Под «радиацией» понимают любые разновидности излучений, существующих в природе. Радиоволны, солнечный свет, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение – это тоже радиация. Нейтронное, альфа-, бета-, гамма-излучения обладают наибольшей опасностью.
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:
- распаде ядра;
- переходе его из возбужденного состояния в стабильное;
- взаимодействии ионов;
- 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.
Виды радиоактивных излучений
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.
Виды 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 | ||||
| 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 < 10 КэВ (нейтронное излучение) | 5 |
| Нейтроны от 10 до 100 КэВ (нейтронное излучение) | 10 |
| Нейтроны от 100 КэВ до 2 МэВ (нейтронное излучение) | 20 |
| Нейтроны от 2 МэВ до 20 МэВ (нейтронное излучение) | 10 |
| Нейтроны > 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
Что такое ионизирующее излучение?
Ионизирующее излучение представляет собой поток частиц, способных вызывать ионизацию вещества.
При ионизации происходит отрыв электрона или нескольких электронов от атома, или молекулы, которые при этом превращаются в положительно заряженные ионы.
Оторванные от атомов или молекул электроны могут присоединяться другими атомами, или молекулами, образуя отрицательно заряженные ионы.
Разряд заряженного электрометра, находящегося в воздухе, происходящий независимо от качества электрической изоляции прибора, заметил еще Шарль Кулон в 1785 г., но только в XX веке удалось объяснить обнаруженные им закономерности действием космических лучей, представляющих собой одну из составляющих естественного ионизирующего излучения.
Результат действия ионизирующего излучения называют облучением. Несмотря на многообразие явлений, которые возникают в веществе под действием ионизирующего излучения, оказалось, что облучение может быть охарактеризовано единой величиной, называемой дозой облучения.
Действие ионизирующего излучения в широком диапазоне доз скрыто от непосредственных ощущений человека и поэтому оно кажется ему одним из наиболее опасных факторов воздействия.
В быту и в некоторых отраслях науки, техники и медицины ионизирующее излучение принято называть просто радиацией. Строго говоря, это не совсем верно, т.к.
сам по себе термин «радиация» охватывает все виды излучения, включая самые длинные радиоволны и потоки частиц любой сколь угодно малой энергии, а также волны деформации в веществе, например, звуковые волны.
Тем не менее, употребление слова «радиация» применительно к ионизирующему излучению настолько вошло в привычку, что в науке прижились термины, сформированные на его основе, такие, как, например, радиология (наука о медицинских применениях ионизирующего излучения), радиационная защита (наука о методах снижения доз облучения до приемлемых уровней), естественный радиационный фон, и т.п.
Виды ионизирующих излучений
Ионизирующее излучение (ИИ) — поток микрочастиц или электромагнитные поля, способные ионизировать вещество. В жизни, под ионизирующим излучением понимают проникающую радиацию — поток гамма-лучей и частиц (альфа, бета, нейтронов и др.).
Это, по сути, поток элементарных частиц, ионов и электромагнитных волн, не видимых и не ощущаемых человеком. Однако, их действие может быть коварно.
При определенном уровне облучения нарушаются биохимические и физические процессы в живых организмах. Это воздействие может привести к лучевой болезни и даже к смерти.
Различные виды ионизирующего излучения различают по их ионизирующей и проникающей способности.
Чаще всего ионизирующие излучения делят на:
- корпускулярное ионизирующее излучение и
- электромагнитное (фотонное) ионизирующее излучение.
Корпускулярное ИИ состоит из частиц вещества – элементарных частиц и ионов, в т.ч. ядер атомов. Корпускулярное ИИ делят на:
- заряженные частицы, в том числе,
- легкие заряженные частицы (электроны и позитроны);
- тяжелые заряженные частицы (мюоны, пионы и другие мезоны, протоны, заряженные гипероны, дейтроны, альфа-частицы, и другие ионы);
- электрически нейтральные частицы (нейтрино, нейтральные пионы и другие мезоны, нейтроны, нейтральные гипероны).
