Виды ионизирующих излучений. Ядерные реакции.

Во время радиоактивного распада ядер испускаются а-, b- и γ-лучи, обладающие ионизационной способностью. Облучаемая среда частично ионизируется поглощаемыми лучами. Эти лучи взаимодействуют с атомами облучаемого вещества, что приводит к возбуждению атомов и вырыванию отдельных электронов из их электронных оболочек. В результате атом превращается в положительно заряженный ион (первичная ионизация). Выбитые электроны в свою очередь сами взаимодействуют со встречными атомами, вызывая вторичную ионизацию. Электроны, затратившие всю энергию, «прилипают» к нейтральным атомам, образуя отрицательно заряженные ионы.

То есть ионизация - это процесс отрыва электронов. В результате ионизации из нейтральных атомов или молекул образуются положительно заряженные ионы и свободные электроны.

Источники ионизирующего излучения (ИИ) можно разделить на две группы: аппаратные и ядерные. В аппаратных источниках излучение образуется в результате определенных физических процессов. При этом электроэнергия, питающая аппарат, преобразуется в энергию ионизирующих частиц. Так, электроны образуются в результате фотоэффекта или термоэлектронной эмиссии, а затем приобретают энергию, ускоряясь за счет силового поля, или рентгеновское излучение образуется при торможении таких электронов в электрическом поле. Примерами аппаратных источников радиации могут служить различного рода ускорители и рентгеновские аппараты. Эти устройства нашли широкое применение во многих областях промышленности, медицине, сельском хозяйстве, научной сфере. В ядерных источниках ионизирующего излучения частицы образуются и приобретают энергию в результате превращений, происходящих с ядром атома, - самопроизвольного распада ядра или ядерной реакции

Не все вещества одинаково поглощают лучи. Высокой поглощающей способностью обладают свинец, бетон и вода, которые чаще всего и используют для защиты от ионизирующих излучений.

Альфа-лучи представляют собой положительно заряженные частицы - ядра атомов гелия , движущиеся со скоростью около 20 000 км/с.

При альфа-распаде из ядра выбрасывается альфа-частица. Вследствие того, что массовое число ее равно 4, а порядковый номер - 2, ядро, образовавшееся после распада, имеет порядковый номер на 2 единицы, а массовое число на 4 единицы меньше, чем до распада. В периодической системе элементов такой элемент перемещается на 2 клетки влево. Эта закономерность носит название правила сдвига, сформулированного в 1910 году английским физиком Содди. Например, при распаде естественного ядра урана-238 испускается альфа-частица и образуется ядро тория-234.

Альфа-частицы имеют большие размеры, по сравнению с другими элементарными частицами. Они вылетают из распавшегося ядра с огромной скоростью, пробегая в воздухе 8-9 см и ионизируя его. В мягкую биологическую ткань альфа-частицы проникают лишь на глубину в несколько десятков микрон. Их можно остановить листком бумаги. Однако, замедляя движение и теряя свою энергию, они вызывают сильную ионизацию. Поэтому альфа-частицы особенно опасны при попадании внутрь организма.

Бета-лучи представляют собой поток быстрых электронов несущихся со скоростью, приближающейся к скорости света. Они возникают при бета-распаде ядер. В этом случае внутри ядра нейтрон превращается в протон. В результате из ядра вылетает быстрый электрон и нейтральная частица очень малой массы - нейтрино. Заряд ядра увеличивается на одну единицу, а массовое число не меняется (массой нейтрино можно пренебречь). Вновь образовавшийся элемент перемещается в периодической таблице на одну клетку вправо.

Размер этих частиц очень мал, длина их пробега в воздухе составляет несколько метров, а в ткани - несколько сантиметров. Свою энергию они отдают на протяжении более длинного следа, чем альфа-частицы. Бета-частицы вызывают ожоги, а в ткань организма проникают на 1 - 2 см.

Гамма-излучение (ионизирующее коротковолновое электромагнитное излучение) имеет различную природу. Прежде всего это гамма-излучение, испускаемое радионуклидами при альфа- и бета- распаде. При гамма-излучении превращения элементов не происходит, поскольку заряд и масса ядра не изменяются.

