Взаимодействие радиоактивных излучений с веществом

 

Для понимания механизмов взаимодействия радиоактивных излучений с веществом введем ряд необходимых понятий.

Атом, лишенный одного или нескольких электронов в электронной оболочке, представляет собой положительный, соответственно однозарядный или многозарядный, ИОН. Атом, имеющий избыток в один или несколько электронов в электронной оболочке, является отрицательным соответственно однозарядным или многозарядным ионом. Многозарядные ионы встречаются значительно реже однозарядных. Ионами являются также молекулы, в состав которых входят ионизированные атомы.

Ионизирующее излучение (ИИ) – это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию в этой среде ионов разных знаков и свободных радикалов.

Каждый атом характеризуется своим значением энергии ионизации.

Замечание: видимый свет и ультрафиолетовое излучение не относят к ионизирующим излучениям.

Согласно современной теории существует 2 вида излучений: в олновое (квантовое); корпускулярное.

К волновому виду относятся электромагнитные излучения с разной (обычно короткой) длинной волны – рентгеновские и – излучение.

Природным источником рентгеновского излучения является солнце. Это излучение поглощается земной атмосферой. Если бы это не происходило, то рентгеновское излучение пагубно действовало на все живое на земле.

Искусственное рентгеновское излучение создается с помощью специальных аппаратов (ускорителей) для использования в медицинских целях, – излучение возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц.

К корпускулярному виду излучений относятся излучения различных заряженных частиц таких как – альфа, бета – частицы, протоны и другие, нейтральных – нейтроны, нейтрино.

Пучки заряженных элементарных частиц, ядра легких элементов, ионов оказывают ионизирующее воздействие на вещество, через которые они проходят. Опосредованное ионизирующее воздействие оказывают и нейтральные частицы, прежде всего нейтроны: в результате взаимодействия этих частиц с ядрами веществ испускаются ядром протон и гамма – квант, которые и вызывают ионизацию среды.

Альфа – излучение – это поток альфа – частиц, испускаемых при радиоактивном распаде, а также при ядерных реакциях и превращениях. Альфа – частицы обладают сильной ионизирующей способностью и незначительной проникающей способностью. В воздухе они проникают на глубину 2 – 9 сантиметров, в биологической ткани – 0,02 – 0,06 миллиметра, задерживаются листом бумаги, тканью одежды. Альфа – излучение особо опасно при попадании его источника внутрь организма с пищей или с вдыхаемым воздухом.

Бета – излучение – это поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета – распаде. Их ионизирующая способность меньше, чем у альфа – частиц, но проникающая способность во много раз больше и составляет десятки сантиметров. В биологической ткани они проникают на глубину до 2 см, в воздухе – от нескольких сантиметров до 3 метров. Одеждой задерживаются только частично. Бета – излучение опасно для здоровья человека как при внешнем, так и внутреннем облучении.

Гамма – излучение – электромагнитное излучение (длина волны 10 ^{– 10} – 10 ^{– 14} м), возникающее в некоторых случаях при альфа – и бета – распаде, и аннигиляции частиц. Отдельно от других видов излучения  – излучение не существует. Распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность его в воздухе – всего несколько пар ионов на 1 см пути, т.е. значительно меньше, чем у вышеперечисленных видов излучений.Проникающая способность гамма – излучения значительно больше, чем у вышеперечисленных видов излучений. Глубина распространения гамма – квантов в воздухе может достигать сотен и тысяч метров. Часть гамма – квантов проходит через биологическую ткань, другая – поглощается ею, рисунок 2.3

бумага человек металл Рисунок 2.3 – Проникающая способность излучения

 

 

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 их начальной энергии нейтронов, которая может меняться в пределах 0,025 – 300 МэВ.

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

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

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

Взаимодействие aльфа – излучения с веществом. История открытия и изучения – частиц связана с именем Резерфорда: – частицы это атомы гелия, потерявшие 2 электрона, т.е. ядра атома гелия .

При помощи – частиц Резерфорд производил исследования большинства атомных ядер.

В настоящее время известно более 200 альфа – активных ядер, главным образом тяжелых (А>200, Z>82), исключение составляют редкоземельные элементы (А=140 – 160).

Примером альфа – распада может служить распад изотопа урана:

.

Скорости, с которыми – частицы вылетают из распавшегося ядра, очень велики и колеблются для различных ядер в пределах от 1,4•10⁷ до 2•10⁷ м/с, что соответствует кинетическим энергиям этих частиц в 4 – 8,8 МэВ.

– 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, – частицы постепенно теряют свою энергию, затрачивая ее на ионизацию. Происходит это так: – частицы встречаются с атомами вещества, при этом атомы вещества возбуждаются, т.е. электроны атома переходят с более близкой к ядру орбиты на более далекую, а некоторые даже отщепляются от атома. В этом случае атом превращается в положительно заряженный ион. Оторванный от атома электрон может присоединиться к внешней оболочке другого атома, который в свою очередь превращается в отрицательно заряженный ион.

Для характеристики ионизирующей способности – частиц и других излучений вводится понятие удельной ионизации.

Удельная ионизация – это количество пар ионов, которые возникают в 1 см пути пробега – частицы. – частицы имеют большую ионизирующую способность: на пути пробега в воздухе образуется от 100000 до 300000 пар ионов.

Под пробегом частицы в веществе понимается толщина слоя этого вещества, которую может пройти эта частица до полной остановки.

Пробег – частиц зависит как от энергии частиц, так и от плотности вещества, в котором они движутся.

