Радіоактивність, взаємодія випромінювання з речовиною, доза, одиниці

Медична радіологія - це наука про застосування іонізуючого випромінювань для розпізнавання та лікування хвороб людини.

Випромінювання, яке створюється при взаємодії з|із| речовиною, електричних зарядів різних знаків, називається іонізуючим.

До іонізуючого випромінювання відносяться:

v рентгенівське

v альфа-|

v бета-|

v гамма-випромінювання

v корпускулярне випромінювання заряджених частинок|часток,часточок| – електронів, протонів, дейтронів і незаряджених частинок|часток,часточок| – нейтронів.

Рентгенівське випромінювання відкрито|відчинений| в 1895 р. Вільгельмом Конрадом Рентгеном.

Випромінювання є|з'являється,являється|:

v короткохвильовим

v електромагнітним.

Воно утворюється в результаті|унаслідок,внаслідок| взаємодії електронів з|із| атомами речовин, на які вони потрапляють|попадають|. При цьому утворюється два види випромінювання:

v Гальмівне|гальмове| – з|із| безперервним спектром, що виникає при зміні швидкості руху електронів

v Характеристичне – з|із| дискретним спектром, що виникає при зміні енергетичного стану атомів.

Довжина хвилі рентгенівських| променів вимірюється ангстремами| (А) і коливається|вагається| в межах від 0,03 до 15,0А (1А=10~8 см, тобто одній стомільйонній частці|долі| сантиметра).

Виходячи з фокусу трубки|люльки|, рентгенівські| промені розповсюджуються|поширюються|, прямолінійно із швидкістю світла (С=2,999,8-1010 см/сек}. Вони невидимі; поглинаючись деякими солями|соль| (платиносинеродистий| барій, цинксульфидкадмий|), промені викликають|спричиняють| їх свічіння, що використовується для дослідження органів (рентгеноскопія). Рентгенови промені надають|роблять,виявляють,чинять| фотохімічну дію, тобто викликають|спричиняють| розкладання срібла. Ступінь|міра| почорніння фотографічної емульсії пропорційний|пропорціональний| величині дози випромінювання. Це дозволяє проводити|виробляти,справляти| знімки органів (рентгенографія).

Рентгенівські промені розщеплюють молекули повітря на іони і електрони, роблячи|чинячи| його провідником електрики. Розщеплюючи молекули повітря на іони і електрони, ці промені викликають|спричиняють| іонізацію, тим самим роблячи|чинячи| повітря провідником електрики. Ця властивість використовується для вимірювання|виміру| якості і кількості рентгенівського випромінювання (дозиметрія).

Основною властивістю рентгенівських| променів, що зумовила їх широке застосування|вживання| в медицині, є|з'являється,являється| здатність|здібність| проходити через органи і тканини, непереборні|нездоланні,непоборні| для видимого світла, і викликати|спричиняти| в них певні зміни залежно від кількості поглиненої дози (біологічна дія).

Ступінь|міра| поглинання рентгенівських| променів залежить від довжини хвилі випромінювання, а також щільності і товщини поглинаючої речовини. Чим вища напруга|напруження|, подана на трубку|люльку|, тим коротше довжина хвилі цих променів і тим більше проникаюча|проникна| здатність|здібність|. У променевій терапії використовуються довжини хвиль рентгенівського випромінювання від 10^-4 до 10А. Відповідно|відповідно до| енергії фотонів знаходяться|перебувають| в межах від одиниць килоэлектрон-вольт до десятків мегаэлектрон-вольт.

Звичайна|звична| класична рентгенотерапія проводиться при напрузі|напруженні| генерування 180 – 250 кв. При взаємодії випромінювання з|із| речовиною інтенсивність його зменшується внаслідок|внаслідок| втрати енергії. Основними видами взаємодії рентгенівського випромінювання з|із| речовиною, що приводять|призводять,наводять| до ослаблення|ослабіння| інтенсивності, є|з'являються,являються| фотоелектричне поглинання, комптонівське розсіяння, утворення электрон-позитронних| пар.

Корпускулярне випромінювання

До корпускулярних випромінювань відносяться елементарні частинки|частки,часточки|, що швидко рухаються|сунуться| – електрони, позитрони, протони, нейтрони, дейтрони (ядра важкого|тяжкого| водню), а також атомні ядра або молекули.

