Тема 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЭКОЛОГИИ
Лекция 2: Физическая характеристика атомов и радиоактивный распад ядер.
Строение атома. Элементарные частицы.
Виды радиоактивного распада.
Закон радиоактивного распада.
1. Строение атома.
Атом – мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом (размер примерно 10-8см) представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра (10-13см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Радиус атома равен радиусу орбиты самого удаленного от ядра электрона [Белов А.Д., 1999]. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом электрически нейтрален.
В 1911 году Э. Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, которая была развита Н. Бором (1913). Согласно этой модели в центре атома расположено ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемещаются по эллиптическим орбитам электроны, образующие электронную оболочку атома.
Любой атом состоит из элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов, которые в свободном состоянии характеризуются такими физическими величинами, как масса, электрический заряд (или его отсутствие), устойчивость, скорость т.д. Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.), за единицу принята 1\12массы атомы углерода (12С).
1 а.е.м. = 1,67*10-27 кг
Энергия выражается в электрон-вольтах (эВ), один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон (или любая элементарная частица вещества, имеющая заряд) при прохождении электрического поля с разностью потенциалов в один вольт.
1эВ = 1,602*10-19Кл
Кроме этого массу часто выражают в энергетических эквивалентах (это энергия покоя частицы, масса которой равна 1 а.е.м., составляет 931,5МэВ (106 эВ).
Атомное ядро – центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся масса (99,9%). Атомное ядро состоит из двух типов элементарных частиц – протонов и нейтронов. Общее название их – нуклон. Протон и электрон относятся к так называемым устойчивым и стабильным частицам, нейтрон стабилен, лишь находясь в ядре.
Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А (или М). Так как заряд нейтрона равен нулю, а протон имеет элементарный положительный заряд +1, то заряд ядра равен числу находящихся в нем протонов, которое называется зарядовым числом (Z) или атомным номером. Число нейтронов в ядре равно разности между массовым А числом и атомным номером Z элемента: N = A-Z (АZX).
Электрический заряд (q) ядра равен произведению элементарного электрического заряда (е) на атомный номер (Z) химического элемента периодической системы Д.И. Менделеева:
q = Ze
Ядерные силы.
Протоны и нейтроны внутри атомного ядра удерживаются ядерными силами. Ядерные силы составляют потенциальную энергию связи ядра. Установлено, что сумма энергий свободных протонов и нейтронов больше энергии составленного из них ядра, из чего следует, что для разделения ядра на его составляющие нужно затратить энергию. Минимальная энергия, необходимая для этого называется энергией связи ядра.
Такая же картина наблюдается, если сложить массы нуклонов, составляющих ядро атома. Расчетная масса ядра окажется больше фактической масса ядра. Разницу между расчетной и фактической массой ядра называют дефектом массы.
Ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия электрического заряда у нуклонов, действуют только на очень малых расстояниях (10-13см) и с увеличением расстояния между ядерными частицами очень быстро ослабевают.
Для ядерных сил характерно свойство насыщения, которое заключается в том, что нуклон оказывается способным к ядерному взаимодействию одновременно только с незначительным числом соседних нуклон, что указывает на возможную природу ядерных сил, как сил обменного типа.
Основные свойства ядерных сил объясняются тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами массой немногим более 200 электронных масс (X. Юкава, 1935г), такие частицы обнаружены экспериментально (1947) и названы π-мезонами или пионами (существуют положительные, отрицательные и нейтральные π-мезоны). Мезоны не являются составными частями протонов и нейтронов, а испускаются и поглощаются ими (подобно тому, как атомы испускают и поглощают кванты электромагнитного излучения), при этом протон, испустивший положительный пион, превращается в нейтрон, а нейтрон после захвата пиона превращается в протон. Все эти процессы обеспечивают сильное взаимодействие и тем самым устойчивость ядер.
Протон (р) – элементарная частица, входящая в состав любого атомного ядра, имеющая положительный заряд равный единичному элементарному заряду +1 (1,602*10-19Кл). Масса покоя протона составляет 1,00758 а.е.м. или 938,27 МэВ.
Число протонов в ядре (атомный номер) для каждого элемента строго постоянно и соответствует порядковому номеру элемента (Z) таблицы Д.И. Менделеева. Так как каждый протон имеет положительный элементарный заряд электричества, то атомный номер элемента показывает и число положительных элементарных зарядов в ядре любого атома химического элемента. Порядковый номер элемента еще называют зарядовым числом. Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке атома (но не наоборот) и соответственно строение электронных оболочек и химические свойства элементов.
Нейтрон (n) – электрически нейтральная элементарная частица (отсутствует лишь в ядре легкого водорода), масса покоя которой равна 1,00898 а.е.м. или 939,57 МэВ. Масса нейтрона больше массы протона на две электронные массы. В атомном ядре нейтроны являются стабильными, их число (N) в ядре атома одного и того же элемента может колебаться, что дает в основном только физическую характеристику элемента [Белов А.Д., 1999].
Электрон – стабильная элементарная частица, имеющая массу покоя, равной 0,000548 а.е.м., а в абсолютных единицах массы - 9,1*10-28кг. Энергетический эквивалент а.е.м. электрона равен 0,511 МэВ и элементарный электрический заряд – 1,602*10-19Кл.
Электроны двигаются вокруг ядра по орбиталям определенной формы и радиуса. Орбиты группируются в электронные слои (максимально может быть семь: K, L, M, N, O, P,Q). Наименьшее число электронов, которое может находиться на орбиталях одного слоя, определяется квантовым соотношением:
m=2n2,
где n – главное квантовое число (в данном случае совпадает с номером слоя. Следовательно в К-слое (n=1) может находиться 2 электрона, в L-слое (n=2) – 8 электронов и так далее.
Основную роль во взаимодействии электронов с атомным ядром играют электромагнитные силы (силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов). Чем ближе к ядру находится электрон, тем больше его потенциальная энергия (энергия связи с ядром) и меньше кинетическая энергия (энергия вращения электрона). Соответственно электроны с внешней орбиты (энергия связи около 1-2 эВ) сорвать легче, чем с внутренней.