Альфа-излучение (поток ядер гелия, возникающий в результате альфа распада ядер элементов) обладает высокой ионизирующей, но слабой проникающей способностью: пробег альфа-частиц в сухом воздухе при нормальных условиях не превышает 20 см, а в биологической ткани – 260 мкм. То есть слой воздуха 9-10 см, верхняя одежда, резиновые перчатки, марлевые повязки, даже бумага полностью защищают организм от внешних потоков альфа-частиц.
*Попадание источников альфа-частиц внутрь организма с воздухом, водой и пищей уже очень опасно.
Бета-излучение (поток электронов или позитронов, возникающий в результате бета-распада ядер) имеет меньшую ионизирующую способность, чем альфа-излучение, но большую проникающую способность.
Поскольку максимальные энергии бета-частиц не превышают 3 МэВ, то от них гарантированно защитит оргстекло толщиной 1,2 см, либо слой алюминия в 5,2 мм.
А вот на ускорителе с максимальной энергией электронов 7 МэВ от электронов защитит слой алюминия в 1,5 см, либо слой бетона шириной в 2 см.
Гамма-излучение — сопутствующее ядерным превращениям электромагнитное излучение. Сегодня к гамма-излучению относят также жесткое рентгеновское излучение. Обладает очень высокой проникающей способностью.
Оградить себя от гамма-излучения практически невозможно, однако можно ослабить его до приемлемого уровня.
Защитные средства, обладающие экранирующим действием от такого рода радиации, выполняются из свинца, чугуна, стали, вольфрама и других металлов с высоким порядковым номером.
*Интенсивность гамма лучей (Cs-137) уменьшают в два раза сталь толщиной 2,8 см., бетон – 10 см., грунт – 14 см., дерево – 30 см.
Нейтронное излучение – поток нейтронов – тяжелых частиц, входящих в состав ядра. Для защиты от этого излучения можно использовать убежища, противорадиационные укрытия, дооборудованные подвалы и погреба. Потоки нейтронов, как и потоки гамма-излучения невозможно полностью экранировать.
Быстрые нейтроны сначала надо замедлить в воде, полиэтилене, парафине, можно в бетоне, а затем их необходимо поглотить, например, в кадмиевой фольге, за которой должен стоять достаточный слой свинца, чтобы экранировать возникающее при захвате нейтронов ядрами кадмия высокоэнергетическое гамма-излучение.
Поэтому защита от нейтронов, как правило, делается комбинированной.
3.2.5. Виды ионизирующего излучения и основные понятия дозиметрии — Энергетика: история, настоящее и будущее
Важным свойством радиоактивности является ионизирующее излучение. Опасность этого явления для живого организма исследователи обнаружили с самого начала открытия радиоактивности. Так, А. Беккерель и М. Кюри-Склодовская, изучавшие свойства радиоактивных элементов, получили сильнейшие ожоги кожи от излучения радия.
Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков.
Различают следующие виды ионизирующих излучений: α-,β-излучение, фотонное и нейтронное излучение. Ультрафиолетовое излучение и видимую часть светового спектра не относят к ионизирующим излучениям.
Указанные выше виды излучения имеют различную проникающую способность (рис. 3.6), зависящую от носителя и энергии излучения.
Энергию излучения измеряют в электрон-вольтах (эВ). За 1 эВ принята энергия, которую приобретает электрон при перемещении в ускоряющем электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В.
На практике чаще применяются десятичные кратные единицы: килоэлектрон-вольт (1 кэВ = 103эВ) и мегаэлектронвольт (1 МэВ = 10эВ).
Связь электрон-вольта с системной единицей энергии Дж задается выражением: 1 эВ = 1,6·10-19Дж.
Рис. 3.6. Виды радиоактивных излучений и их проникающая способность
Альфа-излучение (α-излучение) – ионизирующее излучение, представляющее собой поток относительно тяжелых частиц (ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов), испускаемых при ядерных превращениях. Энергия α-частиц составляет порядка нескольких мегаэлектрон-вольт и различна для разных радионуклидов. При этом некоторые радионуклиды испускают α-частицы нескольких энергий.
