Физика дозы. Физика, дозы. Тема Элементы ядерной физики. Виды радиоактивных превращений
 Скачать 423.38 Kb.
|
Тема: ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ ГИГИЕНЫ. Тема 1. Элементы ядерной физики. Виды радиоактивных превращений. Виды ионизирующих излучений, их основные свойства, особенности взаимодействия с объектами окружающей среды – корпускулярные излучения. Все тела материального мира состоят из молекул. Молекулы состоят из атомов, которые представляют собой наименьшую частицу химического элемента, обладающую всеми его свойствами. Атомы характеризуются атомной массой, за единицу ее принята 1/12 массы атома углерода. Атом состоит из ядра и электронов. Электроны, образующие оболочку атома, имеют отрицательный электрический заряд (обозначение - е), но атом в целом электронейтрален, так как положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов. Электрон - элементарная частица (обладающая дуалистическими свойствами корпускулы и волны) с массой покоя 9,108 10 -28 г, т.е. в 1836 раз меньшей массы атома водорода, и отрицательным электрическим зарядом, равным 1,6 10 -19 Кл. Энергетический эквивалент - 0,511 МэВ (1 МэВ - 10 миллионов электрон-вольт). Электрон-вольт - единица, принятая для измерения энергии в ядерной физике. Один электрон-вольт равен энергии, получаемой электроном или другой заряженной частицей с зарядом, равным единице, при прохождении разности потенциалов в 1 в. Один заряд электрона равен единице. Электроны, входящие в состав атома, образуют группы или слои. Ближайший к ядру слой, электроны которого наиболее прочно связаны с ядром, называют К-слоем, далее расположены более удаленные от ядра L, M, N, О, Р-слои. В каждом слое электронной оболочки может находиться не более определенного числа электронов (в К-слое - 2, в L-слое - 8, в М-слое - 18, в N-слое -32 и т.д.). Энергия электрона зависит от того, на каком уровне он находится: чем ближе к ядру - тем меньше уровень кинетической энергии и тем больше уровень потенциальной. Переход с одного слоя на другой связан с поглощением или выделением энергии. Это явление носит ступенчатый характер. Атомное ядро, несмотря на свои малые размеры, имеет сложное строение и плотную упаковку: 99,9% всей массы атома составляет ядро. В его состав входят в основном частицы двух видов: протоны и нейтроны. Протон (р) - устойчивая ядерная частица с массой, равной единице, и положительным электрическим зарядом +1. Протон является ядром самого легкого изотопа водорода. Сохраняет стабильность и не испытывает превращений. Нейтрон (n) - электрически нейтральная элементарная частица. Нейтроны есть в ядрах всех элементов, кроме водорода, и их число колеблется от 1 до 157. Масса равна единице. В ядре нейтроны стабильны, вне его - неустойчивы. Нейтроны в ядрах радиоактивных элементов могут распадаться, при этом испускается электрон, антинейтрино и выделяется 0,78 МэВ энергии. Нейтрон превращается в протон. Число протонов в ядре определяет его заряд, а 2 полное число нейтронов и протонов - его массу. Количество протонов совпадает с порядковым номером элемента и зарядом ядра. Например: в состав ядра водорода входит один протон, гелия - 2, углерода - 6. Входящие в состав ядра протоны и нейтроны имеют общее название - нуклоны (n+p - массовое число). Нейтроны и протоны в ядре могут взаимно превращаться друг в друга; эти превращения сопровождаются испусканием отрицательно или положительно заряженной частицы - электрона или позитрона. Между протонами и нейтронами, входящими в состав ядра, действуют особые, так называемые ядерные силы. Чтобы разделить ядро на составляющие его протоны и нейтроны и удалить их из поля действия ядерных сил, надо совершить работу, т.е. затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра. При образовании ядра из нуклонов энергия связи выделяется. Ядра атомов, принадлежащих одному и тому же элементу, всегда имеют одинаковое число протонов, но могут содержать разное число нейтронов. Такие атомы будут иметь одинаковые химические свойства, но масса их будет различна. Атомы одного элемента, обладающие различной массой, называются изотопами. Ядра таких атомов несут одинаковый, характерный для данного элемента заряд. Многие элементы имеют 2 и больше природных изотопов. Так, например, известны изотопы кислорода – 16 O и 18 О; азота - 14 N и 15 N; водорода - 1 Н (протий) и 2 H (дейтерий); урана - 238 U, 235 U и 234 U. Различают стабильные изотопы - изотопы, ядра которых устойчивы и в обычных условиях неизменяемы, и радиоактивные изотопы - изотопы, ядра которых распадаются, образуя при этом ядра атомов других элементов. Способность ядер некоторых элементов самопроизвольно испускать ядерное излучение, превращаясь при этом в ядра других элементов, называется радиоактивностью, а вещества, испускающие излучения - радиоактивными. Излучения, возникающие при радиоактивном распаде, называются ионизирующими или ядерными излучениями. Характерной особенностью явления радиоактивности является то, что никакими внешними силами (изменение температуры, давления, химические реакции и др.) нельзя изменить ни направление, ни скорость, ни энергетическую характеристику этих процессов. Это указывает на то, что явление радиоактивности обусловлено какими-то спонтанными процессами, происходящими не в электронной оболочке, а в ядре атома. ИТАК: Радиоактивность - самопроизвольное превращение ядер атомов, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений. Различают следующие виды радиоактивных превращений: 1. Альфа-распад. Характерен для естественных радиоактивных элементов с большими порядковыми номерами (стоящих после свинца в ПСЭ Менделеева) и, соответственно, с малыми энергиями связи. Альфа-распад приводит к уменьшению порядкового номера радионуклида на 2 единицы и массового числа на 4. При распаде возникают возбужденные ядра, которые, 3 переходя в основное состояние, испускают гамма-кванты. 2. Электронный бета-распад. Характерен как для естественных, так и для искусственных радиоактивных элементов. При этом виде распада ядро испускает электрон, в результате заряд нового ядра увеличивается на единицу при неизменном массовом числе. Вылет электронов сопровождается выбросом нейтрино, поэтому энергетический спектр бета-частиц непрерывный. При этом ядра атомов вновь образованных элементов могут находиться в возбужденном состоянии, переход их в невозбужденное состояние сопровождается испусканием гамма-квантов. 3. Позитронный бета-распад. Наблюдается у некоторых искусственных радиоизотопов. При этом порядковый номер атома уменьшается на единицу, а масса не изменяется. 4. К-захват (захват орбитального электрона ядром). При этом процессе ядро захватывает электрон с К-оболочки и имеет место такое же превращение ядра, как и при позитронном бета-распаде. Из ядра при К-захвате 4 выбрасывается нейтрино и имеет место характеристическое рентгеновское излучение. 5. Самопроизвольное деление ядер. Наблюдается у радиоактивных элементов с большим атомным номером (уран-235, плутоний) при захвате их ядрами медленных нейтронов. При делении образуются различные пары осколков с избыточным количеством нейтронов; это, как правило, ядра средних массовых чисел, эти осколки претерпевают часто несколько последовательных бета-распадов. Спонтанное деление ядер некоторых элементов – самопроизвольное деление ядер на 2 – 3 осколка, которые представляют промежуточные элементы таблицы Д.И.Менделеева. Таким свойством обладает калифорний – 252, при спонтанном делении которого наблюдается массивный поток нейтронов. Активность радиоактивного элемента и единицы активности. Количество радиоактивного вещества обычно определяют не единицами массы, а активностью данного вещества, которая равна числу распадов в единицу времени. Чем больше радиоактивных превращений испытывает данный элемент в секунду, тем больше его активность. Количественной характеристикой радиоактивности является АКТИВНОСТЬ. Единицей активности в системе СИ служит распад в секунду (расп/с). Эта единица называется Беккерель (Бк). Беккерель соответствует активности, равной одному ядерному превращению в секунду. Мегабеккерель (МБк) составляет 10 6 Бк, гигабеккерель (ГБк) -10 9 Бк, терабеккерель (ТБк) 10 12 Бк. петабеккерель (ПБк) – 10 15 Бк. Внесистемная специальная единица активности—кюри (Ки). Кюри — это единица активности радиоактивных веществ, определяемая как активность препарата данного изотопа, в котором в 1 секунду происходит 3,7×10 10 ядерных превращений (1Ки= 3,7×10 10 Бк). Кюри — очень большая величина. Поэтому в практической работе используют производные от кюри единицы: милликюри (мКи)— 0,001 