и углеводы). На слизистых оболочках это излучение вызывает ожоги и другие воспалительные процессы.

Под действием бета-излучений происходит радиолиз (разложение) воды, содержащейся в биологических тканях, с образованием водорода, кислорода, пероксида водорода Н₂О₂, заряженных частиц (ионов) ОН — и НО. Продукты разложения воды обладают окислительными свойствами и вызывают разрушение многих органических веществ, из которых состоят ткани человеческого организма.

Действие гамма- и рентгеновского излучений на биологические ткани обусловлено в основном образующимися свободными электронами. Нейтроны, проходя через вещество, производят в нем наиболее сильные изменения по сравнению с другими ионизирующими излучениями.

Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений сводится к изменению структуры или разрушению различных органических, веществ (молекул), из которых состоит организм человека. Это приводит к нарушению биохимических процессов, протекающих в клетках, или даже к их гибели[25], в результате чего происходит поражение организма в целом.

Различают внешнее и внутреннее облучение организма. Под внешним облучением понимают воздействие на организм ионизирующих излучений от внешних по отношению к нему источников. Внутреннее облучение осуществляется радиоактивными веществами, попавшими внутрь организма через дыхательные органы, желудочно-кишечный тракт или через кожные покровы. Источники внешнего излучения – космические лучи, естественные радиоактивные источники, находящиеся в атмосфере, воде, почве, продуктах питания и др., источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений, используемые в технике и медицине, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы (в том числе и аварии на ядерных реакторах) и ряд других.

Радиоактивные вещества, вызывающие внутреннее облучение организма, попадают в него при приеме пищи, курении, питье загрязненной воды. Поступление радиоактивных веществ в человеческий организм через кожу происходит в редких случаях (если кожа имеет повреждения или открытые раны). Внутреннее облучение организма длится до тех пор, пока радиоактивное вещество не распадется или не будет выведено из организма в результате процессов физиологического обмена. Внутреннее облучение опасно тем, что вызывает длительно незаживающие язвы различных органов и злокачественные опухоли.

При работе с радиоактивными веществами значительному облучению подвергаются руки операторов. Под действием ионизирующих излучений развивается хроническое или острое (лучевой ожог) поражение кожи рук. Хроническое поражение характеризуется сухостью кожи, появлением на ней трещин, изъязвлением и другими симптомами. При остром поражении кистей рук возникают отеки, омертвление тканей, язвы, на месте образования которых возможно развитие злокачественных опухолей.

Под влиянием ионизирующих излучений у человека возникает лучевая болезнь. Различают три степени ее: первая (легкая), вторая и третья (тяжелая).

Симптомами лучевой болезни первой степени являются слабость, головные боли, нарушение сна и аппетита, которые усиливаются на второй стадии заболевания, но к ним дополнительно присоединяются нарушения в деятельности сердечно-сосудистой системы, изменяется обмен веществ и состав крови, происходит расстройство пищеварительных органов. На третьей стадии болезни наблюдаются кровоизлияния и выпадение волос, нарушается деятельность центральной нервной системы и половых желез. У людей, перенесших лучевую болезнь, повышается вероятность развития злокачественных опухолей и заболеваний кроветворных органов. Лучевая болезнь в острой (тяжелой) форме развивается в результате облучения организма большими дозами ионизирующих излучений за короткий промежуток времени. Опасно воздействие на организм человека и малых доз радиации, так как при этом могут произойти нарушение наследственной информации человеческого организма, возникнуть мутации[26].

Нижний уровень развития легкой формы лучевой болезни возникает при эквивалентной дозе облучения приблизительно 1 Зв, тяжелая форма лучевой болезни, при которой погибает половина всех облученных, наступает при эквивалентной дозе облучения 4,5 Зв. 100%-ный смертельный исход лучевой болезни соответствует эквивалентной дозе облучения 5,5–7,0 Зв.

В настоящее время разработан ряд химических препаратов (протекторов), существенно снижающих негативный эффект воздействия ионизирующего излучения на организм человека.

— категория А – персонал, постоянно или временно работающий с источниками ионизирующих излучений;

— категория Б – ограниченная часть населения, которая по условиям размещения рабочих мест или по условиям проживания может подвергаться воздействию источников излучения;

— категория В – население страны, республики, края и области.