Переход отдельного электрона с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или высвобождением энергии (поглощается или испускается квант энергии). Согласно постулатам Бора атомная система находится в стационарном состоянии, которое характеризуется определенной энергией. Бесконечно долго каждый атом может находиться только в стационарном состоянии с минимальной энергией, которое называется основным или нормальным. Все остальные стационарные состояния атома с большими энергиями называются возбужденными. Переход электрона с одного энергетического уровня на другой, более удаленный от ядра (с большей энергией) называется процессом возбуждения.
В результате соударения с другими атомами, с любой заряженной частицей или при поглощении фотона электромагнитного излучения атом может перейти из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. Время жизни атома в возбужденном состоянии не превышает 10-7-10-9с. Из любого возбужденного состояния атом самопроизвольно переходит в основное состояние, этот процесс сопровождается излучением фотонов (квантов). В зависимости от разности энергий атома в двух состояниях, между которыми совершается переход, испускаемый квант электромагнитного излучения может принадлежать диапазону радиоволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетового или рентгеновского излучения.
При сильных электрических воздействиях электроны могут вырываться за пределы атома. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов – в отрицательный. Процесс образования ионов из нейтральных атомов называется ионизацией. В обычных условиях атом в состоянии иона существует очень короткое время. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизации) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения.
Изотопы, изотоны, изобары.
Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, являются разновидностями одного и того же химического элемента и называются изотопами. Такие элементы имеют одинаковый номер в таблице Д.И. Менделеева, но разное массовое число (3919К, 4019К, 4119К). Поскольку заряды ядер этих атомов одинаковые, элементарные оболочки их имеют почти однотипное строение, а атомы с такими ядрами чрезвычайно близки по химическим свойствам. Большинство химических элементов в природе представляет собой смесь изотопов. Обычно в смеси изотопов одного определенного элемента преобладает один изотоп, а остальные составляют только небольшой процент (например, калий состоит из: 39К – 93,08%; 40К – 0,0119%; 41К – 6,91%) (4).
Чтобы отличить изотопы одного химического элемента друг от друга, перед названием элемента сверху приписывают массовое число, равное сумме всех частиц ядра данного изотопа, а снизу – заряд ядра (число протонов), соответствующий порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. Так, наиболее распространенный в природе легкий водород 11Н (протий) содержит 1 протон, редко встречающийся среди атомов водорода 21Н (дейтерий) -1 протон и 1 нейтрон, а никогда не встречающийся в природе 31Н (тритий) – 1 протон и 2 нейтрона (тритий получают искусственным путем, облучая дейтерий медленными нейтронами) [Люцко А.М. и др., 1996].
Различают стабильные и нестабильные (радиоактивные) изотопы. К первым относятся такие изотопы, ядра которых при отсутствии внешних воздействий не претерпевают никаких превращений, ко вторым – изотопы, ядра которых могут самопроизвольно (без внешнего воздействия) распадаться, образуя при этом ядра атомов других элементов. Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами, нестабильные нуклиды называются радионуклидами. В настоящее время известно около 300 стабильных изотопов и около 1500 радиоактивных.
Условие устойчивости атомных ядер: устойчивыми являются лишь те из атомных ядер, которые обладают минимальной энергией по сравнению со всеми ядрами, в которые данное ядро могло бы самопроизвольно превратиться.
Атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют изотонами. Например 136С имеет шесть протонов и семь нейтронов, 147N имеет семь протонов и тоже семь нейтронов.
Атомные ядра, разных элементов с одинаковым массовым числом, но с разным атомным номером (т.е. состоящие из одинакового числа нуклонов при разном соотношении протонов и нейтронов) называются изобарами.
Например: 104Be, 105B, 106C и т.д.
Различие в энергии атомных ядер изобаров определяется наличием у протонов электрического заряда и существованием различия в массах протона и нейтрона. Так ядра, содержащие значительно больше протонов, чем нейтронов, оказываются нестабильными, так как обладают избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра же, имеющие больше нейтронов, чем протонов, нестабильны из-за того, что масса нейтрона больше массы протона, а увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии. От избыточной энергии ядра могут освобождаться двумя путями:
путем самопроизвольного деления ядер на более устойчивые части;
путем самопроизвольного изменения заряда ядра на единицу (превращение протоны в нейтрон или нейтрона в протон).
Элементарные частицы.
Элементарные частицы не являются молекулами, атомами или ядрами. Они имеют радиус (R) равный 10-14 – 10-15м и энергию (W) около 106 – 108 эВ. Сейчас общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Некоторые из них стабильны или квазистабильны и существуют в природе в свободном или слабосвязанном состоянии. Это электроны, входящие в состав атомов, их античастицы – позитроны; протоны и нейтроны, входящие в состав атомных ядер; фотоны γ, являющиеся квантами электромагнитного поля. Сюда же можно отнести электронные (анти)нейтрино νе, рождающиеся в процессах бета-превращений и в термоядерных реакциях, протекающих в звездах. Все остальные элементарные частицы крайне нестабильны и образуются во вторичном космическом излучении или получаются в лаборатории. К ним относятся мюоны (мю-мезоны) μ– – тяжелый аналог электрона (mμ ≈ 200mе) зарегистрированы в космических лучах; пионы (пи-мезоны) π+, π0, π– – переносчики ядерного взаимодействия и другие.
У каждой частицы имеется античастица, обычно обозначаемая тем же символом, но с добавлением «тильды, » над ним. Массы, время жизни и спины частицы и античастицы одинаковы. Остальные характеристики, в том числе электрический заряд и магнитный момент, равны по модулю, но противоположны по знаку.
2. Виды радиоактивного распада.
Радиоактивность – это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением. Само явление носит название радиоактивный распад.
Радиоактивные превращения, происходящие в природе, называются естественной радиоактивностью. Аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), - искусственной радиоактивностью. Оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.
Существуют следующие типы ядерных превращений, или видов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад (электронный, позитронный), электронный захват (К-захват), внутренняя конверсия, деление ядер.
