Вскоре после открытия полония и радия, Эрнст Резерфорд (американский ученый) установил, что радиоактивное излучение неоднородно по своему составу. Одна часть излучения поглощается тонкой алюминиевой фольгой, а другая проходит без изменений. Анализ состава излучений проводился по отклонению его в магнитном поле. (Сделать рисунок и объяснить суть явления). Было обнаружено, что излучение содержит три вида лучей – альфа, бета и гамма. Альфа- и бета-лучи имеют корпускулярную (частицы) природу, а гамма- и рентгеновские лучи – волновую (электромагнитные волны) природу. Как оказалось альфа-лучи – поток ядер атомов гелия, несущих положительный заряд. (Ядро гелия состоит из двух протонов (+) и двух нейтронов (0), связанных прочной связью). Бета-лучи – поток электронов, летящих со скоростью близкой к скорости света. Гамма- и рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное излучение.

Опыты и теоретические расчеты Резерфорда, а также постулаты датского ученого Нильса Бора послужили основой для создания “Планетарной” модели атома. Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра (протоны + нейтроны) и электронов, расположенных вокруг ядра на определенных энергетических уровнях. Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд Z и масса М. Заряд ядра определяется числом содержащихся в нем положительно заряженных протонов. Кроме протонов в сосав ядра входят не имеющие заряда нейтроны. Массы нейтронов и протонов приблизительно равны. В ядерной физике считается, что протон и нейтрон – два так называемых зарядовых состояния одной и той же частицы – нуклона Это состояние связано с особым ядерным взаимодействием, которое позволяет сжать ядерное вещество до плотности сотни миллионов тонн в 1 см³.

Массы атомов принято выражать в атомных единицах массы (а.е.м.). За 1 а.е.м. принята 1/16 массы атома кислорода. Кроме того применяется «унифицированная атомная единица массы» (у.а.е.м.), равная 1/12 массы атома углерода.

В природе встречаются вещества со сходными химическими свойствами, но разными атомными массами. Эти вещества называются изотопами, т.е. ядра их атомов имеют одинаковый заряд, но разную атомную массу. Пример: природный уран имеет три изотопа имеют одинаковую атомную массу –92.

Ядра с одинаковыми А, но разными Z называются изобарами. Пример: имеют А=10.

1.1. Искусственная радиоактивность

1.2. Радиоактивный распад

. Т.о. период полураспада характеризует время, в течении которого распадается ровно половина первоначального числа ядер.

где N – число радиоактивных ядер в момент времени t;

Каждый радиоактивный распад сопровождается выделением энергии, которая передается в виде излучения. При измерении радиоактивности определяется число атомов, распадающихся в единицу времени. Т.о. активность радионуклида – это число спонтанных ядерных превращений dN этого нуклида за малый промежуток времени dt, деленное на это время (или число распадов в секунду в радиоактивном образце):

Данная формула показывает, что активность пропорциональна количеству радионуклидов к моменту времени определения активности.

В СИ активность измеряют в беккерелях (Бк, Bq). 1 Бк = 1 распад/c

Количество радионуклидов в объектах окружающей среды принято выражать по отношению к массе вещества (Бк/кг).

Временно допускается к применению специальная единица активности – кюри (Ки, Ki).



1.4.Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Источниками ионизирующего излучения являются естественные и искусственные радионуклиды, ядерные реакторы, ускорители и космическое излучение. По своей природе и характеру воздействия носители ионизирующего излучения подразделяются на:

• 
  заряженные частицы (протоны, -частицы, продукты деления ядер и др.);
  
• 
  не имеющие заряда (нейтроны);
  
• 
  фотоны (рентгеновское и -излучение).
  

По характеру действия ионизирующие излучения делятся на:

• 
  непосредственно ионизирующие (заряженные частицы);
  
• 
  косвенно ионизирующие (незаряженные частицы и фотоны).
  

Реакции с участием ионов и возбужденных молекул имеют чрезвычайно важное значение. Они лежат в основе многих химических процессов, в том числе и биологически важных. С ними связаны отрицательные последствия воздействия радиации на организм человека.

Альфа-частицы это атомы гелия, потерявшие 2 электрона, т.е. ядра атома гелия

Ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов устойчиво, частицы связаны в нем прочно.

В настоящее время известно более 200 альфа-активных ядер, главным образом тяжелых . Примером альфа-распада может служить распад изотопов урана:

Альфа-частицы в состав ядра не входят , и по современным представлениям, они образуются в момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра 2-х протонов и 2-х нейтронов.

Пролетая через вещество альфа частицы постепенно теряют свою энергию, затрачивая ее на ионизацию газов. Причем в начале пути, когда энергия альфа-частиц велика, удельная ионизация меньше, чем в конце пути.