Этот вид излучения, имея малую длину пробега частиц, характеризуется слабой проникающей способностью, задерживаясь даже листком бумаги. Например, пробег α-частиц с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 2,5 см, а в биологической ткани лишь 31 мкм.
Излучение практически не способно проникнуть через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками.
Поэтому α-излучение не опасно до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие альфа-частицы, не попадут внутрь организма через органы дыхания, пищеварения или через открытые раны и ожоговые поверхности.
Степень опасности радиоактивного вещества зависит от энергии испускаемых им частиц. Поскольку энергия ионизации одного атома составляет единицы–десятки электрон-вольт, каждая α-частица способна ионизировать до 100000 молекул внутри организма.
Бета-излучение – поток β-частиц (электронов и позитронов), обладающих большей проникающей способностью в сравнении сα-излучением.
Испускаемые частицы имеют непрерывный энергетический спектр, распределяясь по энергии от нуля до определенного максимального значения, характерного для данного радионуклида.
Максимальная энергияβ-спектра различных радионуклидов лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ.
Пробег β-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. Так, пробег электронов с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 17,8 м, а в биологической ткани 2,6 см. Однако они легко задерживаются тонким листом металла. Как и источники α-излучения, β-активные радионуклиды более опасны при попадании внутрь организма.
Фотонное излучение включает в себя рентгеновское и гамма-излучение (γ-излучение). После радиоактивного распада атомное ядро конечного продукта часто оказывается в возбужденном состоянии.
Переход ядра из этого состояния на более низкий энергетический уровень (в нормальное состояние) происходит с испусканием гамма-квантов.
Таким образом, γ-излучение имеет внутриядерное происхождение и представляет собой довольно жесткое электромагнитное излучение с длиной волны 10-8–10-11 нм.
Энергия кванта γ-излучения Е (в эВ) связана с длиной волны соотношением
где λ выражена в нанометрах (1 нм = 10-9м).
Распространяясь со скоростью света, γ-лучи имеют высокую проникающую способность, значительно большую, чем α и β — частицы. Их может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. Чем выше энергияγ-излучения и соответственно меньше длина его волны, тем выше проникающая способность. Обычно энергия гамма-квантов лежит в диапазоне от нескольких кэВ до нескольких МэВ.
В отличие от γ-излучения рентгеновское имеет атомное происхождение, Оно образуется в возбужденных атомах при переходе электронов с удаленных орбит на более близкую к ядру орбиту или возникает при торможении заряженных частиц в веществе.
Соответственно первое имеет дискретный энергетический спектр и называется характеристическим, второе – непрерывный спектр и называется тормозным. Диапазон энергий рентгеновского излучения – от сотен электрон-вольт до десятков килоэлектрон-вольт.
Несмотря на различное происхождение этих излучений, природа их одинакова, и поэтому рентгеновское и γ–излучение называют фотонным излучением.
Под действием фотонного излучения происходит облучение всего организма. Оно является основным поражающим фактором при воздействии на организм излучения от внешних источников.
Нейтронное излучение возникает при делении тяжелых ядер и в других ядерных реакциях.
Источниками нейтронного излучения на АЭС являются ядерные реакторы, плотность потока нейтронов в которых составляет 1010–1014 нейтронов/(см·с); изотопные источники, содержащие естественные или искусственные радионуклиды, смешанные с веществом, испускающим нейтроны под влиянием бомбардировки егоα-частицами или γ-квантами. Такие источники применяют для градуировки контрольно-измерительной аппаратуры. Они дают потоки порядка 107–108 нейтронов/с.
В зависимости от энергии нейтроны подразделяют на следующие типы: медленные, или тепловые (со средней энергией∼0,025 эВ); резонансные (с энергией до 0,5 кэВ); промежуточные (с энергией от 0,5 кэВ до 0,5 МэВ); быстрые (с энергией от 0,5 до 20 МэВ); сверхбыстрые (с энергией свыше 20 МэВ).