Альфа-распад – это самопроизвольное деление неустойчивого атомного ядра на α-частицу (ядро атома гелия 42Не) и ядро-продукт (дочернее ядро).При этом заряд ядра продукта уменьшается на 2 положительные единицы, а массовое число на 4 единицы. При этом образующийся элемент-продукт смещается влево относительно исходного на две клетки периодической системы Д.И. Менделеева:
AZX → 42He + A-4Z-2X например: 23892U → 42He + 23490Th + Q
Альфа-радиоактивными являются практически все (за редким исключением) ядра атомов элементов с порядковым номером 82 и больше (те, что в периодической таблице стоят за свинцом 82Pb). Альфа-частица, вылетая из ядра, приобретает кинетическую энергию порядка 4-9 МэВ.
Бета-распад – это самопроизвольное превращение нестабильных атомных ядер с испусканием β-частицы, при котором их заряд изменяется на единицу. В основе этого процесса лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям.
Если в ядре имеется излишек нейтронов («нейтронная перегрузка» ядра), то происходит электронный β- -распад, при котором один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино (массовое и зарядовое число которой равно 0).
10n → 11p + e – + ν – || AZX → AZ+1Y + β – + ν – +Q || 4019K → 4020Ca + β – + ν – + Q.
При этом распаде заряд ядра и соответственно атомный номер элемента увеличиваются на единицу (элемент сдвигается в периодической системе Д.И. Менделеева на один номер вправо от исходного), а массовое число остается без изменений. Электронный бета-распад характерен для многих естественных и искусственно полученных радиоактивных элементов.
Если неблагоприятное соотношение нейтронов и протонов в ядре обусловлено излишком протонов, то происходит позитронный (β+) распад, при котором ядро испускает позитрон (частицу такой же массы, как и электрон, но имеющую заряд +1) и нейтрино, а один из протонов превращается в нейтрон:
11p → 10n + e+ + ν+ || AZX → AZ-1Y + β+ + ν+ +Q || 3015P → 3014Si + β+ + ν+ +Q
Заряд ядра и соответственно атомный номер элемента уменьшаются на единицу, и дочерний элемент будет занимать место в периодической системе Д.М. Менделеева на один номер левее от исходного, массовое число остается без изменения. Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственно полученных изотопов.
Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образуя пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (е+ и е-) по 0,511 МэВ. Процесс превращения пары «позитрон-электрон» в два γ-кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение – аннигиляционное. Таким образом, при позитронном распаде за пределы материнского атома влетают не частицы, а два гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ.
Энергетический спектр β-частиц любого бета-источника является непрерывным (от сотых долей МэВ – мягкое излучение, до 2-3 МэВ – жесткое).
Электронный захват – самопроизвольное превращение атомного ядра, при котором его заряд уменьшается на единицу за счет захвата одного из орбитальных электронов и превращения протона в нейтрон.
Это происходит, если в ядре имеется излишек протонов, но недостаточно энергии для позитронного распада. Один из протонов ядра захватывает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с ближайшего к нему К-слоя (К-захват) или реже L-слоя (L-захват) и превращается в нейтрон с испусканием нейтрино. При этом дочерний элемент, как и при позитронном распаде, смещается в периодической системе Д.И. Менделеева на одну клетку влево от исходного.
11p + 0-1е → 10n + ν+ || AZX + 0-1е → AZ-1Y + ν+ + hν || 12352Te + 0-1е → 12351Sb + ν+ + hν
На освободившееся место в К-слое перескакивает электрон с L-слоя, на место последнего со следующего слоя и т.д. Каждый переход электрона со слоя на слой сопровождается выделением энергии в виде квантов электромагнитного излучения (рентгеновского диапазона).
Позитронный распад и электронных захват, как правило, наблюдают только у искусственно-радиоактивных изотопов (4).
Деление ядер – это спонтанное деление ядра, при котором оно, без какого либо внешнего воздействия, распадается на две, как правило, неравные части. Так ядро урана может делиться на ядра бария (56Ва) и криптона (36Kr). Этот тип распада характерен для изотопов элементов стоящих в периодической системе за ураном. Под действием сил электростатического отталкивания одноименных зарядов ядра-осколки приобретают кинетическую энергию порядка 165 МэВ и разлетаются в разные стороны с огромными скоростями.
Внутренняя конверсия. Возбужденное ядро передает энергию возбуждения одному из электронов внутренних слоев (К-, L-, или М-слой), который в результате этого вырывается за пределы атома. Затем один из электронов с более отдаленных слоев (с более высоких энергетических уровней) осуществляет квантовый переход на «вакантное» место с испусканием характеристического рентгеновского излучения [Белов А.Д., 1999; Симак С.В. и др., 1998].
3. Закон радиоактивного распада.
Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Радиоактивный распад идет непрерывно, скорость этого процесса и его характер определяются строением ядра. Поэтому на этот процесс нельзя повлиять никакими обычными физическими или химическими способами, не изменив состояния атомного ядра. Кроме того, распад носит вероятностных характер, то есть нельзя точно определить, когда и какой именно атом распадется, но в каждый промежуток времени распадается в среднем какая то определенная часть атомов.
Для каждого радиоактивного изотопа средняя скорость распада его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Постоянная радиоактивного распада λ для определенного изотопа показывает, какая доля ядер распадется в единицу времени. Постоянную распада выражают в обратных единицах времени с-1, мин-1, ч-1 и т.д., чтобы показать, что количество радиоактивных ядер со временем убывает, а не растет.
Самопроизвольное превращение ядер любого радиоактивного изотопа подчиняется закону радиоактивного распада, который устанавливает, что за единицу времени распадается одна и та же доля имеющихся в наличии ядер.
Математическое выражение этого закона, описывающее процесс убывания количества радиоактивных ядер со временем, отображается следующей формулой:
Nt = N0e-λt, (Nt = N0e-0,693t/Т)
где, Nt – число радиоактивных ядер, оставшихся по прошествии времени;
N0 – исходное число радиоактивных ядер в момент времени t=0;
е – основание натуральных логарифмов (е=2,72);
λ – постоянная радиоактивного распада (=0,693/Т);
t – время, в течение которого распадался радиоизотоп;
Т – период полураспада данного радиоизотопа.
По этой формуле можно рассчитать число не распавшихся радиоактивных атомов в данный момент времени.
Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов на практике пользуются периодом полураспада.
Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Он обозначается буквой Т и выражается в единицах времени.