Под пробегом частицы в веществе понимается толщина слоя этого вещества, которую может пройти эта частица до полной остановки. Пробег частиц в основном определен для тяжелых частиц, т.к. их путь представляет прямую линию с наименьшим рассеянием. Пробег альфа-частиц зависит как от энергии частиц, так и от плотности вещества, в котором они движутся.

Проникающая способность альфа-излучения невелика, задерживается листом бумаги, одеждой, неповрежденной кожей; оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества не попадут внутрь организма с пищей или вдыхаемым воздухом. При попадании альфа-источника внутрь организма альфа-излучение приводит к серьезному повреждению близлежащих клеток.

1.6.Взаимодействие бета-частиц с веществом

Бета-распад происходит, когда замена в атомном ядре нейтрона на протон энергетически выгодна, и образующееся новое ядро имеет большую энергию связи.

Бета-излучение состоит из -частиц (электронов или позитронов), которые испускаются при -распаде радиоактивных изотопов.

Взаимодействие электоронов с веществом.

Процессы взаимодействия электронов высокой энергии с веществом можно разделить на два типа:

Для характеристики энергии электрона в веществе используется практический пробег или максимальный пробег () или максимальная глубина проникновения.

Основные итоги взаимодействия электронов высокой энергии со средой:

1. В неупругих столкновениях энергия затрачивается на ионизацию и возбуждение атомов среды, частично – на преобразование в тормозное рентгеновское излучение.

2. В упругих столкновениях энергия преобразуется в тепловое движение.

3. Первичные электроны образуют положительно заряженные ионы и вторичные электроны, способные вызывать вторичную ионизацию. На вторичную ионизацию приходится до 70% от общей.

4. Глубина проникновения электронов в вещество прямо пропорциональна их энергии и обратно пропорциональна плотности вещества. На малых глубинах из-за явления рассеяния поглощается большая энергия.

5. В твердых телах высоко энергетичные электроны способны вызывать смещение атомов или ионов в кристаллической решетке.

При бета-излучении поток движущихся с огромной скоростью электронов проходит в ткани организма на глубину 1 – 2 см, от него можно защититься тонким слоем металла 1,25 см, слоем дерева или плотной одеждой.

Рентгеновские и гамма-лучи представляют собой коротковолновые электромагнитные излучения, которые обладают большой проникающей способностью в веществе. Гамма-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает альфа- и бета-распады. Оно возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц и т.д. Гамма-квант испускается дочерним ядром в момент перехода ядра из возбужденного состояния в основное.

Гамма-кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде. Они или поглощаются, или рассеиваются. Гамма-излучение не имеет заряда и тем самым не испытывает влияния кулоновских сил. При прохождении пучка гамма-квантов через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность.

Основными процессами, сопровождающими прохождение гамма-излучения через вещество является фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование элекртонно-позитронных пар.

Нейтроны, имеющие нулевой заряд, не взаимодействуют с электронной оболочкой встреченных атомов, а поэтому могут проникать в глубь их. Проникающая способность электронов весьма велика. При этом нейтроны могут либо поглощаться ядрами, либо рассеиваться на них.

При упругом ударе нейтрона с неподвижным протоном последнему передается большая часть кинетической энергии нейтрона – нейтрон практически останавливается, а протон начинает двигаться в том направлении, в котором двигался нейтрон. Движущийся протон производит на своем пути интенсивную ионизацию. Испытавшие столкновение нейтроны совершают хаотическое движение с тепловыми скоростями.

Кроме упругих возможны и неупругие взаимодействия нейтронов с ядрами. При таком взаимодействии нейтрон поглощается ядром. В результате этого поглощения образуется нестабильный тяжелый изотоп, который испытывает бета-распад, сопровождающийся гамма-излучением.

Осколки деления представляют собой многозарядные (Q достигает 20) ионы с массовыми числами (Z) 72 – 166, возникающие при делении ядер тяжелых изотопов . Примеры осколков деления – легкие изотопы брома, криптона, рубидия; тяжелые изотопы теллура, ксенона, цезия, бария и др.

Основной итог воздействия на вещество:

• 
  ионизация и возбуждение атомов и молекул;
  
• 
  замедление осколков в веществе сопровождается постепенным уменьшением их заряда по всей длине пробега;
  
• 
  плотность ионизации снижается к концу пробега.
  

Тема Дозиметрия

Повреждения, вызванные в живом организме излучением, будут тем больше, чем больше энергии излучения передается тканям. Количество такой переданной организму энергии называется дозой. Задачей дозиметрии является измерение некоторых физических величин для предсказания или оценки радиационного эффекта, в частности радиобиологического. Наиболее распространенными дозиметрическими величинами являются поглощенная доза, экспозиционная доза, эквивалентная доза, ожидаемая доза и коллективная доза. Определение доз ведется с учетом интенсивности излучения в пространстве и различной поглощающей способности тканей.

Для характеристики энергии ионизирующего излучения используют экспозиционную дозу.

