Радиоактивность. Основные характеристики.

Основными характеристиками радиоизотопов (радионуклидов) являются:

1. Активность.

2. Тип (способ) распада.

3. Период полураспада.

4. Вид и энергия излучения.

Активность радионуклида А в источнике (образце) есть отношение числа dN спонтанных ядерных превращений, происходящих в источнике (образце) за интервал времени dt, к этому интервалу:

А= dN/dt.

Единица активности радионуклида в СИ - Беккерель (Бк). Беккерель равен активности радионуклида в источнике (образце), в котором за 1с происходит одно спонтанное ядерное превращение. Внесистемная единица активности - Кюри (Кu), при этом 1 Кu=3,7×10¹⁰ Бк.

Активность радионуклида с течением времени уменьшается по закону радиоактивного распада:

где А(t), А₀ - активность нуклида в источнике в текущий и начальный (t=0) моменты времени соответственно;

- постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада ядра за 1 секунду и равная доле ядер, распадающихся за единицу времени;

T_1/2 - период полураспада - время, в течение которого распадается половина первоначального количества ядер, при этом активность радионуклида уменьшается в 2 раза.

Для смеси радионуклидов суммарная активность определяется из уравнения:

где A _oi - активность i-го нуклида в момент времени t=0;

l_i - постоянная распада i-го нуклида.

Каждый радионуклид распадается вполне определенным способом, при этом распад ядер сопровождается испусканием:

a-частиц (ядер атомов гелия) при a-распаде,

 b^- - частиц (электронов) - при электронном (b^-) - распаде,

 b⁺ - частиц (протонов) - при протонном (b⁺) - распаде и др.

Образующиеся в результате указанных распадов дочерние ядра, как правило, оказываются возбужденными. Снятие энергии возбуждения и переход дочернего ядра в основное (стабильное) или менее возбужденное состояние происходит путем испускания гамма-кванта (фотона).

Переход ядра из возбужденного состояния в невозбужденное с испусканием g-излучения называется изомерным переходом.

Фотон может и не вылетать из атома, а поглотиться одним из электронов внутренних оболочек, который в результате перейдет в свободное состояние. Это явление называется внутренней конверсией g-лучей. Электроны, образовавшиеся вследствие такого внутреннего фотоэффекта, называются конверсионными.

В ряде случаев вся энергия g-излучения расходуется на явление внутренней конверсии и вместо вылета фотонов из атома наблюдается вылет только электронов конверсии. Внутренняя конверсия сопровождается испускание рентгеновского характеристического излучения.

Таким образом, радиоактивный распад сопровождается испусканием корпускулярных частиц (a, b⁺, b^-, конверсионные электроны) и фотонов.

Дозиметрические величины.

Результатом воздействия ионизирующих излучений на облучаемые объекты являются различные радиационные эффекты - обратимые и необратимые физико-химические или биологические изменения в этих объектах, зависящие от величины воздействия и условий облучения.

Физические величины, функционально связанные с радиационным эффектом, называются дозиметрическими.

Основной физической величиной, определяющей степень радиационного воздействия, является поглощенная доза ионизирующего излучения D - отношение средней энергии , переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

Единица поглощенной дозы в СИ - грей (Гр). Грей равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения, равная 1 Дж, т.е. 1Гр = 1Дж/кг.

Внесистемной единицей поглощенной дозы ионизирующего излучения является рад (рад). Рад равен поглощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу массой 1кг передается энергия ионизирующего излучения, равная 100 эрг. Таким образом, 1рад = 0,01Гр.

Поглощенная доза ионизирующего излучения является мерой ожидаемых последствий облучения объектов как живой, так и неживой природы. Она не зависит от вида ионизирующего излучения (a, b, g, X, n и др.) и его энергии, но для одного и того же вида и энергии излучения зависит от вида вещества.

Поэтому, когда говорят о поглощенной дозе, необходимо указывать, к какой среде это относится: к воздуху, воде или другой среде.

В повседневной жизни человек подвергается хроническому облучению естественными и искусственными источниками ионизирующих излучений в малых дозах. Установлено, что в этом случае биологический эффект облучения зависит от суммарной поглощенной энергии и вида (качества) излучения.

По этой причине для оценки радиационной безопасности при хроническом облучении человека в малых дозах, т.е. дозах, не способных вызвать лучевую болезнь, используется эквивалентная доза ионизирующего излучения H_т - произведение «тканевой дозы» (дозы на орган) D_т на взвешивающий коэффициент w_R для излучения R:

H_т= w_R× D_т.

