Ионизирующие излучения

1.Общая характеристика ионизирующих излучений.

 Ионизирующие излучения  — потоки фотонов, а также  заряженных или нейтральных частиц, взаимодействие которых с веществом  среды приводит к его ионизации.  Ионизация играет важную роль  в развитии радиационно-индуцированных  эффектов, особенно в живой ткани.  Средний расход энергии на  образование одной пары ионов  сравнительно мало зависит от  вида ионизирующих излучений, что позволяет судить по степени ионизации вещества о переданной ему энергии ионизирующих излучений.

Источники ионизирующих излучений делят на естественные (природные) и искусственные. Естественными источниками ионизирующих излучений являются космос и распространенные в природе радиоактивные вещества (радионуклиды). В космосе формируется и достигает Земли космическое излучение — корпускулярные потоки ионизирующего излучения. Первичное космическое излучение состоит из заряженных частиц и фотонов, отличающихся высокой энергией. В атмосфере Земли первичное космическое излучение частично поглощается и инициирует ядерные реакции, в результате которых образуются радиоактивные атомы, сами испускающие ионизирующие излучение, поэтому космическое излучение у поверхности Земли отличается от первичного космического излучения. Различают три основных вида космического излучения: галактическое космическое излучение, солнечное космическое излучение и радиационные пояса Земли. Галактическое космическое излучение является наиболее высокоэнергетической составляющей корпускулярного потока в межпланетном пространстве и представляет собой ядра химических элементов (преимущественно водорода и гелия), ускоренных до высоких энергий; по своей проникающей способности этот вид космического излучения превосходит все виды ионизирующих излучений. Для полного поглощения галактического космического излучения потребовался бы свинцовый экран толщиной около 15 м. Солнечное космическое излучение представляет собой высокоэнергетическую часть корпускулярного излучения Солнца и возникает при хромосферных вспышках днем. В период интенсивных солнечных вспышек плотность потока солнечного космического излучения может в тысячи раз превысить обычный уровень плотности потока галактического космического излучения. Солнечное космическое излучение состоит из протонов, ядер гелия и более тяжелых ядер. Солнечные протоны высоких энергий представляют наибольшую опасность для человека в условиях космического полета. Радиационные пояса Земли сформировались в околоземном пространстве за счет первичного космического излучения. Радиационные пояса Земли состоят из заряженных частиц: электронов — в электронном поясе и протонов — в протонном. В радиационных поясах устанавливается поле ионизирующих излучений повышенной интенсивности, что учитывают при запуске пилотируемых космических кораблей.

 Природные, или естественные, радионуклиды имеют различное  происхождение; часть из них  принадлежит к радиоактивным  семействам, родоначальники которых  (уран, торий) входят в состав  пород, слагающих нашу планету,  с периода ее образования; некоторая  часть естественных радионуклидов  является продуктом активации  стабильных изотопов космическим  излучением. Отличительным свойством  радионуклидов является радиоактивность,  т.е. самопроизвольное превращение  (распад) атомных ядер, приводящее  к изменению их атомного номера и (или) массового числа. Скорость радиоактивного распада, характеризующая активность радионуклида, равна числу радиоактивных превращений в единицу времени.

 В качестве единицы  радиоактивности Международной  системой единиц (СИ) определен беккерель  (Бк); 1 Бк равен одному распаду  в секунду. На практике применяется  также внесистемная единица активности кюри (Ки). В результате радиоактивных превращений возникают заряженные и нейтральные частицы, формирующие поле ионизирующих излучений.

 По виду частиц, входящих  в состав ионизирующих излучений, различают альфа-излучение, бета-излучение, гамма-излучение, рентгеновское излучение, нейтронное излучение, протонное излучение и др. Рентгеновское и гамма-излучение относят к фотонным, или электромагнитным ионизирующим излучениям, а все остальные виды ионизирующих излучений — к корпускулярным. Фотоны — это «порции» (кванты) электромагнитных излучений. Их энергия выражается в электрон-вольтах. Она в десятки тысяч раз превосходит энергию кванта видимого света.

 Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, или ядер атомов гелия, несущих положительный заряд, равный двум элементарным единицам заряда. Альфа-частицы относятся к сильно ионизирующим частицам, быстро теряющим свою энергию при взаимодействии с веществом. По этой причине альфа-излучение является слабопроникающим и в медицинской практике используется либо для облучения поверхности тела, либо альфа-излучающий радионуклид вводится непосредственно в патологический очаг при внутритканевой лучевой терапии.

 Бета-излучение — поток отрицательно заряженных электронов или положительно заряженных позитронов, испускаемых при бета-распаде. Бета-частицы относятся к слабоионизирующим частицам; однако по сравнению с альфа-частицами при одинаковой энергии они имеют большую проникающую способность.

 Нейтронное излучение — поток электрически нейтральных частиц (нейтронов), которые возникают в некоторых ядерных реакциях при взаимодействии высокоэнергетических элементарных частиц с веществом, а также при делении тяжелых ядер. Нейтроны передают часть своей энергии ядрам атомов вещества среды и инициируют ядерные реакции. В результате в облученном нейтронным потоком веществе возникают заряженные частицы различного вида, ионизирующие вещество среды, могут также образовываться радионуклиды. Свойства нейтронного излучения и характер его взаимодействия с живой тканью определяются энергией нейтронов.

 Некоторые виды ионизирующих излучений возникают в ядерно-энергетических и ядерно-физических установках; ядерных реакторах, ускорителях заряженных частиц, рентгеновских аппаратах, в также созданных с помощью этих средств искусственных радионуклидов.