Для различных радиоактивных изотопов период полураспада имеет значения от долей секунды до миллионов лет. Причем у одного и того же элемента могут быть изотопы с различным периодом полураспада. Соответственно и радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие (часы, дни) – 13153I (8,05 суток), 21484Po (1,64*10-4сек.) и долгоживущие (годы) – 23892U (T=4.47 млрд. лет), 13755Cs (30 лет), 9038Sr (29 лет).
Между периодом полураспада и постоянной распада существует обратная зависимость, т.е. чем больше λ, тем меньше Т, и наоборот.
Графически закон радиоактивного распада выражается экспоненциальной кривой (Рис. 2.1.). Как видно из рисунка, с увеличением числа периодов полураспада число нераспавшихся атомов убывает, постепенно приближаюсь к нулю [Белов А.Д. и др., 1999].
Рис. 2.1. Графическое изображение закона радиоактивного распада.
Активность радиоактивного элемента равна числу распадов в единицу времени. Чем больше радиоактивных превращений испытывают атомы данного вещества, тем выше его активность. Как следует из закона радиоактивного распада, активность радионуклида пропорциональна числу радиоактивных атомов, т.е. возрастает с увеличением количества данного вещества. Поскольку скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые по массе количества различных радионуклидов имеют разную активность.
В системе СИ единицей активности является беккерель (Бк) – распад в секунду (расп/с). Наряду с Бк используется внесистемная единица – кюри (Ки). 1Ки – это активность любого радиоактивного вещества (изотопа) в котором происходит 3,7*1010 актов распада в секунду. Единица кюри соответствует радиоактивности 1 г радия.
1Ки = 3,7*1010 Бк; 1мКи = 37МБк 1мкКи = 37 кБк
Активность любого радиоактивного препарата по истечении времени t определяют по формуле, соответствующей основному закону радиоактивного распада:
At = A0е-0,693t/Т,
где At – активность препарата через время t;
А0 – исходная активность препарата;
е – основание натуральных логарифмов (е=2,72);
t – время, в течение которого распадался радиоизотоп;
Т – период полураспада; значения Т и t должны иметь одинаковую размерность (мин., сек., часы, дни и т.д.).
(Пример: Активность А0 радиоактивного элемента 32Р на определенный день равна 5 мКи. Определить активность этого элемента через неделю. Период полураспада Т элемента 32Р составляет 14,3 дня. Активность 32Р через 7 суток. At = 5 * 2,720,693*7/14,3 = 5 * 2,720,34 = 3,55 мКи).
Единицы кюри (Ки) для характеристики гамма-активности источников непригодны. Для этих целей введена другая единица – эквивалент 1 мг радия (мг-экв.радия). Миллиграмм-эквивалент радия – это активность любого радиоактивного препарата, гамма-излучение которого при идентичных условиях измерения создает такую же мощность экспозиционной дозы, как гамма-излучение 1 мг радия Государственного эталона радия РФ при использовании платинового фильтра толщиной 0,5 мм. Единица миллиграмм-эквивалент радия не установлена существующими стандартами, но широко используется на практике.
Точечный источник в 1мг (1мКи) радия, находящийся в равновесии с продуктами распада, после начальной фильтрации через платиновую пластину толщиной 0,5 мм создает в воздухе на расстоянии 1см мощность дозы 8,4 Р/ч. Эту величину называют ионизационной гамма-постоянной радия и обозначают буквой Кγ. Гамма-постоянная радия принята за эталон мощности дозы излучания. С ней сравнивают Кγ всех других гамма-излучателей. Существуют таблицы гамма-постоянных для большинства радиоактивных изотопов.
Так, гамма-постоянная 60Со составляет 13,5 Р/ч. Сравнение гамма-постоянных радия и 60Со показывает, что 1 мКи радионуклида 60Со создает дозу излучения, в 1,6 раза большую, чем 1 мКи радия (13,5/8,4=1,6). Иначе говоря, по создаваемой дозе излучения в воздухе 1 мКи радионуклида 60Со эквивалентен 1,6 мКи радия, т.е. гамма-излучение, испускаемое препаратом 60Со активностью 0,625 мКи, создает такую же дозу излучения, что и 1 мКи радия.
Гамма-эквивалент М изотопа связан с его активностью А (мКи) через ионизационную гамма-постоянную Кγ соотношениями:
М = АКγ/8,4 или А = 8,4М/Кγ,
которые позволяют перейти от активности радиоактивного вещества, выраженной в мг-экв.радия, к активности, выраженной в мКи и наоборот [Белов А.Д. 1999].
Лекция 3: Виды ионизирующих излучении и их взаимодействие с веществом.
Виды ионизирующего излучения.
Проникающая способность и плотность ионизации ионизирующего излучения.
Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом.
1. Виды ионизирующего излучения.
Ионизирующее излучение – это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул, то есть превращению их из электрически нейтральных частиц в положительно и отрицательно заряженные ионы.
Это изменение становится возможным потому, что частицы и кванты, вылетающие из ядра при радиоактивном распаде, имеют определенный запас кинетической энергии, при пробеге в веществе эта энергия расходуется на ионизацию и возбуждение встречающихся атомов.
К ионизирующим излучениям относятся потоки заряженных и нейтральных частиц и электромагнитные излучения высоких энергий.
Электромагнитные ионизирующие излучения.
Электромагнитные ионизирующие излучения по своей природе относятся к электромагнитным волнам и им присущи все волновые характеристики (длина волны, энергия и др.). Электромагнитные волны включают в себя излучения, охватывающие большой диапазон длин волн и частот.
Электромагнитные ионизирующие излучения отличаются от других электромагнитных излучений более короткой длиной волны (λ) и более высокой энергией, которые находятся в обратной зависимости друг с другом.
hν = E/λ,
где h – постоянная Планка = 6,63*10-34Дж/Гц;
ν – частота излучения;
с – скорость света = 300000 км/с (скорость электромагнитных ионизирующих излучений равна скорости света).
Соответственно с уменьшением длины волны (увеличением частоты) энергия излучения возрастает: Е = hc/λ.
К электромагнитным ионизирующим излучениям относятся: рентгеновское излучение, тормозное излучение, гамма излучение.
Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны 10-0,001 нм (10-7 – 10-11м), и занимающую спектральную область между ультрафиолетовыми и гамма-излучением. Рентгеновское излучение образуется при торможении быстрых электронов, получаемых в вакууме, в веществе. Условно рентгеновское излучение делится на жесткое (длина волны <0,2 нм) и мягкое (длина волны >0,2 нм).
