Ионизирующие излучения и дозы их

ИЗМЕРЕНИЯ

1. Цель работы — ознакомиться с основными понятиями радиационной безопасности: явление радиоактивности, физические единицы измерения радиоактивных излучений, дозы и мощность дозы облучения, виды излучения и их природа, дозовые нагрузками на человека.

2. Порядок выполнения работы:

2.1. Изучить настоящие методические материалы.

2.2. Законспектировать в рабочую тетрадь ответы на вопросы к зачёту.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

А. Беккерель (1852-1908)

В. К. Рентген (1845 - 1923)

3.1. Явление радиоактивности и естественная радиоактивность были открыты в мае 1896 г. французским ученым физиком Анри Беккерелем. За пол года до этого открытия (8 ноября 1895 г.) вюрцбургский (немецкий) физик Вильгельм Конрад Рентген открыл излучение (Х-лучи), обладающее большой энергией и проникающей способностью. Оно известно сегодня как рентгеновские лучи, которые возникают тогда, когда катодные лучи (электроны), испускаемые отрицательным электродом (катодом) электронно-вакуумной лампы, ударяют в другую часть лампы во время высоковольтного разряда. Анри Беккерель провел опыты с чистым ураном и обнаружил, почернение фотографической пластинки. Загадочное излучение, которое совершенно очевидно являлось присущим урану свойством, стало известно как лучи Беккереля.

В 1898 г. этим явлением заинтересовались ученица Беккереля Мария Складовская-Кюри и ее муж Пьер Кюри. Они обнаружили, что торий также испускает лучи Беккереля, и переименовала их в радиоактивность. После тщательных исследований они открыли

Мария Складовская-Кюри (1867 – 1934)

Пьер Кюри (1859 - 1906)

два новых радиоактивных элемента - полоний (названный так в честь родины Мари Складовской-Кюри - Польши) и радий («радий» в переводе с латинского – испускающий лучи, «излучающий»).

В 1911 г. английский ученый Эрнест Резерфорд, исследуя рассеяние α-частиц тонкой металлической фольгой, предположил, что внутри атома имеется ядро шарообразной формы размером около 10^-12 см. Позже (1919 г.), исследуя реакцию ₇¹⁴N+₂⁴He®₈¹⁷O+₁¹H (протон) он высказал гипотеза о существовании нейтрона ₀¹n.

Используя эту модель, великий датский физик-теоретик Нильс Бор в 1913 г. разработал первую теорию строения атома: атом имеет положительно заряженное ядро и окружающие его электроны (рис.

Э. Резерфорд (1871 – 1937)	Н. Бор (1885-1962)

1.1). В ядре сосредоточена почти вся масса атома (более 99,95%). Размеры ядер составляют 10^-10 - 10^-15 м.

В 1932 г. английский физик Дж. Чедвик открыл нейтрон в реакции ₄⁹Be+₂⁴He® ¹²₆C+ ₀¹n. В этом же году немецкий ученый В. Гейзенберг и независимо от него отечественный физик Д.Д. Иваненко предложили протонно-нейтронную модель строения атомного ядра. Согласно этой модели ядра атомов включают в себя два вида элементарных частиц протоны (р) и нейтроны (n). Связанное состояние в n-р –системе называется дейтроном. Сколько в ядре протонов, столько и электронов вращается вокруг ядра (рис. 1.1).

Количеству протонов в ядре соответствует номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. Ядро любого элемента называется нукли
дом. Нуклид обозначается символом химического элемента с указанием атомного номера и массового числа в качестве нижнего и

Рис. 1.1. Схематическое изображение атома.

верхнего индекса соответственно (например, ₂⁴Не). В дальнейшем в ряде случаев для краткости изложения будет указываться только массовое число химического элемента.

Ядра с одним и тем же зарядом, но с разными массовыми числами (одинаковым количеством протонов и разным – нейтронов) называют изотопами. Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек и, следовательно, близкие химические свойства. Они занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов. Например, у первого элемента таблицы Менделеева - водорода существуют следующие изотопы:

- водород - ¹Н (стабильный),

- дейтерий - ²Н (стабильный),

- тритий - ³Н (радиоактивный элемент, период полураспада - 12 лет).

У цезия имеются 20, у йода – 19, у стронция – 12, у плутония – 7 изотопов и т.д.

В таблице Менделеева (см. приложение) более 100 химических элементов. Почти каждый из них представлен смесью стабильных и радиоактивных атомов - изотопами данного элемента. Известно почти 2000 изотопов, из которых почти 300 – природные, т. е. естественные (столько же и стабильных изотопов), остальные – получены искусственным путём. Продукты ядерного взрыва содержат более 100 нестабильных изотопов. Большое количество радиоактивных изотопов содержится в продуктах деления ядерного горючего в ядерных реакторах АЭС и др. Но среди них количество изотопов, имеющих практическое значение и играющих заметную роль в природе невелико - не более десятка.