кюри, микрокюри (мкКи) 10 -6 кюри, нанокюри (нКи)-10 -9 кюри, пикокюри (пКи)- 10 -12 кюри, аттокюри (аКи) 10 -18 кюри. Закон радиоактивного распада Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада. Для каждого радиоизотопа средняя скорость распада его атомов постоянна, неизменна и нельзя повлиять на этот процесс никакими обычными физическими и химическими способами, не изменив состояние ядра. Для каждого изотопа характерна средняя скорость распада его ядра. Постоянная радиоактивного распада (λ) показывает, какая доля ядер распадается в единицу времени. Математически закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же доля имеющихся в наличии ядер. Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов пользуются понятием периода полураспада. Периодом полураспада (T 1/2 ) называется то время, в течение которого распадается половина всех атомов данного радиоактивного вещества. 5 Период полураспада и постоянная распада связаны между собой соотношением: T 1/2 =0,693/ Отсюда видно, что чем больше значение периода полураспада, тем меньше значение постоянной распада (распад идет медленнее) и, наоборот, чем меньше значение периода полураспада, тем больше значение постоянной распада. В зависимости от периода полураспада различают короткоживущие изотопы, период полураспада которых исчисляется долями секунды, минутами, часами, сутками, и долгоживущие изотопы, период полураспада которых от нескольких месяцев до миллиардов лет. Например: 3 H 12,46 года 45 Са 152 дня 14 С 5568 лет 60 Со 5,3 года 24 Na 15,1 часа 90 Sr 28 лет 32 P 14,3 дня 131 I 8,05 дня 35 S 87 дней 238 U 4,510 9 лет Число ядер радиоактивного изотопа уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Графически закон радиоактивного распада выражается экспоненциальной кривой. Видно, что с увеличением числа периодов полураспада количество нераспавшихся атомов убывает, приближаясь к нулю. Особенностью радиоактивного распада является то, что ядра одного элемента распадаются не все сразу, а постепенно, в различное время. Поэтому распад любого радиоактивного элемента подчиняется статистическим закономерностям и носит вероятностный характер. Иными словами, распад ядер происходит неравномерно - то большими, то маленькими порциями. 6 Между активностью в единицах кюри и массой радиоактивных веществ в граммах существует определенная связь. С уменьшением или возрастанием Т 1/2 масса радиоактивного материала при одной и той же активности возрастает. Так, для 131 I, период полураспада которого равен 8,06 сут., масса 1 кюри составляет 0,008 мг, а масса 1 кюри 236 U, для которого период полураспада равен 4.5 млрд. лет - около 3 т. Следует отметить, что значения периода полураспада и постоянной распада не зависят от внешних условий и определяются лишь свойствами самого радиоактивного ядра. Естественно, каждый радиоактивный изотоп имеет свое значение периода полураспада и постоянной распада. Численные значения этих величин определяются экспериментально. ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ. Ионизирующие излучения свое название получили по способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Элементарный акт взаимодействия излучения с веществом — поглощение энергии кванта валентным электроном, приводящее к переходу атома или молекулы в возбужденное состояние вплоть до высвобождения электрона. Тогда оставшаяся часть атома или молекулы, приобретая положительный заряд, становится положительным ионом. Для ионизации большинства элементов, входящих в состав биосубстрата, необходимо достаточно большое количество энергии - 10—15 эВ, называемое потенциалом ионизации. 1. Корпускулярные 2. Электромагнитные (фотонные). Корпускулярное излучение - ионизирующее излучение, состоящее из частиц: заряженных (альфа-, бета-частиц, протонов, мезонов и т.д.) незаряженных (нейтроны, нейтрино и др.) Электромагнитное (фотонное)- включает гамма- и рентгеновское излучение. Гамма-излучение испускается при ядерных превращениях; Рентгеновское представляет собой совокупность характеристического и томозного излучений (характеристическое излучение испускается при изменении энергетического состояния атома, тормозное - при изменении кинетической энергии заряженных частиц). Возникает в защите источников бета-излучения, рентгеновских трубках, ускорителях электронов и т.