Взаимодействие – излучения с веществом. Бета излучение состоит из – частиц (электронов и позитронов), которые испускаются при – распаде радиоактивных изотопов.

При электронном – распаде происходит превращение нейтрона в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино. При этом заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Электронный распад характерен для ядер с избыточным числом нейтронов.

Примером электронного – распада может служить распад стронция:

При позитронном бета – распаде происходит превращение протона в нейтрон с образованием и выбросом из ядра позитрона и нейтрино. Заряд и порядковый номер ядра уменьшаются на единицу. Позитроны и β – распад наблюдается для неустойчивых ядер с избыточным числом протонов.

Примеры позитронного бета – распада радионуклида:

 

 

К бета – распаду относится также электронный захват (К – захват), т.е. захват атомным ядром одного из электронов своего атома. При этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и испускается нейтрино. Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя в основное состояние оно пропускает – фотон. Место в электронной оболочке освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате возникает рентгеновское излучение.

Примером электронного захвата могут служить следующие превращения:

β – частицы, испускаемые при бета – распаде, имеют различную энергию, поэтому и пробег их в веществе не одинаков. Путь, проходимый β – частицей в веществе представляет собой не прямую линию, как у – частиц, а ломаную.

Ионизирующая способность бета – частиц много меньше, а длина пробега много больше, чем у – частиц. Существует довольно большая опасность со стороны проникающих потоков – частиц для глаз человека.

В сравнении с кожей хрусталик обладает повышенной радиоактивной чувствительностью. При работе с источником – излучения рекомендуются защитные очки – толщиной стекла 6 мм., защитные перчатки и дистанционный инструмент. На своем пути пробега – частицы образуют от 1000 до 50000 пар ионов. Скорость бета – частицы 270000 км/с.

Взаимодействие – излучения с веществом.

Взаимодействие гамма – квантов с веществом может сопровождаться:

– фотоэффектом; – комптоновским рассеянием; – образованием электрон – позитронных пар.

Вид эффекта зависит от энергии гамма – кванта.

Фотоэффект возникает при Е= 10 эВ – 1 МэВ, то есть при относительно малых значениях энергий. В этом случае вся энергия гамма – кванта передается орбитальному электрону, и он выбивается из орбиты (рисунок 2.4).

 

 

Рисунок 2.4 – Схема фотоэффекта

 

С ростом энергии гамма – квантов явление фотоэффекта становится все меньше, а при энергии 0,1 до 5 – 20 МэВ, начинает преобладать комптон – эффект, то есть гамма – квант сообщает достаточную кинетическую энергию электрону, последний покидает атом (упругое взаимодействие), а сам гамма – квант изменяет направление своего движения, и его частота несколько уменьшается (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Эффект Комптона

 

 

Если энергия гамма – кванта превышает 1,022 МэВ, то он поглощается ядром, а из последнего одновременно вылетают электрон и позитрон (2.6).

 

Рисунок 2.6 – Возникновение электронно-позитронной пары

 

Таким образом, гамма – кванты способны косвенно ионизировать вещество.

Рассмотрим проникающую способность гамма – квантов.

Гамма – квант образуется при переходе ядра в более низкие энергетические состояния. Не имея массы, они не могут замедляться в среде, а лишь поглощаются или рассеиваются.

При прохождении через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность излучения по следующему закону:

 

I = I₀е ^{– µх}, (1)

 

где µ – коэффициент поглощения; х – толщина поглотителя, см; І₀ – интенсивность квантов до прохождения поглотителя, МэВ/с.

В практических расчетах удобно пользоваться и такой табличной величиной, как «толщина слоя половинного ослабления».

Толщина слоя половинного ослабления d – это такая толщина слоя материала, проходя которую интенсивность излучения гамма – квантов уменьшается в 2 раза.

d = 0,693/µ, тогда формула (1) примет вид:

 

l=I₀e ^{– 0.693x/d} (2)

 

Толщина слоя половинного ослабления d берется из таблиц (таблица 2.1), но если они отсутствуют, то эта величина может быть вычислена приближенно по плотности материала р:

d = 23/p, (3)

где 23 см – слой воды, ослабляющий гамма – излучение в 2 раза; р – плотность материала, г/см³.

 

Таблица 2.1 – Ослабление в два раза проникающей радиации различными материалами

Материал	Слой половинного ослабления, см	Материал	Слой половинного ослабления, см
	Свинец	1,8		Грунт, кирпич
	Сталь	2,8		Вода
	Бетон			Дерево

На практике часто применяется коэффициент ослабления гамма – излучения Косл проходящего через преграду толщиной х и значением слоя половинного ослабления для данного материала d.

 

Косл = Iо/I = exp (0,693x/d), (4)

 

При грубой оценке выражение (4) можно упростить, полагая, что основание натурального логарифма е =2,713...≈ 2, а 0.693=1, получим:

 

Косл ≈ 2 ^x/d. (5)

 

Пример коэффициентов ослабления представлен в таблице2.2.

 

Таблица 2.2 – Коэффициент ослабления радиации различными укрытиями

Наименование укрытий и транспортных средств	Коэффициент ослабления Косл
Открытое расположение на местности
Защитные сооружения:
убежища	300 и более
противорадиационные укрытия	50 и более
открытая щель
перекрытая щель
Промышленные и административные здания:
производственные одноэтажные здания (цеха)
производственные и административные трехэтажные здания
Жилые дома:
каменные одноэтажные