Ионизирующие излучения

1. Источники ионизирующих излучений

 

Ионизирующее излучение (ionizing radiation) – это любое излучение, вызывающее ионизацию среды, т. е. протекание электрических токов в среде (в том числе и в организме человека), что приводит к разрушению клеток, изменению состава крови, ожогам и другим тяжким последствиям.

Ионизирующие излучения разделяются на два вида: электромагнитные (γ–излучения, рентгеновское излучение) с очень малой длиной волны и корпускулярные (α–, β–излучения, нейтронное излучение).

γ–излучение обладает небольшой ионизирующей и большой проникающей способностью, оно может быть задержано лишь толстой свинцовой или бетонной плитами. Это коротковолновое, высокочастотное электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света, возникающее в процессе ядерных реакций или радиоактивного распада.

α–излучение обладает большой ионизирующей и малой проникающей способностью (не проходит через внешний слой кожи). Оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие α– частицы, не попадут внутрь организма через рану, с пищей, с вдыхаемым воздухом. Тогда оно становится чрезвычайно опасным.

β–частицы могут проникать в ткани организма на глубину 12 см, поэтому они одинаково опасны как при непосредственном прикосновении к излучаемому веществу, так и на расстоянии.

Различают естественную (природную) радиоактивность и искусственную (у элементов, получаемых искусственным путем).

 

Естественные  источники ионизирующих излучений

Природная радиоактивность была открыта  в 1898 году физиком Беккерелем при  исследовании солей урана. Пьер и  Мария Кюри, изучая радиоактивность  других химических элементов, открыли  ранее не известные элементы, названные  радием и полонием, радиоактивность  которых во много раз превосходила радиоактивность урана. Основную часть  облучения население Земного  шара получает от естественных источников радиации земного и космического происхождения. Человек подвергается облучению двумя способами: внешним облучением (радиоактивные вещества находятся вне организма) и внутренним (зараженные пища, воздух, вода).

Уровень радиации в некоторых местах Земного шара, особенно там, где залегают радиоактивные породы, оказывается  значительно выше среднего, а в  других местах, соответственно, ниже. Доза облучения зависит также от образа жизни людей. Применение некоторых  строительных материалов, использование  газа для приготовления пищи, герметизация помещений, полеты на самолетах –  все это увеличивает уровень  облучения за счет естественных источников радиации. Космические лучи, попадающие на поверхность Земли, порождают  вторичное излучение и осуществляют внешнее облучение людей.

Наиболее весомыми из всех естественных источников радиации является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый  газ (в 7,5 раза тяжелее воздуха) – радон со своими дочерними продуктами. Этот газ ответствен за три четверти годовой дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и за половину дозы от всех естественных источников.

Большую часть радона получает человек  вместе с вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемых помещениях. В  природе радон встречается в  двух основных формах: радон-222 (от распада  урана-238) и радон-220 (от распада тория- 232). Но наибольшая часть облучения  идет от его дочерних продуктов распада. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Источником радона являются природный  газ, используемый в жилых домах, некоторые источники воды. Наибольшая концентрация радона обнаружена в ванной комнате (в 3 раза выше, чем на кухне, и в 40 раз выше, чем в жилой комнате).

Другими источниками  радионуклидов радона служат уголь, сжигаемый в жилых домах или на ТЭЦ, термальные водоемы, фосфатные месторождения (для производства удобрений и как кормовая добавка), а также строительные материалы, изготавливаемые из золы и шлака.

 

Искусственные источники ионизирующих излучений

 За последнее десятилетие  человек создал сотни искусственных  радионуклидов и научился использовать  энергию атома в различных  целях: в медицине, в производстве  атомного оружия, для получения  энергии, в средствах обнаружения  пожаров, для изготовления светящихся  циферблатов, для поиска полезных  ископаемых и т. д. Все это  приводит к увеличению дозы  облучения как отдельных людей, так и населения Земли в целом.

Индивидуальные дозы, получаемые людьми разных профессий от искусственных  источников радиации, сильно различаются. В большинстве случаев эти  дозы весьма невелики, но иногда облучение  за счет техногенных источников оказывается  во много тысяч раз интенсивнее, чем за счет естественных.

Радиация от техногенных источников контролируется легче, чем от естественных источников, но облучение, связанное  с радиоактивными осадками от ядерных  взрывов, аварий, также невозможно контролировать, как и облучение, обусловленное  космическими лучами или земными  источниками.

2. Рентгеновское и гамма-излучения. Гамма-распад

 

Рентгеновское излучение.

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное излучение высокой частоты и с короткой длиной волны, возникающее при бомбардировке вещества потоком электронов. Важнейшим свойством рентгеновского излучения является его большая проникающая способность. Рентгеновские лучи могут возникать в рентгеновских трубках, электронных микроскопах, мощных генераторах, выпрямительных лампах, электронно-лучевых трубках и др.