При взаимодействии нейтронов с веществом наблюдаются два типа процессов: рассеяние нейтронов и ядерные реакции, в том числе вынужденное деление тяжелых ядер.
Именно с последним видом взаимодействий связано возникновение цепной реакции, происходящей при атомном взрыве (неуправляемая цепная реакция) и в ядерных реакторах (управляемая цепная реакция) и сопровождающейся выделением огромных количеств энергии.
Проникающая способность нейтронного излучения сравнима с γ-излучением. Тепловые нейтроны эффективно поглощаются материалами, содержащими бор, графит, свинец, литий, гадолиний и некоторые другие вещества; быстрые нейтроны эффективно замедляются парафином, водой, бетоном и др.
Основные понятия дозиметрии. Имея разную проникающую способность, ионизирующие излучения различных типов оказывают различное воздействие на ткани живого организма. При этом повреждений, вызываемых излучением, будет тем больше, чем большая энергия воздействует на биологический объект. Количество энергии, переданное организму при ионизирующем воздействии, называется дозой.
Физической основой дозы ионизирующего излучения является преобразование энергии излучения в процессе его взаимодействия с атомами или их ядрами, электронами и молекулами облучаемой среды, в результате которого часть этой энергии поглощается веществом. Поглощенная энергия является первопричиной процессов, приводящих к наблюдаемым радиационно-индуцированным эффектам, и потому дозиметрические величины оказываются связанными с поглощенной энергией излучения.
Дозу облучения можно получить от любого радионуклида или от их смеси независимо от того, находятся они вне организма или внутри него в результате попадания с пищей, водой или воздухом. Дозы рассчитываются по-разному с учетом того, каков размер облученного участка и где он расположен, один ли человек подвергся облучению или группа людей и в течение какого времени это происходило.
Количество энергии, поглощенное единицей массы облучаемого организма, называется поглощенной дозой и измеряется в системе СИ в греях (Гр). Размерность грея – джоуль, деленный на килограмм массы (Дж/кг).
Однако величина поглощенной дозы не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе α-излучение и нейтронное излучение гораздо опаснее, чем β-излучение илиγ-излучение.
Поэтому для более точной оценки степени поражения организма величину поглощенной дозы надо увеличить на некоторый коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать биологические объекты. Такой коэффициент называется радиационным взвешивающим фактором.
Его величина для β и γ-излучений принимается равной 1, для α-излучения – 20, для нейтронного излучения изменяется в диапазоне 5–20 в зависимости от энергии нейтронов.
Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой, которая в системе СИ измеряется в зивертах (Зв). Размерность зиверта такая же, как у грея – Дж/кг.
Доза, полученная за единицу времени, классифицируется в системе СИ как мощность дозы и имеет размерность Гр/с или Зв/с.
В системе СИ допустимо применение несистемных единиц измерения времени, таких как час, сутки, год, поэтому при расчете доз применяют такие размерности, как Зв/ч, Зв/сут, Зв/год.
До сих пор в геофизике, геологии и частично в радиоэкологии применяется несистемная единица дозы – рентген. Эта величина была введена в употребление еще на заре атомной эры (в 1928 г.) и использовалась для измерения величины экспозиционной дозы.
Рентген равен такой дозеγ-излучения, которая создает в одном кубическом сантиметре сухого воздуха общий заряд ионов, равный одной единице электрического заряда.
При измерении в воздухе экспозиционной дозыγ-излучения используются соотношения между рентгеном и греем: 1 Р = 8,77 мДж/кг или 8,77 мГр. Соответственно 1 Гр = 114 Р.
В дозиметрии сохранилась еще одна внесистемная единица – рад, равная поглощенной дозе облучения, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию, равную 0,01 Дж. Соответственно I рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр. В настоящее время эта единица выходит из употребления.
Рис. 3.7. Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела
При расчете доз, получаемых организмом, следует учитывать, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны к облучению, чем другие. В частности, при одинаковой эквивалентной дозе поражение легких более вероятно, чем, например, щитовидной железы. Междуна
родной комиссией по радиационной защите (МКРЗ) были разработаны пересчетные коэффициенты, которые рекомендуется использовать при оценке дозы облучения различных органов и биологических тканей человека (рис. 3.7).
