Виды ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения (ИИ) - потоки элементарных частиц (электронов, позитронов, протонов, нейтронов) и квантов электромагнитной энергии, прохождение которых через вещество приводит к ионизации (образованию разнополярных ионов) и возбуждению его атомов и молекул. Ионизация - превращение нейтральных атомов или молекул в электрически заряженные частицы – ионы.ьИИ попадают на Землю в виде космических лучей, возникают в результате радиоактивного распада атомных ядер (απ β-частицы, γ– и рентгеновские лучи), создаются искусственно на ускорителях заряженных частиц. Практический интерес представляют наиболее часто встречающиеся виды ИИ – потоки а– и β-частиц, γ-излучение, рентгеновские лучи и потоки нейтронов.

Альфа-излучение (а) – поток положительно заряженных частиц – ядер гелия. В настоящее время известно более 120 искусственных и естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская α-частицу, теряют 2 протона и 2 нейтрона. Скорость частиц при распаде составляет 20 тыс. км/с. При этом α-частицы обладают наименьшей проникающей способностью, длина их пробега (расстояние от источника до поглощения) в теле равна 0,05 мм, в воздухе – 8–10 см. Они не могут пройти даже через лист бумаги, но плотность ионизации на единицу величины пробега очень велика (на 1 см до десятка тысяч пар), поэтому эти частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью и опасны внутри организма.

Бета-излучение (β) – поток отрицательно заряженных частиц. В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов. Масса β-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше α-частиц, но они обладают бо́льшей проникающей способностью. Их скорость равна 200–300 тыс. км/с. Длина пробега потока от источника в воздухе составляет 1800 см, в тканях человека – 2,5 см. β-частицы полностью задерживаются твердыми материалами (алюминиевой пластиной в 3,5 мм, органическим стеклом); их ионизирующая способность в 1000 раз меньше, чем у α-частиц.

Гамма-излучение (γ) – электромагнитное излучение с длиной волны от 1 · 10 -7 м до 1 · 10 -14 м; испускается при торможении быстрых электронов в веществе. Оно возникает при распаде большинства радиоактивных веществ и обладает большой проникающей способностью; распространяется со скоростью света. В электрических и магнитных полях γ-лучи не отклоняются. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем а– и β-излучение, так как плотность ионизации на единицу длины очень низкая.

Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубках, в электронных ускорителях, при торможении быстрых электронов в веществе и при переходе электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние, когда создаются ионы. Рентгеновские лучи, как и γ-излучение, обладают малой ионизирующей способностью, но большой глубиной проникновения.

Нейтроны - элементарные частицы атомного ядра, их масса в 4 раза меньше массы α-частиц. Время их жизни – около 16 мин. Нейтроны не имеют электрического заряда. Длина пробега медленных нейтронов в воздухе составляет около 15 м, в биологической среде – 3 см; для быстрых нейтронов – соответственно 120 м и 10 см. Последние обладают высокой проникающей способностью и представляют наибольшую опасность.

Выделяют два вида ионизирующих излучений:

Корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (α-, β– и нейтронное излучения);

Электромагнитное (γ– и рентгеновское излучение) – с очень малой длиной волны.

Для оценки воздействия ионизирующего излучения на любые вещества и живые организмы используются специальные величины – дозы излучения. Основная характеристика взаимодействия ионизирующего излучения и среды – это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень ионизации воздуха рентгеновских трубок или аппаратов. Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза.

Экспозиционная доза определяет ионизирующую способность рентгеновских и γ-лучей и выражает энергию излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза – это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объеме воздуха к массе воздуха в этом объеме. В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица – рентген (Р). 1 Кл/кг = 3880 Р. При расширении круга известных видов ионизирующего излучения и сфер его приложения оказалось, что мера воздействия ионизирующего излучения на вещество не поддается простому определению из-за сложности и многообразности протекающих при этом процессов. Важнейшим из них, дающим начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определенному радиационному эффекту, является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом. В результате этого возникло понятие поглощенная доза.

Поглощенная доза показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы любого облучаемого вещества, и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения на массу вещества. За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грэй (Гр). 1 Гр – это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр = 100 рад. Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, было введено понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент – коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества. Значения коэффициента для различных видов излучений приведены в табл. 7.

Таблица 7

Коэффициент относительной биологической эффективности для различных видов излучений

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рада). 1 Зв = 100 бэр. Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем тканям и органам, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект для организма. Взвешенные коэффициенты устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы. Она также измеряется в зивертах или бэрах.

Термин «радиация» происходит от латинского слова radius и означает луч. В самом широком смысле слова радиация охватывает все существующие в природе виды излучений — радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет и, наконец, ионизирующее излучение. Все эти виды излучения, имея электромагнитную природу, различаются длиной волны, частотой и энергией.

