Общие понятия о ионизирующем излучении

Ионизирующее излучение - различные виды микрочастиц и физических полей, способные ионизировать вещество. В более узком смысле к ионизирующему излучению не относят ультрафиолетовое излучение и излучение видимого диапазона света, которое в отдельных случаях также может быть ионизирующим. Излучение микроволнового и радиодиапазонов не является ионизирующим, поскольку его энергии недостаточно для ионизации атомов и молекул в основном состоянии.

Виды ионизирующих излучений. Ионизирующее излучение – поток заряженных или нейтральных частиц и квантовэлектромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит кионизации и возбуждению атомов или молекул среды. Они возникают в результатеестественных или искусственных радиоактивных распадов веществ, ядерныхреакций деления в реакторах, ядерных взрывов и некоторых физических процессовв космосе. Существуют два вида ионизирующих излучений:
- корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа- и бета¹-излучение и нейтронное излучение);
- электромагнитное (гамма(γ)-излучение и рентгеновское) с очень малой длиной волны. Ионизирующие излучения состоят из прямо или косвенно ионизирующих частиц илисмеси тех и других. К прямо ионизирующим частицам относятся частицы (электроны, α-частицы, протоны и др.), которые обладают достаточной кинетической энергией, чтобы осуществить ионизацию атомов путём непосредственного столкновения. К косвенно ионизирующим частицам относятся незаряженные частицы (нейтроны, кванты и т.д.), которые вызывают ионизацию через вторичные объекты. В настоящее время известно около 40 естественных и более 200 искусственныхα-активных ядер. α-распад характерен для тяжелых элементов (урана, тория, полония, плутония и др.). α-частицы - это положительно заряженные ядра гелия. Они обладают большой ионизирующей и малой проникающей способностью и двигаются со скоростью 20000 км/с. β-излучение - это поток отрицательно заряженных частиц (электронов), которые выпускаются при β -распаде радиоактивных изотопов. Их скорость приближается к скорости света. Бета-частицы при взаимодействии с атомами среды отклоняются от своего первоначального направления. Поэтому путь, проходимый β -частицей в веществе, представляет собой не прямую линию, как у α-частиц, а ломаную. Наиболее высокоэнергетические β- частицы могут пройти слой алюминия до 5 мм, однако ионизирующая способность их меньше, чем у α-частицы. γ-излучение, испускаемое атомными ядрами при радиоактивных превращениях, обладает энергией от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. Распространяется оно, как и рентгеновское излучение, в воздухе со скоростью света. Ионизирующая способность γ –излучения значительно меньше, чем у α- и β -частиц. γ -излучение – это электромагнитные излучения высокой энергии. Оно обладает большойпроникающей способностью, изменяющейся в широких пределах. Все ионизирующие излучения по своей природе делятся на фотонные (квантовые) и корпускулярные. К фотонному (квантовому) ионизирующему излучению относятся гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или аннигиляции частиц, тормозное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц, характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома и рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и/или характеристического излучений. К корпускулярному ионизирующему излучению относят α-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения. Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (α-, β-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергиякоторых достаточна для ионизации атомов при столкновении, относится к классунепосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят. Соответственно, корпускулярное излучение, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением. Нейтронное и гамма излучение принято называть проникающеё радиацией илипроникающим излучением. Ионизирующие излучения по своему энергетическому составу делятся на моноэнергетические (монохроматические) и немоноэнергетические (немонохроматические). Моноэнергетическое (однородное) излучение – этоизлучение, состоящее из частиц одного вида с одинаковой кинетической энергиейили из квантов одинаковой энергии. Немоноэнергетическое (неоднородное)излучение – это излучение, состоящее из частиц одного вида с разнойкинетической энергией или из квантов различной энергии. Ионизирующееизлучение, состоящее из частиц различного вида или частиц и квантов,называется смешанным излучением.

Свойства ионизирующих излучений. В веществе быстрые заряженные частицы взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов. В результате взаимодействия с быстрой заряженной частицей электрон получает дополнительную энергию и переходит на один из удаленных от ядра энергетических уровней или совсем покидает атом. В первом случае происходит возбуждение, во втором ионизация атома.