У практиці променевої терапії найбільше застосування|вживання| одержали|отримали| електрони, відносно жорстко зв'язані в атомі силами електростатичного тяжіння. У вільному стані електрони знаходяться|перебувають| тільки|лише| в металах, але|та| для того, щоб вони вийшли з нього, необхідно прикласти певну енергію. Для практичних цілей використовується електронна емісія з|із| розжареної поверхні металу (розжарений катод). При пробігу в електричному полі електрони завдяки дуже малій масі швидко досягають високих швидкостей. Так, при напрузі|напруженні| 100 000 в швидкість електронів складає більш ніж 50%, а при 1 000 000 в – близько 95% швидкості світла. Прискорені частинки|частки,часточки| (швидкі електрони) можуть використовуватися безпосередньо для опромінювання|опромінення| чи ж прямують на мішень з|із| тугоплавкого металу. В результаті|унаслідок,внаслідок| взаємодії з|із| нею виникає новий вигляд випромінювання – гальмівне випромінювання високої енергії. Для супервольтовій| терапії застосовуються лінійні прискорювачі і бетатрони, що генерують гальмівне випромінювання і швидкі електрони на 15, 25, 35 і 42 Мев. Завдяки великій енергії випромінювання різко зростає відносна глибинна доза, зменшується поверхнева|поверхова,зверхня| і інтегральна поглинена доза, різко скорочується розсіяне|неуважне| випромінювання.

Радіоактивність - це| спонтанне| перетворення| ядер атомів одних елементів у|в,біля| інші, яку супроводжується виділенням енергії. Виділяють природну| та штучну| радіоактивність.

Природна радіоактивність.

Явище природної радіоактивності було відкрито|відчинено| в 1896 г.французским вченим|ученим| Анрі Беккерелем. У 1899р. Ернест Резерфорд, спостерігаючи проходження променів радію через металеву фольгу, встановив, що одна частина|частка| випромінювання поглиналася шаром алюмінію товщиною| декілька тисячних сантиметра, інша тільки|лише| після|потім| проходження через шар алюмінію товще в 100 разів. Неоднорідність і складність складу випромінювання радію були підтверджені роботами Марії і Пьера Кюрі, які вивчали відхилення цих променів в електричному і магнітному полях. Проте|однак| магнітне поле, вживане подружжям Кюрі, було недостатньо сильним, щоб розкласти пучок випромінювання на всі складові частини. Повторюючи ці дослідження, Резерфорд помістив препарат радію, ув'язнений в свинцеву капсулу з|із| отвором вгорі|нагорі,угорі| (мал. 1), в сильне магнітне поле. В результаті|унаслідок,внаслідок| дії цього поля випромінювання розпадалося на три складові частини, які одержали|отримали| назву альфа-частинок|, бета-частинок| і гамма-квантів.

v Альфа-промені відхилялися в один бік і були потоком позитивно заряджених частинок|часток,часточок|.

v Бета-промені відхилялися в інший бік і були потоком негативно|заперечний| заряджених частинок|часток,часточок|.

v Гамма-кванти під дією магнітного нуля абсолютно|цілком| не відхилялися.

Цей вид випромінювання, подібно до рентгенівських| променів, був електромагнітними коливаннями, тільки|лише| з|із| коротшою довжиною хвилі і більшою проникаючою|проникною| здатністю|здібністю|. Розділення|поділ| радиоактивного-излучения| на складові частини дозволило надалі ще детальніше вивчити їх властивості.

|із|

Властивості альфа-часток

 

Рис.1. Відхилення альфа-|, бета-| і гамма-променів в магнітному полі випромінювання: 1 – джерело випромінювання (радій); 2 – свинцева камера; 3 – гамма-кванты; 4 – бета-частки; 5 – альфа-частки; 6 – магнітне поле.

 

