Понятие ионизирующего излучения

Определение основного закона радиоактивного распада

Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Скорость распада определяется строением ядра, и поэтому нельзя повлиять на этот процесс никакими обычными физическими или химическими способами, не изменив состояние ядра атома. Для каждого радиоактивного элемента средняя скорость распада его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного элемента. Постоянная радиоактивного распада (λ) показывает вероятность распада определенной доли ядер в единицу времени. Размерность постоянной распада выражают в обратных единицах времени: с^-1, мин^-1, ч^-1 и т.д., чтобы показать, что количество радиоактивных ядер не растет, а убывает.

Основной закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу времени распадается всего одна и та же доля имеющихся в наличии ядер.

Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов в практике пользуются вместо постоянной распада периодом полураспада.

Период полураспада (T_1/2) – это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Он обозначается буквой T и выражается в единицах времени. Для радиоактивных изотопов период полураспада имеет значение от долей секунды до миллиарда лет. Соответственно и радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (годы).

Особенность радиоактивного распада состоит в том, что ядро одного и того же элемента распадаются не все сразу, а постепенно, в различное время. Момент распада каждого ядра не может быть указан заранее. Поэтому распад любого радионуклида, подчиняясь статическим закономерностям, носит вероятностный характер и может быть математически определен для большого количества радиоактивных атомов. Иными словами, распад ядер происходит неравномерно то большими, то меньшими порциями. Из этого следует практический вывод, что при одном и том же времени счета радиоактивного препарата мы можем получить разные значения. Следовательно, для получения верных данных необходимо одну и ту же пробу считать не один, а несколько раз и чем больше, тем точнее будут показатели.

 

 

Методы регистрации и измерения радиоактивных излучений

Ионизационная камера

Это один из распространенных детекторов излучения. Ее применяют для измерения всех типов ядерных излучений. По конструктивному оформлению ионизационные камеры могут быть плоские, цилиндрические и сферические с объемом воздуха 0,5-5 л. Есть миниатюрные ионизационные камеры – наперстковые, смонтированные в футляре, по форме похожие на авторучку. Их используют как индивидуальные дозиметры. Воздушный объем таких камер колеблется от нескольких кубических сантиметров до их долей.

Камеры с большим объемом более чувствительны, поэтому для измерения малых доз излучения используют камеры с большим объемом.

Для работы ионизационной камеры существенны: материал, толщина стенок, величина и форма камеры, природа и состояние наполняющего газа, пространственное распространение излучения в камере и способ измерения ионизационного тока. Обычно в стенке камеры изготавливают из воздухоэквивалентного материала, 1 г которого поглощает такую же энергию, как и 1 г воздуха при одинаковых условиях облучения. Такими материалами служат органические пластмассы: бакелит, резит, полистирол и т.п. толщина стенок составляет 2-4 мм. Ток насыщения, в режиме которого работают ионизационные камеры, достигается при напряжении 150-300 В.

Ионизационные камеры в зависимости от назначения и конструкции могут работать в импульсном и интегральном режимах. Импульсные камеры используют для регистрации отдельных тяжелых заряженных частиц (α-частиц, протонов, ядра различных элементов и т.д.). удельная ионизация легких частиц (электронов, позитронов) сравнительно мала, поэтому регистрация их в импульсном режиме неэффективна. Токовые камеры принимают для измерения интенсивности всех типов излучения, которые пропорциональны среднему току, проходящему через камеру. Поскольку величина ионизирующего тока пропорциональна энергии излучения, то ионизационные камеры измеряют ток насыщения в единицу времени, т.е. мощность дозы данного излучения. Поэтому они могут быть отградуированы в единицах мощности дозы. Следовательно, ионизационные камеры могут быть использованы не только для измерения дозы излучения, но и ее мощности.

Пропорциональные счетчики отличаются от ионизационной камеры тем, что начальное усиление первичной ионизации происходит внутри самого счетчика (коэффициент газового усиления = 10³-10⁴). Использование газового усиления в пропорциональных счетчиках дает возможность значительно повысить чувствительность измерений и упростить схему усиления сигнала по сравнению с ионизационными камерами. Наличие пропорционального усиления в счетчиках позволяет определить энергию ядерных частиц и изучить их природу.

Пропорциональные счетчики в большинстве случаев используются для регистрации α-частиц.

Счетчики Гейгера-Мюллера

Счетчики Гейгера-Мюллера (газоразрядные счетчики), конструктивно мало отличаются от пропорциональных счетчиков цилиндрического и торцевого типа.