Как и видимый свет, рентгеновское  излучение вызывает почернение фотопленки. Это его свойство имеет важное значение для медицины, промышленности и научных исследований. Проходя сквозь исследуемый объект и падая затем на фотопленку, рентгеновское излучение изображает на ней его внутреннюю структуру. Поскольку проникающая способность рентгеновского излучения различна для разных материалов, менее прозрачные для него части объекта дают более светлые участки на фотоснимке, чем те, через которые излучение проникает хорошо.

Рентгеновское излучение используется в химии для анализа соединений и в физике для исследования структуры  кристаллов. Пучок рентгеновского излучения, проходя через химическое соединение, вызывает характерное вторичное  излучение, спектроскопический анализ которого позволяет химику установить состав соединения.

Применение рентгеновского излучения при лечении рака основано на том, что оно убивает раковые клетки. Однако оно может оказать нежелательное влияние и на нормальные клетки. Поэтому при таком использовании рентгеновского излучения должна соблюдаться крайняя осторожность.

Рентгеновское излучение было открыто немецким физиком В.Рентгеном (1845–1923). Его имя увековечено и в некоторых других физических терминах, связанных с этим излучением: рентгеном называется международная единица дозы ионизирующего излучения; снимок, сделанный в рентгеновском аппарате, называется рентгенограммой; область радиологической медицины, в которой используются рентгеновские лучи для диагностики и лечения заболеваний, называется рентгенологией.

Получение рентгеновского излучения

Рентгеновское излучение возникает  при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются  с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть  переходит в тепло, а небольшая  доля, обычно менее 1%, преобразуется  в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в  форме квантов – частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю. Рентгеновские фотоны различаются своей энергией, обратно пропорциональной их длине волны. При обычном способе получения рентгеновского излучения получают широкий диапазон длин волн, который называют рентгеновским спектром.

Обнаружение рентгеновского излучения

Все методы обнаружения рентгеновского излучения основаны на их взаимодействии с веществом. Детекторы могут  быть двух видов: те, которые дают изображение, и те, которые его не дают. К  первым относятся устройства рентгеновской  флюорографии и рентгеноскопии, в  которых пучок рентгеновского излучения  проходит через исследуемый объект, а прошедшее излучение попадает на люминесцентный экран или фотопленку. Изображение возникает благодаря  тому, что разные части исследуемого объекта поглощают излучение  по-разному – в зависимости  от толщины вещества и его состава. В детекторах с люминесцентным экраном  энергия рентгеновского излучения  превращается в непосредственно  наблюдаемое изображение, а в  рентгенографии оно регистрируется на чувствительной эмульсии и его  можно наблюдать лишь после проявления пленки.

 

Гамма-излучение

 

Гамма-излучение относится к электромагнитному излучению и представляет собой поток квантов энергии, распространяющихся со скоростью света. Они обладают более короткими длинами волн, чем рентгеновское излучение. Гамма-излучение свободно проходит через тело человека и другие материалы без заметного ослабления и может создавать вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходит. Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.

Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей его от рентгеновского излучения, можно считать  величину 10^-10 м. При столь малых длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные свойства излучения. Гамма-излучение представляет собой поток частиц - гамма-квантов или фотонов, с энергиями Е=hν. Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам.    Частота гамма-излучения (> 3∙10¹⁸ Гц) отвечает скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и с участием элементарных частиц. Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица-античастица. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, дает важную информацию о структуре этих микрообъектов.

Механизм возникновения  и характеристики излучения

Источником гамма-излучения  являются:

- торможение быстрых заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер вещества) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение);

- процессы в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд;

- переходы ядра из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения обычно лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ и спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра;

- при распадах частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с большими энергиями - десятки-сотни МэВ.

Применение гамма-излучения

Гамма-излучение используется в  технике (напр., дефектоскопия), радиационной химии (для инициирования химических превращений, напр., при полимеризации), сельском хозяйстве и пищевой  промышленности (мутации для генерации  хозяйственно-полезных форм, стерилизация продуктов), в медицине (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.

 

Гамма-распад

В отличие от α- и β-радиоактивности, γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Гамма - распад - не существует

В процессе радиоактивного излучения  ядра атомов могут испускать гамма-кванты. Испускание гамма-квантов не сопровождается распадом ядра атома.

 Гамма излучение зачастую  сопровождает явления альфа- или бета-распада.

 При альфа- и бета-распаде новое возникшее ядро первоначально находится в возбужденном состоянии и , когда оно переходит в нормальное состояние, то испускает гамма-кванты (в оптическом или рентгеновском диапазоне волн).

Так как радиоактивное излучение  состоит из альфа-частиц, бета-частиц и гамма-квантов (т.е. ядер атома гелия, электронов и гамма-квантов), то явление радиоактивности сопровождается  потерей массы и энергии ядра, атома и вещества в целом.