4. Ионизирующие излучения. Модуль ионизирующие излучения
 Скачать 459.37 Kb.
|
МОДУЛЬ 4. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ 4.1 Общие физические свойства ионизирующего излучения. Радиация - обобщенное понятие. Оно включает различные виды излучений, часть которых встречается природе, другие получаются искусственным путем. Начнем с некоторых определений. Излучение электромагнитное - процесс образования свободного электромагнитного поля; излучением называют также само свободное электромагнитное поле. Излучают ускоренно движущиеся заряженные частицы (например, тормозное излучение, синхротронное излучение, излучение переменных диполя, квадруполя и мультиполей высшего порядков). Атом и другие атомные системы излучают при квантовых переходах из возбужденных состояний в состояния с меньшей энергией. Ионизирующее излучение - излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов разных знаков (видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующим излучениям). Непосредственно ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц, имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении (непосредственно ионизирующее излучение может состоять из электронов, протонов, α - частиц и др.). Косвенно ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц, которые могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения (косвенно ионизирующее излучение может состоять из нейтронов, фотонов и др.). Фотонное излучение - электромагнитное косвенно ионизирующее излучение. ЧУДПО " ИПиПКСЗ " γ-Излучение - фотонное излучение, возникающее при ядерных превращениях или аннигиляции частиц. Характеристическое излучение - фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Тормозное излучение - фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Рентгеновское излучение - фотонное излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, генерируемое рентгеновскими аппаратами. Корпускулярное излучение - ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля (α -, β -частиц, нейтронов и др.). α-Излучение - корпускулярное излучение, состоящее из α - частиц (ядер 4 Не), испускаемых при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях, превращениях. β-Излучение - корпускулярное излучение с непрерывным энергетическим спектром, состоящее из отрицательно или положительно заряженных электронов или позитронов (β- или β+ - частиц) и возникающее при радиоактивном β - распаде ядер или нестабильных частиц. Характеризуется граничной энергией спектра Еβ. Аннигиляционное излучение - фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, при взаимодействии β-электрона и β+позитрона). Моноэнергетическое ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией. Смешанное ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или из частиц и фотонов. ЧУДПО " ИПиПКСЗ " Направленное ионизирующее излучение ионизирующее излучение с выделенным направлением распространения. Естественный фон излучения - ионизирующее излучение, создаваемое космическим излучением и излучением естественно распределенных природных радиоактивных веществ (на поверхности Земли, в приземной атмосфере, в продуктах питания, воде, в организме человека и др.). Фон - ионизирующее излучение, состоящее из естественного фона и ионизирующих излучений посторонних источников. Космическое излучение - ионизирующее излучение, которое состоит из первичного излучения, поступающего из космического пространства, и вторичного излучения, возникающего в результате взаимодействия первичного излучения с атмосферой. Узкий пучок излучения - такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует только нерассеянное излучение источника. Широкий пучок излучения - такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует нерассеянное и рассеянное излучения источника. Поле ионизирующего излучения - пространственно-временное распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде. Поток ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проходящих через данную поверхность за интервал времени dt, к этому интервалу: F= dN/dt. Поток энергии частиц - отношение энергии падающих частиц к интервалу времени Ψ=dЕ/dt. Плотность потока ионизирующих частиц (фотонов) - отношение потока ионизирующих частиц (фотонов) dF проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: φ = dF/dS = d 2 N/dtdS. (Плотность потока энергии частиц определяется аналогично). Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов) dN, проникающих в объем элементарной ЧУДПО " ИПиПКСЗ " Источниками нейтронного излучения являются: спонтанно делящиеся радионуклиды; специально изготовленные радионуклидные источники нейтронов; ускорители электронов, протонов, ионов; ядерные реакторы; космическое излучение. С точки зрения биологического Нейтроны образуются в ядерных реакциях (в ядерных реакторах и в других промышленных и лабораторных установках, а также при ядерных взрывах). Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Условно нейтроны в зависимости от кинетической энергии разделяются на быстрые (до 10 МэВ), сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. Медленные и тепловые нейтроны вступают в ядерные реакции, в результате могут образовываться стабильные или радиоактивные изотопы. Электронное излучение Электронное излучение - пучок электронов на выходе электронного ускорителя или электронной пушки. Характеризуется средней энергией излучения и дисперсией (разбросом), а также шириной пучка. Специальными мерами можно получить моноэнергетический узкий пучок высокоэнергетических электронов. Бета-излучение Бета частицы (β - частицы): электроны и позитроны, испускаемые ядрами атомов при β – распаде. Бета-излучение - это электроны или позитроны, которые образуются при β-распаде различных элементов от самых легких (нейтрон) до самых тяжелых. Бета-излучение - самый распространенныё тип радиоактивного распада ядер, особенно для искусственных радионуклидов. Β - частицы (как электроны, так и позитроны), взаимодействуют с электронами атомных оболочек и, передавая им часть своей энергии, могут вырывать их с орбит; ЧУДПО " ИПиПКСЗ " Одним из важнейших примеров излучения релятивистских частиц является синхротронное излучение заряженных частиц в циклических (кольцевых) ускорителях. Резкое отличие от нерелятивистского излучения проявляется здесь уже в спектральном составе излучения: если частота обращения заряженной частицы в ускорителе равна ω (нерелятивистский излучатель испускал бы волны такой же частоты), то интенсивность её излучения имеет максимум при частоте (1) ω макс γ 3 ω, (1) где γ=[1 - (v/c) 2 ] -1/2 , т. е. основная доля излучения при v → с приходится на частоты, более высокие, чем ω. Такое излучение направлено почти по касательной к орбите частицы, в основном вперёд по направлению её движения. Ультрарелятивистская частица может излучать электромагнитные волны, даже если она движется прямолинейно и равномерно (но только в веществе, а не в пустоте!). Это излучение названное излучением Черенкова- Вавилова, возникает, если скорость заряженной частицы в среде превосходит фазовую скорость света в этой среде (u фаз =c/n, где n - показатель преломления среды). Излучение появляется из-за того, что частица «перегоняет» порождаемое ею поле, отрывается от него. Атом также может быть источником излучения. Система из ядра и движущегося в его кулоновском поле электрона должна находиться в одном из дискретных состояний (на определённом уровне энергии). При этом все состояния, кроме основного (т.е. имеющего наименьшую энергию), неустойчивы. Атом, находящийся в неустойчивом (возбуждённом) состоянии, даже если он изолирован, переходит в состояние с меньшей энергией. Этот квантовый переход сопровождается испусканием фотона; такое излучение называется спонтанным (самопроизвольным). Энергия, уносимая фотоном εγ=ћω, равна разности энергии начального i и конечного j состояний атома (εi>εj, εγ=εi-εj); отсюда вытекает формула Н. Бора для частот излучения (2): ЧУДПО " ИПиПКСЗ " , (2) Такие характеристики спонтанного излучения, как направление распространения (для совокупности атомов - угловое распределение их спонтанного излучения) и поляризация, не зависят от излучения других объектов (внешнего электромагнитного поля). Формула Бора (2) определяет дискретный набор длин волн излучения атома. Она объясняет, почему спектры излучений атомов имеют «линейчатый» характер - каждая линия спектра соответствует одному из квантовых переходов атомов данного вещества. Квантовая теория излучения позволяет объяснить как различие в интенсивностях разных линий, так и распределение интенсивности в пределах каждой линии; в частности, ширину спектральных линий. Источниками электромагнитного излучения могут быть не только атомы, но и более сложные квантовые системы. Общие методы описания излучения таких систем те же, что и при рассмотрении атомов, но конкретные особенности излучения весьма разнообразны. Излучения молекул, например, имеет более сложные спектры, чем излучения атомов. Для излучения атомных ядер типично, что энергия отдельных квантов обычно велика (γ-кванты), интенсивность же излучения сравнительно низка. Электромагнитное излучение часто возникает и при взаимных превращениях элементарных частиц (аннигиляции электронов и позитронов, распаде мезона и т.д.). Если частота внешнего излучения, падающего на уже возбуждённый атом, совпадает с одной из частот возможных для этого атома согласно (2) квантовых переходов, то атом испускает квант излучения, в точности такой же, как и налетевший на него (резонансный) фотон. Это излучение называется |
dN/dS.
Энергетический спектр ионизирующих частиц - распределение ионизирующих частиц по их энергии.
Эффективная энергия фотонного излучения - энергия фотонов такого моноэнергетического фотонного излучения, относительное ослабление которого в поглотителе определенного состава и определенной толщины то же самое, что и рассматриваемого немоноэнергетического фотонного излучения.
Граничная энергия спектра β -излучения - наибольшая энергия β - частиц в непрерывном энергетическом спектре β -излучения данного радионуклида.
Альбедо излучения
- отношение числа частиц (фотонов),
отражающихся от границы раздела двух сред, к числу частиц (фотонов),
падающих на поверхность раздела.
Запаздывающее излучение: частицы, излучаемые продуктами распада,
в отличии от частиц (нейтронов и гамма - лучей), возникающих непосредственно в момент деления.
Ионизация в газах: отрыв от атома или молекулы газа одного или нескольких электронов. В результате ионизации в газе возникают свободные носители заряда (электроны и ионы) и он приобретает способность проводить электрический ток.
Термин «излучение» охватывает диапазон электромагнитных волн,
включая видимый спектр, инфракрасную и ультрафиолетовую области, а также радиоволны, электрический ток и ионизирующее излучение. Вся несхожесть этих явлений обусловлена лишь частотой (длиной волны)
излучения.
Ионизирующее излучение может представлять опасность для здоровья человека. Ионизирующее излучение (радиация) - вид излучения, который изменяет физическое состояние атомов или атомных ядер, превращая их в
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
Различают корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой отличной от нуля, и электромагнитное (фотонное) излучение.
Корпускулярное излучение
К корпускулярному ионизирующему излучению относят альфа- излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения.
Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (α-, β- частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны),
способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят.
Соответственно, корпускулярное излучение, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением.
Альфа-излучение
Альфа частицы (α - частицы) - ядра атома гелия, испускаемые при α - распаде некоторыми радиоактивными атомами. α - частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.
Альфа излучение - поток ядер атомов гелия (положительно заряженных и относительно тяжелых частиц).
Естественное альфа-излучение как результат радиоактивного распада ядра, характерно для неустойчивых ядер тяжелых элементов, начиная с атомного номера более 83, т.е. для естественных радионуклидов рядов урана,
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
Возможность α- распада связана с тем, что масса (а, значит, и суммарная энергия ионов) α- радиоактивного ядра больше суммы масс α- частицы и образующегося после α-распада дочернего ядра. Избыток энергии исходного (материнского) ядра освобождается в форме кинетической энергии α- частицы и отдачи дочернего ядра. α- частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия - 2Не
4
и вылетают из ядра со скоростью 15-20 тыс. км/сек. На своём пути они производят сильную ионизацию среды, вырывая электроны из орбит атомов.
Пробег α- частиц в воздухе порядка 5-8 см, в воде - 30-50 микрон, в металлах - 10-20 микрон. При ионизации α- лучами наблюдаются химические изменения вещества, и нарушается кристаллическая структура твердых тел.
Так как между α- частицей и ядром существует электростатическое отталкивание, вероятность ядерных реакций под действием α- частиц природных радионуклидов (максимальная энергия 8,78 МэВ у
214
Ро) очень мала, и наблюдается лишь на легких ядрах (Li, Ве, В, С, N, Na, Al) с образованием радиоактивных изотопов и свободных нейтронов.
Протонное излучение
Протонное излучение – излучение, образующееся в процессе самопроизвольного распада нейтронно-дефицитных атомных ядер или как выходной пучок ионного ускорителя (например, синхрофазоторона).
Нейтронное излучение
Нейтронное излучение - поток нейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрами атомов. При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов (гамма- излучения). При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества.
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
10 м (у естественных β- излучателей). В мягкой ткани пробег может достигать 10 - 12 мм. Поглощаются они слоем алюминия толщиной 1 мм.
В отличие от электронного излучения, β – излучение сопровождается потоком нейтрино (точнее – антинейтрино для электронов и нейтрино для позитронов). Позитронное излучение сопровождается анигилляционным γ- излучением (с энергией 0,51 и/или 1,02 МэВ).
Космическое излучение
Космические лучи – поток стабильных частиц высоких энергий (от 1 до
10 12
ГэВ), приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное этими частицами при взаимодействиях с атомными ядрами атмосферы вторичное излучение, в состав которого входят все известные элементарные частицы. Первичные космические лучи состоят главным образом из протонов (90%), α-частиц (7%), других атомных ядер,
вплоть до самых тяжелых, и небольшого количества электронов, позитронов и фотонов большей энергии.
Первичное космическое излучение изотропно в пространстве и неизменно во времени. Подавляющая часть первичных космических лучей приходит на Землю из Галактики и лишь небольшая их часть связана с активностью Солнца.
Космическое излучение - электромагнитное или корпускулярное излучение, имеющее внеземной источник; подразделяют на первичное
(которое, в свою очередь, делится на галактическое и солнечное) и вторичное. В узком смысле иногда отождествляют космическое излучение и космические лучи. Космическое излучение - более широкое понятие, чем
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"
Электромагнитное излучение
Электромагнитное излучение - процесс образования свободного электромагнитного поля.
Классическая физика рассматривает излучение как испускание электромагнитных волн ускоренно движущимися электрическими зарядами
(в частности, переменными токами). Классическая теория объяснила очень многие характерные черты процессов излучения, однако она не смогла дать удовлетворительного описания ряда явлений, особенно теплового излучения тел и излучения микросистем (атомов и молекул).
Такое описание оказалось возможным лишь в рамках квантовой теории излучения, показавшей, что излучение представляет собой рождение фотонов при изменении состояния квантовых систем (например, атомов). Квантовая теория, более глубоко проникнув в природу излучения, одновременно указала и границы применимости классической теории: последняя часто является очень хорошим приближением при описании излучения, оставаясь,
например, теоретической базой радиотехники.
Простейшим источником поля является точечный заряд. У
покоящегося заряда излучение отсутствует. Равномерно движущийся заряд (в пустоте) также не может быть источником излучения. Заряд же, движущийся ускоренно, излучает. В зависимости от физической природы ускорения излучение иногда приобретает особые наименования. Так, излучение,
возникающее при торможении заряженных частиц в веществе в результате воздействия на них кулоновских полей ядер и электронов атомов, называется
тормозным излучением. Излучение заряженной частицы, движущейся в магнитном поле, искривляющем её траекторию, называется синхротронным
излучением (или магнитотормозным излучением). Оно наблюдается,
например, в циклических ускорителях заряженных частиц.
ЧУДПО
"
ИПиПКСЗ
"