Для лиц категории А основным дозовым пределом является индивидуальная эквивалентная доза внешнего и внутреннего излучения за год (Зв/год) в зависимости от радиочувствительности органов (критические органы). Это предельно допустимая доза (ПДД) – наибольшее значение индивидуальной эквивалентной дозы за год, которое при равномерном воздействии в течение 50 лет не вызовет в состоянии здоровья персонала неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами.

Для персонала категории А индивидуальная эквивалентная доза (Н, Зв), накопленная в критическом органе за время Т (лет) с начала профессиональной работы, не должна превышать значения, определяемого по формуле: Н == ПДД · Т.

Кроме того, доза, накопленная к 30 годам, не должна превышать 12 ПДД.

Для категории Б установлен предел дозы за год (ПД, Зв/год), под которым понимают наибольшее среднее значение индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год у критической группы лиц, при котором равномерное облучение в течение 70 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами В табл. 19.2 приведены основные дозовые пределы внешнего и внутреннего облучений в зависимости от радиочувствительности органов.

[19] В литературе принято обозначать альфа- и бета-частицы с помощью соответствующих греческих букв – а-частицы и β-частицы.

[20] МэВ – единица энергии (мега-электрон-вольт), применяемая в атомной и ядерной физике. 1МэВ = 106 эВ (электрон-вольт). Для перевода значений энергии излучения в систему СИ пользуются следующими соотношениями: 1 эВ = 1,60206 • 10-19 Дж; 1 МэВ = 1,60206 • 10-13 Дж.

[21] Начиная от длины волны 2-10-2 нм в сторону коротких длин волн расположены гамма-лучи, возникающие при радиоактивном распаде атомов. Таким образом, электромагнитные излучения различного происхождения в этой области длин волн перекрываются, и их называют гамма-излучением или рентгеновским излучением в зависимости от источника.

[22] Ранее в качестве единицы поглощенной дозы использовался рад (рд). Он соответствовал поглощению в среднем 100 эрг.

[23] Внесистемной единицей дозы рентгеновского и гамма-излучения является рентген (р) – доза излучения, при которой суммарный заряд положительных или отрицательных ионов, образующихся в 1,293 • 10-6 кг воздуха, равен 0,33 • 10-9 кулонов. Это соответствует образованию 2,08 • 109 пар одновалентных ионов в 1 см3 воздуха при нормальных условиях (Т= 273 К, Р = 1,01325 • 105 Па) и связано с затратой энергии около 87 • 10-7 Дж/кг; 1P = 2,58 • 10-4 Кл/кг = 0,88 рад.

[24] Существует специальная единица эквивалентной дозы – биологический эквивалент рентгена (бэр). 1 бэр – это количество энергии любого вида излучения, поглощенного в биологической ткани, биологическое действие которого эквивалентно действию 1 рад рентгеновского или гамма-излучения; 1 Зв = 100 бэр.

[25] Биологическое действие ионизирующих излучений зависит от числа образовавшихся пар ионов, которое определяется поглощенной энергией излучения.

[26] Мутация – резкое наследственное изменение организмов, меняющее их основные признаки.

Различные виды излучения по-разному проходят через вещество.

Альфа-частицы и тяжелые ядра отдачи интенсивно теряют свою энергию на ионизацию и возбуждение, поэтому их пробеги в любом веществе невелики. Например, пробег a-частицы в целлюлозе не превышает нескольких десятков микрометров; даже слой бумаги (рис. 2.6) полностью поглощает a-частицы. Однако при обращении с большими количествами a-излучающих радионуклидов, распределенных в среде с Z

Глава 3

ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ

Дозиметрия – прикладная область радиационной физики, которая служит целям обеспечения радиационной безопасности человека при работе в полях ионизирующего излучения.

Основной физической величиной, характеризующей воздействие потока ионизирующего излучения на вещество, является поглощенная доза излучения. Поглощенная доза ионизирующего излучения в определенной точке вещества определяется как отношение средней энергии , переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, окружающем указанную точку, к массе dm вещества в этом объеме:

Единица поглощенной дозы – Дж/кг носит специальное наименование грей[4] (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг. Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад [5] равна 0.01 Гр.

