Ионизирующие излучения

Ионизирующим излучением называется излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к образованию в этом веществе ионов разного знака. Ионизирующее излучение состоит из заряженных и незаряженных частиц, к которым относятся также фотоны. Энергию частиц ионизирующего излучения измеряют во внесистемных единицах – электрон-вольтах, эВ. 1 эВ = 1,6 х 10^-19 Дж.

Различают корпускулярное и фотонное ионизирующее излучение.

Корпускулярное ионизирующее излучение – поток элементарных частиц с массой покоя, отличнойот нуля, образующихся при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, либо генерируемых на ускорителях. К нему относятся: α- и β-частицы, нейтроны (n), протоны (Р)и др.

α-излучение – это поток частиц, являющихся ядрами атома гелия и обладающих двумя единицами заряда. Энергия α-частиц, испускаемых различными радионуклидами, лежит в пределах 2-8 МэВ. При этом все ядра данного радионуклида испускают α-частицы, обладающие одной и той же энергией.

β -излучение – это поток электронов или позитронов. При распаде ядер β-активного радионуклида, в отличие от α-распада, различные ядра данного радионуклида испускают β-частицы различной энергии, поэтому энергетический спектр β-частиц непрерывен. Средняя энергия β-спектра составляет примерно0,3 Е_тах- Максимальная энергия β-частиц у известных в настоящее время радионуклидов может достигать3,0-3,5 МэВ.

Нейтроны (нейтронное излучение) – нейтральные элементарные частицы. Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, при прохождении через вещество они взаимодействуют только с ядрами атомов. В результате этих процессов образуются либо заряженные частицы (ядра отдачи, протоны, нейтроны), либо γ-излучение, вызывающие ионизацию. По характеру взаимодействия со средой, зависящему от уровня энергии нейтронов, они условно разделены на 4 группы:

1) тепловые нейтроны 0,0-0,5 кэВ;

2) промежуточные нейтроны 0,5-200 кэВ;

3) быстрые нейтроны 200 Кэв – 20 Мэв;

4) релятивистские нейтроны свыше 20 МэВ.

Фотонное излучение – поток электромагнитных колебаний, которые распространяются в вакууме с постоянной скоростью 300000 км/с. К нему относятся γ-излучение, характеристическое, тормозное и рентгеновское излучение.

Обладая одной и той же природой, эти виды электромагнитных излучений различаются условиями образования, а также свойствами: длиной волны и энергией.

Так, γ-излучение испускается при ядерных превращениях или при аннигиляции частиц.

Характеристическое излучение – фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атома, обусловленного перестройкой внутренних электронных оболочек.

Тормозное излучение – связано с изменением кинетической энергии заряженных частиц, имеет непрерывный спектр и возникает в среде, окружающей источник β-излучения, в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и т. п.

Рентгеновское излучение – совокупность тормозного и характеристического излучений, диапазон энергии фотонов которых составляет 1 кэВ - 1 МэВ.

Излучения характеризуются по их ионизирующей и проникающей способности.

Ионизирующая способность излучения определяется удельной ионизацией, т. е. числом пар ионов, создаваемых частицей в единице объема массы среды или на единице длины пути. Излучения различных видов обладают различной ионизирующей способностью.

Проникающая способность излучений определяется величиной пробега. Пробегом называется путь, пройденный частицей в веществе до ее полной остановки, обусловленной тем или иным видом взаимодействия.

α-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью и наименьшей проникающей способностью. Их удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздухе. Длина пробега этих частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а в мягкой биологической ткани – несколько десятков микрон.

β-излучение имеет существенно меньшую ионизирующую способность и большую проникающую способность. Средняя величина удельной ионизации в воздухе составляет около 100 пар ионов на 1 см пути, а максимальный пробег достигает нескольких метров при больших энергиях.

Наименьшей ионизирующей способностью и наибольшей проникающей способностью обладают фотонные излучения. Во всех процессах взаимодействия электромагнитного излучения со средой часть энергии преобразуется в кинетическую энергию вторичных электронов, которые, проходя через вещество, производят ионизацию. Прохождение фотонного излучения через вещество вообще не может быть охарактеризовано понятием пробега. Ослабление потока электромагнитного излучения в веществе подчиняется экспоненциальному закону и характеризуется коэффициентом ослабления μ, который зависит от энергии излучения и свойств вещества. Особенность экспоненциальных кривых состоит в том, что они не пересекаются с осью абсцисс. Это значит, что какой бы ни была толщина слоя вещества, нельзя полностью поглотить поток фотонного излучения, а можно только ослабить его интенсивность в любое число раз. В этом существенное отличие характера ослабления фотонного излучения от ослабления заряженных частиц, для которых существует минимальная толщина слоя вещества-поглотителя (пробег), где происходит полное поглощение потока заряженных частиц.

