Открытие Рентгена

Изотопы – атомы, ядра  которых имеют одинаковые заряды, но разные массовые числа.

Устойчивость ядер возрастает с увеличением массового числа  А и достигает максимума, оставаясь  примерно постоянной (от 50 до 110); при  А>=120 устойчивость ядер уменьшается.

По мере увеличения порядкового  номера химического элемента (Z) в периодической таблице число протонов в ядре возрастает, и кулоновские силы отталкивания становятся существенными. У элементов с Z>82 ядерные силы не способны обеспечивать полную устойчивость ядер, и начинаются процессы их внутренней перестройки. Более тяжелые ядра превращаются в более легкие (с меньшими Z) – происходит радиоактивный распад.

Естественная радиоактивность  – спонтанный распад неустойчивых ядер, сопровождающийся α-, β-, γ- излучением.

 

 

Рис 2.1 Зависимость энергии связи от атомного номера элемента

 

α-распад – радиоактивный  распад с испусканием α-частиц (ядер гелия), при этом массовое число А  исходного элемента уменьшается  на 4, а число протонов Z уменьшается на 2.

β-распад – распад, при  котором ядро испускает β-частицу  – электрон, при этом массовое число А исходного элемента остается неизменным, а число протонов Z увеличивается на 1.

γ-излучение представляет собой фотонное (электо-магнитное) излучение  с дискретным спектром, возникающее  при изменении энергетического  состояния атомных ядер. Испустив α и β частицы, ядро освобождается от избытка энергии, но остается в возбужденном состояния. При переходе из возбужденного состояния в невозбужденное (основное) состояние с более низким уровнем энергии, ядро излучает энергию в виде γ-квантов.

α-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, пробег в воздухе до 3-4 см, в живой ткани 0,1 мм, α-частицы экранируются листом бумаги.

β-частицы имеют меньшую  ионизирующею способность, но обладают большим проникающим действием. Пробег в воздухе до 10 м, в живой ткани 10-15 мм. β-частицы экранируются листом алюминия толщиной около 5 мм.

γ-излучение обладает наименьшей ионизирующей способностью. Защита от γ-излучения осуществляется с помощью металлических экранов, толщина которых зависит от материала  экрана и энергии γ-лучей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Доза излучения

 

Для оценки воздействия  ионизирующего излучения на вещество применяется понятие – доза излучения.

Поглощенная доза излучения. Поглощенная доза определяется как отношение средней энергии, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе вещества в это объеме.

Установленная в СИ единица  ионизирующего излучения (поглощенная  доза)  - Грэй, русское обозначение  Гр, международное Gy. 1 Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой веществу с массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж: 1 Гр= 1Дж/кг. В практике распространена внесистемная единица дозы излучения – рад (международное –rad). 1 рад=10^-2 Гр.

Грей и рад используется для измерения поглощенной дозы α, β, γ, рентгеновского и нейтронного излучения.

Экспозиционная  доза излучения. экспозиционная доза X – физическая величина, связанная с эффектом ионизации воздуха фотонным излучением. Она равна абсолютному значению полного заряда ионов одного знака, которые образуются в воздухе при полном торможении вторичных электронов и позитронов, освобожденных фотонным излучением в единице массы воздуха.

Единица экспозиционной дозы в системе СИ – Кл/кг, международное  – C/kg. Экспозиционная доза в 1 Кл/кг означает что суммарный заряд всех ионов одного знака, образованных в 1 кг воздуха, вследствие прохождения через него фотонного излучения, равен 1 Кл. Также распространена внесистемная единица экспозиционной дозы – Рентген (русское обозначение – Р, международное – R). 1 р=2,58*10^-4 Кл/кг, что соответствует образованию 2,08*10⁹ пар ионов в см³ воздуха (при температуре 0^оС и давлении 760 мм рт.ст.). На создание такого количества ионов необходимо затратить энергию, равную 0,114 эрг/см³ или 88 эрг/г. Таким образом, 88 эог/г – энергетический эквивалент рентгена.

Мощность экспозиционной дозы равна приращению экспозиционной дозы за единицу времени. По величине экспозиционной дозы можно рассчитать поглощенную дозу рентгеновского и  гамма – излучения в любом веществе, зная состав вещества и энергию фотонов.