Тормозное рентгеновское излучение – это электромагнитное излучение, возникает при торможении электронов в электрическом поле ядер атомов вещества.
Характеристическое рентгеновское излучение возникает при перестройки электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул.
Гамма-излучение – это электромагнитное излучение, испускаемое ядрами атомов в ходе их радиоактивного распада. Испусканием γ-квантов сопровождаются α-распад, β-распад и К-захват. Кроме этого они генерируются при аннигиляции электрон-позитронной пары и при распаде некоторых элементарных частиц, например π-мезонов. Во всех этих случаях избыток энергии высвобождается в виде гамма-излучения.
Гамма-излучение представляет собой поперечные электромагнитные волны, лежащие в диапазоне длин волн 10-10-10-14м. Они распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. γ-кванты не имеют массы покоя и заряда.
В отличие от рентгеновских лучей, имеющих непрерывный спектр энергии, в большинстве случаев γ-источники испускают γ-кванты различной энергии. Величина энергии для каждого источника постоянна и образуется линейчатый спектр излучения. В среднем энергия γ-квантов различных γ-излучателей колеблется в пределах 0,01 МэВ (мягкие γ-лучи) – 3МэВ (жесткие) иногда до 10 МэВ.
Корпускулярные излучения.
Корпускулярные ионизирующие излучения представляют собой поток частиц (корпускул). В зависимости от массы, заряда и скорости они подразделяются на легкие и тяжелые, заряженные и незаряженные, быстрые и медленные.
Электроны относятся к легким заряженным частицам. Источником электронов может стать вещество, получившее определенное количество энергии. Ускоренные электроны, возникающие при β-распаде атомов радиоактивных веществ, называются β–частицами. Позитрон, образовавшийся при позитронном распаде, называется β+частицей. Физические характеристики электронов ядерного происхождения такие же, как и у электронов атомной оболочки.
Бета-частицы представляют собой поток частиц (электронов или позитронов) ядерного происхождения. Бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии (от 0 до некоторого максимального значения). Это объясняется тем, что при β-распаде из атомного ядра вылетают одновременно с β-частицей нейтрино. Поэтому энергетический спектр β-излучения сплошной или непрерывный. Средняя энергия β-частиц в спектре равна примерно 1/3 их максимальной энергии. Различные радиоактивные изотопы значительно отличаются друг от друга по уровню энергии β-частиц. Максимальная энергия β-частиц различных элементов имеет широкие пределы – от 0,015-0,05 МэВ (мягкое β-излучение) до 3-12 МэВ (жесткое β-излучение). Вследствие этого у β-частиц одного и того же радиоактивного элемента величина пробега в одном и том же веществе неодинакова.
К тяжелым заряженным частицам относятся протоны и дейтроны (ядра легкого и тяжелого водорода с единичным плюсовым зарядом 1p+; 2d+), α-частицы и ядра химических элементов.
Альфа-частицы представляют собой ядра атомов гелия и состоят из двух протонов и двух нейтронов; они имеют двойной положительный заряд, и относительно большую массу (4,003 а.е.м.). Энергия их колеблется в пределах 2-11 МэВ. Для каждого данного изотопа энергия α-частицы постоянна. Альфа-излучение считают монохроматическим. Альфа-частицы возникают при α-распаде радиоактивных изотопов (например 239Pu, 226Ra, 210Po и др.). При делении ядер тяжелых радиоактивных изотопов образуются ядра-осколки (ядра более легких химических элементов).
Кроме этого заряженные частицы могут быть получены на ускорителях разных типов – бетатронах, циклотронах, синхротронах, синхрофазатронах и линейных ускорителях, в этом случае энергии частиц могут достигать десятков миллиардов электронвольт (ГэВ).
К незаряженным ионизирующим частицам относятся нейтроны. По величине энергии принята следующая условная классификация нейтронов:
Тепловые нейтроны, обладающие энергией теплового движения, которая составляет при комнатной температуре около 0,25 эВ;
Медленные нейтроны, энергия <1 КэВ;
Промежуточные нейтроны, энергия 1 – 100 КэВ;
Быстрые нейтроны, энергия >100 КэВ.
Сверхбыстрые нейтроны, энергия 10-50 МэВ
Энергия любой корпускулярной частицы рассчитывается по формуле:
Е = mv2/2
Ионизация атомов и молекул может вызываться различными видами корпускулярных ионизирующих излучений. Их взаимодействие с веществом будет зависеть от энергии, массы, заряда и скорости частицы.
2. Проникающая способность и плотность ионизации ионизирующих излучений.
Проникающая способность излучения – путь, который волна или частица способны проходить в веществе. Его длина находится в обратной зависимости от массы частицы. Наибольшей проникающей способностью обладают электромагнитные ионизирующие излучения. Так в воздухе γ-кванты пробегают сотни метров, более того, каким бы плотным ни было вещество, каким бы ни была его толщина, поглотить полностью фотоны теоретически нельзя, их можно лишь ослабить.
В радиобиологии применяется понятие линейного коэффициента ослабления электромагнитного излучения, который представляет собой величину относительного его уменьшения после прохождения слоя вещества в 1 см, величина коэффициента прямо пропорционально плотности вещества и обратно пропорциональна энергии излучения. Чем меньше энергия квантов и больше масса (объем, плотность и порядковый номер) поглотителя, тем сильнее ослабление γ-излучения (см. табл. 3.1). Для квантов с энергией 2,5 МэВ слой полуослабления составляет в воздухе около 200 м, в дереве – 25 см в бетоне – 10 см, в свинце – 1,8 мм.
Таблица 3.1.