Существуют также излучения, которые имеют другую природу и представляют собой потоки различных частиц, например, альфа-частиц, бета-частиц, нейтронов и т.д.

Каждый раз, когда на пути излучения возникает барьер, оно передает часть или всю свою энергию этому барьеру. И от того, насколько много энергии было передано и поглощено в организме, зависит конечный эффект облучения. Всем известны удовольствие от бронзового загара и огорчение от тяжелейших солнечных ожогов. Очевидно, что переоблучение любым видом радиации чревато неприятными последствиями.

Для здоровья человека наиболее важны ионизирующие виды излучения. Проходя через ткань, ионизирующее излучение переносит энергию и ионизирует атомы в молекулах, которые играют важную биологическую роль. Поэтому облучение любыми видами ионизирующего излучения может так или иначе влиять на здоровье. К их числу относятся:

Альфа-излучение — это тяжелые положительно заряженные частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, крепко связанных между собой. В природе альфа-частицы возникают в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. В воздухе альфа-излучение проходит не более пяти сантиметров и, как правило, полностью задерживается листом бумаги или внешним омертвевшим слоем кожи. Однако если вещество, испускающее альфа-частицы, попадает внутрь организма с пищей или вдыхаемым воздухом, оно облучает внутренние органы и становится потенциально опасным.

Бета-излучение — это электроны, которые значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. От него можно защититься тонким листом металла, оконным стеклом и даже обычной одеждой. Попадая на незащищенные участки тела, бета-излучение оказывает воздействие, как правило, на верхние слои кожи. Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году пожарные получили ожоги кожи в результате очень сильного облучения бета-частицами. Если вещество, испускающее бета-частицы, попадет в организм, оно будет облучать внутренние ткани.

Гамма-излучение — это фотоны, т.е. электромагнитная волна, несущая энергию. В воздухе оно может проходить большие расстояния, постепенно теряя энергию в результате столкновений с атомами среды. Интенсивное гамма-излучение, если от него не защититься, может повредить не только кожу, но и внутренние ткани. Плотные и тяжелые материалы, такие как железо и свинец, являются отличными барьерами на пути гамма-излучения.

Рентгеновское излучение аналогично гамма-излучению, испускаемому ядрами, но оно получается искусственно в рентгеновской трубке, которая сама по себе не радиоактивна. Поскольку рентгеновская трубка питается электричеством, то испускание рентгеновских лучей может быть включено или выключено с помощью выключателя.

Нейтронное излучение образуется в процессе деления атомного ядра и обладает высокой проникающей способностью. Нейтроны можно остановить толстым бетонным, водяным или парафиновым барьером. К счастью, в мирной жизни нигде, кроме как непосредственно вблизи ядерных реакторов, нейтронное излучение практически не существует.

В отношении рентгеновского и гамма-излучения часто употребляют определения «жёсткое» и «мягкое» . Это относительная характеристика его энергии и связанной с ней проникающей способности излучения («жёсткое» — большие энергия и проникающая способность, «мягкое» — меньшие). Ионизирующие излучения и их проникающая способность

Число нейтронов в ядре определяет, является ли данное ядро радиоактивным. Чтобы ядро находилось в стабильном состоянии, число нейтронов, как правило, должно быть несколько выше числа протонов. В стабильном ядре протоны и нейтроны так крепко связаны между собой ядерными силами, что ни одна частица не может выйти из него. Такое ядро всегда будет оставаться в уравновешенном и спокойном состоянии. Однако ситуация совсем иная, если число нейтронов нарушает равновесие. В этом случае ядро обладает избыточной энергией и просто не может удерживаться в целости. Рано или поздно оно выбросит свою избыточную энергию.

Различные ядра высвобождают свою энергию разными способами: в форме электромагнитных волн или потоков частиц. Такая энергия называется излучением. Радиоактивный распад

Процесс, в ходе которого нестабильные атомы испускают свою избыточную энергию, называется радиоактивным распадом, а сами такие атомы — радионуклидом. Легкие ядра с небольшим числом протонов и нейтронов становятся стабильными после одного распада. При распаде тяжелых ядер, например, урана, образующееся в результате этого ядро по-прежнему является нестабильным и, в свою очередь, распадается дальше, образуя новое ядро, и т.д. Цепочка ядерных превращений заканчивается образованием стабильного ядра. Такие цепочки могут образовывать радиоактивные семейства. В природе известны радиоактивные семейства урана и тория.

Представление об интенсивности распада дает понятие периода полураспада — периода, в течение которого произойдет распад половины нестабильных ядер радиоактивного вещества. Период полураспада каждого радионуклида уникален и неизменен. Один радионуклид, например, криптон-94, рождается в ядерном реакторе и очень быстро распадается. Период полураспада его меньше секунды. Другой, например, калий-40, образовался в момент рождения Вселенной и до сих пор сохранился на планете. Период полураспада его измеряется миллиардами лет.