Альфа-випромінювання є потоком частинок|часток,часточок|, які при взаємодії з|із| сірчистим цинком викликають|спричиняють| ефект свічіння (сцинтиляція), що вказує|показуючий| на їх корпускулярну природу. У електричному полі альфа-частки відхиляються у вигляді вузького пучка і мають однакову енергію. Альфа-частки, повністю поглинаються тонким листком слюди або алюмінію завтовшки 0,05мм, шаром повітря від 3 до 7 см залежності від величини енергії. Експериментально встановлена|установлена| швидкість руху альфа-часток, вона виявилася рівною 20 000 – 25 000 км/сек. Довжина пробігу альфа-частки залежить від її енергії: чим більша енергія, тим більше швидкість частинки|частки,часточки| і тим, отже, довше буде пробіг. На величину пробігу впливає також щільність середовища|середи|, через| яку проходять|минають,спливають| частинки|частки,часточки|. Проникаюча|проникна| здатність|здібність| альфа-частки в м'яких тканинах, складає 50 – 70 мк|. Із|із| зростанням товщини поглинаючого шару енергія частинок|часток,часточок| продовжує зменшуватися, але|та| число їх зберігається|. Так відбуватиметься|походитиме| до тих пір, поки товщина поглинаючого шару не досягне такої, при якій затримаються відразу всі альфа-частки. Ці частинки|частки,часточки| проводять|виробляють,справляють| найбільшу іонізуючу дію (3000 – 4000 пар іонів на 1 мк| шляху|колії,дорозі|). Альфа-частки приблизно в 100 разів|якщо| сильніше ионизируют повітря, чим бета-випромінювання.

Між поглинанням альфа-|, бета-| і гамма-випромінювань і їх іонізуючою здатністю|здібністю| існує однозначний зв'язок. Промені, які сильніше іонізують, сильніше і поглинаються. Як відомо, одна альфа-частка створює в повітрі близько 200 000 пар іонів, що дозволило оцінити| її енергію в 6 000 000 эв|. Для придбання|надбання| такої енергії електрон повинен пройти|минути,спливти| електричне поле з|із| різницею потенціалів 6 000 000 в. Альфа-частки мають високу|роблять,виявляють,чинять| биологічну| дію, хоча в тканинах, їх пробіг вимірюється мікронами. Вони нездатні проникнути навіть через роговий шар шкіри, отже, небезпека зовнішнього опромінювання|опромінення| ними невелика.

Властивості бета-часток

Дослідження, проведені з|із| випромінюванням бета-частинок, показали, що вони, як і альфа-частки, мають корпускулярну природу і є потоком електронів. Енергія, варіюючи практично від нульової до 3 Мев, може досягати і більшої величини. Швидкість бета-часток близька, до швидкості світла. Щільність іонізації бета-частинками слабкіша|слабіше|, ніж у|в,біля| альфа-часток, приблизно в 100 разів. Бета-частки утворюють 75 пар іонів на 1 мк| шляху|колії,дорозі|. В повітрі бета-частки здійснюють|скоюють,чинять| пробіг до 20 м, у воді – до 2,5 см, в м'яких тканинах – до 1 см, в свинці – до 0,3 мм. Для поглинання бета-часток великої енергії вимагає шар алюмінію в 1 см. Бета-частки відхиляються в электричному полі| у вигляді широкого розмитого спектру. Це свідоцтво| тому, що бета-частки є потоком електронів різних енергій.

Властивості гама-квантів

Гама-випромінювання, так само як і рентгенівське, відноситься до групи електромагнітних випромінювань. Гама-кванти можуть мати енергію в декілька десятків мегаэлектрон-вольт, володіють дуже малою довжиною хвилі, вимірюваної десятими і сотими долями ангстрема|, невеликою проникаючою|проникною| здатністю|здібністю|. У просторі розповсюджуються|поширюються| із швидкістю світла.

Завдяки великій проникаючій|проникній| здатності|здібності|, довжині пробігу і інтенсивності кванти гамми надзвичайно активні в біологічному відношенні|ставленні|. Оскільки кванти гамми не мають заряду, іонізація, що викликається|спричиняється| ними в тканинах, звичайно буває вторинною|повторною|. Гама-кванти іонізують атоми, вибиваючи з|із| них електрони, які володіють високою енергією і викликають|спричиняють| утворення|утворення| у багато разів більшої кількості пар іонів, чим це роблять|чинять| безпосередньо гама-кванти.

Поглинання гама-квантів відбувається|походить| трьома шляхами|коліями,дорогами|:

v перший шлях|колія,дорога| полягає в тому, що фотони гама-квантів, які несуть мало енергії поглинаються, викликаючи|спричиняючи| так званий фотоелектричний ефект. Фотон віддає всю свою енергію електрону, причому лише невелика її частина, звичайно від 30 до 50 эв|, витрачається на вибивання електрона, інша переходить в кінетичну енергію. Фотон при цьому зникає.

v другий спосіб поглинання, характерний|вдача| для променів, що володіють великою енергією, пов'язаний з явищем так названим| комптонівської віддачі. В цьому випадку фотон не віддає своєї енергії, а летить далі, але|та| з|із| меншою енергією, маючи довшу хвилю. Електрон, що одержав|отримав| поштовх від фотона, вырываєтся з|із| атома, подібно до фотоелектрона.

