Основні показники радіоактивності

У кожній радіоактивній речовині (РР) відбувається поступовий розпад ядер її атомів, причому за одиницю часу розпадається певна частина їх загальної кількості, тобто кожна РР має свою швидкість розпаду атомів; при цьому середня швидкість розпаду є постійною.

Відомо, що кількість радіоактивних атомів даного радіонукліда (РН) зменшується з часом за експоненціальним законом, тобто математично закон радіоактивного розпаду виражається рівнянням:

 

N(t) = N(0) • ехр (-λ t),

де N(t) – кількість наявних радіоактивних ядер на певний момент часу t; N(0) – кількість радіоактивних атомів у початковий момент часу; λ – стала радіоактивного розпаду, що показує, яка частина загальної кількості атомів розпадається за одиницю часу, с ^-1.

На практиці для характеристики швидкості розпаду радіоактивних елементів користуються не сталою розпаду, а періодом напіврозпаду. Т _1/2 –це час, протягом якого розпадається половина всіх атомів даного РН.

Період Т_1/2 для кожного РН – стала величина і коливається від часток секунди до кількох мільярдів років, наприклад для: РН – ²³⁸U - 4,5 • 10⁹ років, для ⁹⁰Sr – 28 років, для ¹³¹І – 8 діб, для ²⁷Мq – 9,46 сек. Між Т_1/2, і λ.існує прямий зв’язок: λ= In 2/ Т_1/2 =0.693/ Т_{1/2 .} Отже, закон радіоактивного розпаду може мати такий вигляд:

 

N(t) = N(0) • 2^{- Т1/2}.

З даного виразу можна зробити такі практичні висновки: через час t = 5 Т_1/2 залишається 3,12 % РН, а через t = 10 T_1/2 РН повністю розпадається, тобто після закінчення цього часу залишається менше 0,1 % початкової кількості атомів. Для кількісної оцінки джерел випромінювання РН використовується поняття «активність», яке означає кількість радіоактивних розпадів ядер атомів за одиницю часу:

 

А = dN / dt; dN / dt = -λ • N; А = λ • N = 0.693 • N / T_1/2

Чим більше радіоактивних перетворень зазнають атоми даного РН за одиницю часу, тим більшою є його активність.

Так, якщо взяти з однаковою масою РН літію-8, фоcфору-32, та урану-235, що мають різний T_1/2 (0,89 сек, 14,3 доби,та 7,1 • 10⁸ років відповідно), то найбільш активними будуть літій і фосфор, а малоактивним – уран, оскільки найбільша кількість розпадів за одиницю часу буде в перших двох ізотопів. Але чим меншою є швидкість розпаду, тим довше «житиме» РН, іонізуючи середовище.

У системі СІ за одиницю активності прийнято одне ядерне перетворення за секунду – бекерель (Бк): 1 Бк = 1 розп./сек.

Позасистемною одиницею активності є к юрі (Кі). Це активність такої кількості РН, у якій відбувається 37 млрд. розпадів ядер за секунду.

1Кі = 3,7 • 10¹⁰ Бк = 2,2 • 10¹² розп./хв;

1 Бк = 2,7 • 10 ^-11 Кі.

Активність в 1 Кі мають: 1 г радію-226; 1 мг кобальту-60; 10 ^-7 г натрію-24; 16 г плутонію-239; 570 кг урану-235.

Для характеристики зараженості середовища, об’єктів, продуктів харчування тощо використовуються величини питомої, об’ємної і поверхневої активності, що являють собою відношення кількості розпадів РН, вираженої в кюрі, бекерелях або їх похідних, до одиниці маси, об’єму або площі поверхні (Кі/кг, Кі/м ³, Кі/м ²).

Поглинута доза –основна фізична величина, прийнята для оцінки впливу ІВ на об’єкти живої і неживої природи; характеризує енергію будь-якого виду випромінювання, поглинутого одиницею маси опроміненого середовища.

За одиницю поглинутої дози в системі СІ прийнято грей (Гр). Це така доза, за якої 1 кг опроміненої речовини поглинає енергію в 1 джоуль, 1 Гр = 1 Дж/кг. Позасистемною одиницею є рад –така поглинута доза, при якій 1 г речовини поглинає енергію в 100 ергів незалежно від виду енергії випромінювання.

