Основные свойства ионизирующих излучений и их сравнительная характеристика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Кафедра безопасности жизнедеятельности и курортологии

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

по дисциплине: Защита населения и объектов в чрезвычайных ситуациях. Радиационная безопасность.

 

на тему: Основные свойства ионизирующих излучений и их сравнительная характеристика.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                Студентки 3 курса ВШУБ,

                                                                группа ВВУ-4

                                                                Копелевой Е.С.

                                                                Преподаватель:

                                                                  Молош Тамара Владимировна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск, 2012

Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов различных знаков. Источники этих излучений широко используются в технике, химии, медицине, сельском хозяйстве и других областях, например, при измерении плотности почв, обнаружении течей в газопроводах, измерении толщины листов, труб и стержней, антистатической обработке тканей, полимеризации пластмасс, радиационной терапии злокачественных опухолей и др. Однако следует помнить, что источники ионизирующего излучения представляют существенную угрозу здоровью и жизни использующих их людей.

Существуют  два вида ионизирующих излучений:

• корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа- и бета¹-излучение и нейтронное излучение); в литературе принято обозначать альфа- и бета-частицы с помощью соответствующих греческих букв – а-частицы и β-частицы;
• электромагнитное (гамма(γ)-излучение и рентгеновское) с очень малой длиной волны.

 

 

Рассмотрим  основные характеристики указанных  излучений. Альфа (а)-излучение представляет собой поток ядер гелия, обладающих большой скоростью. Эти ядра имеют массу 4 и заряд +2. Они образуются при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. В настоящее время известно более 120 искусственных и естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская альфа-частицу, теряют 2 протона и 2 нейтрона.

Энергия альфа-частиц не превышает нескольких МэВ (МэВ – единица энергии (мега-электрон-вольт), применяемая в атомной и ядерной физике; 1МэВ = 10⁶ эВ (электрон-вольт); для перевода значений энергии излучения в систему СИ пользуются следующими соотношениями: 1 эВ = 1,60206 • 10^-19 Дж; 1 МэВ = 1,60206 • 10^-13 Дж).

Излучаемые  альфа-частицы движутся практически  прямолинейно со скоростью примерно 20 000 км/с. 

Под длиной пробега частицы в воздухе  или других средах принято называть наибольшее расстояние от источника  излучения, при котором еще можно  обнаружить частицу до ее поглощения веществом. Длина пробега частицы  зависит от заряда, массы, начальной  энергии и среды, в которой  происходит движение. С возрастанием начальной энергии частицы и  уменьшением плотности среды  длина пробега увеличивается. Если начальная энергия излучаемых частиц одинакова, то тяжелые частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие. Если частицы движутся медленно, то их взаимодействие с атомами вещества среды более  эффективно и частицы быстрее  растрачивают имеющийся у них  запас энергии.

Длина пробега  альфа-частиц в воздухе обычно менее 10 см. Так, например, альфа-частицы с  энергией 4 МэВ обладают длиной пробега  в воздухе примерно в 2,5 см. В воде или в мягких тканях человеческого  тела, плотность которых более  чем в 700 раз превышает плотность  воздуха, длина пробега альфа-частиц составляет несколько десятков микрометров. За счет своей большой массы при взаимодействии с веществом альфа-частицы быстро теряют свою энергию. Это объясняет их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию: при движении в воздушной среде альфа-частица на 1 см своего пути образует несколько десятков тысяч пар заряженных частиц – ионов.

Бета-излучение представляет собой поток электронов (β^--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β⁺-излучение), возникающих при радиоактивном распаде. В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов.

Масса бета-частиц в несколько десятков тысяч раз  меньше массы альфа-частиц. В зависимости  от природы источника бета-излучений скорость этих частиц может лежать в пределах 0,3 – 0,99 скорости света. Энергия бета-частиц не превышает нескольких МэВ, длина пробега в воздухе составляет приблизительно 1800 см, а в мягких тканях человеческого тела ~ 2,5 см. Проникающая способность бета-частиц выше, чем альфа-частиц (из-за меньших массы и заряда). Например, для полного поглощения потока бета-частиц, обладающих максимальной энергией 2 МэВ, требуется защитный слой алюминия толщиной 3,5 мм. Ионизирующая способность бета-излучения ниже, чем альфа-излучения: на 1 см пробега бета-частиц в среде образуется несколько десятков пар заряженных ионов.

Нейтронное  излучение представляет собой поток ядерных частиц, не имеющих электрического заряда. Масса нейтрона приблизительно в 4 раза меньше массы альфа-частиц. В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1 КэВ; 1 КэВ (кило-электрон-Вольт) - 10³ эВ), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 КэВ) и быстрые нейтроны (от 500 КэВ до 20 МэВ). Среди медленных нейтронов различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Тепловые нейтроны находятся по существу в состоянии термодинамического равновесия с тепловым движением атомов среды. Наиболее вероятная скорость движения таких нейтронов при комнатной температуре составляет 2200 м/с. При неупругом взаимодействии нейтронов с ядрами атомов среды возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц и гамма-квантов (гамма-излучение). При упругих взаимодействиях нейтронов с ядрами может наблюдаться обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у альфа- или бета-частиц. Так, длина пробега нейтронов промежуточных энергий составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов – соответственно 120 м и 10 см. Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения. Мощность нейтронного потока измеряется плотностью потока нейтронов (нейтр./см² • с). 

Гамма-излучение (γ-излучение) представляет собой электромагнитное излучение с высокой энергией и с малой длиной волны (начиная от длины волны 2-10^-2 нм в сторону коротких длин волн расположены гамма-лучи, возникающие при радиоактивном распаде атомов; таким образом, электромагнитные излучения различного происхождения в этой области длин волн перекрываются, и их называют гамма-излучением или рентгеновским излучением в зависимости от источника).