Линейные коэффициенты ослабления γ-излучения
в зависимости от его энергии (В.Ф. Козлов, 1987)
Вещество (материал)
|
Плотность в-ва г/см3
|
Энергия, МэВ
|
1
|
2
|
3
|
Воздух
|
0,0013
|
0,00008
|
0,00006
|
0,00004
|
Древесина (дуб)
|
0,77
|
0,0521
|
0,0293
|
0,0203
|
Парафин
|
0,89
|
0,0646
|
0,0360
|
0,0246
|
Каучук
|
0,915
|
0,0662
|
0,0370
|
0,0254
|
Ткани человека
|
1
|
0,0699
|
0,0393
|
0,0274
|
Вода
|
1
|
0,07
|
0,05
|
0,04
|
Кирпич
|
1,78
|
0,113
|
0,0646
|
0,0473
|
Углерод
|
2,25
|
0,143
|
0,0801
|
0,059
|
Бетон
|
2,40
|
0,154
|
0,0878
|
0,0646
|
Алюминий
|
2,70
|
0,16
|
0,12
|
0,09
|
Сталь
|
7,83
|
0,460
|
0,276
|
0,234
|
Свинец
|
11,34
|
0,77
|
0,51
|
0,47
|
Снижение интенсивности электромагнитного излучения при прохождении через вещество описывается зависимостью:
I(l) = I0e – kl,
где I0 – исходная интенсивность падающего излучения;
I(l) – интенсивность излучения, прошедшего толщину l;
k – линейный коэффициент ослабления (поглощения), характеризующий поглощающую способность вещества.
Большой проникающей способностью обладают незаряженные частицы (нейтроны).
Значительно меньше проникающая способность заряженных частиц. Она зависит, как и проникающая способность электромагнитных излучений от энергии, но кроме этого в значительной степени определяется массой и скоростью движения частицы. Так β-частицы, обладают малой массой и большой скоростью, достаточно медленно теряют свою энергию на ионизацию и поэтому их пробег в ткани больше чем у других заряженных частиц (табл. 3.2). Путь β-частиц в веществе извилист, т.к. имея малую массу, они легко меняют направление движения под действием электрических полей встречных атомов. Пробег бета-частиц в воздухе может составлять в зависимости от энергии до 25 м, в биологических тканях – до 1-2 см.
Таблица 3.2.
Пробег β-частиц в различных средах
Источник
|
Энергия частицы (МэВ)
|
Длина пробега частицы
|
Воздух, см
|
Алюминий, мм
|
Биологическая ткань, мм
|
3H
|
0,0179
|
0,2
|
0,001
|
0,0025
|
14C
|
0,155
|
15,5
|
0,122
|
0,206
|
35S
|
0,167
|
16,3
|
0,138
|
0,223
|
45Ca
|
0,255
|
46,5
|
0,301
|
0,638
|
32P
|
1,704
|
600
|
3,703
|
8,0
|
42K
|
3,58
|
1400
|
7,967
|
18,02
|
Тяжелые частицы, проходя через вещество, очень быстро теряют свою кинетическую энергию и соответственно имеют небольшую проникающую способность (табл. 3.3, 3.4).
Таблица 3.3.
Пробег протонов в различных средах
Энергия частицы, МэВ
|
Длина пробега
|
В воздухе, см
|
В биологич. ткани, мкм
|
1
2
3
5
7
10
15
|
2,3
4,3
14,7
35,5
64,2
121,1
128,0
|
23
73
147
355
642
1211
2380
|
Пробег α-частицы в воздухе в зависимости от энергии составляет 2-10 см, в биологических тканях – несколько десятков микрометров. Так как α-частицы массивны и обладают сравнительно большой энергией, путь их в веществе прямолинеен.
Таблица 3.4.
Пробег α-частиц в различных средах
Энергия частицы, МэВ
|
Длина пробега частицы
|
Воздух, см
|
Алюминий, мкм
|
Биолог.ткань, мкм
|
4,0
5,0
6,0
7,0
7,5
8,0
8,5
9,0
9,5
10,0
|
2,5
3,5
4,6
5,9
6,6
7,4
8,1
8,9
9,8
10,6
|
16
23
30
38
43
48
53
58
64
69
|
31
43
56
72
81
91
100
110
120
130
|
Наиболее опасными при внешнем облучении являются электромагнитные излучения, а при внутреннем – корпускулярные излучения.
Плотность ионизации (ПИ) – число пар ионов, образующихся на 1 мкм пути пробега частицы или электромагнитного излучения. Разные виды излучения в одинаковых дозах вызывают ионизацию различной плотности. Плотность ионизации пропорциональна квадрату заряда (q) и обратно пропорциональна скорости частицы (Ự): ПИ ≈ q2/Ự. Так как при равных энергиях скорость частицы обратно пропорциональна массе (m), то самую высокую плотность ионизации дают тяжелые многозарядные ионы α-частицы, имеющие наибольший заряд и максимальную массу. Их в веществе прямолинеен, они вызывают сильно выраженные эффекты ионизации и флуоресценции (100-250 тыс. пар ионов в 1 см воздуха).
Рентгеновское излучение вызывает ионизацию минимальной плотности, так как его проникающая способность сходна с проникающей способностью γ-излучения, а энергия значительно меньше. Промежуточное положение в порядке возрастания занимают γ- и β-излучения, протоны и нейтроны. Бета-излучение образует 50-100 пар ионов на 1 см пути в воздухе.
Проникающая способность и плотность ионизации связаны между собой обратной зависимостью. Объясняется это тем, что, чем крупнее и тяжелее частица, тем больше энергии она несет и большей способностью к ионизации обладает и, в то же время, тем больше для нее сопротивление вещества и короче путь пробега в нем. В то же время излучения с низкой проникающей способностью, то есть с коротким путем пробега в веществе, всю свою энергию ионизации распределяют вдоль этого пути. При этом плотность ионизации оказывается выше, чем если бы та же энергия распределялась по пути большей протяженности [Симак С.В. и др., 1998].
3. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом.
Обнаружение и регистрация всех видов ядерных излучений, выбор материала для защиты, оценка биологического действия излучений основаны на эффектах, которые возникают при взаимодействии излучений с веществом. Для понимания принципов этих явлений необходимо знать, каким образом различные по природе излучения взаимодействуют с веществом.
Результатом взаимодействия ИИ с веществом является ионизация и возбуждение атомов и молекул. Ионизация атомов и молекул происходит тогда, когда передаваемая кинетическая энергия частицы или фотона выше энергии связи электрона с ядром, если же энергия ниже определенного уровня – то происходит только возбуждение.
К ионизирующим излучениям относятся электромагнитные излучения высоких энергий и потоки заряженных и незаряженных частиц. Механизм передачи энергии веществу зависит от типа излучения и его энергии.