При прохождении вблизи атомного ядра быстрая частица испытывает торможение в его электрическом поле. Торможение заряженных частиц сопровождается испусканием квантов тормозного рентгеновского излучения. Наконец, возможно упругое и неупругое соударение заряженных частиц с атомными ядрами. Длина пробега частицы зависит от ее заряда, массы, начальной энергии, а также от свойств среды, в которой частица движется. Пробег увеличивается с возрастанием начальной энергии частицы и уменьшением плотности среды. При одинаковой начальной энергии массивные частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие. Медленно движущиеся частицы взаимодействуют с атомами более эффективно и быстрее растрачивают имеющуюся у них энергию. Проникающую способность бета-частиц обычно характеризуют минимальной толщиной слоя вещества, полностью поглощающего все бета-частицы. Например, от потока бета-частиц, максимальная энергия которых 2 МэВ, полностью защищает слой алюминия толщиной 3,5 мм.

Альфа-частицы, обладающие значительно большей массой, чем бета-частицы, при столкновениях с электронами атомных оболочек испытывают очень небольшие отклонения от своего первоначального направления и движутся почти прямолинейно. Пробеги альфа-частиц в веществе очень малы. Например, у альфа-частицы с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе примерно 2,5 см, в воде или в мягких тканях животных и человека сотые доли миллиметра. Благодаря небольшой проникающей способности альфа- и бета-излучения обычно не представляют большой опасности при внешнем облучении. Плотная одежда может поглотить значительную часть бета-частиц и совсем не пропускает альфа-частицы. Однако при попадании внутрь человеческого организма с пищей, водой и воздухом или при загрязнении радиоактивными веществами поверхности тела альфа- и бета-излучения могут причинить человеку серьезный вред. Нейтроны, не имеющие электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. При столкновениях с атомными ядрами они могут выбивать из них заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды. Гамма-кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам это явления фотоэффекта, эффекта Комптона или рождения электронно-позитронных пар. Возникающие быстрые электроны производят ионизацию атомов среды.

Пути пробега гамма-квантов и нейтронов в воздухе измеряются сотнями метров, в твердом веществе десятками сантиметров и даже метрами. Проникающая способность гамма-излучения увеличивается с ростом энергии гамма-квантов и уменьшается с увеличением плотности вещества-поглотителя. Потоки гамма-квантов и нейтронов наиболее проникающие виды ионизирующих излучений, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность. Поглощенная доза ионизирующего излучения. Универсальной мерой воздействия любого вида излучения на вещество является поглощенная доза излучения, равная отношению энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества DEm. За единицу поглощенной дозы в СИ принят грей(Гр). 1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж 1 Гр1 Дж1 кг1 Дж/кг.

Отношение поглощенной дозы излучения ко времени облучения называется мощностью дозы излучения DDt. Единица мощности поглощенной дозы в СИ грей в секунду Грс.

Эквивалентная доза. Поглощенная доза D, умноженная на коэффициент качества k, характеризует биологическое действие поглощенной дозы и называется эквивалентной дозой Н HDk. Единицей эквивалентной дозы в СИ является з и вер т Зв. 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой поглощенная доза равна 1 Гр и коэффициент качества равен единице.

Биологическое действие ионизирующих излучений. Основа физического воздействия ядерных излучений на живые организмы ионизация атомов и молекул в клетках. При облучении человека смертельной дозой гамма-излучения, равной 6 Гр, в его организме выделяется энергия, равная примерно EmD70 кг6 Гр420 Дж. Такая энергия передается организму человека одной чайной ложкой горячей воды. Поскольку эта энергия мала, естественно предположить, что тепловое воздействие ионизирующей радиации не является непосредственной причиной лучевой болезни и гибели человека.

Действительно, основной механизм биологического воздействия ионизирующей радиации на живой организм обусловлен химическими процессами, происходящими в живых клетках после их облучения. Организм млекопитающего состоит примерно на 75 из воды. При дозе 6 Гр в 1 см3 ткани происходит ионизация примерно 1015 молекул воды. Процессы ионизации и химических взаимодействий продуктов ионизации происходят в клетке за миллионные доли секунды. Биохимические изменения в клетке, обусловленные образованием новых молекул, чуждых нормальной клетке, начинаются сразу после момента облучения, но не завершаются за короткое время. Некоторые следствия биохимических изменений в клетке проявляются уже через несколько секунд после облучения, другие могут привести к гибели клетки или ее раковому перерождению через десятилетия. Одним из первых следствий действия облучения на живую клетку является нарушение ее функции деления как самой сложной функции.