д. Излучения корпускулярной природы представляют собой пучки элементарных ядерных частиц, ядер элементов или ионов. Большинство из них — заряженные корпускулы: β-частицы (электроны); протоны (ядра водорода); дейтроны (ядра тяжелого водорода — дейтерия); α-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы — ядра других элементов. Кроме того, к корпускулярным излучениям относят и не имеющие заряда ядерные частицы — нейтроны, опосредованно также вызывающие ионизацию. В том случае, если передаваемая атому или молекуле энергия кванта 7 излучения меньше потенциала ионизации облучаемого вещества, происходит лишь их возбуждение. Таким образом, ионизация и возбуждение — основные процессы, в которых расходуется вся энергия излучений, поглощенная в облучаемом объекте. ПРОНИКАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ионизирующих излучений и особенности их взаимодействия с веществом Глубина проникновения ионизирующего излучения зависит, с одной стороны, от природы излучения, заряда составляющих его частиц, энергии кванта излучения, а с другой — от состава и плотности облучаемого вещества. КОРПУСКУЛЯРНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ Заряженные частицы. Механизм передачи энергии всех заряженных частиц один и тот же. При прохождении через вещество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас энергии уменьшится до такой степени, что частица теряет ионизирующую способность. В зависимости от знака заряда при пролете частицы в веществе она, испытывая электростатическое взаимодействие, притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер и несущих отрицательный заряд электронов. Чем больше масса летящей частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления. Поэтому полет протонов и более тяжелых ядерных частиц практически прямолинеен, а траектория полета электронов сильно изломана вследствие рассеяния на орбитальных электронах и особенно в результате притяжения к ядрам атомов. Этот вид взаимодействия легких частиц иногда называют упругим многократным рассеянием в отличие от неупругого торможения. Последнее имеет место при прохождении электрона высокой энергии вблизи ядра. При этом скорость летящего электрона снижается и часть его энергии теряется; процесс сопровождается испусканием фотонов тормозного излучения. Кроме длины пробега корпускулярные и электромагнитные излучения различаются пространственным распределением вызываемых ими актов ионизации. Любое ионизирующее излучение характеризуется энергией E, измеряемой в электронвольтах (эВ). Электронвольт - энергия, которую приобретает электрон при ускорении в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 вольт. Для характеристики ионизирующих излучений используются производные величины - килоэлектронвольт (КэВ, 1 КэВ=10 3 эВ), мегаэлектронвольт (1 МэВ=10 6 эВ). Энергию, теряемую заряженной частицей на единице длины ее пробега в веществе, называют линейной передачей энергии (ЛПЭ— LET — linear energy transfer). За единицу ЛПЭ принимают кэВ/мкм (1 кэВ/мкм = 62 Дж/м). В зависимости от значения ЛПЭ все ионизирующие излучения, в том числе и электромагнитные, делят на редко- и плотноионизирующие. К 8 редкоионизирующим относят все виды элеткромагнитных излучений и пучки электронов, имеющие ЛПЭ менее 10 КэВ/мкм, а к плотноионизирующим — пучки протонов, дейтронов и более тяжелых заряженных частиц, т.е. те, для которых ЛПЭ превышает эту величину (10 КэВ/мкм). Типичные уровни ЛПЭ для наиболее распространенных видов излучений следующие: γ-излучение 60 Со и рентгеновское излучение с длиной волны 20 нм (250 кэВ) имеют соответственно ЛПЭ около 0,3 и 2 кэВ/мкм, нейтроны с энергией 14 МэВ — 12 кэВ /мкм, а тяжелые заряженные ядерные частицы — от 100 до 2000 кэВ/мкм. Однако такое деление достаточно условное, так как ЛПЭ связана не только с физической природой частицы, но зависит также от скорости ее полета и заряда. Величины ЛПЭ прежде всего зависят от энергии и заряда частиц, составляющих излучения, причем эта зависимость резко усиливается со снижением их скорости. Поэтому в конце пробега отдача энергии всякой заряженной частицы максимальна, что приводит к характерному распределению ионизации, описываемому известной кривой Брэгга, с конечным максимумом — пиком Брэгга. Эта особенность взаимодействия тяжелых