Механизмы размена энергии электромагнитных ИИ.
Ионизирующие электромагнитные излучения различаются по происхождению и энергии, но обладают рядом общих характеристик. При прохождении через вещество излучения испытывают три вида взаимодействия:
Фотоэлектрическое поглощение (Фотоэффект),
Комптоновское рассеяние (Комптонэффект),
Процесс образования электронно-позитронных пар.
Вид взаимодействия электромагнитного излучения с веществом зависит от величины энергии кванта и от атомного номера облучаемого вещества.
Фотоэффект заключается в том, что квант электромагнитного излучения полностью передает свою энергию электрону атома, облучаемого вещества, в одном акте взаимодействия. В результате такого взаимодействия возникает свободный электрон (электрон отдачи), кинетическая энергия (Ек) которого равна энергии кванта (hv) за вычетом энергии связи (W) электрона в атоме:
Ek = hv – W
Вероятность фотоэффекта тем выше, чем ближе совпадают значения hv и W. Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда энергия кванта не превышает 0,05 МэВ, а поглотитель представляет собой вещество с большим атомным номером (например, свинец). Для атомов, входящих в состав воды и органических веществ, максимальное значение W может быть принято равным 500 эВ. В сравнении с энергией излучения для которого характерен фотоэффект (до 200 кэВ) эта энергия довольно мала. Поэтому почти вся энергия кванта передается электрону отдачи, который покидает оболочку атома и на своем пути вызывает ионизацию атомов и молекул вещества.
Фотоэффект невозможен на слабосвязанных и свободных электронах, так как они не могут поглощать гамма-кванты. В тканях живых организмов фотоэффект характерен только для низкоэнергетических электромагнитных излучений – длинноволнового рентгеновского и γ-излучения с энергией ниже 100 кэВ. С увеличением энергии облучения вероятность фотоэлектрического взаимодействия с веществом уменьшается, и при энергиях значительно превышающих энергии связи электронов в атоме (более 1 МэВ) им можно пренебречь. В этом случае излучение фотонов ослабляется за счет комптоновского рассеяния.
Эффект Комптона, упругое рассеяние падающих фотонов излучения на свободных (или слабо связанных электронах внешней оболочки атома) электронах, которым передается лишь часть энергии фотона, при этом фотон изменяет направление своего движения. Следовательно, при комптоновском рассеянии энергия падающего кванта распределяется между выбиваемым из атома электроном отдачи и вторичным рассеянным фотоном. Вследствие соударения с фотонами электроны отдачи приобретают значительную кинетическую энергию и расходуют ее на ионизацию вещества (вторичная ионизация).
Поскольку электроны у всех веществ одинаковы, то и изменение длины волны вторичного фотона не зависит от свойств вещества, а зависит только от угла рассеяния, а следовательно и энергия электрона отдачи может изменяться в широких пределах: от 0 до некоторого максимального значения, при этом образовавшийся быстрый электрон ведет себя подобно фотоэлектрону.
Узкий пучок излучения в результате комптоновского рассеяния становится более широким, а само излучение более мягким. В последующих соударениях вторичный фотон ступенчато передает свою энергию электронам вещества до тех пор, пока ее остаток, близкий по значению к энергии связи электрона в атоме не будет передан электрону путем фотоэффекта.
Образование электронно-позитронных пар происходит при взаимодействии с веществом γ-квантов большой энергии (>1,02 МэВ). Этот процесс наблюдается при прохождении γ-кванта вблизи атомного ядра в поле которого и образуется пара заряженных частиц – электрон и позитрон. Вероятность такого типа размена энергии больше для тяжелых элементов, чем для легких.
Данный эффект может быть объяснен только с помощью представлений квантовой механики. Из закона сохранения энергии следует, что энергия кванта должна быть более суммы энергии покоя частиц (2*0,511 МэВ), из чего вытекает, что 1,022 МэВ расходуется на образование «массы покоя» электрона и позитрона, а остаток энергии кванта переходит в их кинетическую энергию.
(Еγ = hv ≥ 2mec2 ≈ 1,022 МэВ; Ек = Еγ – 2mec2 = hv – 1,022 МэВ)
Позитрон, встретившись с любым свободным или орбитальным электроном (вероятность этого возрастает с уменьшением кинетической энергии позитрона) взаимодействует с ним, что приводит к возникновению аннигиляционного1 γ-излучения. В этом процессе, которому, в конце концов, подвергаются все позитроны, энергия массы покоя частицы сообщается образовавшимся двум квантам аннигиляционного излучения. Следовательно энергия каждого вторичного γ-кванта вдвое меньше энергии исходного γ-кванта, но не менее 0,511 МэВ. Аннигиляционное γ-излучение поглощается в веществе путем комптоновского рассеяния и затем фотоэффекта.
Таким образом, в зависимости от энергии падающего электромагнитного излучения преобладает один из трех видов его взаимодействия с веществом. В веществах, в состав которых входят атомы элементов с низкими массовыми числами, что характерно для низкомолекулярных органических веществ и биополимеров, при энергии электромагнитного ИИ 0,15-20 МэВ наибольшее значение в поглощении энергии имеет значение упругое рассеяние, при меньших энергиях квантов – фотоэффект, и соответственно при больших – преобладает образование электрон-позитронных пар.
При всех трех видах первичного взаимодействия электромагнитного ИИ происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул вещества, появляются несущие разную энергию быстрые электроны, которые в свою очередь, взаимодействуют с веществом, также ионизируя и возбуждая атомы и молекулы.
Механизмы передачи энергии корпускулярных ИИ.
Корпускулярные ИИ представляют собой поток частиц (корпускул), характеризующихся массой, зарядом и скоростью, в соответствии с чем, они подразделяются на легкие и тяжелые, заряженные и незаряженные, быстрые и медленные.
При взаимодействии заряженных частиц с веществом выделяют упругое и неупругое взаимодействие.
При упругом взаимодействии суммарная кинетическая энергия частиц до взаимодействия равна суммарной кинетической энергии после их взаимодействия. Следствие такого взаимодействия – лишь изменение направления движения частиц.
W1 + W2 = W1’ + W2’, где W1 и W2 – кинетическая энергия до взаимодействия, W1’ и W2’ – кинетическая энергия после взаимодействия.
