Длины волн различных видов электромагнитного излучения
Глава 14. Виды ионизирующих излучений и их свойства
Ионизирующие излучения (ИИ) получили своё название по свойству, отличающему их от большинства остальных излучений – способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Все ИИ подразделяются на электромагнитные и корпускулярные.
Электромагнитные ионизирующие излучения
В зависимости от источника электромагнитные ИИ подразделяются на тормозное, характеристическое и g-излучение.Тормозное излучение возникает при замедлении в электрическом поле (например, окружающем атомные ядра), ускоренных заряженных частиц. Характеристическое излучение обусловлено энергетическими перестройками внутренних электронных оболочек возбуждённых атомов, а g-излучение является продуктом ядерных превращений радиоактивных элементов (радиоизотопов).
Совокупность тормозного и характеристического излучения называют рентгеновским излучением (в англоязычной литературе чаще употребляют термин «х-излучение»). В земных условиях оно всегда имеет искусственное происхождение, в то время как g-излучение может иметь как искусственное, так и естественное происхождение.
Наиболее важные свойства электромагнитных ИИ стали известны человечеству уже через 50 суток после их обнаружения В.К. Рентгеном. 28 декабря 1895 г. он вручил председателю вюрцбургского физико-медицинского общества тезисы, содержащие характеристику х-излучения, актуальную и в наши дни. Эта характеристика справедлива и для других электромагнитных ИИ; основные её положения приведены в таблице 59.
Таблица 59.
Свойства электромагнитных ионизирующих излучений
| Общие со свойствами видимого света | Отличные от свойств видимого света |
| Распространяются прямолинейно; не отклоняются в магнитом и электрическом полях; имеют интенсивность, обратно пропорциональную квадрату расстояния до их источника | Невидимы невооружённым глазом; Проникают сквозь непрозрачные для видимого света материалы; Частично задерживаются различными материалами в прямой зависимости от плотности этих материалов; не отражаются от зеркальных поверхностей; не фокусируются оптическими линзами и не преломляются оптическими призмами; не дают интерференционную картину при пропускании сквозь обычные дифракционные решётки; ионизируют газы, изменяют цвет стекла, минералов, засвечивают фотопластинки, завёрнутые в светонепроницаемую бумагу. |
Несмотря на значительные различия свойств рентгеновского излучения и видимого света, немецкому физику Максу Лауэ в 1912 г. удалось выяснить, что они тождественны по своей природе, различаясь лишь длиною волн. Самые длинные из волн рентгеновского излучения на порядок короче, чем волны видимого света, что объясняет их разное поведение на зеркальных поверхностях, в линзах и на дифракционных решётках С этим же связано и наличие у рентгеновских и g-лучей ионизирующих свойств.
Действительно, энергия фотона Е прямо пропорциональна частоте электромагнитных колебаний n и обратно пропорциональна длине их волны l:
Е = h n = hc/l,
где h – постоянная Планка, с – скорость света.
В электрон-вольтах эту энергию можно рассчитать из уравнения:
Е = 12400/l,
где величина l выражена в нм.
Поскольку минимальная энергия ионизации атома в веществе равна 34 эВ, легко определить, какие из электромагнитных излучений обладают ионизирующими свойствами: это те из них, длина волны которых меньше 365 нм. Несмотря на то, что энергия некоторых квантов ультрафиолетового излучения достаточна для ионизации вещества, термин «ионизирующие» закрепился лишь за первыми двумя из представленных в таблице 60 излучений.
Таблица 60.
Длины волн различных видов электромагнитного излучения
| Название электромагнитного излучения | Диапазон длин волн, нм | |
| g-излучение | < 0,01 | |
| Рентгеновское излучение | < 10 | |
| Ультрафиолетовое излучение | 10 – 400 | |
| Видимый свет | Фиолетовый Синий Зелёный Жёлтый Красный | 400 –420 420 – 490 490 – 540 540 – 640 640 – 800 |
| Инфракрасное излучение | 800 – 100000 | |
| Радиоволны | > 105 | |
Как будет показано далее, ионизация веществ лежит в основе биологической активности ИИ. Этот же феномен используется для их выявления и количественной оценки (дозиметрии).
Взаимодействие электромагнитного ИИ с атомами вещества может протекать в формах фотоэффекта, Комптон-эффекта и обюразования электрон-позитронных пар.
Фотоэффект – поглощение одной из внешних электронных оболочек атома всей энергии фотона с превращением её в кинетическую энергию «выбитого» из атома электрона. Этот эффект преобладает при энергии фотонов до 0,05 МэВ.
Комптон-эффект – передача электрону лишь части энергии фотона; остальная энергия передаётся вторичному («рассеянному») фотону, который взаимодействует с атомами по механизму фотоэффекта или комптон-эффекта. При энергиях квантов от 0,1 до 2,0 МэВ (например, в случае проникающей радиации ядерного взрыва) на долю комптон-эффекта приходится до 100% поглощённой веществом энергии g-излучения.
Образование электрон-позитронных пар при прохождении g-кванта в непосредственной близости от ядра атома. Это основной вид взаимодействия фотонов с веществом при их энергии более 50 МэВ, его удаётся наблюдать лишь в лабораторных условиях.
Образующиеся при поглощении квантов электромагнитного излучения ускоренные заряженные частицы (фотоэлектроны, комптоновские электроны) являются вторичным, но первостепенным по значимости фактором ионизации и возбуждения атомов в облучаемом веществе. Поэтому рентгеновы и гамма-лучи называют косвенно ионизирующими излучениями.
Энергия фотонов определяет не только их ионизирующую, но и проникающую способность. Высокоэнергетические («жёсткие» - по определению В.К. Рентгена) электромагнитные излучения легко проникают вглубь тела человека и животных, вызывая ионизацию во всех клетках организма. Напротив, «мягкие» рентгеновы лучи, которые получают при напряжении на аноде рентгеновской трубки величиной в несколько кВ, задерживаются, в основном, кожей, не оказывая существенного прямого действия на глубоко лежащие ткани.
При прохождении электромагнитных ИИ через вещество интенсивность их потока уменьшается в соответствии с уравнением закона Ламберта-Бера:
I = I0 e-mx ,
где I0 – интенсивность падающего, а I – интенсивность прошедшего сквозь экран толщиною х потока излучения; е – основание натурального логарифма и m - коэффициент ослабления, величина которого зависит от энергетического спектра ИИ и свойств вещества.
Практически удобным показателем экранирующей способности материалов является толщина их слоя, ослабляющего излучение вдвое - слой половинного ослабления. Эта величина связана с коэффициентом ослабления ИИ зависимостью:
D = 0,693/ m .
Коэффициент ослабления электромагнитных ИИ растёт с увеличением порядкового номера в таблице Менделеева, а значит, и атомной массы входящих в вещество элементов. Поэтому наиболее эффективно экранируют от электромагнитных ИИ вещества, содержащие тяжёлые металлы («защита экранированием»). Свинец и барий вводят в состав материалов, используемых при сооружении помещений для лучевой диагностики и терапии. «Защита экранированием» дополняется «защитой расстоянием», основанной на зависимости интенсивности потока ИИ от расстояния до его источника, и «защитой временем» - минимизацией времени воздействия ИИ на персонал.