v третій вид поглинання характерний|вдача| для фотонів, енергія яких вимірюється більш ніж в 1 000 000 эв|. В даному випадку деякі з фотонів, що стикаються з|із| матерією, зникають так само, як фотони при фотоелектричному ефекті, проте|однак| за іншим принципом. Замість того, щоб вибивати електрони з їх орбіт, деякі фотони пролітають дуже близько|поблизу| від ядра і зникають, утворюючи при цьому пару електронів, що несуть протилежні заряди або пари, що складаються з електронів і позитронів.

За своєю природою гама-кванти мають схожість з|із| рентгенівськими| променями. Довгий час вважалося|лічилося|, що різниця між ними полягає в неоднаковій довжині хвиль. В даний час|нині| признається, що різниця лише в механізмі випускання:

v рентгенівські| промені генеруються на високовольтних електричних установках

v а гама-кванти випускаються мимоволі і безперервно природними і штучними радіоактивними речовинами.

Властивості альфа-|, бета-| і гамма-випромінювань

Вид випромінювання	Природа випромінювання	Швидкість частинок|часток,часточок| км/сек	Енергія Мев	Довжина пробігу	Щільність іонізації в тканинах
в повітрі	у тканинах
α	ядра гелію	20 – 25	до 9	3 – 7 см	50 – 70 мк|	3000 – 4000 пар іонів на 1 мк|
σ	потік електронов|	87 – 298	до 3	до 20 м	до 10 мм	50 – 70 пар іонів на 1 мк|
γ	електромагнітні коливання		до 3	до 600 м	у см	3000 пар іонів на всьому шляху|колії,дорозі|

Штучна радіоактивність

Грудень 1934 р. запам`ятався новим важливим|поважним| відкриттям|відчиненням| великих французьких учених Фредеріка і Ірен Жоліо-Кюрі, які довели, що явище радіоактивності можна підпорядкувати|підкоряти| волі людини, тобто радіоактивність можна створити штучним шляхом|колією,дорогою|. При роботі з|із| радіоактивними елементами в ході дослідів на шляху|колії,дорозі| променів, що випускаються полониєм|, подружжю Кюрі потрібно було поставити тонку алюмінієву пластинку|платівку|, щоб поглинути альфа-випромінювання. Як і слід було чекати, альфа-частки затримувалися пластинкою|платівкою|. Дослідники відмітили|помітили|, що після|потім| вилучення полониєвого| джерела випромінювання продовжувалося|тривало|, тобто алюмінієва пластинка|платівка| стала радіоактивною, проте|однак| ця радіоактивність зберігалася дуже недовго. При повторенні досвіду|досліду| було встановлено|установлено|, що причиною появи короткочасної радіоактивності у|в,біля| алюмінію є|з'являється,являється| опромінювання|опромінення| його полониєм|. Випромінювання полонию| діє на атоми алюмінію так, що вони самі стають радіоактивними.

Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі виявили, що ядерна реакція розбивається на два послідовні етапи:

v спочатку відбувається|походить| захоплення|захват| альфа-частки і випускання нейтрона з|із| утворенням проміжного нестійкого ядра Р³⁰

v надалі відбувається|походить| радіоактивний розпад цього ядра з|із| випусканням позитрона.

Так з'явився|появився| добре тепер відомий термін радіоактивний ізотоп. У природі існує тільки|лише| один стійкий ізотоп фосфору P³¹₁₅, тому ізотоп Р³⁰ виявляється|опиняється| нестійким. Ізотоп Si³⁰₁₄ складає близько 4,2% кремнію, що зустрічається в природі.

При подальшому|дальшому| дослідженні подружжя Жолио-Кюрі виявили виникнення нейтронів і позитронів не тільки|не лише| у|в,біля| алюмінію, але і у|в,біля| бору, магнію при бомбардуванні їх альфа-частками. Таким чином, Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі одержали|отримали| три штучні радіоактивні речовини з|із| періодом напіврозпаду, у|в,біля| алюмінію рівним 3,25 хвилини, у|в,біля| магнію 2,5 хвилини, у|в,біля| бору 14 хвилинам. В результаті|унаслідок,внаслідок| перетворення магнію також виникають нестійкі ізотопи. Кремній 27 нестійкий (відомі три стійкі ізотопи кремнію: Si²⁸, Si²⁹, Si³⁰). Нестійкий ізотоп кремнію поступово розпадається. При цьому розпаді випускаються позитрони. Нестійкий ізотоп азоту (N¹³) розпадається, перетворюючись на стійкий ізотоп вуглецю. До теперішнього часу роботи по отриманню|здобуттю|, вивченню і застосуванню|вживанню| штучних радіоактивних речовин придбали|набули| широкий розмах. Лабораторним шляхом|колією,дорогою| готуються радіоактивні ізотопи всіх без виключення|винятку| хімічних елементів.