Наиболее разнообразны по видам ионизирующих излучений так называемые радиоактивные излучения, образующиеся в результате самопроизвольного радиоактивного распада атомных ядер элементов с изменением физических и химических свойств последних. Элементы, обладающие способностью радиоактивного распада, называются радиоактивными; они могут быть естественными, такие, как уран, радий, торий и др. (всего около 50 элементов), и искусственными, для которых радиоактивные свойства получены искусственным путем (более 700 элементов).

При радиоактивном распаде имеют место три основных вида ионизирующих излучений: альфа, бета и гамма.

Альфа-частица - это положительно заряженные ионы гелия, образующиеся при распаде ядер, как правило, тяжелых естественных элементов (радия, тория и др.). Эти лучи не проникают глубоко в твердые или жидкие среды, поэтому для защиты от внешнего воздействия достаточно защититься любым тонким слоем, даже листком бумаги.

Бета-излучение представляет собой поток электронов, образующихся при распаде ядер как естественных, так и искусственных радиоактивных элементов. Бета-излучения обладают большей проникающей способностью по сравнению с альфа-лучами, поэтому и для защиты от них требуются более плотные и толстые экраны. Разновидностью бета-излучений, образующихся при распаде некоторых искусственных радиоактивных элементов, являются. позитроны. Они отличаются от электронов лишь положительным зарядом, поэтому при воздействии на поток лучей магнитным полем они отклоняются в противоположную сторону.

Гамма-излучение, или кванты энергии (фотоны), представляют собой жесткие электромагнитные колебания, образующиеся при распаде ядер многих радиоактивных элементов. Эти лучи обладают гораздо большей проникающей способностью. Поэтому для экранирования от них необходимы специальные устройства из материалов, способных хорошо задерживать эги лучи (свинец, бетон, вода). Ионизирующий эффект действия гамма-излучения обусловлен в основном как непосредственным расходованием собственной энергии, так и ионизирующим действием электронов, выбиваемых из облучаемого вещества.

Рентгеновское излучение образуется при работе рентгеновских трубок, а также сложных электронных установок (бетатронов и т. п.). По характеру рентгеновские лучи во многом сходны с гамма-лучами и отличаются от них происхождением и иногда длиной волны: рентгеновские лучи, как правило, имеют большую длину волны и более низкие частоты, чем гамма-лучи. Ионизация вследствие воздействия рентгеновских лучей происходит в большей степени за счет выбиваемых ими электронов и лишь незначительно за счет непосредственной траты собственной энергии. Эти лучи (особенно жесткие) также обладают значительной проникающей способностью.

Нейтронное излучение представляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов (n) являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода. Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходят за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ. Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так - называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, ядерных реакторов и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Задерживаются нейтроны веществами, содержащими в своей молекуле водород (вода, парафин и др.).

Все виды ионизирующих излучений отличаются друг от друга различными зарядами, массой и энергией. Различия имеются и внутри каждого вида ионизирующих излучений, обусловливая большую или меньшую проникающую и ионизирующую способность и другие их особенности. Интенсивность всех видов радиоактивного облучения, как и при других видах лучистой энергии, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника излучения, то есть при увеличении расстояния вдвое или втрое интенсивность облучения уменьшается соответственно в 4 и 9 раз.

Экспозиционная доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского и -излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц:

Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р). Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и
-излучения, создающая в 1куб.см воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт.ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества. Экспозиционной дозе 1 Р
соответствует 2.08·10 9 пар ионов (2.08·10 9 = 1/(4.8·10 -10)). Если принять среднюю энергию образования 1 пары ионов в воздухе равной 33.85 эВ, то при экспозиционной дозе 1 Р одному кубическому сантиметру воздуха передается энергия, равная:
(2.08·10 9)·33.85·(1.6·10 -12) = 0.113 эрг,
а одному грамму воздуха:
0.113/ возд = 0.113/0.001293 = 87.3 эрг.

Мощность дозы (интенсивность облучения) - приращение соответствующей дозы под воздействием данного излучения за единицу времени. Имеет размерность соответствующей дозы (поглощенной, экспозиционной и т. п.), делённую на единицу времени. Допускается использование различных специальных единиц (например, Зв/час, бэр/мин, сЗв/год и др.).

Интенсивность гамма-излучения характеризуется уровнем радиации. Он равен дозе,

создаваемой за единицу времени, т.е. характеризует скорость накопления дозы. Уровень

радиации измеряется в рентгенах в час (р/час) .