Открытие ионизирующего излучения связано с именем французского ученого А. Беккереля. В 1896 г. он обнаружил следы каких-то излучений, оставленных минералом, содержащим уран, на фотографических пластинках. В 1898 г. Мария Кюри и ее муж Пьер Кюри установили, что после излучений уран самопроизвольно последовательно превращается в другие элементы (рис. 41). Этот процесс превращения одних элементов в другие, сопровождающийся ионизирующим излучением, Мария Кюри назвала радиоактивностью. Так была открыта естественная радиоактивность, которой обладают элементы с нестабильными ядрами. В 1934 г. И. и Ф. Жолио-Кюри показали, что, воздействуя нейтронами на ядра стабильных элементов, можно получить изотопы с искусственной радиоактивностью.

Таким образом, различают природные и технические источники ионизирующего излучения. К природным относятся космические, а также земные источники, создающие природное облучение (естественный фон). К техническим относятся источники, специально созданные для полезного применения излучения или являющиеся побочным продуктом деятельности.

ФИЗИКА РАДИОАКТИВНОСТИ

Природа излучений хорошо изучена. Чтобы понять, как возникают излучения, необходимо вспомнить некоторые сведения из атомной физики.

Согласно планетарной модели атома, предложенной в1911 г. английским физиком Э. Резерфордом, ядро атома состоит из положительных протонов и нейтральных нейтронов. Вокруг ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны. Заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т. е. атом электрически нейтрален.

Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов, но количество нейтронов в них может быть разным.

Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разновидностям одного и того же химического элемента и называются изотопами. Чтобы отличать их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 238 - 92 = 146 нейтронов; в уране-235 тоже 92 протона, но 235 - 92 = 143 нейтрона. Протоны и нейтроны имеют общее название «нуклоны».

Полное число нуклонов называется массовым числом А и является мерой стабильности ядра. Чем ближе расположен элемент к концу таблицы Менделеева, тем больше А, тем больше нейтронов в ядре и тем менее устойчивы эти ядра.

Ядра всех изотопов образуют группу «нуклидов». Некоторые нуклиды стабильны, т. е. при отсутствии внешнего воздействия не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды.

Электроны располагаются на орбитах в строгой последовательности, на ближайшей к ядру орбите может находиться не более 2 электронов, на следующей не более 8, на третьей – 18, далее – 32.

Эти условия постулировалв 1913 г. датский физик Н. Бор. Затем они были подтверждены экспериментами.

Энергия атома дискретна. Переход из одного состояния в другое происходит скачкообразно с излучением или поглощением строго фиксированной порции энергии – кванта. Этот термин ввел основоположник квантовой теории М. Планк.

Электроны могут переходить с одной орбиты на другую и покидать атом. Сложные процессы, происходящие внутри атома, сопровождаются высвобождением энергии в виде излучения.

Можно сказать, что испускание ядром двух протонов и двух нейтронов – это альфа-излучение, испускание электрона – это бета-излучение.

Если нестабильный нуклид оказывается перевозбужденным, он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую гамма-излучением (гамма-квантом). Как и в случае рентгеновских лучей (во многом подобных гамма-излучению), при этом не происходит испускания каких-либо частиц.

Процесс самопроизвольного распада нуклида называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид – радионуклидом.

Уровень нестабильности радионуклидов неодинаков: одни распадаются очень быстро, другие – очень медленно.

Время, в течение которого распадается половина всех радионуклидов данного типа, называется периодом полураспада. Например, период полураспада урана-238 равен 4,47 млрд. лет, а протактиния-234 – всего чуть больше одной минуты.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Под воздействием ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные физические и биологические процессы. В результате ионизации живой ткани происходит разрыв молекулярных связей и изменение химической структуры различных соединений, что в свою очередь приводит к гибели клеток.

Еще более существенную роль в формировании биологических последствий играют продукты радиолиза воды, которая составляет 60-70% массы биологической ткани. Под действием ионизирующего излучения на воду образуются свободные радикалы Н· и ОН·, а в присутствии кислорода также свободный радикал гидропероксида (НО·₂) и пероксида водорода (Н₂О₂), являющиеся сильными окислителями. Продукты радиолиза вступают в химические реакции с молекулами тканей, образуя соединения, не свойственные здоровому организму. Это приводит к нарушению отдельных функций или систем, а также жизнедеятельности организма в целом.

