Ионизирующее излучение

Гамма-лучи в отличие  от α-лучей и β-лучей не отклоняются электрическими и магнитными полями и характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях [13].

Закон радиоактивного распада — закон, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году.

Так как отдельные радиоактивные  ядра распадаются независимо друг от друга, то можно считать, что число  ядер dN, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t+dt, пропорционально промежутку времени dt и числу N нераспавшихся ядер к моменту времени t:

 

                 dN= - λNdt (1.2.1)

 

где l — постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.

Разделив переменные и  интегрируя:

                     (1.2.2)

получим

                                                     (1.2.3)    

 где N₀ — начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t=0), N — число нераспавшихся ядер в момент времени t. Формула (1.2.3) выражает закон радиоактивного распада, согласно которому число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.

Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период полураспада T_1/2 и среднее время жизни m радиоактивного ядра. Период полураспада T_1/2 — время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое. Тогда

откуда

                (1.2.4)

  Периоды полураспада для естественно-радиоактивных элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет.

Суммарная продолжительность  жизни dN ядер равна t|dN| = lNtdt. Проинтегрировав это выражение по всем возможным t (т. е. от 0 до ¥) и разделив на начальное число ядер N₀, получим среднее время жизни t радиоактивного ядра:

                    (1.2.5)

Таким образом, среднее время  жизни т радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада l

Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми  правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения:

для a-распада

для b-распада

 

где ^A_ZX — материнское ядро, Y — символ дочернего ядра, ²₄He — ядро гелия (a-частица), ⁰_-1е — символическое обозначение электрона (заряд его равен —1, а массовое число — нулю). Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, — сохранения электрического заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра [10].

 

1.3. Физические свойства ионизирующих излучений и воздействие на окружающую среду

 

Ионизирующие излучения  состоят из прямо или косвенно ионизирующих частиц или смеси тех  и других. К прямо ионизирующим частицам относятся частицы (электроны, α-частицы, протоны и др.), которые обладают достаточной кинетической энергией, чтобы осуществить ионизацию атомов путём непосредственного столкновения. К косвенно ионизирующим частицам относятся незаряженные частицы (нейтроны, кванты и т.д.), которые вызывают ионизацию через вторичные объекты. 

Все ионизирующие излучения  по своей природе делятся на фотонные (квантовые) и корпускулярные. К фотонному (квантовому) ионизирующему излучению относятся гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или аннигиляции частиц, тормозное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц, характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома и рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и/или характеристического излучений. К корпускулярному ионизирующему излучению относят α-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.

Нейтронное и гамма  излучение принято называть проникающей радиацией или проникающим излучение.  

Ионизирующие излучения  по своему энергетическому составу  делятся на моноэнергетические (монохроматические) и немоноэнергетические (немонохроматические). Моноэнергетическое (однородное) излучение – это излучение, состоящее из частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией или из квантов одинаковой энергии.

Немоноэнергетическое (неоднородное) излучение – это излучение, состоящее  из частиц одного вида с разной кинетической энергией или из квантов различной  энергии. Ионизирующее излучение, состоящее  из частиц различного вида или частиц и квантов, называется смешанным  излучением [11].

 

В любой среде альфа-частицы движутся прямолинейно. Поэтому говорят о пробеге альфа-частиц.

Энергия альфа-частиц при  естественном распаде составляет 4-9 МэВ, скорость вылета – 12-20 тыс. км/сек. Пробег альфа-частиц зависит от начальной энергии и обычно колеблется в пределах от 3-х до 7 (редко до 13) см в воздухе, а в плотных средах составляет сотые доли мм (в стекле - 0,04 мм). Альфа-излучение не пробивает лист бумаги и кожу человека [15].

Из-за своей массы и  заряда альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают  всё на своём пути. И поэтому  альфа-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь.

Из-за малой массы (она  в 1836 раз меньше массы протона) заряда и размеров бета-частицы слабее взаимодействуют  с веществом, через которое им приходится лететь, но летят дальше. При этом путь бета-частицы в веществе не является прямолинейным. Поэтому  говорят о их проникающей способности, которая также зависит от энергии. Проникающая способность бета-частиц, образовавшихся при радиоактивном распаде, в воздухе достигает 2-3 м, в воде и других жидкостях измеряется сантиметрами, в твёрдых телах - долями сантиметра. В ткани организма бета-излучение проникает на глубину 1-2 см. Хорошей защитой от бета-излучения является слой воды в несколько (до 10) сантиметров. Поток бета-частиц с весьма большой для естественного распада энергией в 10 МэВ практически полностью поглощается слоями: воздуха - 4 м; алюминия - 2,16 см; железа - 7,55 мм; свинца - 5,18 мм.

Из-за малых размеров, массы и заряда бета-частицы обладают гораздо меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-частицы, но естественно, что при попадании внутрь бета-активные изотопы также гораздо опаснее, чем при внешнем облучении.

Наиболее проникающими видами излучения являются нейтронное и  гамма-излучение. Их пробег в воздухе может достигать десятков и сотен метров (также в зависимости от энергии), но при меньшей ионизирующей способности.

У большинства изотопов энергия гамма-квантов не превышает 1-3 МэВ, хотя очень редко может достигать и больших величин – 6-7 МэВ. Поэтому в качестве защиты от n- и гамма-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и т. п. и речь ведут уже о кратности ослабления.