Эквивалентная доза (Н) . Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы D r , созданной облучением - r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель w r (называемый еще - коэффициент качества излучения)
(таблица 11).

Единицей измерения эквивалентной дозы является Джоуль на килограмм. Она имеет специальное наименование Зиверт (Зв).

Бэр (биологический эквивалент рентгена), англ. rem (roentgen equivalent man) - устаревшая внесистемная единица измерения эквивалентной дозы. До 1963 года эта единица понималась как «биологический эквивалент рентгена», в этом случае 1 бэр соответствует такому облучению живого организма данным видом излучения, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при экспозиционной дозе гамма-излучения в 1 рентген. В системе СИ бэр имеет ту же размерность и значение, что и рад - обе единицы равны 0,01 Дж/кг для излучений с коэффициентом качества, равным единице.

100 бэр равны 1 зиверту.

Поскольку бэр достаточно большая единица измерения, обычно эквивалентную дозу измеряют в миллибэрах (мбэр, 10 −3 бэр) или микрозивертах (мкЗв, 10 −6 Зв). 1 мбэр = 10 мкЗв.

36 вопрос.

Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

Единица поглощенной дозы - Грей (Гр). Внесистемная единица Рад определялась как поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества.

Для количественной и качественной оценки ионизирующих излучений, необ-ходимой для обеспечения радиационной безопасности, применяются радиометры, дозиметры и спектрометры.
Радиометры предназначены для определения количества радиоактивных веществ (радионуклидов) или потока излучения (например, газоразрядные счетчики Геймера-Мюллера).
Дозиметры позволяют измерять мощность поглощенной или экспозиционной дозы.
Спектрометры служат для регистрации и анализа энергетического спектра и идентификации на этой основе излучающих радионуклидов.
Во всех приборах измерения и регистрации проникающих излучений исполь-зуется один и тот же принцип, позволяющий измерять эффекты, возникающие в процессе взаимодействия излучения с веществом.
Наиболее распространенным методом регистрации ионизирующих излуче-ний является ионизационный метод, основанный на измерении степени ионизации среды, через которую проходит излучение. Реализация этого метода осуществляет-ся с помощью ионизационных камер или счетчиков, служащих датчиком. Ионизаци-онная камера представляет собой конденсатор, состоящий из двух электродов, ме-жду которыми находится газ. Электрическое поле между электродами создается от внешнего источника. При отсутствии радиоактивного источника ионизации в камере не происходит и измерительный прибор тока показывает его отсутствие. Под воз-действием ионизирующего излучения в газе камеры возникают положительные и от-рицательные ионы. Под действием электрического поля отрицательные ионы дви-жутся к положительно зараженному электроду, а положительные – к отрицательному электроду. В результате возникает ток, который регистрируется измерительным прибором.
Сцинтилляционный метод регистрации излучений основан на измерении ин-тенсивности световых вспышек, возникающих в люминесцирующем веществе при прохождении через него ионизирующего излучения. Для регистрации световых вспышек используются фотоэлектронные умножители.
Сцинтилляционные счетчики применяются для измерения числа зараженных частиц, гамма-квантов, быстрых и медленных нейтронов, а также измерения мощно-сти дозы от бета-, гамма- и нейтронного излучений. Кроме того, такие счетчики при-меняются для исследования спектров гамма- и нейтронного излучений.
Фотографический метод основан на фотохимических процессах, возникаю-щих при воздействии излучений на фотографическую пленку или пластину. Способ-ность фотоэмульсии регистрировать излучение позволяет установить зависимость между степенью потемнения пленки и поглощенной дозой. Чаще всего этот метод используется для индивидуального контроля дозы рентгеновского, гамма-, бета– и нейтронного излучений.
Для измерения больших мощностей дозы применяют менее чувствительные методы, такие, например, как химические системы, в которых под воздействием из-лучения происходят изменения в окрашивании растворов и твердых тел, осаждении коллоидов, выделении газов из соединений. С этой же целью применяются различ-ные стекла, изменяющие свою окраску под воздействием излучения, а также кало-риметрические методы, основанные на измерении тепла, выделяемого в погло-щающем веществе.
В последнее время все большее распространение получают полупроводни-ковые, фото- и термолюминесцентные детекторы ионизирующих излучений

38-39 вопрос

Естественный радиационный фон Земли. Космическое излучение.