Радиоактивность - свойство некоторых нестабильных атомов к самопроизвольным превращениям (распаду) и к изменению своего нуклонного состава (количество протонов и нейтронов в ядре) и (или) энергетического состояния с образованием новых атомов (стабильные или радиоактивные) и испусканием ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ с большей или меньшей ПРОНИКАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ. Эти излучения и называются в обиходе радиацией («Radiation» в переводе с английского - "излучение"). Термин «радиоактивность» предложен Марией Склодовской Кюри в 1898 г. Позже был предложен знак: «Радиоактивность» для предупреждения работающих об опасности облучения.

Знак: «Радиоактивность»

Нестабильные изотопы, наряду с тяжелыми элементами с атомным номером выше 83, составляют многочисленное семейство нестабильных ядер нуклидов, претерпевающих радиоактивный распад и объединяемых единым понятием радионуклидов. Соотношение числа протонов и нейтронов в их ядрах превышает 1 и достигает 1,6.

Число ядер радионуклидов постоянно уменьшается во времени благодаря распаду. Скорость распада этих ядер принято характеризовать периодом полураспада (Т_½) - временем, за которое число радиоактивных ядер уменьшается в 2 раза. У каждого радионуклида свой период полураспада, он может составлять как доли секунды, так и миллиарды лет. Период полураспада любого радионуклида постоянен, и изменить его невозможно. Чем больше период полураспада и массовое число радиоактивного элемента, тем большее его количество соответствует одному кюри (1 Ки). Например, 1 Ки соответствует: 1 мг ⁶⁰Со (Т_½ = 5 лет), 1 г ²²⁶Rа (Т_½ = 1590 лет), 16 г ²³⁹Рu (Т_½ = 2400 лет), 570 кг ²³⁵U (Т_½ = 880 млн. лет).

Рис. 1.2. Распад радионуклидов.

Убывание количества распадающихся ядер радионуклида происходит по экспоненте (рис. 1.2). Поэтому полностью радионуклид не исчезнет никогда. Так, например, для радионуклида с периодом полураспада 1 час количество его станет меньше первоначального в 2 раза через 1 ч, через 2 ч - в 4, через 3 ч - в 8 раз и т.д. Динамика распада описывается законом радиоактивного распада, устанавливающим, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля ядер данного радионуклида. Эта доля атомов, распадающихся в 1 секунду, называется радиоактивной постоянной распада (постоянная или константа распада) и обозначается λ. Величины λ и T_1/2 связаны между собой обратно пропорциональной зависимостью: λ = ln 2 / T_1/2. Учитывая, что ln 2 = 0,693, данная формула может приобрести следующий вид: λ = 0,693 / Т_1/2 (сек^-1).

Из закона радиоактивного распада следует, что N_t = N₀•e^-λt, где N₀ - число радиоактивных атомов в начальный (нулевой) момент времени, N_t число атомов, оставшихся к моменту t (время в секундах), e – основание натурального логарифма (е - 2,718). Так как за время, равное одному периоду полураспада, число радиоактивных атомов уменьшается в два раза, то при t = T_1/2 имеем: N_t = N₀/2: e^-λt = 1/2; e^-λt = 2 (где t = T_1/2) и, в итоге, ln 2 = λ•Т_1/2.

Из указанного закона следует, что количество ядер, распадающихся за промежуток времени dt, прямо пропорционально количеству нераспавшихся ядер: dN/dt = λN.При этом N = N₀ e^-λt, или

N = N0е - 0,693t/T,

где N₀ – количество ядер радионуклида в момент начала отсчёта времени (t = 0); λ – постоянная распада; N – количество ядер радионуклида спустя время t; e – основание натурального логарифма = 2,718.

Следует различать радиоактивность и радиацию. Радиоактивность – способность некоторых нестабильных атомов к самопроизвольному распаду или изменению своего нуклонного состава с испускание ионизирующих излучений. Источники ионизирующих излучений - радиоактивные вещества или ядерно-технические установки (реакторы, ускорители, рентгеновское оборудование и т.п.). Они могут существовать долгое время, а радиация существует лишь до момента своего поглощения в каком-либо веществе. Радиацию нельзя вызвать с помощью химических реакций.

3.2. Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Это частицы или γ-кванты, энергия которых достаточно велика, чтобы при воздействии на вещество создавать ионы разных знаков. Энергии ионизирующей радиации вполне хватает, чтобы выбить хотя бы один электрон из встречного атома По-

Рис. 1.3. Образование ионов, заряжённых положительно и отрицательно.