Розпад ядер у фізиці називають ядерними реакціями. В результаті|унаслідок,внаслідок| цих реакцій ядро деяких важких|тяжких| елементів під дією елементарної частинки|частки,часточки|, що потрапила|попала| в нього, розпадається на дві частини|частки|. При діленні ядер виділяється величезна енергія 200 мільйонів електрон-вольт на кожне ядро, що розділилося. Розпад ядер супроводжується|супроводиться| появою вторинних|повторних| нейтронів. Число вторинних|повторних| нейтронів, що утворюються при діленні|поділці,розподілі,поділі| одного ядра, більше одиниці. Щоб краще уявити собі цю реакцію, розберемо типову схему. Якщо один первинний нейтрон потрапляє|попадає| в ядро урану, воно розділиться, внаслідок чого утворюються два нові нейтрони. Вони в свою чергу захопляться ядрами урану, які при цьому розділяться, утворивши чотири нові нейтрони. Ці нейтрони викличуть|спричинять| ділення чотирьох ядер урану. В результаті|унаслідок,внаслідок| цього утворюється вісім нейтронів.

Кількість нейтронів, а разом з ними і кількість ядер, що діляться, буде безперервно збільшуватися. Розглянутий|розгледіти| варіант ядерної реакції є ланцюговою реакцією, що прискорюється. Назва «ланцюгова» взято | з|із| хімії, де під нею мають на увазі таку реакцію, продукти якої можуть знов|знову,щойно| вступати в з'єднання|сполучення,сполуку| з|із| початковими|вихідними| елементами. Завдяки цій обставині реакція безперервно розвивається. Звичайно, розглянутий|розгледіти| випадок значно відрізняється від дійсності – в природі все йде набагато складніше. Перш за все|передусім| не всякий|усякий| нейтрон, що потрапив|попав| в ядро урану, викликає|спричиняє| ділення|поділку,розподіл,поділ| цього ядра. Відомо, що ділення ядер ізотопу U²³⁸ можуть викликати|спричиняти| тільки|лише| нейтрони з|із| енергією не менше мільйона електрон-вольт. Якщо енергія нейтрона менша, то він поглинається U²³⁸, не викликавши|спричинивши| ніякого|жодного| ділення|поділки,розподілу,поділу|. По-друге, не всякий|усякий| нейтрон, що виник при діленні|поділці,розподілі,поділі| буде захоплений ядром урану. Відомо, що вірогідність|ймовірність| захоплення|захвата| нейтрона ядром також невелика, вона зменшується із|із| збільшенням енергії нейтронів. Нарешті|урешті|, ми ніколи не працюємо з|із| чистим ураном, завжди є|наявний| якісь домішки|нечистоти|. Якщо ці домішки|нечистоти| поглинатимуть нейтрони, то значна їх частина|частка| буде захоплена ядрами атомів цих домішок|нечистот|. Тому, незважаючи на те що в процесі ділення ядер утворюється більше одного нейтрона, сказати наперед|заздалегідь|, чи розвиватиметься ланцюгова реакція, не можна.

Здатністю|здібністю| ділитися під дією нейтронів володіють багато важких|тяжких| елементів, причому частина|частка| з|із| них утворює цю реакцію при попаданні в ядро швидких нейтронів (U²³⁸, Th²³², Pu²³⁹), інші ж діляться під впливом повільних нейтронів (U²³³, U²³⁵). Велике значення має друга група елементів, які можуть ділитися при попаданні в ядро повільних нейтронів. Елементи, здатні|здібні| ділитися при бомбардуванні повільними нейтронами, називаються такими, що розщеплюються, або що діляться, матеріалами. Для отримання|здобуття| радіоактивних речовин можна використовувати реактори на збагаченому урані. Залежно від їх призначення як пальне можуть застосовуватися Th²³², U²³³, Pu²³⁹, Pu²⁴¹.