Облучению от естественных источни­ков радиации подвергается любой житель Земли, однако одни из них получают большие дозы, чем другие.Доза об­лучения зависит также от образа жизни людей. Некот стройматериалы, газ для приготовл пищи, открытые угольные жаровни, герметизация помещений и даже полеты на самолетах –это увели­чив облуч за счет естест­в источников радиации. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облуче­ния, которому подвергается человек за счет естественной радиации. Остальную часть вносят космические лучи, главным обра­зом путем внешнего облучения. Естественная ионизирующая радиация (ЕИР) возникает в космосе и в виде космических лучей достигает Землю. На самой Земле источниками ЕИР являются грунт, воздух, вода, продовольствие и тело. Дозы облучения человека от ЕИР вносят наибольш вклад в коллективную эффективную дозу, получаемую населением. Магнитное поле Земли создаёт 2 радиационных пояса: внешний – на расстоянии от 1 до 8 радиусов Земли и внутренний – на расстоянии 100-10 000 км. Они создаются заряжёнными частицами, движущимися вдоль магнитн силовых линий по спирали. Радиационные пояса Земли задерживают протоны и  их энергию.

Космические частицы обусловливают так называемое первичное излучение. Оно преобладает на высотах 45 км и выше. Космические лучи поглощаются и атмосферой Земли  вторичное излучение, содержащее почти все известные частицы и фотоны (-кванты, нейтроны, мезоны, - и др. частицы со значительно меньшей энергией, чем протоны). Вторичное излучение достигает макс. величины на высотах 20 – 25 км. На пути к земной поверхности поглощается и это вторичное излучение. До Земли оно почти не доходит. Но в высоких горах, где воздух разрежен, интенсивность космических лучей велика. В итоге, поверхности Земли достигает очень неоднородное излучение, состоящее из мезонов, электронов, позитронов, фотонов высоких энергий. Это излучение очень малой интенсивности составляет часть естественного радиационного фона Земли.

Земная радиация. Радионуклиды всегда встречаются в земной коре. Больше всего их в гранитах, глинозёмах, песчаниках, известняках.

Основные радиоактивные изотопы, встре­чающиеся в горных породах Земли, почвах и водах относятся к рядам урана, тория и актиния, также калий-40 и рубидий-87.

Семейство урана (уран-238 с Т=4,5 млрд. лет и др.).

Семейство тория (торий-232 Т=10 млрд. лет и др.).

Семейство актиния (уран-235 Т=700 лет).

Все эти радионуклиды являются источниками внешнего облучения.

Средняя эффективная эквивалентная доза внешне­го облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет примерно 350 мкЗв, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы облучения из-за радиационного фона, создаваемого кос­мическими лучами на уровне моря.

Естественные источники обусловливают 85% дозы человека за счёт:

радона в зданиях - 50 %,

-лучей от земли и здания - 14 %,

пищи и напитков - 11,5 %,

космических лучей - 10 % .

Бета, гамма.

Как же они образуются?

Все вышеперечисленные виды излучений являются порождением процесса распада изотопов простых веществ. Атомы всех элементов состоят из ядра и электронов, которые вращаются вокруг него. Ядро меньше всего атома в сто тысяч раз, но, благодаря чрезвычайно большой плотности, его масса почти равна совокупной массе всего атома. В составе ядра находятся положительно заряженные частицы - протоны и не имеющие электрического заряда нейтроны. И те, и другие сцеплены между собой очень плотно. По числу протонов в ядре и определяют, к какому именно данный атом относится, например, - 1 протон в ядре это водород, 8 протонов - кислород, 92 протона - уран. в атоме соответствует количеству протонов в его ядре. Каждому электрону свойственен отрицательный электрический заряд, равный заряду протона, по этой причине в целом атом нейтрален.

Те атомы, которые имеют ядра одинаковые по числу протонов, но разные по количеству нейтронов, являются вариантами одного химического вещества и называются его изотопами. С целью как-то различать их к символу, обозначающему элемент, приписывают число, являющееся суммой всех частиц, находящихся в ядре этого изотопа. Например, ядро элемента уран-238 включает в себя 92 протона, а также 146 нейтронов, а урана-235, так же 92 протона, а вот нейтронов уже 143. Большинство изотопов нестабильны. Например, уран-238, связи между протонами и нейтронами в ядре которого очень слабы и рано или поздно от него отделится компактная группа, состоящая из пары нейтронов и пары протонов, превращая уран-238 в другой элемент - торий-234, также нестабильный элемент, ядро которого содержит 144 нейтрона и 90 протонов. Его распад продолжит цепь превращений, которые прекратятся образованием атома свинца. Во время каждого из таких распадов освобождается энергия, порождающая различные виды

Если упростить ситуацию, то можно так описать возникновение разных видов испускает ядро, которое состоит из пары нейтронов и пары протонов, бета-лучи исходят от электрона. А бывают ситуации, при которых изотоп возбуждается настолько, что выход частицы полностью его не стабилизирует, и тогда он сбрасывает одной порцией избыток чистой энергии, этот процесс носит название гамма-излучения. Такие виды излучений, как гамма-лучи, и подобные им рентгеновские, образуются без испускания материальных частиц. Время, которое необходимо для распада половины всех атомов любого конкретного изотопа в любых радиоактивных источниках, именуется периодом полураспада. Процесс атомных превращений непрерывен, а его активность оценивается количеством произошедших за одну секунду распадов и измеряется в беккерелях (1 атом за одну секунду).