Основное различие состоит в том, что внутренний объем счетчика Гейгера заполнен инертным газом при пониженном давлении (15-75 гПа), а работа осуществляется в области Гейгера, т.е. в режиме самостоятельного газового разряда.

Время, в течение которого счетчик не может зарегистрировать попавшую в него частицу (квант), называется мертвым временем счетчика. Мертвое время самогасящихся счетчиков составляет 10^-4 с.

Время, в продолжение которого счетчик способен регистрировать частицы (кванты) раздельно, характеризует его разрешающую способность. Несамогасящиеся счетчики способны раздельно регистрировать не более 10²-10³ имп/с, самогасящиеся – до10⁴ имп/с. В настоящее время самогасящиеся счетчики, обладающие высокой эффективностью счета, полностью вытеснили несамогасящиеся.

Под эффективностью счета понимают процентное соотношение числа зарегистрированных счетчиком импульсов к общему числу частиц (квантов), попавших за этот же отрезок времени в рабочий объем счетчика. Эффективность счета определяют путем измерения излучения радиоактивных препаратов с известной активностью (эталонов).

Счетчики Гейгера-Мюллера применяются для регистрации всех видов излучений, но чаще для β- и γ-излучений. Конструкция счетчиков определяется теми задачами, которые они призваны решать. Для счета α- и β-частиц малых энергий 0,1-0,2 МэВ – применяются торцевые счетчики с тонким входным отверстием (1-5 мг/см²).

Для обнаружения β-излучений средней и большой энергии используют цилиндрические счетчики, имеющие стенки из нержавеющей стали и алюминия, толщиной 40-45 мг/см².

Счетчики для регистрации γ-излучения имеют некоторую особенность в конструкции. Регистрация γ-излучения возможна в результате выбивания вторичных электронов из катода счетчика на основе известных трех механизмов взаимодействия данного излучения с веществом: фотоэффекта, образование электронно-позитронных пар. Вторичные электроны (фотоэлектроны, электроны отдачи), попадая в чувствительный объем счетчика, вызывают газовый разряд (ударную ионизацию), который и регистрируется радиометрическим устройством. В силу того, что γ-кванты слабо поглощаются веществом, эффективность γ-счетчика очень мала и не превышает 1%. Для повышения эффективности счета γ-квантов стенки γ-счетчиков делают из материалов с большим атомным номером и более толстыми (с учетом величины максимального пробега вторичных электронов в данном веществе).

Полупроводниковые детекторы (ППД) ионизирующих излучений

Данные типы детекторов представляют собой твердотельную ионизационную камеру, в которой роль носителей электрического заряда выполняют электроны и так называемые дырки. Действие ППД основано на свойствах полупроводников проводить электрический импульс под действием ионизирующего излучений. Из всех полупроводников наиболее пригодны для детектирования монокристаллы германия и кремния.

К методам регистрации излучений, основанным на вторичных эффектах взаимодействия их с веществом, относятся фотографический, химический и калориметрический. Последний применяют главным образом при измерении больших доз и мощных потоков ионизирующих излучений. Поэтому применение его в медицинской, биологической, экологической, сельскохозяйственной практике ограничено.

Понятие ионизирующего излучения

Радиоактивность – это свойство ядер определенных элементов самопроизвольно (без внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением. Радиоактивность является исключительно свойством ядра атома и зависит только от его внутреннего состояния. На скорость радиоактивных превращений не оказывают изменения температуры, давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.

Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью; аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных радиоактивных веществах – искусственной радиоактивностью.

Радиоактивное излучение в поперечно-магнитном поле разделяется на 3 пучка – α, β и γ. Лучи, отклоняющиеся к отрицательно заряженной пластинке, условно были названы альфа-лучами; отклоняющиеся к положительно заряженной пластинке, – бета-лучами, а лучи не отклоняющиеся в магнитном поле – гамма-лучами.

Альфа-лучи (α-частицы) представляют собой ядра атомов гелия (), испускаемые некоторыми радиоактивными элементами и движущиеся со скоростью 20000 км/с. Они состоят из двух протонов и двух нейтронов; имеют двойной положительный заряд и большую массу, равную 4,003 а.е.м. Пробег α-частиц в воздухе составляет в зависимости от энергии 2-10 см, в биологических тканях – несколько десятков микрон. Так как α-частицы массивны и обладают сравнительно большой энергией, путь их в веществе прямолинеен; они вызывают сильно выраженный эффект ионизации и флуоресценции.