ядерных частиц с тканями используется при лечении опухолей (так как позволяет сосредоточить значительную энергию на глубине пораженной ткани при минимальном ее рассеянии в здоровых тканях по ходу пучка. При одинаковой скорости движения протоны и электроны имеют одинаковую ЛПЭ, так как обладают равным по величине зарядом. Установлено, что ЛПЭ пропорциональна квадрату заряда: α-частица, образующаяся при радиоактивном распаде и имеющая заряд +2, вызывает появление ионов в четыре раза чаще. В воздухе α-частица в зависимости от начальной энергии образует 40000 — 100000 пар ионов, а β-частица — 30—300 пар. Длина пробега частиц возрастает с увеличением их энергии, в настоящее время связь между этими параметрами для каждой частицы точно установлена. Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц (ядер атомов гелия), состоящих из 2-х протонов и 2-х нейтронов и имеющих атомную массу 4 и заряд +2. Основной источник гамма-излучения - радиоактивный альфа- распад. Известно более 200 альфа-излучателей, большинство из них - естественные радионуклиды семейства урана, радия и тория. Диапазон энергий для альфа-частиц составляет от 4 до 9 МэВ, альфа-излучение всегда сопровождается излучением гамма-квантов с энергией от 0,036 до 2,76 МэВ. При взаимодействии альфа-частиц с веществом их энергия, как уже было сказано, расходуется на возбуждение и ионизацию атомов среды. Альфа- излучение характеризуется высокой линейной плотностью ионизации (ЛПИ) и линейной передачей энергии (ЛПЭ). ЛПИ - это число пар ионов, образующихся на единице длины пробега частиц (пар ионов/мкм). ЛПЭ (повторим) - количество энергии, переданной веществу заряженной частицей на единице длины ее пробега (КэВ/мкм). В среднем ЛПЭ для альфа-частиц составляет 100 КэВ/мкм, что значительно выше, чем для других излучений. Поэтому альфа- 9 излучение относится к плотноионизирующим и альфа-частица имеет незначительную проникающую способность: в воздухе - до 3 см, в мышечной ткани, воде - около 50 мкм, в костной ткани, алюминии - около 17 мкм. Внешнее облучение альфа-частицами не представляет опасности, поскольку они не проникают глубже отмирающих слоев кожного эпителия. Очень опасно внутреннее альфа-облучение при инкорпорировании радионуклидов. Защита при работе с альфа-излучателями должна быть направлена на исключение любой потенциальной возможности попадания радиоактивных веществ в организм с вдыхаемым воздухом, пищей и водой. В отличие от альфа-излучателей, бета-излучатели рассеяны по всей таблице Менделеева, начиная от водорода и до трансурановых элементов. При прохождении бета-частиц через вещество имеют место упругие и неупругие взаимодействия с электронами и ядрами атомов среды. Упругие взаимодействия заключаются в том, что сумма кинетических энергий взаимодействующих частиц после взаимодействия остается неизменной. При неупругом взаимодействии часть энергии взаимодействующих частиц передается образовавшимся свободным частицам или квантам (неупругое рассеивание, ионизация и возбуждение атомов, возбуждение ядер, тормозное излучение). По радиобиологическим характеристикам бета-излучение относится к редкоионизирующим, удельная плотность ионизации примерно в 1000 раз меньше, чем у альфа-излучения. Несмотря на это, внешнее облучение бета-частицами представляет опасность для человека. Критические органы - кожа и хрусталик глаза. Пробег бета-частиц в воздухе - до 11 м, в мышечной ткани, воде - около 17 мм, в костной ткани, алюминии - 5,5 мм. При взаимодействии бета-излучения с веществом возникает тормозное электромагнитное излучение. Выход его пропорционален атомному номеру материала защиты, поэтому для последней используют вещества с малым атомным номером - алюминий, органическое стекло, пластмассы. При высокой активности бета-источника тормозное излучение может быть настолько интенсивным, что требуется защита и от него, т.е. к легкому материалу защиты от бета-излучения необходимо добавить еще один слой из тяжелых материалов, например, свинца. 10 Тема 2. Виды ионизирующих излучений, их основные свойства, особенности взаимодействия с объектами окружающей среды – нейтроны, электромагнитные излучения. Дозы излучения, единицы измерения. Нейтроны. По величине энергии различают четыре вида нейтронов. 