Различные виды излучений характеризуются освобождением разного объема энергии, и проникающая способность у них тоже разная, поэтому на ткани живых организмов они также неодинаково воздействуют.

Альфа-излучение, представляющее собой поток из тяжелых частиц, может задержать даже листок бумаги, оно не способно проникнуть сквозь слой отмерших клеток эпидермиса. Оно не опасно до тех пор, пока вещества, которые испускают альфа-частицы, не проникнут в организм через раны или посредством пищи и/или вдыхаемого воздуха. Вот тогда они и станут чрезвычайно опасными.

Бета-излучение способно на 1-2 сантиметра проникнуть в ткани живого организма.

Гамма-лучи, которые движутся со световой скоростью, самые опасные и задержать их может только толстая плита из свинца или бетона.

Все виды излучений способны вызвать повреждения живого организма, и они будут тем больше, чем больше энергии было передано тканям.

При различных авариях на ядерных объектах и во время боевых действий с применением ядерного оружия, поражающие факторы, воздействующие на организм, важно рассматривать в комплексе. Помимо явных физических воздействий на человека пагубно действуют также разные виды электромагнитных излучений.

Ионизирующее излучение - это совокупность различных видов микрочастиц и физических полей, обладающих способностью ионизировать вещество, то есть образовывать в нем электрически заряженные частицы - ионы.

РАЗДЕЛ III. УПРАВЛЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЕГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Различают несколько видов ионизирующих излучений: альфа-, бета-, гамма-излучение, а также нейтронное излучение.

Альфа-излучение

В формировании положительно заряженных альфа-частиц принимают участие 2 протона и 2 нейтрона, входящих в состав ядер гелия. Альфа-частицы образуются при распаде ядра атома и могут иметь начальную кинетическую энергию от 1,8 до 15 МэВ. Характерными особенностями альфа-излучения являются высокая ионизирующая и малая проникающая способности. При движении альфа-частицы очень быстро теряют свою энергию, и это обуславливает тот факт, что ее не хватает даже для преодоления тонких пластмассовых поверхностей. В целом, внешнее облучение альфа-частицами, если не брать в расчет высокоэнергичные альфа-частицы, полученные с помощью ускорителя, не несет в себе никакого вреда для человека, а вот проникновение частиц внутрь организма может быть опасно для здоровья., поскольку альфа-радионуклиды отличаются большим периодом полураспада и обладают сильной ионизацией. В случае попадания внутрь организма альфа-частицы часто могут быть даже опаснее, чем бета- и гамма-излучение.

Бета-излучение

Заряженные бета-частицы, скорость которых близка к скорости света, образуются в результате бета-распада. Бета-лучи обладают большей проникающей способностью, чем альфа-лучи - они могут вызывать химические реакции, люминесценцию, ионизировать газы, оказывать эффект на фотопластинки. В качестве защиты от потока заряженных бета-частиц (энергией не более 1МэВ) достаточно будет использовать обычную алюминиевую пластину толщиной 3-5 мм.

Фотонное излучение: гамма-излучение и рентгеновское излучение

Фотонное излучение включает в себя два вида излучений: рентгеновское (может быть тормозным и характеристическим) и гамма-излучение.

Наиболее распространенным видом фотонного излучения являются обладающие очень высокой энергией при ультракороткой длине волны гамма-частицы, которые представляют собой поток высокоэнергичных, не обладающих зарядом фотонов. В отличие от альфа- и бета-лучей гамма-частицы не отклоняются магнитными и электрическими полями и обладают значительно большей проникающей способностью. В определенных количествах и при определенной продолжительности воздействия гамма-излучение может вызвать лучевую болезнь, привести к возникновению различных онкологических заболеваний. Препятствовать распространению потока гамма-частиц могут только такие тяжелые химические элементы, как, например, свинец, обедненный уран и вольфрам.

Нейтронное излучение

Источником возникновения нейтронного излучения могут быть ядерные взрывы, ядерные реакторы, лабораторные и промышленные установки.

Сами нейтроны представляют собой электрически нейтральные, нестабильные (период полураспада свободного нейтрона составляет около 10 минут) частицы, которые благодаря тому, что у них отсутствует заряд, отличаются большой проникающей способностью при слабой степени взаимодействия с веществом. Нейтронное излучение очень опасно, поэтому для защиты от него используют ряд специальных, в основном водородосодержащих, материалов. Лучше всего нейтронное излучение поглощается обычной водой, полиэтиленом, парафином, а также растворами гидроксидов тяжелых металлов.