Экспозиционная доза – величина, выражающая количество рентгеновского и гамма-излучения по величине ионизации воздуха. Для измерения этой дозы достаточно измерить суммарный заряд ионов, образовавшихся в облучаемой воздушной ионизационной камере. Экспозиционная доза является непосредственно измеряемой физической величиной.

Единицей экспозиционной дозы в СИ является один кулон электрического заряда, образующийся под действием излучения в одном килограмме воздуха: 1 Кл/кг. Внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р), а соотношение между ними:

1 Кл/кг =3876 Р 1 Р=2,58 10^-4 Кл/кг

Уровень радиации может изменяться с течением времени, поэтому часто пользуются понятием мощность экспозиционной дозы – доза за определенный промежуток времени (например, 1 мР/с).Экспозиционная доза характеризует радиационную обстановку независимо от свойств облучаемых объектов.

Поглощающая способность объектов может сильно меняться в зависимости от энергии излучения, ее вида и интенсивности, а также от свойств самого поглощающего объекта. Для характеристики поглощенной энергии ионизирующего излучения вводят понятие поглощенной дозы.

Поглощенная доза (D) – энергия излучения, переданная массе вещества

D=dE/dm

1 Гр=1 Дж/1 кг.

Внесистемная единица – рад.

100 рад=1 Гр

Часто используют понятие интегральной дозы, т.е. энергии, суммарно поглощенной во всем объеме объекта. Интегральная доза измеряется в Джоулях.

Поглощенная доза не учитывает пространственного распределения поглощенной энергии. При одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-излучения. Для учета этого явления вводят понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза учитывает различную ионизационную способность альфа- бета- и гамма-излучения.

Эквивалентная доза (H) излучения представляет собой поглощенную дозу, умноженную на коэффициент К (таблица 1) отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма

H=KD

Таблица 1

1 Зв=100 бэр

Таблица 2

. Коэффициенты радиационного риска.

Рассмотренные понятия описывают только индивидуально получаемые дозы. Сумма индивидуальных эквивалентных доз, полученных группой людей, составляет коллективную эффективную дозу, которая измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв).

Кроме того, вводят еще одно определение, поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в определенном будущем. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получают многие поколения людей называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

В случае хронического облучения следует учитывать то, что доза облучения, полученная за более длительный срок, менее вредна, чем такая же доза, полученная за более короткий срок.

Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) ионизирующих излучений Для количественной оценки качества излучения введено понятие относительной биологической эффективности – ОБЭ. ОБЭ оценивают сравнением дозы излучаемого излучения, вызывающей определенный биологический эффект, с дозой стандартного излучения, обуславливающей тот же эффект. Обычно в качестве стандартного излучения используют жесткие рентгеновские лучи с энергией 180 – 250 кэВ.

Величину (коэффициент) ОБЭ вычисляют из обратного отношения сравниваемых доз по формуле

где -доза рентгеновского излучения; Dx – доза излучаемого излучения, эф – сравниваемый эффект.

ОБЭ не является постоянной величиной для данного вида излучения. Она зависит прежде всего от исследуемого эффекта, а также от множества других параметров. Главными из них являются величина и мощность дозы, до- и пострадиационные условия, наличие, дефицит или отсутствие кислорода, режим фракционирования. (Фракционирование дозы – это распределение дозы во времени).
2.2. Детекторы ионизирующих излучений. Регистрация ионизирующих излучений

Для регистрации каждого вида заряженных частиц и гамма-квантов по вызываемому или ионизационному эффекту применяют счетчики определенного типа и конструкции.

Химические детекторы. Химические детекторы основаны на измерении выхода радиационно-химических реакций, протекающих под действием ионизирующих излучений. Количественно результат воздействия излучения оценивается по радиационно-химическому выходу. Под выходом реакции понимают число характерных превращений(число вновь образованных атомов, ионов и т.д.) на 100 эВ поглощенной энергии. Если выход не зависит от скорости поглощения энергии, то такая система может быть применена для определения поглощенных доз излучения. В качестве химических обычно используются жидкостные химические детекторы. Это детекторы, использующие водные растворы. Они основаны на химических реакциях, происходящих между растворенными в воде веществами и продуктами радиолиза воды, образующимися под действием ионизирующих излучений.

Дозиметрические приборы позволяют определить экспозиционную или поглощенную дозы излучения или мощность доз. Они предназначены для оценки радиационной обстановки в жилых, рабочих помещениях и на местности. Эти приборы просты в эксплуатации. К такому типу приборов относятся сигнализаторы-индикаторы, позволяющие выявить и оценить мощность гамма-излучений. Измерители-индикаторы позволяют выявить радиоактивное загрязнение и одновременно измерять мощность гамма-излучения. Дозиметры позволяют определить уровень загрязнения лишь качественно. Для более точных измерений применяют радиометры.