1. Быстрые нейтроны — с энергией более 100 кэВ. К быстрым относят прежде всего нейтроны деления, образующиеся в ядерных реакторах при делении ядер U, a также при спонтанном распаде Cf. Нейтроны деления обладают широким спектром энергий с модальной величиной 1 МэВ. Быстрые нейтроны получают и в циклотронах в результате бомбардировки дейтронами (ускоренными до энергии в несколько МэВ) бериллиевой мишени. В зависимости от энергии дейтронов образуются нейтроны соответствующих энергий. Наконец, в результате ядерной реакции, возникающей при облучении тритиевой мишени пучками дейтронов, ускоренных до энергии около 300 кэВ, образуются практически моноэнергетические нейтроны с энергией 14 МэВ. 2. Промежуточные нейтроны имеют энергию от 100 до 1 кэВ. 3. Энергия медленных нейтронов — меньше 1 кэВ. 4. Тепловые нейтроны обладают энергией теплового движения, которая составляет при комнатной температуре всего около 0,025 эВ. Наибольшее практическое значение в радиобиологии имеют быстрые нейтроны. Все остальные, однако, образуясь по мере замедления в тканях быстрых нейтронов, также вносят свой вклад в общий процесс поглощения энергии. Нейтроны относят к плотноионизирующим излучениям, так как пробег образуемых ими протонов отдачи невелик. Однако их возникновение происходит на большой глубине из-за высокой проникающей способности нейтронов. В отличие от заряженных частиц нейтроны не несут электрического заряда, что позволяет им беспрепятственно проникать в глубь атомов; достигая ядер, они либо поглощаются ими, либо отталкиваются от них. При упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтрон теряет лишь 10—15% энергии, а при столкновении с почти равными с ним по массе ядрами водорода — протонами, энергия нейтрона уменьшается в среднем вдвое, передаваясь про- тону отдачи. Поэтому вещества, содержащие большое количество атомов водорода, — графит, вода, парафин — используют для защиты от нейтронного излучения; в них нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются. В результате такого упругого рассеяния образуются сильно ионизирующие протоны больших энергий. Атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми и, распадаясь, порождают протоны, α- частицы и фотоны γ-излучения, также способные производить ионизацию. При таких ядерных реакциях могут образоваться радиоактивные изотопы элементов 11 и возникнуть наведенная радиоактивность, в свою очередь тоже вызывающая ионизацию. Ионизируют вещество, наконец, и сами ядра отдачи, возникающие при ядерных превращениях. При неупругом рассеянии нейтрон поглощается ядром, которое возбуждается и испускает нейтрон с энергией, меньшей, чем у поглощенного. Разность энергий падающего и рассеянного нейтронов испускается возбужденным ядром в виде гамма-кванта. Ядерные реакции при попадании нейтрона в ядро происходят с испусканием других частиц – протонов, альфа- частиц и др. Т.е. при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или фотонами. В мягких тканях нейтроны проникают на глубину до 20 см., т.е. происходит их поглощение. В большей степени в биологических тканях поглощение нейтронов происходит при их взаимодействии с атомами водорода и азота. При поглощении ядром водорода образуется дейтерий, возбужденное ядро которого испускает гамма-квант с энергией 2,23 МэВ. При поглощении ядром азота – углерод–14 и протон. Таким образом, при взаимодействии нейтронов с веществом происходит вторичная ионизация атомов среды за счет гамма-квантов и образующихся заряженных частиц, а ЛПЭ и ЛПИ зависят от энергии нейтронов, а также от состава облучаемого вещества. Рентгеновское и гамма-излучения относятся к электромагнитным. R- излучение возникает в рентгеновской трубке при торможении электронов. Катод с нитью накала испускает электроны, которые ускоряясь в электромагнитном поле, тормозятся на аноде. При торможении происходит преобразование энергии, причем 98-99% ее переходит в тепловую (нагрев анода), а 1-2% преобразуется в тормозное излучение (в данном случае - рентгеновское). Мощность дозы тормозного R-излучения зависит от: силы тока, материала анода (атомного номера), напряжения на трубке. Источниками R-излучения являются все электровакуумные приборы высоких напряжений, телевизионные трубки, мониторы, усилительные лампы, приборы СВЧ-диапазона, электронно-лучевые установки для резки и сварки металлов в вакууме (неиспользуемое