Гамма-излучение сходно со световым, но отличается от него длиной волны (менее 10 нм). Оно проходит в воздухе большие расстояния со скоростью света и глубоко проникает в живые ткани, ионизируя их на протяжении длинного следа. Действие гамма-лучей зависит от их числа и энергии, а также от расстояния между организмом и источником излучения.

Таким образом, наибольшей проникающей способностью обладают гамма-лучи, а наименьшей - альфа-лучи. Ионизирующая способность альфа-лучей очень высокая, а гамма-квантов - низкая. Бета-лучи занимают в этом отношении промежуточное положение. Исходя из указанных свойств легко заключить, что радиоактивные вещества, испускающие альфа- и бета-частицы, наиболее опасны при попадании внутрь организма. Гамма-лучи оказывают разрушающее действие при нахождении источника радиации как внутри организма, так и вне его. Альфа- и бета-лучи отклоняются в магнитном поле, а гамма-лучи - нет.

Кроме альфа-, бета- и гамма-лучей существуют другие типы ионизирующих излучения, в частности, рентгеновское, космическое и нейтронное.

Нейтронное излучение. Нейтроны - крупные незаряженные частицы, которые сами по себе не вызывают ионизации, но выбивая атомы из их стабильных состояний, создают наведенную радиоактивность в нерадиоактивных материалах или тканях организма. Нейтроны бывают быстрые и медленные. Быстрые нейтроны вызывают в 10, а медленные - в 5 раз большие поражения, чем гамма-лучи. Быстрые нейтроны эффективно замедляются водосодержащими веществами (вода, бетон, пластмассы). С этим излучением можно встретиться вблизи атомных реакторов и в местах ядерных взрывов.

Ядерные реакции.

Наряду с самопроизвольными (радиоактивными) превращениями ядер возможны превращения ядер, вызванные внешним воздействием, а именно попаданием в ядро частицы (электрона, протона, нейтрона, гамма-кванта и т. п.). В результате такого воздействия исходное ядро превращается в другое ядро, образуя новый нуклид (или распадается на два ядра - делится). Образовавшийся нуклид может быть стабильным, а может быть радиоактивным. Процесс преобразования одного ядра в другое (другие) под воздействием частицы извне называют ядерной реакцией. Радионуклиды, образованные в результате ядерной реакции называют наведенной активностью. При этом необходимо рассматривать два случая - (I) ядерные реакции под действием заряженных частиц или фотонов (таких частиц в природе много, но в этом случае ядерные реакции крайне затруднены) и (II) под действием нейтронов (в этом случае реакции осуществляются сравнительно легко, но свободные нейтроны очень редки).

I. Для того чтобы вероятность ядерной реакции, вызванной заряженными частицами (электронами, протонами) или фотонами стала существенной, необходимы чрезвычайно высокие энергии этих частиц. Такую энергию имеют:

- высокоэнергетические частицы, которые в сравнительно небольших количествах присутствуют в космическом излучении - ядерные реакции, вызванные такими частицами, приводят к образованию естественных (природных) радионуклидов в окружающей среде;

- частицы, полученные в ускорителях (специфических аппаратных источниках излучения) - такие частицы «накачиваются» энергией для осуществления целенаправленной ядерной реакции (например, для получения радионуклидов, использующихся в медицине).

Альфа-, бета- и гамма-излучения, образующиеся в результате радиоактивного распада, обладают энергией, недостаточной для осуществления ядерной реакции. С этим фактом связано одно из распространенных заблуждений - как будто облученное вещество само становится радиоактивным. На самом деле для возникновения сколь-либо заметной наведенной активности нужны крайне специфические условия.

II. В случае облучения вещества нейтронами ядерные реакции возможны и при низких энергиях. Однако «столкнуться» с нейтронным излучением в обычной жизни практически невозможно: природное нейтронное излучение очень слабое, а в промышленности его получают в специально созданных источниках (обычно относительно слабых) и в ядерных реакторах. В последних случаях радиационная безопасность гарантируется выполнением норм (конструкционных, эксплуатационных), и радиационные риски от нейтронного излучения актуальны только для профессионалов. Единственная опасность возникновения неуправляемого техногенного потока нейтронов, воздействующего на биосферу - это взрыв ядерной или термоядерной бомбы.