После умножения величины эквивалентной дозы для данного органа на соответствующий коэффициент и суммирования ее по всем органам и тканям получают эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект от облучения на организм. Эта доза также измеряется в зивертах. Описанное понятие дозы характеризует лишь индивидуально получаемые дозы.
При необходимости изучения эффектов действия радиации на группу людей используется понятие коллективной эффективной эквивалентной дозы, которая равна сумме индивидуальных эффективных эквивалентных доз и измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв).
Поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и будут действовать на население в отдаленном будущем, коллективную эффективную эквивалентную дозу от подобных источников будут получать еще многие поколения людей, живущих на планете.
Для оценки указанной дозы введено понятие ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозы, которая позволяет прогнозировать поражение группы людей от действия постоянных источников радиации.
Для наглядности описанная выше система понятий проиллюстрирована на рис. 3.8.
Рис. 3.8. Обобщенное представление системы понятий о дозах радиационного облучения населения
Сведения по ядерной физике. Проникающая способность и защита
Расстояние, на которое ионизирующее излучение может проникать в вещество, называется его проникающей способностью. Оно зависит от энергии излучения и свойств вещества, через которое излучение проникает.
Альфа — излучение
Из-за относительно большого размера и электрического заряда, альфа-частицы вступают во взаимодействие со всеми встреченными на пути атомами и, теряя энергию, легко тормозятся при контакте с веществом. В воздухе их пробег равен нескольким сантиметрам. Толстый лист бумаги остановит частицу полностью.
В живой человеческой ткани пробег частицы — меньше чем 0,7 мм. Альфа-излучение, воздействующее на незащищенную часть тела, не может проникнуть даже через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками, и не причиняет вреда организму.
Поэтому альфа-излучение опасно только тогда, когда альфа-частицы попадают внутрь организма (с воздухом, питьевой водой и пищевыми продуктами) и напрямую воздействуют на клетки органов, вызывая их повреждения.
Бета — излучение
Проникающая способность бета-частицы значительно больше чем альфа-частицы, потому что электрический заряд бета-частицы — вдвое меньше заряда альфа-частицы. Кроме того, масса бета-частицы — приблизительно в 7000 раз меньше массы альфа-частицы.
Из-за ее маленькой массы и маленького заряда ионизация, вызванная бета-частицей меньше, и, как следствие, энергия бета-частицы расходуется на более значительном расстоянии.
Проникающая способность бета-частицы в воздухе изменяется от 0,1 до 20 метров в зависимости от начальной энергии частицы.
В большинстве случаев защитные очки и средства индивидуальной защиты (СИЗ — костюм, ботинки, перчатки, головной убор) обеспечивают достаточную защиту от внешнего облучения организма бета-частицами. Большой риск облучения бета-частицами связан с попаданием их вовнутрь организма при приеме пищи вследствии нарушения гигиенических правил.
Гамма-излучение
Защититься от воздействие гамма-излучения сложнее, чем от воздействия альфа- и бета- частиц. Проникающая способность его очень высока, и гамма-излучение способно насквозь пронизывать живую человеческую ткань.
Нельзя однозначно заявлять, что некоторая толщина некоторого вещества полностью остановит действие гамма-излучения. Часть излучения будет остановлена, а часть его — нет. Однако, чем более толстый слой защиты и чем больше удельный вес и атомный номер вещества, которое используется в качестве защиты, тем более она эффективна.
Толщина материала, требуемого, чтобы уменьшить излучение в два раза — называется слой половиного ослабления. Толщина его, естественно, изменяется в зависимости от применяемого материала защиты и энергии излучения.
Уменьшить мощность гамма-излучения на 50 % может 1 см свинца, 5 см бетона, или 10 см воды. Этот пример применим к излучению от кобальта-60, который является преобладающим источником гамма-излучения на атомных электростанциях.
Загрузка...