С погрешностью в ≈5% экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную  дозу в биологической ткани в  рад, можно считать совпадающими.

Эквивалентная доза облучения. При облучении живых организмов, в частности человека, возникают биологические эффекты, величина которых при одной и той же поглощенной дозе различна для разных видов излучения. При одинаковой дозе α-излучение гораздо опаснее, чем β- или γ-излучение. Следовательно, знание поглощенной дозы недостаточно для оценки радиационной опасности.

Эквивалентная доза –  произведение поглощенной дозы на соответствующий  взвешивающий коэффициент для данного  вида излучения, отражающий способность  данного вида излучения повреждать ткань организма.

В системе СИ установлена единица эквивалентной дозы – джоуль на килограмм, имеющая название – Зиверт. Обозначение: русское – Зв, международное – Sv. Существует специальная внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (международное – rem), связанная с Зивертом соотношением 1 бэр=0,01 Зв. Бэр (биологический эквивалент рада) – это поглощенная доза любого вида ионизирующего излучения, которая имеет такую же биологическую эффективность, как 1 рад рентгеновского излучения.

Мощность эквивалентной  дозы определяется как отношение  приращения эквивалентной дозы за единицу времени. Единица измерения: Зиверт в секунду – Зв/с (Sv/s).

Эквивалентная доза является основной дозиметрической величиной, положенной в основу нормирования воздействия  излучения и оценки возможного ущерба здоровью человека от воздействия ионизирующего излучения произвольного состава.

Взвешивающий коэффициент W_r – это используемые в радиационной защите множители поглощенной дозы, учитывающие относительную опасность различных видов излучения. Для рентгеновского и γ-излучения W_r=1. Для всех других ионизирующих излучений W_r>=1.

Эффективная доза – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Эффективная доза равна произведению эквивалентной дозы в органе на соответствующий коэффициент для данного органа или ткани.

Для оценки воздействия  на среду косвенно ионизирующих излучений  часто используется понятие керма. Керма – отношение суммы первоначальной кинетической энергии всех заряженных частиц, создаваемых косвенно ионизирующим излучением в элементарном объеме вещества, к массе вещества в этом объеме. Если пренебречь потерями энергии на тормозное излучение, то керма совпадает с поглощенной дозой от вторичных заряженных частиц. Единица измерения: Грей (Гр).

Грей равен керме, при  которой сумма начальных значений кинетической энергии всех заряженных частиц, освобождаемых косвенно ионизирующим излучением в веществе массой 1 кг равна 1 Дж. Сюда же включается и энергия, которую заряженные частицы растрачивают на образование тормозного излучения и заряженных частиц во вторичных процессах.

 

 

 

 

 

 

4. Ослабление рентгеновского и γ-излучения веществом.

 

При взаимодействии рентгеновского и γ-излучения с веществом различают  три основных процесса: фотоэффект, Комптон-эффект и эффект образования пар.

Фотоэффект – процесс вырывания электронов из атомов поглощающего вещества и сообщения им кинетической энергии. При этом рентгеновский или γ-квант передает свою энергию вырванному электрону.

 

Рис 4.1 Фотоэффект

 

Условия фотоэффекта: hυ>=А_вых, где А_вых – работа, которую необходимо произвести для вырывания электрона с орбиты.

Величина, характеризующая относительное  уменьшение потока рентгеновского или  γ-излучения на единице пути в веществе, обусловленное фотоэлектрическим поглощением, называется линейным коэффициентом фотоэлектрического поглощения τ (см^-1).

Как видно из графика (рис 4.2), линейный коэффициент фотоэлектрического поглощения τ увеличивается при увеличении атомного номера вещества Z (энергия излучения E=const) и при уменьшении энергии излучения E (Z=const). С увеличением энергии квантов излучения вероятность фотоэффекта уменьшается и для легких элементов при Е=100 – 150 кэВ становится очень малой.

Комптоновское рассеяние (Комптон-эффект) – взаимодействие кванта рентгеновского или γ-излучения с атомами вещества, при котором квант передает электрону не всю энергию, а только ее часть, отклоняясь при этом от своего первоначального направления на некоторый угол. В результате появляется рассеянный квант излучения с меньшей энергией отдачи.