Интенсивность химических реакций, индуцированных свободными радикалами, повышается, и в них вовлекаются многие сотни и тысячи молекул, не затронутых облучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты, то есть производимый излучением эффект обусловлен не столько количеством поглощенной энергии в облучаемом объекте, сколько той формой, в которой эта энергия передается. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывают ионизирующие излучения.

Нарушения биологических процессов могут быть либо обратимыми, когда нормальная работа клеток облученной ткани полностью восстанавливается, либо необратимыми, ведущими к поражению отдельных органов или всего организма и возникновению лучевой болезни.

Различают две формы лучевой болезни – острую и хроническую.

Острая форма возникает в результате облучения большими дозами в короткий промежуток времени. При дозах порядка тысяч рад поражение организма может быть мгновенным («смерть под лучом»). Острая лучевая болезнь может возникнуть и при попадании внутрь организма больших количеств радионуклидов.

Хронические поражения развиваются в результате систематического облучения дозами, превышающими предельно допустимые (ПДД).

Изменения в состоянии здоровья называются соматическими эффектами, если они проявляются непосредственно у облученного лица, и наследственными, если они проявляются у его потомства.

Для решения вопросов радиационной безопасности в первую очередь представляют интерес эффекты, наблюдаемые при «малых дозах» – порядка нескольких сантизивертов в час и ниже, которые реально встречаются при практическом использовании атомной энергии.

В нормах радиационной безопасности в качестве единицы времени, как правило, используется год, и как следствие этого, понятие годовой дозы излучения.

Весьма важным здесь является то, что, согласно современным представлениям, выход неблагоприятных эффектов в диапазоне «малых доз», встречающихся в обычных условиях, мало зависит от мощности дозы. Это означает, что эффект определяется прежде всего суммарной накопленной дозой вне зависимости от того, получена она за 1 день, за 1 с или за 50 лет. Таким образом, оценивая эффекты хронического облучения, следует иметь в виду, что эти эффекты накапливаются в организме в течение длительного времени.

Еще в 1899 г. был установлен факт подавления раковых клеток ионизирующим излучением. В дальнейшем полезное применение радиоактивных веществ в различных сферах деятельности стремительно развивалось. В 1954 г. в Советском Союзе была пущена первая в мире АЭС. К сожалению, исследования атома привели к созданию и применению в 1945 г. атомной бомбы в Хиросиме и Нагасаки. 26 апреля 1986 г. на ЧАЭС произошла тяжелейшая авария, которая привела к гибели и заболеванию людей, заражению значительной территории.

Исследователи излучений первыми столкнулись с их опасными свойствами. А. Беккерель получил ожог кожи. М. Кюри предположительно умерла от рака крови. По крайней мере 336 человек, работавших с радиоактивными материалами, умерли от переоблучения. Отказаться от применения радиоактивных веществ в науке, медицине, технике, сельском хозяйстве невозможно по объективным причинам.

Остается один путь – обеспечить радиационную безопасность, то есть такое состояние среды обитания, при котором с определенной вероятностью исключается радиационное поражение человека.

ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ

Действия ионизирующего излучения на вещество проявляется в ионизации и возбуждении атомов и молекул, входящих в состав вещества. Количественный мерой этого воздействия служит поглощенная доза Д_п – средняя энергия, переданная излучением единице массы вещества. Единица поглощенной дозы – грей (Гр), названа в честь физика Грея, 1 Гр = 1 Дж/кг. На практике применяется также внесистемная единица – 1 рад = 100 эрг/г = 1х10^-2 Дж/кг = 0,01 Гр.

Поглощенная доза излучения зависит от свойств излучения и поглощающей среды.

Для заряженных частиц (α, β, протонов) небольших энергий, быстрых нейтронов и некоторых других излучений, когда основными процессами их взаимодействия с веществом являются непосредственная ионизация и возбуждение, поглощенная доза служит однозначной характеристикой ионизирующего излучения по его воздействию на среду. Это связано с тем, что между параметрами, характеризующими данные виды излучения (поток, плотность потока и др.) и параметром, характеризующим ионизационную способность излучения в среде – поглощенной дозой, можно установить адекватные прямые зависимости.

Для рентгеновского и γ-излучений таких зависимостей не наблюдается, так как эти виды излучений косвенно ионизирующие. Следовательно, поглощенная доза не может служить характеристикой этих излучении по их воздействию на среду.

До последнего времени в качестве характеристики рентгеновского и γ-излучений по эффекту ионизации используют так называемую экспозиционную дозу. Экспозиционная доза выражает энергию фотонного излучения, преобразованную в кинетическую энергию вторичных электронов, производящих ионизацию в единице массы атмосферного воздуха.

