Виды ионизирующих излучений

ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

После открытия деления  ядер тяжелых элементов начала развиваться ядерная энергетика. Развитие этой новой области связано с появлением различных методов исследования.

После страшной чернобыльской  катастрофы, которая встревожила весь мир, началось активное развитие новой среди разделов общей экологии - радиоэкология.

Когда ядерное горе постигло летом 1945 г. Хиросиму и Нагасаки, ужасные последствия атомной бомбардировки и первого в истории человечества взрыва такой силы тоже обратили на себя внимание и вызвали беспокойство всего человечества. Однако тогда на фоне трагедии Второй мировой войны и из-за нехватки информированности и отсутствие знаний о возможных последствиях радиоактивных загрязнений и нанесения вреда биосфере человечество еще не могло объективно оценить всю серьезность этой проблемы. Наоборот, под влиянием милитаристических сил в развитых странах невиданными темпами начали сохранять и наращивать арсенал ядерного оружия, стремясь достичь самой большой разрушительной силы.

Однако уже через 10-15 лет начали понимать всю недальновидность такой политики, увеличение угрозы мировой катастрофы в результате ядерной войны. Были сделаны первые расчеты возможных изменений экосистем регионального масштаба, огромных потерь не только государственного, но и мирового масштаба. Появились первые предостережения. С 70-х годов нашего века широкие массы общества начали активно включаться в борьбу за разоружение, мирное сосуществование государств с разным социально-политическим строем.

Изучение радиоактивности  началось с 1933 г., а ее губительного воздействия как компонента ядерной бомбы - с 1945 г. Исследования с целью определения глобального влияния на биосферу антропогенной радиации, ядерного оружия, отходов от производства, действующих АЭС, аварий на них, а также прогнозирование развития атомной энергетики на далекую перспективу были начаты в 1986 г.

Быстрое развитие ядерной энергетики и широкое внедрение источников ионизирующих излучений в различных областях науки, техники и народного хозяйства создали потенциальную угрозу радиационной опасности для человека и загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Поэтому вопросы защиты от ионизирующих излучений (или радиационная безопасность) превращаются в одну из важнейших проблем.

1.  РАДИОАКТИВНОСТЬ

Чтобы ближе подойти  к понятию ионизирующего излучения, прежде всего, следует раскрыть суть такого понятия, как радиоактивность.

1.1. История открытия радиоактивности

В конце 1895 г. в печати появилось сообщение об открытии профессором Вильгельмом Конрадом Рентгеном лучей, обладавших необычными свойствами.

 В 1896 г. французским  ученым Анри Беккерелем было  открыто явление радиоактивности.

Дальнейшая история  новооткрытых лучей тесно связана  с именами Марии Складовской  и ее мужа Пьера Кюри. В 1898 г. они  провели исследование и обнаружили, что уран после излучения превращается в другие химические элементы. Один из них они назвали полонием, а другой радием.

Супругам Кюри наука  обязана глубоким всесторонним изучением  нового явления, которое по предложению  Марии Складовской-Кюри было названо  радиоактивностью.

Радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно распадаться и испускать различные виды излучений. При этом происходит превращение атомов одних элементов в атомы других. Радиоактивные превращения свойственны лишь отдельным веществам. Вещество считается радиоактивным, если  в нем идет процесс радиоактивного распада.

Естественная (природная радиоактивность) - радиоактивное излучение, встречающихся в природе веществ.

Искусственная радиоактивность – излучение, испускаемое искусственно полученными изотопами. Для получения искусственных радиоактивных веществ необходимо запустить реакцию деления атомного ядра.

1.2. Строение атома

Атомы существуют в свободном  и связанном состоянии. Размеры атома очень малы и составляют 10^-10 м (на 1см можно разместить 100 млн. атомов), а его масса - 10^-2  кг.

Изучение свойств радиоактивных  элементов привело к созданию так называемой планетарной модели строения атома, предложенной английским физиком Э.Резерфордом в 1911 г. Затем она была усовершенствована датским ученым Нильсом Бором.

Согласно данной модели атом похож на солнечную систему  в миниатюре: вокруг крошечного ядра движутся по орбитам крошечные «планеты» - отрицательно заряженные электроны. Размеры ядра в 100 тыс. раз меньше размеров самого атома, но плотность его очень велика, поскольку масса ядра почти равна массе всего атома. Ядро состоит из  более мелких частиц – нуклонов (от лат. nucleus), которые плотно сцеплены друг с другом. Нуклоны -  это протоны и нейтроны. Одни из этих частиц имеют положительный заряд и называются протонами.

Число протонов в ядре определяет к какому химическому  элементу относится данный атом. Например, ядро атома водорода содержит всего  один протон, атома кислорода – 8, урана – 92. В каждом атоме число электронов равно числу протонов в ядре. Поскольку каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по абсолютной величине заряду протона, то в целом атом электрически нейтрален.

Протоны и нейтроны имеют  близкие по значению массы, поэтому масса ядра определяется, в основном, массой нуклонов в ядре.

1.3. Нуклиды

Атомы с определенными  числами протонов и нейтронов  в ядре называются нуклидами. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов и разное число нейтронов.

Атомы, имеющие ядра с  одинаковым числом протонов, но различающиеся  по числу нейтронов, относятся к  разным разновидностям одного и того же химического элемента, называемым изотопами данного элемента.

Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента добавляют число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа.

Например:

– U₂₃₈ содержит 92 протона и 146 нейтронов;

– U₂₃₅ тоже 92 протона, но 143 нейтрона.

Некоторые нуклиды стабильны, то есть они никогда не претерпевают никаких превращений в отсутствие внешнего воздействия. Другие из них нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды, причем этот процесс не может быть прекращен или ускорен каким либо физическим или химическим воздействием. При каждом акте распада нуклида высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде радиоактивного излучения.