добные атомы без электрона называются ионами (рис. 1.3).

Рис. 1.4. Неоднородность проника- ющей радиации.

Самым известным видом ионизирующей радиации является рентгеновское излучение. При ядерном взрыве, авариях на АЭС, ядерных превращениях появляются и действуют другие невидимые и не ощущаемые человеком излучения. По своей природе они могут быть электромагнитными, как, например, гамма(γ)- и рентгеновское излучения (так называемое фотонное излучение), или представлять поток быстро движущихся элементарных частиц – нейтронов, протонов, бета (β)- и альфа (α)-частиц (это корпускулярное излучение). Любые ядерные излучения, взаимодействуя с различными материалами, ионизируют их атомы и молекулы. ИОНИЗАЦИЯ среды тем сильнее, чем больше мощность дозы радиоактивного излучения и длительнее их воздействие.

На рис. 1.4 представлен классический опыт, позволивший обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. Препарат радия помещали на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На выходившее из канала излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу ионизирующего излучения. Вся установка размещалась в вакууме. Под действием магнитного поля пучок распадался на три потока.

Две составляющие потока отклонялись в противоположные стороны. Это указывало на наличие у излучений электрических зарядов противоположных знаков. При этом отрицательный компонент излучения отклонялся магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный. Э. Резерфорд, обнаруживший в 1899 г. эти две составляющие излучения, назвал менее проникающую α-излучением и более проникающую - β-излучением. Третья составляющая урановой радиации, не отклонявшаяся магнитным полем и самая проникающая из всех, была открыта через год (1900 г.) Полем Виллардом и названа по аналогии с резерфордовским рядом (α и β) третьей буквой греческого алфавита - γ-излучением. Следовательно, положительно заряженный компонент получил название α-лучей, отрицательно заряженный – β-лучей и нейтральный – γ-лучей.

Каждому виду излучения присущи свои ионизирующая и проникающая способности. Именно эти свойства лежат в основе повреждающего действия ионизирующих излучений на живые клетки человека или животного, что приводит к развитию заболевания, различной степени тяжести, а в некоторых случаях и к смерти. Рассмотрим эти две способности для различных излучений.

Альфа-излучение (α-излучение) представляет собой поток α-частиц, испускаемых при радиоактивном распаде элементов тяжелее свинца, элементов с № > 83 (например, урана, тория, радия, плутония, табл. 1.1), или образующихся в ходе ядерных реакций. α-частица фактически являются ядрами гелия (₂⁴Не), состоящими из двух протонов и двух нейтронов (статический электрический заряд равен +2, массовое число - 4). q = 2е. Скорость α-частицы при вылете из ядра - от 12 до 20 тыс. км/сек. В вакууме α-частица могла бы обогнуть земной шар по экватору за 2 с. Ионизирующая способность α-излучения в воздухе характеризуется образованием в сред-

Таблица 1.1.

Альфа-излучатели

Радионуклид Обозначение Годовая доза облучения человека при уровне радиоактивности пробы 0.1 Бк/кг, мЗв Полоний-210 210Po 0.045 Радий-224 224Ra 0.006 Радий-226 226Ra 0.016 Торий-232 232Th 0.130 Уран-234 234U 0.003 Уран-238 238U 0.003 Плутоний-239 239Pu 0.040

нем 30 тыс. пар ионов на 1 см пробега. Это очень много. Ионизирующая способность представляет главную опасность данного излучения. Проникающая способность, наоборот, невелика. Например, у α-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. α-частицы задерживает обычный лист бумаги (0, 1 мм), магнитным полем они отклоняются слабо.

Бета-излучение (β-излучение) представляет собой поток электронов или позитронов с массой, равной 1/1837 массы протона, образующихся при β-распаде различных элементов от самых легких (нейтрон) до самых тяжелых (радий-228) - см. табл. 1.2. β-распад – это процесс превращения в ядре атома протона в нейтрон или нейтрона в протон с выбросом β-частиц (позитрона или электрона). β-распад объединяет три самостоятельных вида радиоактивных превращений: электронный, позитронный распад и К-захват.

Отрицательно заряженные β-частицы – электроны или положительно заряженные – позитроны движутся со скоростью, близкой к скорости света (0, 999 скорости света, v = 10⁸м/с). Ионизирующая

Таблица 1.2.