 

1 рад = 100 ерг/г; 1 Гр = 100 рад.

Експозиційна доза характеризує іонізуючу здатність фотонного випромінювання в повітрі (гамма - і рентгенівського випромінювання).

За одиницю експозиційної дози в системі СІ прийнято кулон на кілограм (Кл/кг). Це така доза рентгенівського і гамма-випромінювання, при якій в 1 кг сухого атмосферного повітря утворюються іони, що несуть позитивний або негативний електричний заряд, який дорівнює 1 кулону.

Позасистемною одиницею є рентген (Р). Це така доза рентгенівського і гамма-випромінювання, яка зумовлює виникнення в 1 см³ сухого атмосферного повітря за нормальних умов (t = 0°С і Р = 101,3 кПа) 2,58 мільярда пар іонів:

 

1 P = 2.58 • 10 ^{– 4} Кл/кг.

Для порівняння різних видів іонізуючого випромінювання (ІВ) за їх біологічною дією введено поняття відносної біологічної ефективності (ВБЕ). ВБЕ може бути охарактеризована за допомогою коефіцієнта якості випромінювання – Q (для малих рівнів опромінення), який показує, у скільки разів ефективність біологічного впливу даного виду випромінювання є більшою за ефективність біологічного впливу гамма-випромінювання за однакової поглинутої дози.

Щоб урахувати цей ефект, введено поняття еквівалентної дози, яке використовується для визначення рівня радіаційної небезпеки за тривалого опромінення людини в малих дозах. Еквівалентну дозу визначають як добуток поглиненої дози даного виду випромінювання на коефіцієнт якості ІВ:

Д _ЕКВ = Q • Д _ПОГЛ.

У системі СІ за одиницю еквівалентної дози прийнято зіверт ( Зв). Зіверт дорівнює еквівалентній дозі випромінювання будь-якого виду, яке створює такий же біологічний ефект, як і поглинена доза в 1 Гр рентгенівського або гамма-випромінювання. Отже, 1 Зв = 1 Гр / Q.

Позасистемною одиницею еквівалентної дози є бер – біологічний еквівалент рада. Один бер – це поглинена доза будь-якого виду випромінювання, яка викликає такий саме біологічний ефект, що і один рад гамма-випромінювання, тобто 1 бер = 1 рад / Q, а 1 Зв = 100 бер.

Дози опромінення різних ділянок тіла або органів можуть бути неоднаковими, особливо при внутрішньому опроміненні. Це пояснюється тим, що різні органи мають свою чутливість до опромінення. Для оцінки нерівномірного опромінювання тіла користуються поняттям ефективної еквівалентної дози – ДЕЕД.

Ефективна еквівалентна доза (ЕЕД) - сума середніх еквівалентних доз Д_ЕКВТ у різних органах, порівняно з коефіцієнтом W_Т :

Д _ЕЕД ⁼ ∑ W_T • Д _ЕКВТ.

Коефіцієнти порівняння W_T дозволяють вирівнювати ризик наслідків опромінення незалежно від того, рівномірно чи нерівномірно опромінюється тіло. Коефіцієнти W_T характеризують відношення ризику опромінення даного органа до сумарного ризику за рівномірного опромінення всього тіла (табл. 3.1).

 

Таблиця 3.1 ‑ Значення коефіцієнта W_Т для різних органів і тканин організму людини

Орган дихання	WТ	Орган тканини	WТ
Гонади	0,20	Печінка	0,05
Червоний кістковий мозок	0,12	Стравохід	0,05
Товста кишка	0,12	Щитовидна залоза	0,05
Легені	0,12	Шкіра	0,01
Шлунок	0,12	Кісткова тканина	0,01
Сечовий міхур	0,05	Молочна залоза	0,05

 

Наприклад, доза опромінення щитовидної залози в 100 бер відповідає ЕЕД = 5 бер, тобто приймається, що за рівномірного опромінення всього тіла дозою 5 бер імовірність ушкодження організму є такою самою, як і при опроміненні дозою 100 бер лише щитовидної залози.