Неупругое взаимодействие – это процесс, при котором часть кинетической энергии частиц расходуется на ионизацию и возбуждение атомов, возбуждение ядер, расщепление ядер или тормозное излучение. При таком взаимодействии суммарная кинетическая энергия частиц до взаимодействия будет равна суммарной кинетической энергии частиц после взаимодействия плюс энергия Е, затраченная на ионизацию и возбуждение атомов, возбуждение и расщепление ядер или тормозное излучение.
W1 + W2 = W1’ + W2’ + Е.
Взаимодействие заряженных частиц с веществом
Механизм передачи энергии при взаимодействии с веществом для всех заряженных частиц одинаков. При прохождении через вещество заряженные частицы взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов. В результате взаимодействия с быстрой заряженной частицей электрон получает дополнительную энергию и переходит на более отдаленный от ядра энергетический уровень, либо совсем покидает атом. В первом случае происходит возбуждение, а во втором – ионизация атома. Этот процесс продолжается до тех пор, пока запас энергии частицы не уменьшится настолько, что она потеряет ионизирующую способность.
В зависимости от знака заряда при прохождении частицы через вещество она испытывает электростатическое взаимодействие, то есть притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер атомов. Поскольку α-частица положительно заряжена, то при упругом взаимодействии с ядром возникают кулоновские силы и частица отталкивается, изменяя направление своего движения. Неупругое взаимодействие с атомными ядрами наблюдается, если α-частица обладает достаточной энергией для преодоления кулоновских сил взаимодействия (тогда она проникает в ядро). При этом образуется промежуточное ядро, которое распадается с испусканием заряженных частиц, нейтронов или γ-квантов.
Упругое взаимодействие β-частиц с веществом наблюдается при электрическом взаимодействии β-частиц с орбитальными электронами. β-частица отталкивается о отрицательно заряженных электронов, изменяя направление своего движения. Упругое взаимодействие β-частиц с атомными ядрами наблюдается в результате притяжения β-частиц к положительно заряженным ядрам атомов (электрическое взаимодействие). Следствие такого взаимодействия – изменение направления движения частиц.
При неупругом взаимодействии β-частиц с орбитальными электронами происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул среды. β-частицы расходуют свою энергию до тех пор, пока общий запас энергии не уменьшится до такой степени, что частица теряет ионизационную способность. Неупругое рассеяние β-частиц на атомных ядрах наблюдается, если β-частиц имеет высокую энергию, а поглотителем служит материал большой плотности. При этом β-частица тормозится в электрическом поле ядра атома и теряет часть своей энергии. Следствие такого взаимодействия – возникновение тормозного (электромагнитного) излучения. Интенсивность тормозного излучения определяется энергией β-частиц и атомным номером поглотителя.
Траектория движения заряженных частиц зависит от их массы – чем больше масса летящей частицы, тем менее она отклоняется от первоначального направления. Поэтому протоны, дейтроны, α-частицы и более тяжелые ядерные частицы двигаются практически прямолинейно, а траектория электронов (β-частиц) сильно изломана в результате рассеяния на орбитальных электронах и ядрах атомов.
Взаимодействие незаряженных частиц с веществом.
Вследствие того, что нейтроны не имеют заряда, а их масса много больше массы электронов, они обладают большой проникающей способностью и теряют свою энергию практически только при соударении с ядрами атомов. При этом возможно упругое и неупругое рассеяние нейтронов на ядрах.
В зависимости от энергии различают сверхбыстрые, быстрые, промежуточные, медленные и тепловые нейтроны.
Сверхбыстрые нейтроны (10-50 МэВ). Их получают в ядерных реакторах, они возникают при ядерных взрывах. При взаимодействии с тяжелыми элементами сверхбыстрые нейтроны вызывают деление их ядер на 2-3 осколка. Во время каждого акта деления высвобождается колоссальная энергия (около 200 МэВ) и вылетает 2-3 свободных нейтрона, которые способны вызвать деление других ядер (цепная реакция). Ядерные реакции сопровождаются возникновением γ-излучения или заряженных частиц (α-частиц и др.) в результате чего могут образовываться радиоактивные изотопы элементов и появиться наведенная радиоактивность.
Быстрые нейтроны (>100 кэВ). Образуются в результате ядерных реакций. При соударении с ядрами атомов быстрые нейтроны передают им часть своей энергии, образуя быстролетящие ядра (ядра отдачи). Ядра отдачи, как и все заряженные частицы, тратят свою энергию на ионизацию среды. Доля передаваемой ядру энергии возрастает с уменьшением массы ядра. Так, при соударении нейтронов с ядрами водорода (протонами) им передается до 60% энергии нейтрона, так как массы этих частиц практически равны. Быстрые нейтроны хорошо замедляются легкими веществами, содержащими много атомов водорода: вода, парафин, ткань, и свободно проходят через большие толщи тяжелых веществ (свинец). При взаимодействии с ядрами нейтроны постепенно замедляются вплоть до тепловых скоростей.
Промежуточные нейтроны (100эВ–1кэВ). Они чаще взаимодействуют с веществом по типу упругого рассеяния.
Медленные (не более 1кэВ) и тепловые нейтроны (0,025 эВ). Медленные нейтроны захватываются ядрами атомов, в результате образуются новые стабильные или радиоактивные изотопы. В водородсодержащих веществах ядра водорода захватывают медленные нейтроны и превращаются в ядра тяжелого водорода – дейтерия. Радиационный захват нейтронов сопровождается испусканием жестких γ-квантов с энергией, равной 2,18 МэВ. Для защиты от нейтронов с никой энергией необходимо использовать кроме поглотителя (вода, бор или кадмий) и экран из тяжелого материала (свинец, барий) для ослабления γ-излучения.
В результате различных типов взаимодействия нейтронов с веществом образуются протоны, α-частицы, ядра отдачи, γ-кванты, способные ионизировать и возбуждать атомы и молекулы. Следовательно конечный биологический эффект при нейтронном облучении связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными заряженными частицами и фотонами. Вклад того или иного вида ядерного взаимодействия зависит от энергии нейтронов и состава облучаемого вещества.
|
Скачать 3 Mb.