Как ионизирующие излучения воздействуют на вещества?

Все виды ионизирующих излучений в той или иной степени оказывают воздействие на различные вещества, но сильнее всего оно выражено у гамма-частиц и у нейтронов. Так, при длительном воздействии они могут существенно изменить свойства различных материалов, изменить химический состав веществ, ионизировать диэлектрики и оказывать разрушительный эффект на биологические ткани. Естественный радиационный фон не принесет человеку особого вреда, однако при обращении с искусственными источниками ионизирующих излучений стоит быть очень осторожными и предпринимать все необходимые меры, чтобы до минимума снизить уровень воздействия излучения на организм.

Виды ионизирующих излучений и их свойства

Ионизирующим излучением называют потоки частиц и электромагнитных квантов, в результате воздействия которых на среду образуются разнозаряженные ионы.

Различные виды излучений сопровождаются высвобождением определенного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на организм. Наибольшую опасность для человека представляют радиоактивные излучения, такие как у-, рентгеновское, нейтронное, а- и в-излучения.

Рентгеновское и у-излучения представляют собой потоки квантовой энергии. Гамма-излучение обладает более короткими длинами волн по сравнению с рентгеновским. По своей природе и свойствам эти излучения мало отличаются друг от друга, обладают большой проникающей способностью, прямолинейностью распространения и свойством создавать вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходят. Однако если рентгеновские лучи обычно получают с помощью электронного аппарата, то у-лучи испускаются нестабильными или радиоактивными изотопами.

Остальные типы ионизирующего излучения представляют собой быстродвижущиеся частицы вещества (атома), одни из которых несут электрический заряд, другие — нет.

Нейтроны — единственные незаряженные частицы, образующиеся при любом радиоактивном преобразовании, с массой, равной массе протона. Поскольку эти частицы электронейтральны, они глубоко проникают в любое вещество, включая и живые ткани. Нейтроны представляют собой основные частицы, из которых построены ядра атомов.

При прохождении через вещество они взаимодействуют только с ядрами атомов, передают им часть своей энергии, а сами изменяют направление своего движения. Ядра атомов "выскакивают" из электронной оболочки и, проходя через вещество, производят ионизацию.

Электроны — легкие отрицательно заряженные частицы, существующие во всех стабильных атомах. Электроны очень часто используются во время радиоактивного распада вещества, и тогда их называют в-частицами. Их можно получать и в лабораторных условиях. Энергия, теряемая электронами при прохождении через вещество, расходуется на возбуждение и ионизацию, а также на образование тормозного излучения.

Альфа-частицы — ядра атомов гелия, лишенные орбитальных электронов и состоящие из двух протонов и двух нейтронов, сцепленных вместе. Имеют положительный заряд, относительно тяжелы, по мере прохождения через вещество производят ионизацию вещества большой плотности.

Обычно а-частицы испускаются при радиоактивном распаде естественных тяжелых элементов (радий, торий, уран, полоний и др.).

Заряженные частицы (электроны и ядра атомов гелия), проходя через вещество, взаимодействуют с электронами атомов, теряя при этом 35 и 34 эВ соответственно. При этом одна половина энергии расходуется на ионизацию (отрыв электрона от атома), а другая — на возбуждение атомов и молекул среды (перевод электрона на более удаленную от ядра оболочку).

Число ионизированных и возбужденных атомов, образуемых а-частицей на единице длины пути в среде, в сотни раз больше, чем у р-частицы (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Пробег а- и в-частиц различной энергии в мышечной ткани

Это обусловлено тем, что масса а-частицы примерно в 7000 раз больше массы в-частицы, следовательно, при одной и той же энергии ее скорость значительно меньше, чем у в-частицы.

Испускаемые при радиоактивном распаде а-частицы обладают скоростью примерно 20 тыс. км/с, в то время как скорость в-частиц близка к скорости света и составляет 200…270 тыс. км/с. Очевидно, что чем меньше скорость частицы, тем больше вероятность ее взаимодействия с атомами среды, а следовательно, больше и потери энергии на единице пути в среде — значит, меньше пробег. Из табл. 5.1 следует, что пробег а-частиц в мышечной ткани в 1000 раз меньше пробега в-частиц той же энергии.

Когда ионизирующее излучение проходит сквозь живые организмы, оно передает свою энергию биологическим тканям и клеткам неравномерно. В результате, несмотря на небольшое количество поглощенной тканями энергии, некоторые клетки живой материи будут значительно повреждены. Суммарный эффект ионизирующего излучения, локализованного в клетках и тканях, представлен в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Биологическое действие ионизирующего излучения

В основе первичных радиационно-химических изменений молекул могут лежать два механизма: 1) прямое действие, когда данная молекула испытывает изменения (ионизацию, возбуждение) непосредственно при взаимодействии с излучением; 2) косвенное действие, когда молекула непосредственно не поглощает энергию ионизирующего излучения, а получает ее путем передачи от другой молекулы.