 Протонное излучение генерируется в специальных ускорителях. Око представляет собой поток протонов — частиц, несущих единичный положительный заряд и обладающих массой, близкой к массе нейтронов. Протоны относятся к сильно ионизирующим частицам; будучи ускоренными до высоких энергий, они способны сравнительно глубоко проникать в вещество среды. Это позволяет эффективно использовать протонное излучение в дистанционной лучевой терапии.

 Электронное излучение  генерируется специальными ускорителями  электронов (например, бетатронами,  линейными ускорителями), если пучок  ускоренных электронов выводится  наружу. Эти же ускорители могут  быть источником тормозного излучения  — разновидности фотонного излучения,  возникающего при торможении  ускоренных электронов в веществе  специальной мишени ускорителя. Рентгеновское излучение, используемое  в медицинской радиологии, представляет  собой также тормозное излучение  электронов, ускоренных в рентгеновской  трубке.

 Гамма-излучение — поток фотонов высоких энергий, испускаемых при распаде радионуклидов; широко применяется при лучевой терапии злокачественных новообразований. Различают направленное и ненаправленное ионизирующее излучение. Если все направления распространения ионизирующего излучения равноценны, то говорят о изотропном ионизирующем излучении. По характеру распространения во времени ионизирующее излучение может быть непрерывным и импульсным.

 Для описания поля  ионизирующего излучения используют физические величины, определяющие пространственно-временное распределение излучения в веществе среды. Важнейшими характеристиками поля ионизирующего излучения являются плотность потока частиц и плотность потока энергии. В общем случае плотность потока частиц — это число частиц, проникающих в единицу времени в элементарную сферу, отнесенное к площади поперечного сечения этой сферы. Плотность потока энергии ионизирующего излучения является синонимом распространенного на практике термина «интенсивность излучения». Она равна плотности потока частиц, умноженной на среднюю энергию одной частицы, и характеризует скорость переноса энергии ионизирующего излучения.

2. Основные результаты взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом.

Тяжелые заряженные частицы  – протоны, дейтроны, альфа-частицы, осколки деления, аналогично электронам, затрачивают большую часть своей  энергии на ионизацию, возбуждение  атомов, а также на взаимодействие с кулоновским полем ядра и  электронов (тормозное излучение). В  значительной степени эти процессы вызваны электронами, которые образовались в процессе первичной ионизации.

Отличительной чертой тяжелых  частиц, в сравнении с быстрыми электронами той же энергии, является их более медленное движение из-за большой массы. При энергии в  несколько МэВ ионизационные  потери для альфа-частиц в 1000 раз  большие, чем для электронов. В  результате этого путь электронов в  веществе (глубина проникновения) значительно  больше, чем путь альфа-частиц.

Как известно, величина энергии, которая излучается какой-либо частицей, прямо пропорциональна квадрату ее ускорения и обратно пропорциональна  массе частицы. Из этого вытекает, что радиационные потери тяжелых заряженных частиц (т.е. потери на тормозное излучение) небольшие.

Столкновение тяжелой  частицы с легким электроном не может  вызвать значительного отклонения ее от первоначального направления  движения, поэтому их путь в веществе прямолинейный.

Тяжелые частицы, как и  электроны, передают энергию порциями. Максимальная энергия вторичных  электронов определяется энергией падающих частиц. Так, при столкновении альфа-частицы  энергией в 5 МэВ с электроном, последний  приобретает энергию около 2700эВ. Этой энергии достаточно для осуществления  вторичной ионизации (ведь потенциал  ионизации в воздухе равен 34 эВ).

Основными результатами взаимодействия тяжелых заряженных частиц с веществом являются следующие:

1. Прохождение тяжелых  заряженных частиц через вещество  сопровождается образованием ионов,  возбуждением атомов.

2. Ионизационные потери  намного большие, чем при облучении  электронами, соответственно пробег  тяжелых частиц в веществе  намного меньше пробега электронов.

3. Траектория движения  из-за большой массы частицы  мало отличается от линейной. Скорость тяжелых заряженных  частиц существенно меньше скорости  движения электронов.

4. Потери энергии частиц  на тормозное излучение незначительно.

5. Максимальная энергия  передается веществу вблизи конца  пробега частицы.

 

3. Напишите реакции альфа распада следующих изотопов: уран- 238, торий-230, радий-226, радон-220,  полоний -210, свинец-212.

 

1. U → Th + He
2. Th → Ra + He
3. Ra → Rn + He
4. Ra → Rn + He

Rn → Po + He

5. Po → Pb + He
6. Pb→ Hg+ He 
   

Литература:

 

1.  Бударков В.А., Киршин  В.А., Антоненко А.А. Радиобиологический  справочник.- Мн.: Ураджай, 1992. – 336 с.

 

2.  Ярмоненко С.П. Радиобиология  человека и животных: учебник  для биологических и медицинских  специальностей вузов/ С.П. Ярмоненко  .-3-е изд., перераб. и доп. –М.: Высшая школа. 1988.- 424с.

 

3.  В.В. Маврищев, А.Э.  Высоцкий, Н.Г. Соловьёва. Радиоэкология  и   безопасность: пособие для  студентов вузов. - Минск: ТетраСистемс, 2010.- 208 с.

 

4.  С.В. Дорожко, В.П.  Бубнов, В.Т. Пустовит. Защита населения  и объектов в чрезвычайных  ситуациях. Радиационная безопасность: пособие. В 3 ч. Ч. 3. Радиационная  безопасность. – 4-е изд., перераб.  И доп. – Минск: Дикта, 2008. –  308с.

 

5.  Багель, И.М. Влияние  малых доз радиации на человека (биологические    и медицинские  аспекты): учеб. пособие / И.М. Багель, Л.М. Мажуль, Г.Г. Гацко. - Минск:  БГУФК, 2007.– 60 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

06.05.2013г.