Так, для 10-кратного ослабления гамма-излучения кобальта-60 (Е = 1,17 и 1,33 МэВ) требуется защита из свинца толщиной порядка 5 см, а для 100-кратного - 9,5 см; защита из бетона должна быть, соответственно, около 33 и 55 см, а толщина слоя воды - 70 и 115 см [12].

                            

                                Рис.2. Проникновение гамма-излучения  через слой свинца.

 

Ионизирующая способность  нейтронов значительно зависит от их энергии.

Наиболее рациональной "защитой" от любого излучения является по возможности большее расстояние от источника излучения (естественно, в разумных пределах) и по возможности меньшее время пребывания в зоне повышенной радиации.

В измерительной технике  в качестве источников ионизирующего  излучения используются изотопы, а  для получения рентгеновского излучения  – рентгеновские трубки.

Рентгеновское излучение  возникает при бомбардировании  анода электронами высоких энергий. Преимущество рентгеновского излучения  связано с его управляемостью. При применении источников ионизирующего  излучения необходимо соблюдать  меры безопасности. Наибольшую опасность  представляет γ-излучение.

Источником ионизирующего  излучения называют объект, содержащий радиоактивный материал, или техническое  устройство, испускающее или способное (при определенных условиях) испускать  ионизирующее излучение.

Современные ядерно-технические  установки обычно представляют собой  сложные источники излучений. Например, источниками излучений действующего ядерного реактора, кроме активной зоны, являются система охлаждения, конструкционные материалы, оборудование и др. Поле излучения таких реальных сложных источников обычно представляется как суперпозиция полей излучения отдельных, более элементарных источников.

Любой источник излучения характеризуется:

- видом излучения –  основное внимание уделяется  наиболее часто встречающимся  на практике источникам g-излучения, нейтронов, a-, b+-, b--частиц;

- геометрией источника  (формой и размерами) – геометрически  источники могут быть точечными  и протяженными. Протяженные источники  представляют суперпозицию точечных  источников и могут быть линейными,  поверхностными или объемными  с ограниченными, полу бесконечными или бесконечными размерами. Физически точечным можно считать такой источник, максимальные размеры которого много меньше расстояния до точки детектирования и длины свободного пробега в материале источника (ослаблением излучения в источнике можно пренебречь). Поверхностные источники имеют толщину много меньшую, чем расстояние до точки детектирования и длина свободного пробега в материале источника. В объемном источнике излучатели распределены в трехмерной области пространства;

- мощностью и ее распределением  по источнику – источники излучения  наиболее часто распределяются  по протяженному излучателю равномерно, экспоненциально, линейно или  по косинусоидальному закону;

- энергетическим составом  – энергетический спектр источников  может быть моноэнергетическим (испускаются  частицы одной фиксированной  энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические  частицы нескольких энергий) или  непрерывным (испускаются частицы  разных энергий в пределах  некоторого энергетического диапазона);

- угловым распределением  излучения – среди многообразия  угловых распределений излучений  источников для решения большинства  практических задач достаточно  рассматривать следующие: изотропное, косинусоидальное, мононаправленное. Иногда встречаются угловые распределения, которые можно записать в виде комбинаций изотропных и косинусоидальных угловых распределений излучений.

Источниками ионизирующих излучений являются радиоактивные элементы и их изотопы, ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц и др. рентгеновские установки и высоковольтные источники постоянного тока относятся к источникам рентгеновского излучения.

Следует отметить, что при нормальном режиме их эксплуатации радиационная опасность незначительна. Она наступает при возникновении аварийного режима и может долго проявлять себя при радиоактивном заражении местности.

Радиоактивный фон, создаваемый  космическими лучами (0,3 МэВ/ год), дает чуть меньше половины всего внешнего облучения (0,65 Мэв / год), получаемого населением. Нет такого места на Земле, куда бы ни проникали космические лучи. При этом надо отметить, что Северный и Южный полюса получают больше радиации, чем экваториальные районы. Происходит это из-за наличия у Земли магнитного поля, силовые линии которого входят и выходят у полюсов.

Однако более существенную роль играет место нахождения человека. Чем выше поднимается он над уровнем  моря, тем сильнее становится облучение, ибо толщина воздушной прослойки  и ее плотность по мере подъема  уменьшается, а следовательно, падают защитные свойства.

Те, кто живет на уровне моря, в год получают дозу внешнего облучения приблизительно 0,3 МэВ, на высоте 4000 метров – уже 1,7 МэВ. На высоте 12 км доза облучения за счет космических лучей возрастает приблизительно в 25 раз по сравнению с земной. Экипажи и пассажиры самолетов при перелете на расстояние 2400 км получают дозу облучения 10 мкЗв (0,01 МэВ). Здесь играет роль не только продолжительность, но и высота полета.

Земная радиация, дающая ориентировочно 0,35 МэВ / год внешнего облучения, исходит в основном от тех пород полезных ископаемых, которые содержат калий – 40, рубидий – 87, уран – 238, торий – 232. Естественно, уровни земной радиации на нашей планете неодинаковы и колеблются большей частью от 0,3 до 0,6 МэВ / год. Есть такие места, где эти показатели во много раз выше.

Внутренне облучение населения  от естественных источников на две  трети происходит от попадания радиоактивных  веществ в организм с пищей, водой  и воздухом. В среднем человек  получает около 180 мкэВ / год за счет калия – 40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивным калием, необходимым для жизнедеятельности. Нуклиды свинца – 210, полония – 210 концентрируются в рыбе и моллюсках. Поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, получают относительно высокие дозы внутреннего облучения.