За единицу экспозиционной дозы рентгеновского и γ-излучений принимают кулон на килограмм (Кл/кг). Это такая доза рентгеновского или γ-излучения, при воздействии которой на 1 кг сухого атмосферного воздуха при нормальных условиях образуются ионы, несущие 1 Кл электричества каждого знака.

На практике до сих пор широко используется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген. 1 рентген (Р) – экспозиционная доза рентгеновского и γ-излучений, при которой в 0,001293 г (1 см³ воздуха при нормальных условиях) образуются ионы, несущие заряд в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака или 1 Р = 2,58х10^-4 Кл/кг.

Поскольку экспозиционную дозу продолжают использовать в практике радиационной безопасности, рассмотрим соотношение между рентгеном и поглощенной дозой.

Заряд электрона равен 4,8xl0^-10 эл. ед. заряда. Следовательно, при экспозиционной дозе в 1 Р будет образовано 2,08х10⁹ пар ионов в 0,001293 г атмосферного воздуха. На образование одной пары ионов в воздухе расходуется в среднем 34 эВ энергии. Таким образом, при экспозиционной дозе в IP вторичными электронами расходуется 88 эрг в 1 г воздуха. Величины 88 эрг/г воздуха и 0,114 эрг/см³ воздуха называют энергетическими эквивалентами рентгена.

Поглощенная в каком-либо веществе доза рентгеновского и γ-излучения может быть рассчитана по экспозиционной дозе с помощью следующего соотношения:

Д(Гр) = 8,8 · 10^-3 · μ / μ_в · Д(Р)

где μ и μ_в – массовые коэффициенты ослабления(см²/г) для исследуемого вещества и воздуха соответственно.

Исследования биологических эффектов, вызываемых различными ионизирующими излучениями, показали, что повреждение тканей связано не только с количеством поглощенной энергии, но и с ее пространственным распределением, характеризуемым линейной плотностью ионизации. Чем выше линейная плотность ионизации, или, иначе, линейная передача энергии частиц в среде на единицу длины пути (ЛПЭ), тем больше степень биологического повреждения. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы Д_экв, которая определяется равенством:

Д_экв = Д_nQ,

где Д_п – поглощенная доза; Q – безразмерный коэффициент качества, характеризующий зависимость биологических неблагоприятных последствий облучения человека в малых дозах от полной ЛПЭ облучения.

Эквивалентная доза представляет собой меру биологического действия на данного конкретного человека, то есть она является индивидуальным критерием опасности, обусловленным ионизирующим излучением. Ниже приведены значения Q взвешивающих коэффициентов для некоторых видов излучения.

Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы:

- Фотоны любых энергий - Электроны и мюоны (менее 10 кэВ) - Нейтроны с энергией менее 10 кэВ от 10 кэВ до 100 кэВ от 100 кэВ до 2 МэВ от 2 МэВ до 20 МэВ более 20 МэВ - Протоны, кроме протонов отдачи, энергия более 2 МэВ - Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра

В качестве единицы измерения эквивалентной дозы принят зиверт (Зв), в честь шведского радиолога Рольфа Зиверта. 1 Зв = 1 Гр/Q = 1 Дж/кг. Зиверт равен эквивалентной дозе излучения, при которой поглощенная доза равна 1 Гр при коэффициенте качества, равном единице.

Применяется также специальная единица; эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рада); 1 бэр =0,01 Зв. Бэром называется такое количество энергии, поглощенное 1 г биологической ткани, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при поглощенной дозе излучения 1 рад рентгеновского и γ-излучений, имеющих Q = 1.

Коэффициент качества, определенным образом связанный с ЛПЭ, используется для сравнения биологического действия различных видов излучений только при решении задач радиационной защиты при эквивалентных дозах Д_экв < 0,25 Зв (25 бэр).

Поглощенная, экспозиционная и эквивалентная дозы, отнесенные к единице времени, носят название мощности соответствующих доз.

Самопроизвольный (спонтанный) распад радиоактивных ядер следует закону:

N = N₀ ·ехр(-λ t),

где N₀ – число ядер в данном объеме вещества в момент времени t = 0 ; N – число ядер в том же объеме к моменту времени t; λ – постоянная распада.

Постоянная λ имеет смысл вероятности распада ядра за 1 с; она равна доле ядер, распадающихся за 1 с. Постоянная распада не зависит от общего числа ядер и имеет вполне определенное значение для каждого радиоактивного нуклида.