Мощностью поглощенной дозы называют отношение приращения дозы dD за промежуток времени dt к этому промежутку времени:

Единица мощности поглощенной дозы – Гр/с. В практике радиационной безопасности рекомендуется использовать дольные единицы – мкГр/с, мГр/ч и др.

Величина поглощенной дозы показывает, сколько энергии передало излучение каждому элементу облучаемого вещества. То, как передается эта энергия, характеризует линейная передача энергии излучения веществу. Полная линейная передача энергии (ЛПЭ) – энергия, переданная ионизирующей частицей веществу на единице длины ее траектории, L:

Рис. 3.1. Треки заряженных частиц в воде

Поглощенная доза ионизирующего излучения формируется за счет передачи веществу энергии излучения заряженными частицами. В поле косвенно ионизирующего излучения поглощенная доза формируется в два этапа. На первом этапе энергия первичного излучения передается вторичным заряженным частицам, которые рождаются в результате взаимодействия первичного излучения с веществом. На втором этапе эти вторичные заряженные частицы передают веществу энергию, полученную от первичного излучения при своем рождении. При облучении потоком заряженных частиц энергия излучения передается веществу непосредственно во взаимодействиях этих частиц с атомами и молекулами. Поглощенная доза в точке прямо пропорциональна флюенсу излучения вида R, прошедшему в ее окрестности:

где Ф(Е)_R – флюенс излучения вида R в интересующей нас точке вещества; d(E)_R – коэффициент дозового преобразования этого излучения, равный дозе, поглощенной в веществе в результате прохождения через него единицы флюенса излучения вида R. Суммирование производится по всем энергиям спектра излучения. Аналогично определяется и мощность дозы того же излучения:

где j(Е)_R – плотность потока излучения вида R в интересующей нас точке вещества.

Рассмотрим подробнее поле излучения точечного изотропного источника фотонов в веществе. Известно, что флюенс излучения в веществе меняется в зависимости от расстояния до источника. В основе этого явления лежат два процесса:

– распространение нерассеянного излучения в веществе, подобное распространению излучения в вакууме;

– взаимодействие фотонов с веществом, приводящее к поглощению первичного излучения.

Процесс распространения нерассеянного излучения точечного изотропного источника подчиняется закону квадрата расстояния, который характеризует геометрическое уменьшение плотности потока излучения (рис. 3.2):

где r – расстояние от источника.

Взаимодействие фотонов с веществом является случайным процессом, поэтому распространение первичного излучения в веществе поглотителя подчиняется экспоненциальному закону (рис. 3.3)

Рис. 3.2. Закон квадрата расстояния

где c – толщина поглотителя; – коэффициенты ослабления для различных материалов.

Рис. 3.3. Закон экспоненциального ослабления

Рис. 3.4. Коэффициент ослабления фотонного излучения в воде и коэффициент дозового преобразования для поглощенной дозы в воде как функции энергии фотонов

ДСП нейтронов спектра деления в воде равна примерно 8 см (в свинце – 14 см). Длины свободного пробега медленных и тепловых нейтронов в биологической ткани еще меньше, поэтому рассеянное излучение играет существенную роль в формировании дозы нейтронов в биологической ткани. Это затрудняет расчет доз нейтронов в веществе. Рассмотрение этого вопроса выходит за рамки данного пособия.

Рассмотрим подробнее формирование дозы фотонного излучения точечного изотропного источника.

Флюенс нерассеянного излучения точечного изотропного источника в некоторой точке пространства определяется несколькими факторами (рис. 3.5):

– числом частиц с энергией E_i, испускаемых источником в единицу времени, A₀×n(E_i) (A₀ – активность источника, n(E_i) – спектр излучения источника);

– временем облучения, t;

– толщиной поглотителя, расположенного между источником и детектором и рассеивающего первичное излучение, c;

– коэффициентом ослабления первичного излучения в
поглотителе, m(E_i);

– расстоянием между источником излучения и точкой его детектирования, в которой определяется доза излучения, r.