Процесс самопроизвольного  распада нестабильного нуклида  называется радиоактивным распадом.

Изотопы, ядра которых  способны самопроизвольно распадаться  называются радионуклидами. Все радионуклиды нестабильны, но одни из них более нестабильны, чем другие. Например, половина всех атомных ядер протактиния-234 в каком-либо радиоактивном источнике распадется за время, немногим больше минуты, а урана-238 за 4,5 млрд. лет.

Период времени, в течение  которого, в результате самопроизвольных ядерных превращений, распадается  половина радиоактивных ядер, называется периодом полураспада радионуклида (Т½). Этот процесс продолжается непрерывно. За время, которое равно одному периоду полураспада распадутся 50 атомных ядер из 100, за следующий аналогичный промежуток времени – половина оставшихся атомов, т.е. - 25, и так далее по экспоненциальному закону.

Каждый радионуклид  распадается с определенной скоростью. Поэтому для количественной характеристики радиоактивных распадов используется физическая величина, называемая активностью радионуклида, которая характеризуется числом распада радиоактивных ядер в единицу времени.

В системе СИ за единицу  измерения активности принят Беккерель (Бк), в честь ученого, открывшего явление радиоактивности.

Один Беккерель равен  одному распаду в секунду.

На практике и в  литературе используется и внесистемная единица измерения активности –  Кюри (Кu).

За 1 Кu принята активность 1 г радия-226.

– 1 Кu = 3,7 · 10¹⁰ Бк;    

– 1 Бк = 2,7· 10^-11 Кu.

 

2. ВИДЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Ионизирующее  излучение – излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков.

Понятие ионизирующее излучение объединяет разные по своей физической природе виды излучений. Сходство между ними  состоит в том, что они обладают высокой энергией, ионизируют вещество среды и вызывают развитие химических реакций в биологических структурах клетки, которые могут привести к ее гибели. Ионизирующее излучение не воспринимается органами чувств человека,  мы не чувствуем воздействия его на наше тело.

По силе и глубине влияния  на организм ионизирующее излучение считается самым сильным. Разные организмы имеют неодинаковую стойкость к действию радиоактивного облучения, даже клетки одного организма имеют разную чувствительность.

Различают следующие виды ионизирующего излучения:

– корпускулярное – это поток частиц с массой отличной от нуля (электроны, протоны, нейтроны, альфа-частицы);

– квантовое – это электромагнитное излучение, косвенно ионизирующее излучение (гамма излучение, характеристическое излучение, тормозное излучение, рентгеновское излучение, аннигиляционное излучение).

Альфа-излучение – это поток альфа-частиц (ядер атомов гелия), испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Альфа-частицы обладают большой ионизирующей и малой проникающей способностью и двигаются со скоростью 20000 км/с. В воздухе они проникают на глубину несколько сантиметров, в биологической ткани – на глубину доли миллиметра, задерживается листом бумаги, тканью одежды. Альфа-излучение особо опасно при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом. В настоящее время известно около 40 естественных и более 200 искусственных альфа-активных ядер. Альфа-распад характерен для тяжелых элементов (урана, тория, полония, плутония и др.).

Бета-излучение - это поток отрицательно заряженных частиц (электронов), которые выпускаются при бета-распаде радиоактивных изотопов. Их скорость приближается к скорости света. Бета-частицы при взаимодействии с атомами среды отклоняются от своего первоначального направления. Поэтому путь, проходимый бета-частицей в веществе, представляет собой не прямую линию, как у альфа-частиц, а ломаную. Наиболее высокоэнергетические бета-частицы могут пройти слой алюминия до 5 мм, однако ионизирующая способность их меньше, чем у альфа-частицы.

Протонное излучение – это поток протонов, составляющих основу космического излучения, а также наблюдаемых при ядерных взрывах. Их пробег в воздухе и проникающая способность занимают промежуточное положение между альфа- и бета-излучением.

Нейтронное излучение – поток нейтронов, наблюдаемых при ядерных взрывах, особенно нейтронных боеприпасов и работе ядерного реактора. Последствия его воздействия на окружающую среду зависят от начальной энергии нейтрона, которая может меняться в пределах 0,025 –300 МэВ.

Гамма-излучение - это электромагнитные излучения высокой энергии. Оно обладает большой проникающей способностью, изменяющейся в широких пределах. Гамма-излучение, испускаемое атомными ядрами при радиоактивных превращениях, обладает энергией от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. Распространяется оно, как и рентгеновское излучение, в воздухе со скоростью света. Ионизирующая способность гамма-излучения значительно меньше, чем у альфа- и бета-частиц.

Тормозное излучение – это фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Воздействие на окружающую среду такое, как и гамма-излучения.

Характеристическое излучение – это фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Аннигиляционное излучение – это фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, позитрона и электрона). Воздействие на биологическую ткань аналогично гамма-излучению.

Рентгеновское излучение – это фотонное излучение (длина волны 10^-9–10^-12 м), состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, генерируемого рентгеновскими аппаратами, и возникающее при некоторых ядерных реакциях. В отличие от гамма-излучения оно обладает такими свойствами как отражение и преломление.

 

3. ПЕРВИЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Ионизирующие излучения  обладают значительной биологической  активностью. Они способны вызывать ионизацию молекул и разрывать  химические связи любых молекулярных структур, а также образовывать свободные  радикалы и тем самым инициировать длительно протекающие реакции в живых тканях.

Ионизирующие излучения  могут вызывать в клетках, тканях, органах и организме в целом  ряд обратимых и необратимых  изменений, следствием которых является нарушение нормальных  биохимических и физиологических процессов.