Ионизация, производимая α-лучами, обуславливает ряд особенностей в тех химических реакциях, которые протекают в веществе, в частности в биологической ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.). эти радиохимические реакции, протекающие в биологических тканях под воздействием α-лучей, вызывают большую, чем у других видов ионизирующих излучений, биологическую эффективность. Поэтому α-излучающие радиоактивные изотопы при попадании в организм крайне опасны для человека и животных. Вся энергия α-частиц передается клеткам и поражает их.

Бета-лучи (β-частицы) – это поток электронов или позитронов (элементарная частица, подобная электрону, но с положительным зарядом), испускаемых при β-распаде. Физическая характеристика электронов ядерного происхождения (масса, заряд), такая же, как и у электронов атомной оболочки. β-частица обозначается символом β^- (электронный распад) и β⁺ (позитронный распад).

В отличие от α-частиц β-частицы одного и того же элемента обладают различным запасом энергии. Это объясняется тем, что при β-распаде из атомного ядра вылетают одновременно с β-частицей нейтрино. Нейтрино – это электрически нейтральная частица, движущаяся со скоростью света, не имеющая массы покоя и обладающая большой проникающей способностью. Частица, испускаемая вместе с позитроном (β⁺), называется нейтрино (ν⁺), а испускаемая вместе с электроном (β^-) – антинейтрино (ν^-). Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между β-частицей и нейтрино. Если β-частица вылетает из ядра с большим запасом энергии, то нейтрино имеет малый уровень энергии и наоборот.

Пробег β-частиц в воздухе может составлять в зависимости от энергии до 25 м, в биологических тканях – до 1 см. скорость движения β-частиц в вакууме равна 1•10¹⁰ – 2,9•10¹⁰ см/с.

Проникающая способность β-частиц примерно в 100 раз выше, чем α-частиц. Полная и удельная ионизация, создаваемая β-излучением значительно меньше, чем у α-излучения.

Гамма-лучи (γ-кванты) представляют собой поток коротковолновых электромагнитных волн, испускаемых возбужденными атомными ядрами или при радиоактивном превращении атомных ядер (α-, β-распаде) и ядерных реакциях.

γ-кванты лишены массы покоя. Это значит, что кванты (фотоны) существуют только в движении. Они не имеют заряда и поэтому в электрическом и магнитном поле не отклоняются. В веществе и вакууме γ-лучи распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Скорость распространения их в вакууме равняется скорости света (3•10¹⁰ см/с).

γ-кванты не имеют заряда, массы покоя вызывают слабо ионизирующее излучение, но обладают большой проникающей способностью. Путь пробега в воздухе достигает 100-150 м.

таким образом, наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи, а наименьшей – α-лучи. Ионизирующая способность α-лучей очень высокая, γ-квантов – низкая. β-лучи занимают в этом отношении промежуточное положение. Исходя из указанных свойств можно заключить, что радиоактивные вещества, испускающие α- и β-частицы, наиболее опасны при попадании внутрь организма. γ-лучи оказывают разрушающее действие как при нахождении источника внутри организма, так и вне его.

Рентгеновские лучи (X -лучи) – также как и γ-лучи, имеют электромагнитную природу. Они возникают при торможении быстрых электронов в электрическом поле атомов тяжелых металлов, обладают большой проникающей способностью и слабой ионизирующей способностью, вследствие чего широко используется в медицине в диагностических целях. Получают рентгеновские лучи искусственно в рентгеновских трубках, электронных ускорителях.

Нейтронное излучение – это излучение, состоящее из потока нейтронов. Нейтроны, в отличие от заряженных частиц не имеют электрического заряда, что позволяет беспрепятственно проникать вглубь атомов. Достигая ядер, они поглощаются либо рассеиваются на них. Выбивая атомы из стабильных состояний, нейтронное излучение создают наведенную радиоактивность в материалах или тканях организма. Нейтронное излучение является косвенно ионизирующим: образование ионов происходит под действием не самих нейтронов, а вторичных тяжелых заряженных частиц и γ-квантов. При этом γ-кванты вызывают образование сравнительно редко распределенных в облучаемой ткани ионов, в тяжелые заряженные частицы образуют ионы с настолько высокой плотностью, что расстояние между ними сравнимо с размерами клеточных структур. При нейтронном излучении преобладают процессы, приводящие к ионизации с высокой линейной передачей энергии, поэтому его называют также плотно ионизирующим.