Радиоактивность. Виды ионизирующих излучений и их характеристики

Ионизирующие излучения – потоки частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов и молекул среды. Чаще всего их возникновение связано с радиоактивностью – самопроизвольным превращением (распадом) одних атомных ядер в другие, сопровождаемым испусканием ионизирующих излучений. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется одинаковым законам.

Для измерения активности радиоактивных веществ в международной системе единиц СИ принят беккерель (Бк), равный одному распаду в секунду. На практике может использоваться другая единица – кюри (Ки) – Ки = 3,7 х 10¹⁰ Бк.

Важнейшей характеристикой любого радиоактивного вещества является период его полураспада – Т_½ -время, по истечению которого число радиоактивных атомов вещества уменьшается в два раза. У одних радиоактивных веществ этот период исчисляется тысячами и даже миллиардами лет, а у других – секундами или их долями. Например, Т_½ урана-235 – около 700 млн.лет, радона-219 – 4с, а полония-212 – всего 0,0000003 с. Радиоактивное загрязнение окружающей среды обычно характеризуется плотностью загрязнения местности (кБк/м²; Ки/км²) и различных поверхностей (расп/см² х мин), а также объемной активностью (Бк/л; Ки/л) и удельной активностью (Бк/кг; Ки/кг) объема или массы вещества.

 

Виды ионизирующих излучений

 

Ионизирующие излучений по своей природе подразделяются на корпускулярные (альфа- и бета-частицы) и электромагнитные (гамма- и рентгеновские лучи). При искусственно вызванном распаде ядер вещества (ядерный взрыв, работа ядерного реактора или ускорителя электронных частиц и т.д.) наряду с перечисленными видами ионизирующих излучений имеет место также нейтронное излучение. Основными характеристиками ионизирующих излучений являются:

- удельная ионизирующая способность (число пар ионов, образующихся на 1 см пути распространения излучения в данной среде);

-длина пробега частицы или расстояние, на котором электромагнитное излучение способно ионизировать среду;

-скорость распространения излучения.

Для одной и той же среды эти характеристики зависят от энергии излучения, которая в свою очередь определяется конкретным радиоактивным веществом.

Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона. Это сравнительно тяжелые частицы (массой в 7360 раз больше массы электрона) высоких энергий (2-8 МэВ), излучаемые почти исключительно ядрами тяжелых элементов – урана, плутония, тория, радона и т.д. Обладая значительными массой, зарядом и относительно небольшой скоростью движения (около 2500 км/с), альфа-частицы имеют высокую ионизирующую способность (40000 пар ионов на 1 см пути в воздухе). Вследствие большого расхода энергии на ионизацию, длина пробега этих частиц незначительна и в воздухе составляет 1-8 см. В тканях организма человека, имеющих большую по отношению к воздуху плотность, длина пробега альфа-частиц ничтожна. Альфа-частицы не могут проникнуть ни через одежду человека, ни через кожный эпителий. Поэтому если источник излучения этих частиц находится вне организма (внешнее облучение), они не представляют сколько-нибудь серьезной опасности здоровья людей. Однако при попадании этого источника внутрь организма, например с пищей или воздухом (внутреннее облучение), альфа-частицы становятся исключительно опасными для человека.

Бета-частицы (электроны или позитроны) подобно альфа-частицам обладают способностью к ионизации вещества. Но поскольку масса бета-частицы значительно меньше массы альфа-частицы, среднее значение удельной ионизации бета-частицы в воздухе – около 100 пар ионов на одном сантиметре пути, а длина пробега – несколько метров, при скорости частиц, близкой к скорости распространения электромагнитных излучений. При облучении тела человека длина ее пробега составляет всего несколько миллиметров. Бета-частицы задерживаются одеждой, а при внешнем облучении открытого тела человека, в зависимости от величины энергии излучения, они могут задерживаться в кожном эпителии, вызывая его пигментацию (так называемый “ядерный загар”) и ожоги кожи, либо проникать через него, образуя язвы на теле. Особую опасность для здоровья представляет попадание бета – частиц внутрь организма с пищей, водой и воздухом.