4.2 Зависимость линейного  коэффициента фотоэлектрического  поглощения от энергии излучения  для алюминия, меди и свинца.

 

Величина характеризующая  относительное уменьшение потока рентгеновского или γ-излучения на единице пути в веществе за счет процесса комптоновского рассеяния, называется линейным коэффициентом комптоновского рассеяния σ (см^-1).

 

4.3 Комптон-эффект

 

Комптоновское рассеяние является основным механизмом взаимодействия квантов излучения с веществом в широком энергетическом интервале (Pb→0.6-5 МэВ; Fe→0,12-9,5 МэВ; Al→0,05-15 МэВ)

Эффект образования  пар – при жестком рентгеновском или γ-излучении (hv>=1,02 МэВ) может возникнуть вид взаимодействия квантов излучения с веществом, когда вблизи атомного ядра в сильном электрическом поле происходит поглощение кванта с образованием пары заряженных частиц позитрон – электрон.

Условие возникновения эффекта  образования пар: hv>1,02 МэВ.

 

4.4 Эффект образования  пар.

 

Образовавшийся электрон теряет свою энергию в процессе ионизации, а позитрон существует короткое время, аннигилируя с одним из электронов среды, что сопровождается излучением двух квантов с энергией 0,51 МэВ.

Относительное уменьшение интенсивности потока рентгеновского или γ-излучения за счет эффекта образования пар на единице пути в веществе характеризуется линейным коэффициентом эффекта образования пар æ (см^-1).

В диапазоне энергий, применяемых в практической радиографии, ослабление излучения за счет эффекта образования пар мало по сравнению с ослаблением, обусловленным фотоэффектом и комптон-эффектом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Основной закон радиационной дефектоскопии.

 

Вследствие описанных  ранее эффектов взаимодействия излучения  с веществом интенсивность первичного излучения по мере прохождения его через вещество уменьшается. Ослабление интенсивности первичного пучка излучения описывается формулой:

 

I=I₀e^-μδ,  

где

I₀ – интенсивность излучения, падающего на поглотитель;

I – интенсивность излучения, прошедшего слой поглотителя толщиной δ;

δ – толщина поглотителя;

μ – линейный коэффициент ослабления излучения, определяющий долю квантов, испытывающих взаимодействие с веществом поглотителя на единице пути (см^-1)

Поскольку ослабление излучения определяется главным образом фотоэффектом, комптон-эффектом и эффектом образования пар, линейный коэффициент ослабления μ представляет собой суммы трех коэффициентов:

 

μ=τ+σ+æ

 

Таким образом, коэффициент μхарактеризует долю от первоначальной интенсивности излучения, поглощенную в поглотителе толщиной в 1 см за счет всех трех эффектов.

Это уравнение справедливо  только для коллимированного (узкого) пучка фотонного излучения. На практике при расчетах ослабления фотонного  излучения учитывается фактор накопления рассеяного излучения B:

 

B=I_пр+I_расс/I_пр=1+I_расс/I_пр>=1

 

где:

I_пр – интенсивность прямого излучения, прошедшего поглотитель;

I_расс – интенсивность рассеяного поглотителем излучения.

С учетом фактора накопления B рассеяного излучения закон ослабления неколлимированного (широкого) пучка излучения можетбыть выражен следующим выражением:

 

I=I₀e^-μδB

 

Для характеристики проникающей способности  излучения используется понятие  слой половинного ослабления ∆1/2, представляющий собой толщину слоя облучаемого  материала, при прохождении которого интенсивность излучения ослабляется в два раза:

 

∆1/2=0,693/μ

Диаграмма Эванса.

Относительная роль фотоэффекта, комптон-эффекта  и эффекта образования пар  зависит от энергии квантов и  атомного номера поглотителя. Каждый из этих видов взаимодействия фотонного излучения с веществом для конкретного вещества преобладает в определенном энергетическом интервале. Фотоэффект преобладает в области малых энергий; с повышением жесткости излучения возрастает роль комптоновского рассеяния, который является основным механизмом взаимодействия квантов излучения вс веществом в широком диапазоне энергии.