Бета-излучатели

Радионуклид Обозначение Годовая доза облучения человека при уровне радиоактивности пробы 0.1 Бк/кг, мЗв Кобальт-60 60Co 0.005 Стронций-89 89Sr 0.003 Стронций-90 90Sr 0.020 Йод-129 129I 0.080 Йод-131 131I 0.016 Цезий-134 134Cs 0.014 Цезий-137 137Cs 0.009 Свинец-210 210Pb 0.950 Радий-228 228Ra 0.200 Калий-40 40К 0,085

способность их невелика и составляет в воздухе 40 – 150 пар ионов на 1 см пробега.

Проникающая способность β-частиц намного выше, чем у α-излучения. Она характеризуется минимальной толщиной слоя вещества, полностью поглощающего все β-частицы. Например, от потока β-частиц с максимальной энергией 2 МэВ человека полностью защищает слой алюминия толщиной 3,5 мм. В воздухе их пробег достигает 20 м, магнитным полем β-частицы отклоняются сильно.

Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное излучение (длина волны 10^–10–10^–14 м), возникающее в некоторых случаях при α- и β-распаде, или аннигиляции частиц. Отдельно от других видов излучения оно не существует. γ-излучение - самое коротковолновое электромагнитное излучение высокой энергии, распространяющееся со скоростью света. Ионизирующая способность его в воздухе – всего несколько пар ионов на 1 см пути, т.е. значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений. А вот проникающая его способность очень велика – в 50 – 100 раз больше, чем у β-излучения - в воздухе она составляет сотни и тысячи метров. Большинство γ-квантов проходит через биологическую ткань и только незначительное их количество поглощается телом человека. Поэтому защита от внешнего γ-излучения представляет наибольшие проблемы. Защита осуществляется свинцом (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Проникающая способность излучения.

На загрязненных радионуклидами в результате Чернобыльской катастрофы территориях в настоящее время присутствуют (исключая ¹³¹I* и ¹³⁴Cs*) следующие виды ионизирующих излучений (табл. 1.3):

Таблица 1.3.

Вид радиации	Йод-131*	Цезий-134*, 137	Стронций-90	Плутоний-238, 239, 240	Америций-241
Альфа	-	-	-	+	+
Бета	+	+	+	-	-
Гамма	+	+	-	-	-

Рентгеновское излучение подобно γ-излучению, но имеет большую, чем у γ-излучения, длину волны 10^-8 - 10^-11 м и меньшую, чем у γ-излучения, энергию. Состоит из тормозного и (или) характеристического излучения, генерируемого в рентгеновских аппаратах рентгеновскими трубками, которые сами по себе не радиоактивны, т.е. рентгеновское излучение получается искусственно. Поскольку рентгеновская трубка питается электричеством, то испускание рентгеновских лучей может быть включено или выключено с помощью выключателя. Кстати, наше Солнце - один из основных естественных источников рентгеновского излучения, но земная атмосфера обеспечивает от него надежную защиту. Рентгеновское излучение широко используется в медицине для диагностики заболеваний. Медицинские рентгеновские снимки и т.п. вносят в дозу облучения дополнительно примерно 1,4 мЗв/год.

Нейтронное излучение – это поток нейтральных частиц, которые не обладают электрическим зарядом и летят со скоростью 20 – 40 тыс. км/с. Оно может создаваться источниками искусственной радиации, получившими название техногенных (специальные установки, взрыв нейтронного боеприпаса и т.д.). Проникающая способность нейтронов достигает в воздухе несколько километров. Они не взаимодействуют с электронами и не вызывают непосредственной ионизации. Вызываемая нейтронами ионизация называется косвенной, т.к. создаётся во время упругих столкновений, неупругого рассеяния, реакции захвата или процесса расщепления. Ионизирующая способность нейтронного излучения составляет несколько тысяч пар ионов на 1 см пути. Она приводит к образованию и испусканию γ-лучей, β-радиации и, иногда и большего количества нейтронов. Такое явление получило название наведенная радиация – способность атомов, подвергшихся воздействию нейтронов, самостоятельно испускать радиоактивное излучение.

Протонное излучение – поток протонов, составляющих основу космического излучения и ядерных взрывов. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между α- и β-излучением.

Следовательно, α-излучение обладает высокой ионизирующей и слабой проникающей способностью. Обыкновенная одежда полностью защищает человека от внешнего облучения. Самым опасным является попадание α-частиц внутрь организма с воздухом, водой и пищей. β-излучение имеет меньшую ионизирующую способность, чем α-излучение, но большую проникающую способность. Одежда уже не может полностью защитить человека, нужно использовать любое укрытие. γ- и нейтронное излучения обладают очень высокой проникающей способностью, защиту от них могут обеспечить только убежища, противорадиационные укрытия, надежные подвалы и погреба.

Ультрафиолетовое излучение и излучение лазеров в нашем руководстве не рассматриваются в качестве радиации.