Рис. 3.5. Флюенс излучения точечного изотропного источника

В большинстве случаев вкладом рассеянного облучения в дозу можно пренебречь. В этом случае флюенс точечного изотропного источника в выбранной точке пространства следующим образом зависит от вышеперечисленных факторов:

Первый сомножитель[6] в (3.8) равен числу частиц с энергией E_i, которые были испущены источником за время облучения. Он иллюстрирует принцип защиты временем, который заключается в том, что чем меньше время облучения, тем меньше доза облучения. Второй сомножитель отражает закон экспоненциального ослабления первичного излучения. Он иллюстрирует принцип защиты экранированием, который заключается в том, что чем толще слой поглотителя, экранирующего источник, тем меньше доза облучения. Третий сомножитель отражает закон геометрического ослабления первичного излучения. Он иллюстрирует принцип защиты расстоянием, который заключается в том, что чем дальше облучаемый объект (например, человек) находится от источника, тем меньше доза его облучения.

Оценка флюенса, полученная указанным выше способом, может служить первым этапом быстрого, хотя и не слишком точного расчета дозы внешнего фотонного излучения. На втором этапе оценка флюенса используется для оценки доз облучения органов и тканей тела человека вместе с дополнительной информацией о типе и энергии излучения, а также о направленности его поля. Означенные параметры определяют значения коэффициентов дозового преобразования для доз облучения органов и тканей тела человека. Неточность информации об этих параметрах радиационного воздействия является основным источником неопределенности оценки доз. Оценка коэффициентов дозового преобразования является непростой задачей. Их величина определяется не только тем, как взаимодействует излучение с веществом в теле человека, но также и тем, какие биологические эффекты излучения мы собираемся анализировать с помощью полученной дозиметрической информации.

Что происходит с энергией излучения, переданной веществу? Каковы последствия воздействия излучения на человека и как использовать дозиметрические данные для их оценки? Ответ на этот вопрос дает специальная область – радиационная биология.

Глава 4

Различные виды излучения по-разному проходят через вещество.

Глава 3

ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ

Рис. 3.1. Треки заряженных частиц в воде

где j(Е)_R – плотность потока излучения вида R в интересующей нас точке вещества.

– распространение нерассеянного излучения в веществе, подобное распространению излучения в вакууме;

– взаимодействие фотонов с веществом, приводящее к поглощению первичного излучения.

где r – расстояние от источника.

Рис. 3.2. Закон квадрата расстояния

где c – толщина поглотителя; – коэффициенты ослабления для различных материалов.

Рис. 3.3. Закон экспоненциального ослабления

Рассмотрим подробнее формирование дозы фотонного излучения точечного изотропного источника.

– временем облучения, t;

– коэффициентом ослабления первичного излучения в
поглотителе, m(E_i);

Рис. 3.5. Флюенс излучения точечного изотропного источника

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
биологическое действие радиации: 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: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
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

характеристика	Вид радиации
характеристика	Альфа излучение	Нейтронное излучение	Бета излучение	Гамма излучение	Рентгеновское излучение
излучаются	два протона и два нейтрона	нейтроны	электроны или позитроны	энергия в виде фотонов	энергия в виде фотонов
проникающая способность	низкая	высокая	средняя	высокая	высокая
облучение от источника	до 10 см	километры	до 20 м	сотни метров	сотни метров
скорость излучения	20 000 км/с	40 000 км/с	300 000 км/с	300 000 км/с	300 000 км/с
ионизация, пар на 1 см пробега	30 000	от 3000 до 5000	от 40 до 150	от 3 до 5	от 3 до 5
биологическое действие радиации	высокое	высокое	среднее	низкое	низкое

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.

Коэффициент k
Вид излучения и диапазон энергий	Весовой множитель
Фотоны всех энергий (гамма излучение)	1
Электроны и мюоны всех энергий (бета излучение)	1
Нейтроны с энергией 20 МэВ (нейтронное излучение)	5
Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи)	5
Альфа-частицы, осколки деления и другие тяжелые ядра (альфа излучение)	20

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

Видео: Виды радиации

Проникающая способность ионизирующих излучений, то есть глубина их проникновения в вещество, зависит не только от перечисленных выше их характеристик, но и от состава и плотности облучаемого вещества. Она минимальна в материалах, обладающих высокой плотностью, подобных бетону, стали, свинцу, которые обычно используют в качестве защиты от излучений, и максимальна в воздухе (имеются в виду естественные компоненты среды).

Проникая в вещество, ядерные излучения вступают во взаимодействие с его атомами и молекулами по вышеописанным явлениям фотоэлектрического поглощения, комптоновского рассеяния электрическими полями, поглощения ядрами, отталкивания от них и другими. При этом основная часть энергии расходуется на возбуждение электронов, ионизацию атомов и молекул вещества, преобразуясь в кинетическую энергию вторичных электронов и энергию вторичного электромагнитного излучения.