Известно, что в биологической ткани 60…70% массы составляет вода. Поэтому рассмотрим различие между прямым и косвенным действием излучения на примере облучения воды.

Допустим, что молекула воды ионизируется заряженной частицей, в результате чего она теряет электрон:

Н2О -> Н20+е — .

Ионизированная молекула воды реагирует с другой нейтральной молекулой воды, в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила ОН":

Н2О+Н2О -> Н3О+ + ОН*.

Вырванный электрон также очень быстро передает энергию окружающим молекулам воды, при этом возникает сильно возбужденная молекула воды Н2О*, которая диссоциирует с обра зованием двух радикалов, Н* и ОН*:

Н2О+е- -> Н2О*Н’ + ОН’.

Свободные радикалы содержат неспаренные электроны и отличаются чрезвычайно высокой реакционной способностью. Время их жизни в воде не более 10-5 с. За это время они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворенным субстратом.

В присутствии растворенного в воде кислорода образуются и другие продукты радиолиза: свободный радикал гидропероксида НО2, пероксид водорода Н2О2 и атомный кислород:

Н*+ О2 -> НО2 ;
НО*2 + НО2 -> Н2О2 +20.

В клетке живого организма ситуация значительно более сложная, чем при облучении воды, особенно в том случае, если поглощающим веществом являются крупные и многокомпонентные биологические молекулы. В этом случае образуются органические радикалы D*, также отличающиеся крайне высокой реакционноспособностью. Располагая большим количеством энергии, они легко могут привести к разрыву химических связей. Именно этот процесс и происходит чаще всего в промежутке между образованием ионных пар и формированием конечных химических продуктов.

Кроме того, биологическое действие усиливается за счет влияния кислорода. Образующийся в результате взаимодействия свободного радикала с кислородом также высокореакционный продукт DО2* (D* + О2 -> DО2*) приводит к образованию новых молекул в облучаемой системе.

Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и молекулы окислителя, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биологических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, — токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных систем или организма в целом.

Индуцированные свободными радикалами химические реакции вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение.

Нежелательные радиационные эффекты воздействия облучения на организм человека условно делятся на соматические (soma — по-гречески "тело") и генетические (наследственные).

Соматические эффекты проявляются непосредственно у самого облученного, а генетические — у его потомства.

За последние десятилетия человеком было создано большое количество искусственных радионуклидов, использование которых является дополнительной нагрузкой к естественному радиационному фону Земли и увеличивает дозу облучения людей. Но, направленные исключительно на использование в мирных целях, ионизирующие излучения полезны для человека, и сегодня трудно указать область знаний или народного хозяйства, не использующую радионуклиды или другие источники ионизирующих излучений. Уже к началу 21 века «мирный атом» нашел свое применение в медицине, промышленности, сельском хозяйстве, микробиологии, энергетике, освоении космоса и других сферах.

Виды излучения и взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Применение ядерной энергии стало жизненно важной необходимостью существования современной цивилизации и, в то же время, огромной ответственностью, поскольку использовать этот источник энергии необходимо максимально рационально и осторожно.

Полезная особенность радионуклидов

Благодаря радиоактивному распаду радионуклид «подает сигнал», определяя тем самым свое местоположение. Используя специальные приборы, фиксирующие сигнал от распада даже единичных атомов, ученые научились использовать эти вещества в качестве индикаторов, помогающих исследовать самые разные химические и биологические процессы, проходящие в тканях и клетках.

Виды техногенных источников ионизирующего излучения

Все техногенные источники ионизирующего излучения можно разделить на два вида.

• Медицинские - используемые как для диагностики заболеваний (например, рентгеновский и флюорографический аппараты), так и для проведения радиотерапевтических процедур (например, радиотерапевтические установки для лечения рака). Также к медицинским источникам ИИ относятся радиофармацефтические препараты (радиоактивные изотопы или их соединения с различными неорганическими или органическими веществами), которые могут применяться как для диагностики заболеваний, так и для их лечения.
• Промышленные - произведенные человеком радионуклиды и генераторы:
  • в энергетике (реакторы атомных электростанций);
  • в сельском хозяйстве (для селекционирования и исследования эффективности удобрений)
  • в оборонной сфере (топливо для атомоходов);
  • в строительстве (неразрушающий контроль металлоконструкций).

По статическим данным, объем производства радионуклидной продукции на мировом рынке в 2011 году составлял 12 млрд. долларов, а к 2030 году ожидается шестикратное увеличение этого показателя.