R-излучение), а также ускорительные устройства, работающие на тормозный пучок, микротроны, линейные ускорители и, конечно, рентгеновские трубки (используемое R-излучение). Гамма-излучение возникает при: радиоактивном альфа- и бета - распадах; делении ядер - при этом осколки находятся в возбужденном состоянии, следствием чего является испускание гамма-квантов; взаимодействии нейтронов. Гамма излучением называется самопроизвольное испускание ядром гамма-квантов. При этом не происходит никакого изменения в массовом и 12 зарядовом числах. Физически это излучение представляет собой коротковолновые электромагнитные волны ядерной природы. Они обладают высокой энергией, вплоть до нескольких Мегаэлектронвольт. Излучение самого гамма кванта происходит в момент перехода ядра из возбужденного состояния в основное. Принципы взаимодействия рентгеновского и гамма-излучений с веществом идентичны. Эти излучения называют косвенноионизирующими, т.к. процесс ионизации опосредован через ряд первичных эффектов. При прохождении γ-лучей через вещество происходит ослабление пучка, то есть по мере увеличения толщины поглотителя интенсивность излучения постепенно уменьшается. γ-кванты, проходя через вещество, поглощаются им, образуя вторичные электроны, и теряют энергию за счет трех эффектов: - фотоэлектрического поглощения (фотоэффект); - комптоновского рассеяния (комптон-эффект); - образования электронно-позитронных пар (образование пар). Фотоэлектрическое поглощение: γ-кванты, сталкиваясь с прочно связанным электроном в атомах облучаемого вещества, выбивают его с орбиты и передают ему всю энергию. При этом гамма-квант перестает существовать, а электрон, двигаясь с большой скоростью, производит ионизацию встречающихся атомов и молекул. Величина фотоэффекта уменьшается с уменьшением длины волны излучения и с уменьшением атомного номера вещества. Схема фотоэффекта Фотоэффект преобладает тогда, когда энергия γ-кванта не превышает 0,05 МэВ, а вещество имеет большой атомный номер. 13 Комптоновский эффект: При комптоновском эффекте γ-кванты, сталкиваясь с электронами, передают им не всю свою энергию, а только ее часть и после соударения изменяют свое направление движения, то есть рассеиваются. Комптон-эффект происходит в том случае, когда энергия кванта значительно превышает энергию связи электрона в атоме. Образовавшиеся вследствие соударения с γ- квантами электроны (электроны отдачи) приобретают значительную кинетическую энергию и растрачивают ее на ионизацию вещества. Схема Комптон-эффекта При комптоновском рассеянии γ-квант выбивает электрон с внутренней орбиты атома. Для осуществления Комптон-эффекта нужна энергия не ниже 0,15 МэВ. Образование пар: Если энергия γ-квантов не ниже 1,02 МэВ, то, проходя вблизи ядра, они превращаются в пару "электрон-позитрон". Образование такой пары частиц возможно при энергиях γ-кванта не меньших, чем энергия, эквивалентная массе обеих частиц - электрона и позитрона. Образовавшаяся электронно- позитронная пара в дальнейшем исчезает, превращаясь в два вторичных γ- кванта. Вторичные γ-кванты способны вызвать только лишь Комптон-эффект и теряют скорость только при соударении с электронами. Вероятность процесса образования пар увеличивается с увеличением энергии γ-квантов и плотности поглотителя. Схема образования электронно-позитронных пар 14 По радиобиологической характеристике R- и гамма-излучения относятся к редкоионизирующим. Это проникающие излучения, имеют большие значения длины свободного пробега, который зависит от энергии излучения (в воздухе - до нескольких км, в теле человека ослабляется в 3-4 раза). Защита от проникающего излучения основана на использовании материалов, содержащих тяжелые элементы - свинец, обедненный уран. Для стационарной защиты применяется монолитный гидратированный бетон, в рентгеновских кабинетах - баритовая штукатурка. ДОЗЫ ИЗЛУЧЕНИЯ Доза есть количественная характеристика излучения и определяется энергией, поглощенной веществом. Поглощенная доза - фундаментальная дозиметрическая величина - есть количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела. В системе СИ поглощенная доза измеряется в Дж/кг и имеет специальное название - Грей (Гр), производные единицы – миллигрей (мГр), микрогрей (мкГр). Использовавшаяся ранее внесистемная единица «рад» равна 0,01 Гр. D = de/dm, где de - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме, a dm - масса вещества в этом объеме. Но эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе разные виды излучения вызывают разный биологический эффект. Поэтому введено понятие эквивалентная доза - это поглощенная доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма (взвешивающий коэффициент) 15 H T,R = D T,R × W R где: D T,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, W R - взвешивающий коэффициент для излучения R. При воздействии различных видов излучений с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз этих излучений: H T = ∑ H T,R Единицей измерения эквивалентной дозы является Зиверт (Зв), производные единицы – миллизиверт (мЗв), микрозиверт (мкЗв). Специальная (внесистемная) единица – Бэр, которая равна 0,01 Зв. Взвешивающий коэффициент выступает как регламентированное значение относительной биологической эффективности (ОБЭ). ОБЭ определяется отношением дозы рентгеновского излучения к дозе любого другого вида излучения, вызывающей тот же биологический эффект. Например, гибель культуры клеток в эксперименте вызывают 10 Гр рентгеновского излучения и 0,5 Гр альфа-излучения. Значит, ОБЭ = D R /D α = 10/0,5 = 20. Таким образом ОБЭ = 20 означает, что биологический эффект при воздействии альфа- излучения в 20 раз выше, чем рентгеновского излучения. Относительная биологическая эффективность находится в прямой зависимости от линейной передачи энергии (ЛПЭ). При воздействии ионизирующего излучения на организм человека следует учитывать и другие факторы, например, равномерность или неравномерность облучения, распределение дозы во времени, пол, возраст, соматическое состояние и т.д. Концепция ОБЭ, таким образом, применима только в радиобиологии. Для нормирования же в радиационной гигиене используется взвешивающий коэффициент (W R ). Значения взвешивающих коэффициентов составляют 1 (для фотонов и электронов), 20 (для альфа-частиц и тяжелых ядер отдачи), от 5 до 20 для нейтронов в зависимости от их энергии. Эффективная доза (E) - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе (H) на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани: E = ΣH T × W T , где: E - эффективная доза; H T - эквивалентная доза в ткани Т; W T - взвешивающий коэффициент для ткани Т. Единица измерения эффективной дозы - Зиверт (Зв). Нормами радиационной безопасности (НРБ 99/2009) также определены понятия «доза на орган», «доза эквивалентная или эффективная ожидаемая», «доза эффективная коллективная». Доза эффективная коллективная - мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения; она 16 равна сумме индивидуальных эффективных доз. Единица эффективной коллективной дозы - человеко-зиверт (чел.-Зв). МОЩНОСТЬ ДОЗЫ - отношение приращения дозы (поглощенной, эквивалентной, эффективной) dD, dH, dE за интервал времени dt к этому интервалу времени: D=dD/dt (Гр/сек), H=dH/dt (Зв/сек), E=dE/dt (Зв/сек). На практике за единицу времени могут приниматься час, минута. В литературе и практике дозиметрического контроля продолжают широко использоваться также такие понятия, как экспозиционная доза и мощность экспозиционной дозы. ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ДОЗА (X) определяется электрическим зарядом ионов разного знака, возникающих при ионизации в 1 кг сухого воздуха. Используется только для регистрации и оценки дозы рентгеновского и гамма- излучений в воздухе. Единица измерения в системе СИ - кулон на килограмм (Кл/кг), внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р), производные – миллирентген (мР), микрорентген (мкР). 1Р = 2,58 × 10 -4 Кл/кг Экспозиционная доза, отнесенная к единице времени, называется мощностью экспозиционной дозы и измеряется в амперах на кг (А/кг – системная единица), внесистемные единицы - Р/час, мР/час, мкР/час, мкР/сек и т.д. Зависимость между поглощенной дозой (D) и экспозиционной дозой (X) выражается формулой: X = f × D , где f - коэффициент, зависящий от плотности среды. Для воздуха f=0,88, для мышечной ткани, воды - 0,95, для костной ткани - 3-4, жировой - 0,5-0,6. Таким образом, в целом для организма человека коэффициент f приблизительно равен 1, следовательно, экспозиционная доза равна поглощенной (как и мощности доз), а 1 рентген равен 0,01 Гр. |