Гамма-излучение как и любое другое электромагнитное излучение, существует в виде отдельных порций – квантов, обладающих определенной энергией. Оно возникает главным образом при радиоактивном распаде ядер атомов вещества и принципиально не отличается от рентгеновского, испускаемого электронной оболочкой атома и быстрыми электронами при их взаимодействии с веществом. Гамма-кванты электрически нейтральны, поэтому само по себе гамма-излучение ионизирующими свойствами не обладает. Ионизация происходит за счет передачи части энергии гамма-квантов электронам облучаемого вещества, разрыва их связи с ядрами атома и придания им начальной скорости движения. Поэтому удельная ионизирующая способность гамма-излучения относительно невелика и характеризуется образованием нескольких пар ионов на одном сантиметре пути в воздухе. Вместе с тем расстояния, на которые распространяется гамма-излучение в воздухе, достигают нескольких километров.

Гамма-излучения обладают высокой проникающей способностью через вещества, имеющие большую плотность, в том числе и через ткани тела. При этом она тем выше, чем больше энергия гамма-излучения. На практике ослабление интенсивности гамма-излучения различными веществами характеризуется величиной слоя половинного ослабления, представляющего слой вещества, при прохождении которого интенсивность гамма-излучения уменьшается в два раза. Для различных веществ величина этого слоя при одной и той же энергии излучения будет разной, так как она зависит от свойств вещества и прежде всего от его плотности.

 

Величина слоя половинного ослабления

гамма-излучения. Таблица 26

Энергия γ–излучения, мэВ	Величина слоя половинного ослабления
воздух, м	алюминий, см	свинец, см
0,5		3,2	0,4
1,0		4,4	1,0
2,0		6,0	1,4

 

Высокая проникающая способность гамма-излучения делает его одинаково опасным как при внутреннем, так и при внешнем расположении источника радиоактивного излучения.

Нейтронное излучение имеет место только при искусственно вызванном радиоактивном распаде. Нейтроны электрически нейтральны, и это позволяет им беспрепятственно проникать в глубь атомов облучаемого вещества. Достигая ядер, нейтроны либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них, теряя значительную часть энергии и скорость. Особенно большое количество энергии (до 50%) нейтроны теряют при столкновении с почти равными им по весу ядрами атомов водорода. Поэтому вещества, содержащие большое количество атомов водорода (вода, графит, парафин), широко используются как для защиты от нейтронного излучения, так и для замедления движения нейтронов. Например, вода служит в качестве замедлителя быстрых нейтронов, они становятся неустойчивыми и, распадаясь, порождают протоны, бета-частицы и фотоны гамма-излучения. При таких ядерных реакциях могут образовываться новые радиоактивные изотопы и возникает наведенная радиоактивность, в свою очередь, тоже вызывающая ионизацию (например, при ядерном взрыве).

Таким образом, при нейтронном облучении людей конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой вторичными частицами или фотонами гамма-излучения. Следовательно, степень ионизации среды при нейтронном воздействии зависит от энергии нейтронов, а также от химического состава облучаемого вещества. Нейтроны по величине их энергии могут быть представлены четырьмя группами: быстрые нейтроны с энергией более 100 кэВ, промежуточные – с энергией от 100 до 1 кэВ, медленные – с энергией менее 1 кэВ и тепловые нейтроны с энергией около 0,025 эВ. Эффективность воздействия нейтронов на живой организм по отношению, например, к эффективности гамма-излучения превосходит последнее, когда речь идет о медленных нейтронах, в три раза, а если воздействие на человека оказывается быстрыми нейтронами, - в десять раз.

При облучении организма человека разными видами ионизирующих излучений в различных дозах возникают количественно, а иногда и качественно различные биологические эффекты, определяемые критериями характера воздействия данного вида излучения на организм человека.