Оно испускается  при ядерных превращениях или  взаимодействии частиц. Высокая энергия (0,01–3МэВ) и малая длина волны  обусловливает большую проникающую  способность гамма-излучения. Гамма-лучи не отклоняются в электрических  и магнитных полях. Это излучение  обладает меньшей ионизирующей способностью, чем альфа- и бета-излучение. 

Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубах, в ускорителях электронов, в среде, окружающей источник бета-излучения, и др. Рентгеновские лучи представляют собой один из видов электромагнитного излучения. Энергия его обычно не превышает 1 МэВ.

Рентгеновское излучение, как и гамма-излучение, обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.

Рассмотрим  основные показатели и единицы измерения, применяемые для характеристики ионизирующих излучений. Как уже  сказано выше, при распаде ядер атомов его продукты вылетают с большой  скоростью. Встречая на своем пути ту или иную преграду, они производят в ее веществе различные изменения. Воздействие излучения на вещество будет тем больше, чем больше распадов происходит в единицу времени. Для  характеристики числа распадов вводится понятие активности (А) радиоактивного вещества, под которым понимают число самопроизвольных ядерных превращений dN в этом веществе за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток времени:

 

            .           

 

Единицей  измерения активности является Кюри (Кu), соответствующая 3,7 • 10¹⁰ ядерных превращений в секунду. Такая активность соответствует активности 1 г радия-226. В системе СИ используется единица активности беккерель (Бк)

1 Кu = 3,7.10¹¹Бк.

Для характеристики воздействия ионизирующего излучения  на вещество введено понятие дозы излучения.  Дозой излучения называется часть энергии, переданная излучением веществу и поглощенная им. Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения и вещества является поглощенная доза излучения (Д), равная отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе облученного вещества в этом объеме dm:

 

            .            

Поглощенная доза является основной дозиметрической  величиной. В системе СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр). 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг (ранее в качестве единицы поглощенной дозы использовался рад (рд), он соответствовал поглощению в среднем 100 эрг).

До недавнего  времени за количественную характеристику только рентгеновского и гамма-излучения, основанную на их ионизирующем действии, принималась экспозиционная доза Х – отношение полного электрического заряда dQ ионов одного знака, возникающих в малом объеме сухого воздуха, к массе воздуха dm в этом объеме, т. е.

 

 

                .        

 

Единицей  экспозиционной дозы в системе СИ является кулон на килограмм (Кл/кг).

Внесистемной  единицей дозы рентгеновского и гамма-излучения  является рентген (р) – доза излучения, при которой суммарный заряд  положительных или отрицательных ионов, образующихся в 1,293•10⁶ кг воздуха, равен 0,33•10^-9 кулонов. Это соответствует образованию 2,08•10⁹ пар одновалентных ионов в 1 см³ воздуха при нормальных условиях (Т= 273 К,Р = 1,01325 • 10⁵ Па) и связано с затратой энергии около 87•10⁷ Дж/кг; 1P = 2,58•10^-4 Кл/кг = 0,88 рад.

Для оценки возможного ущерба здоровья при хроническом  воздействии ионизирующего излучения произвольного состава введено понятие эквивалентной дозы (Н). Эта величина определяется как произведение поглощенной дозы D на средний коэффициент качества излучения Q (безразмерный) в данной точке ткани человеческого тела, т. е.:

 

               .

 

Единицей  эквивалентной дозы в системе  СИ является зиверт (Зв). В табл. Существует специальная единица эквивалентной дозы – биологический эквивалент рентгена (бэр). 1 бэр – это количество энергии любого вида излучения, поглощенного в биологической ткани, биологическое действие которого эквивалентно действию 1 рад рентгеновского или гамма-излучения; 1 Зв = 100 бэр.

Существует  еще одна характеристика ионизирующего  излучения – мощность дозы Х (соответственно поглощенной, экспозиционной или эквивалентной), представляющая собой приращение дозы за малый промежуток времени dx, деленное на этот промежуток dt. Так, мощность экспозиционной дозы (Х или W, Кл/кг-с) составит:

 

              .

Аналогично  рассчитывают мощность поглощенной (Гр/с) или эквивалентной (Зв/с) доз.

 

Биологическое действие рассмотренных излучений  на организм человека различно.

Альфа-частицы, проходя через вещество и сталкиваясь  с атомами, ионизируют (заряжают) их, выбивая электроны. В редких случаях  эти частицы поглощаются ядрами атомов, переводя их в состояние  с большей энергией. Эта избыточная энергия способствует протеканию различных  химических реакций, которые без  облучения не идут или идут очень  медленно. Альфа-излучение производит сильное действие на органические вещества, из которых состоит человеческий организм (жиры, белки и углеводы). На слизистых оболочках это излучение  вызывает ожоги и другие воспалительные процессы.

Под действием  бета-излучений происходит радиолиз (разложение) воды, содержащейся в биологических  тканях, с образованием водорода, кислорода, пероксида водорода Н₂О₂, заряженных частиц (ионов) ОН^- и НО . Продукты разложения воды обладают окислительными свойствами и вызывают разрушение многих органических веществ, из которых состоят ткани человеческого организма.

Действие  гамма- и рентгеновского излучений на биологические ткани обусловлено в основном образующимися свободными электронами. Нейтроны, проходя через вещество, производят в нем наиболее сильные изменения по сравнению с другими ионизирующими излучениями.

Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений сводится к изменению  структуры или разрушению различных  органических, веществ (молекул), из которых  состоит организм человека. Это приводит к нарушению биохимических процессов, протекающих в клетках, или даже к их гибели, в результате чего происходит поражение организма в целом.