Следует подчеркнуть, если корпускулярное излучение непосредственно само вызывает ионизацию, то электромагнитное - косвенно, так как ионизирующие частицы, при облучении рентгеновским или гамма-излучением, возникают лишь при взаимодействии их фотонов с веществом.

Электромагнитные излучения проникают в вещество, в том числе и в живую ткань, очень глубоко. Более того, каким бы плотным ни было вещество, какой бы ни была его толщина, поглотить полностью фотоны теоретически нельзя. Их можно лишь ослабить. В радиобиологии существует понятие линейного коэффициента ослабления электромагнитного излучения, который представляет собой величину относительного его уменьшения после прохождения слоя вещества толщиной в 1 сантиметр. В таблице 3 приведены значения этого коэффициента при прохождении гамма-излучения трёх разных энергий через некоторые вещества и материалы. Как видим, его величина прямо пропорциональна плотности вещества или материала и обратно пропорциональна энергии излучения. Поэтому, зная эти показатели, нетрудно его рассчитать.

Проникающая способность заряженных альфа-, бета- и других частиц значительно меньше. Она также определяется в первую очередь их энергией, но в значительной степени зависит от массы и скорости движения. Проходя через вещество, заряженные частицы очень быстро теряют свои кинетические свойства. Так, альфа-частицы с энергией 4 - 8,8 МэВ проникают в живые ткани всего на глубину 30-100 мкм. Бета-частицы, обладающие меньшей массой, но большей скоростью, медленнее тратят свою энергию на ионизацию и поэтому их пробег в ткани больше. Так, бета-частицы радиоактивного фосфора ³²Р, обладающие энергией 1,7 МэВ, проникают в ткань на глубину 8 мм, а радиоактивного калия ⁴²К, энергия бета-излучения которого составляет 3,56 МэВ, - на 19 мм.

О высокой проникающей способности незаряженных частиц (нейтронов) уже говорилось.

Важное различие во взаимодействии с веществом электромагнитного и корпускулярного излучений состоит ещё и в том, что если фотоны рентгеновского и гамма-излучений на всём пути своего движения равномерно ионизируют его, то поток заряженных частиц, например альфа-частиц, постепенно теряя энергию и скорость, вызывает неравномерную ионизацию - с замедлением частицы она возрастает и достигает максимума в конце пути (рис. 7). Эта, характерная для любой заряженной частицы, зависимость получила название кривой Брегга.

Число пар ионов, возникающих на единице пути частицы или фотона в веществе, называют плотностью ионизации, или удельной ионизацией. Удельная ионизация альфа-частиц самая высокая из всех ионизирующих излучений. Пробегая в воздухе расстояние до 10 см, она на каждом сантиметре пути образует несколько десятков тысяч пар ионов, в то время как бета-частица, пробегая в воздухе до 25 метров, вызывает образование на 1 см пробега всего 50-100 пар ионов. Примерно такую же степень ионизации индуцируют фотоны рентгеновского и гамма-излучений, длина пробега которых в воздухе измеряется сотнями метров. В таблице 2 приведены значения средней плотности ионизации для некоторых типов излучений при пробеге в воде.

Отдача энергии по всей длине пробега называется линейной передачей (иногда встречается "потерей" и "переносом") энергии (ЛПЭ). Единица ЛПЭ равна количеству энергии, теряемой первичной ионизирующей частицей на единице длины её пробега. Её величина играет важную роль в проявлении радиобиологических реакций организма.

В статье использован материал из книги "Основы общей и сельско-хозяйственной радиобиологии", Киев, издательство УСХА 1991 г. Благодарю за внимание!

Что такое радиоактивность в физике

Любой атом имеет ядро и вращающиеся вокруг него отрицательные заряженные частицы - электроны.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Причем число протонов всегда одинаково и соответствует порядковому номеру химического элемента в периодической системе Менделеева. Ядра, в которых количество нейтронов отличается, называются изотопами.

Некоторые атомные ядра могут превращаться в разные изотопы с выделением элементарных частиц или легких ядер. Собственно этот процесс и называется радиоактивностью.