При этом доза на орган - средняя поглощенная доза в определенной ткани или органе человеческого тела задается в виде:

где m_т - масса ткани или органа,

D - поглощенная доза в элементе dm.

Если в пределах органа или ткани D=const, то D_т= D.

Если поле излучения состоит из нескольких излучений с различными значениями w_R, то эквивалентная доза определятся в виде:

Единица эквивалентной дозы в СИ - зиверт (Зв).

Зиверт равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на взвешивающий коэффициент w_R равно 1Дж/кг. Следовательно,

1Зв=1Гр/ w_R.

Внесистемной единицей эквивалентной дозы ионизирующего излучения является бэр (бэр). Бэр равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на взвешивающий коэффициент w_R равно 100 эрг/г. Таким образом, 1 бэр=0,01 Зв=1рад/ w_R.

Безразмерная единица коэффициента w_R в СИ - зиверт на грей (Зв/Гр), во внесистемных единицах - бэр на рад (бэр/рад).

Разные органы или ткани человека могут облучаться неравномерно, причем они имеют разную чувствительность к облучению (радиочувствительность).

Для учета указанных обстоятельств введена эффективная доза ионизирующего излучения Е - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет собой сумму произведений эквивалентной дозы H_Tt в органе или ткани Т за время t на соответствующий взвешивающий коэффициент w_Т для данного органа или ткани:

Единицы эффективной дозы совпадают с единицами эквивалентной дозы. Взвешивающий коэффициент w_Т равен отношению стохастического (вероятностного) риска смерти r_T в результате облучения Т-го органа или ткани к риску смерти от равномерного облучения тела при одинаковых эквивалентных дозах:

Поглощенная, эквивалентная и эффективная дозы характеризуют меру ожидаемого эффекта облучения для одного индивидуума. Эти величины являются индивидуальными дозами.

Для оценки меры ожидаемого эффекта при облучении больших групп людей, вплоть до целых популяций, используется коллективная эффективная доза S - величина, определяющая полное воздействие от всех источников на группу людей. Она представляет собой сумму произведений средней эффективной дозы Е_i для i-ой подгруппы большой группы людей на число людей N_i в подгруппе:

Единица коллективной эффективной дозы в СИ - человекозиверт (чел·Зв), внесистемная единица - человекобэр (чел·бэр).

На практике до настоящего времени применяется экспозиционная доза Х фотонного излучения - это отношение суммарного заряда dQ всех ионов одного знака, созданных в сухом атмосферном воздухе при полном торможении электронов и позитронов, которые были образованы фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, к массе воздуха в указанном объеме:

Х=dQ/dm.

Единица экспозиционной дозы в СИ - кулон на килограмм (Кл/кг).

Кулон на килограмм равен экспозиционной дозе, при которой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в воздухе массой 1кг, производят в воздухе ионы, несущие электрический заряд 1Кл каждого знака.

Внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген. Рентген - это единица экспозиционной дозы фотонного излучения, которая в 1см³ сухого воздуха при температуре 0⁰С и давлении 760 мм рт.ст. приводит к образованию 2,08×10⁹ пар ионов, несущих заряд в одну электростатическую единицу электричества каждого знака.

Соотношение внесистемной единицы и единицы экспозиционной дозы в СИ имеет вид:

1Р=2,58×10^-4Кл/кг.

Экспозиционная доза характеризует ионизационную способность рентгеновского и гамма-излучения в воздухе, т.е. является характеристикой поля фотонного, а не всех видов ионизирующего излучения, причем только в диапазоне энергий от нескольких кэВ до 3МэВ и только для воздуха. По этим причинам экспозиционная доза и ее мощность, а также все внесистемные единицы (кюри, рад, бэр, рентген и др.) с 1.01.1990 г. изымаются из употребления.

Однако в обращении находится еще много приборов радиационного контроля, шкалы которых проградуированы во внесистемных единицах - в рентгенах, радах, Рентгенах в час, а также в кратных или дольных единицах (например, в миллирентгенах или в микрорентгенах в час).

Чтобы оценить при этом поглощенную дозу в биологической ткани, следует знать, что в условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощенная доза 0,873 рад в воздухе или 0,95 рад в биологической ткани. Поэтому с погрешностью до 5% экспозиционную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в ткани в радах можно считать совпадающими.