Приведенное выше уравнение показывает, что с течением времени число ядер радиоактивного вещества уменьшается по экспоненциальному закону.

В связи с тем, что период полураспада значительного числа радиоактивных изотопов измеряется часами и сутками (так называемые короткоживущие изотопы), его необходимо знать для оценки радиационной опасности во времени в случае аварийного выброса в окружающую среду радиоактивного вещества, выбора метода дезактивации, а также при переработке радиоактивные отходов и последующем их захоронении. (Период полураспада нуклидов приведен в НРБ – 96).

Первая характеристика из использовавшихся в практической дозиметрии – это экспозиционная доза Д_э. Д_э – количественная характеристика поля ионизирующего излучения, основанная на величине ионизации сухого воздуха при атмосферном давлении.

Единицей измерения Д_э является рентген (Р).

1 Р = 2х10⁹ пар ионов / см³ воздуха = 0,11 эрг / см³ воздуха.

Следует учитывать, что чувствительность разных органов тела неодинакова. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака легких более вероятно, чем в щитовидной железе. Поэтому дозы облучения органов и тканей следует учитывать с разными взвешивающими коэффициентами (рекомендованы Международной комиссией по радиационной защите, см. табл. 34).

Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма. Эта доза также измеряется в зивертах.

Таблица 34

Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы

Гонады	0,20
Костный мозг (красный)	0,12
Толстый кишечник (прямая, сигмовидная, нисходящая часть ободочной кишки)	0,12
Легкие	0,12
Желудок	0,12
Мочевой пузырь	0,05
Грудная железа	0,05
Печень	0,05
Пищевод	0,05
Щитовидная железа	0,05
Кожа	0,01
Клетки костных поверхностей	0,01
Остальное	0,05

Таблица 35

Единицы измерения радиоактивного излучения

Наименование величины	Определение величины	Единицы	Соотношение между единицами	Пояснение
в системе СИ	Внесистемные
Доза экспози­ционная	Мера рентгеновского и γ-излучения, ионизирующее воздействие на сухой воздух	Кулон на кг (Кл/кг)	Рентген (Р)	1Р= 2,58 · 10-4 Кл/кг	Энергетический эквивалент: 1 р = 87,7 Дж/кг
Мощность экспозиционной дозы	Экспозиционная доза в единицу времени	Кл/кг · с	Р/ч	1 Р/ч =7,17 · 10-8 Кл/кг · с
Доза поглощения	Энергия нейтронного и γ -излучения, переданная массе веществ	Грей (Гр)	Рад (рад)	1 рад = 0,01 Гр	Связь с экспозиционной до­зой: 1 рад равен 1,14 р для воздуха и 1,05 р для биологи­ческой ткани
Мощность поглощенной дозы	Поглощенная доза в един. времени	Гр/с	Рад/с	1 рад/ч =2,77 · 10-6 Гр/с
Доза эквивалентная	Доза поглощенная, умноженная на коэффициент вида излучения: Дэкв = Дпогл Кизл	Зиверт (Зв)	Бэр — биологи­ческий эквива­лент рада	1 бэр =0,01 Зв	Коэффициент вида (качества) излучения отражает степень опасности облучения людей разными типами радиацион­ных воздействий
Мощность экви­валентной дозы	Эквивалентная доза в единицу времени	Зв/с	бэр/с	1 бэр/ч = 2,78 ·10-6 Зв/с
Плотность потока частиц	Отношение числа частиц, пересе­кающих в единицу времени малую сферу, не вносящую искажения в поле излучения, к площади поперечного сечения этой сферы	1/с м2	-	-	В зависимости от вида излу­чения может обозначаться: ρ-част./с м2, фотон/с м2 и т. п.

Описанные три дозы относятся к отдельному человеку, то есть являются индивидуальными.

Просуммировав индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, мы придем к коллективной эффективной эквивалентной дозе, которая измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв).

Следует ввести еще одно определение.

Многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся в отдаленном будущем.

Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Активность препарата – это мера количества радиоактивного вещества.

Определяется активность числом распадающихся атомов в единицу времени, то есть скоростью распада ядер радионуклида.

Единицей измерения активности является одно ядерное превращение в секунду. В системе единиц СИ она получила название беккерель (Бк).

За внесистемную единицу активности принята кюри (Ки) – активность такого числа радионуклида, в котором происходит 3,7х 10¹⁰ актов распада в секунду. На практике широко пользуются производными Ки: милликюри – 1 мКи = 1 х 10^-3 Ки; микрокюри – 1 мкКи = 1 х 10^-6 Ки.

Таблица 36