Можно дать такое определение этому явлению: способность атомного ядра бесконтрольно распадаться с испусканием проникающих частиц.

Распад ядер возможен в том случае, если он сопровождается выделением энергии. Сегодня известно около 3 тыс. атомных ядер. Из них не являются радиоактивными всего лишь 264.

В физике существуют такие виды радиоактивного распада:

α-распад с выделением α-частицы;

β-распад с испусканием электрона и антинейтрино, позитрона и нейтрино, а также поглощение ядром электрона с выделением нейтрино;

γ-распад - излучение атомным ядром кванта ионизирующих лучей;

бесконтрольное деление ядра на осколки.

Альфа-излучение

Это поток ядер атомов гелия, имеющих положительный заряд. Возникает из-за распада атомов урана, тория или радия.

Их пробег очень короток (до 8 сантиметров в воздухе). Это означает, что их может задержать бумажный листок.

Вещества, которые испускают эти частицы, имеют большой период полураспада. Попадая в организм, они накапливаются в селезенке или лимфатических узлах и вызывают облучение.

Альфа-частицы опасны: они создают значительное количество ионов. Сами же альфа-частицы распространяются в тело на доли миллиметра.

Бета-излучение

Являет собой поток электронов (частиц с отрицательным зарядом) или позитронов (соответственно, с положительным зарядом). Электрон образуется при превращении нейтрона в протон, а позитрон – в процессе обратного превращения.

Электроны намного меньше ядра атомов гелия. Они могут проникать в тело человека примерно на 15 см. Попадая на кожу живого организма, частицы вызывают сильные ожоги. Чтобы оградиться от бета-излучения, достаточно тонкого оргстекла. Если вещество, излучающее электроны или позитроны, попадет в организм, то оно будет облучать ткани.

Бета-излучение применяется в медицине в качестве лучевой терапии.

Гамма-излучение

Это волны с огромной энергией, образующиеся внутри ядра.

Возникает при:

переходе его из возбужденного состояния в стабильное;

аннигиляции электрона и позитрона.

Гамма-лучи могут проходить значительные расстояния, постепенно теряя свою энергию. Они обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью.

Очень интенсивное излучение повреждает не только кожу, но и внутренние органы человека. Особая его опасность в том, что оно способно поражать ДНК, вызывая раковые новообразования.

Чтобы ослабить поток гамма-излучения, достаточно использовать вещества с высоким массовым числом атома и плотные составы.

Нейтронное излучение

Оно являет собой поток нейтронов, без заряда, не имеющих ионизирующего воздействия. Проявляется в результате рассеивания на атомных ядрах вещества.

Вещества, облученные нейтронами, могут обретать радиоактивные характеристики. Это свойство называется наведенной радиоактивностью.

Нейтроны отличаются наибольшей проникающей характеристикой. От них можно защититься материалами, содержащими атомы водорода. Излучение быстрых нейтронов губительно для всего живого в радиусе 2,5 км.

Рентгеновское излучение

Оно имеет внеядерное происхождение. Его источник – рентгеновская трубка и некоторые радиоактивные нуклиды. Рентгеновские лучи возникают в результате сильного ускорения заряженных частиц или в результате переходов в электронных оболочках атомов.

Рентгеновская трубка имеет катод и анод. При нагревании катода происходит излучение электронов. Движение этих частиц ускоряется электромагнитным полем, и частицы падают на анод, резко снижая скорость. Вследствие этого и возникают рентген-лучи.

Рентген-излучение, проходящее сквозь вещество, рассеиваются либо поглощается. Это их свойство используется в медицине.

Какое излучение самое опасное

Наиболее опасным является излучение нейтронов. Оно может пройти толщину вещества до 10 см. Приблизившись к ядру, нейтрон только отклоняется. А при столкновении с протоном нейтрон передает ему половину внутренней энергии, и последний увеличивает свою скорость, вызывая ионизацию.

Именно эти быстрые протоны разрушают весь организм. От наведенной нейтронной радиации нельзя избавиться.

Второе место в рейтинге опасности – гамма-излучение, обладающее высокой проникающей способностью.

В природе существует много разновидностей радиационного излучения. Не каждое их них опасно для здоровья. Соблюдая меры предосторожности, можно защитить себя от вредных лучей.

Читайте также: