Ионизирующие излучения и их характеристика

В условиях производственной среды, а также в повседневной жизни на организм человека помимо ультрафиолетового, инфракрасного, лазерного, электромагнитного излучения оптического и радиочастотного диапазонов могут оказывать влияние и ионизирующие излучения (ИИ).

Почти одновременно с открытием рентгеновского излучения и радиоактивного распада человек столкнулся с вопросами защиты от повреждающего действия ионизирующего излучения.

Известно, что конец XIX и первая половина XX века были ознаменованы выдающимися открытиями, связанными с ИИ:

- в 1895 г. профессором физики Вюрцбургского университета Вильгельмом Конрадом Рентгеном были открыты X-излучения, способные проникать через твердые тела и распространяться в воздухе на расстояния, измеряемые метрами. В последующем эти излучения были названы рентгеновскими лучами, а первой рентгенограммой в истории человечества было изображение кисти жены Рентгена – Берты;

- в 1896 г. Анри Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает невидимые лучи. Это явление было названо радиоактивностью, а само излучение – ионизирующим излучением;

- в 1899 г. французский физик Пьер Кюри и его супруга, выдающаяся ученая из Польши, Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивные свойства радия и полония. Пьер Кюри изучал действие радия на коже собственной руки, а Мария Склодовская-Кюри в процессе исследования часто держала в руках это вещество и лабораторную посуду. Известно, что до настоящего времени их научные рукописи имеют большой уровень радиации;

- в 1899 г. виднейший английский физик Эрнест Резерфорд открыл альфа- и бета-излучения, испускаемые при распаде радиоактивных веществ (РВ). В дальнейшем он создал теорию распада РВ, а в последующие годы им было установлено, что при облучении альфа-частицами атомов азота образуются атомы кислорода, т.е. впервые была открыта возможность искусственных ядерных превращений;

- в 1930 г. при бомбардировке ядер беррилия, лития и бора было обнаружено, что наряду с протонами образуется особый неизвестный вид излучения, названный вначале беррилиевыми лучами, а в последующем английским физиком Дж. Чедвиком, одновременно с Фредериком Жолио-Кюри, изучавшим это излучение и показавшим, что оно представлено нейтральными частицами, названо нейтронами;

- в 1935 г. Ирэн Кюри и Фредерик Жолио-Кюри сделали открытие в области искусственной радиоактивности.

В 1928 г. на II Международном конгрессе радиологов в Стокгольме была создана Международная комиссия по защите от рентгеновских лучей и лучей радия, которая в 1950 г. была переименована в Международную комиссию по радиационной защите (МКРЗ), сыгравшую важную роль в разработке рекомендаций по допустимым уровням облучения различных категорий населения.

И так, ионизирующие излучения – это такие излучения, которые при взаимодействии с веществом вызывают ионизацию и возбуждение его атомов и молекул.

Ионизирующие излучения по своей физической природе делятся на электромагнитные (фотонные) и корпускулярные (частицы).

К первой группе ИИ относятся рентгеновское и γ-излучение, обладающие высокой энергией.

По физическим свойствам между рентгеновскими и γ-лучами принципиальных различий нет. Независимо от происхождения фотонных излучений, при их энергии до 250 кэВ они относятся к рентгеновскому излучению, а выше 250 кэВ - к гамма-излучению.

Если говорить о происхождении этих видов ИИ, то нужно отметить, что различают тормозной и характеристический вид излучения. Тормозное излучение возникает при торможении в электрическом поле атомных ядер ускоренных заряженных частиц (электро­нов). Характеристическое излучение возникает при переходе электрона с одной из внешних орбит на вакантное место, образовавшееся на внут­ренней орбите.

Тормозное и характеристическое излучения обычно относят к рентгеновским лучам, а образующееся при ядерных перестройках - к гамма-излучению. При таком разделении спектры рентгеновских и γ -лучей перекрываются.

Ко второй группе ИИ, т.е. к корпускулярным излучениям, относятся заряженные частицы, имеющие большой запас кине­тической энергии, и способные с высокой скоростью перемещаться в пространстве и вызывать возбуждение и ионизацию атомов. В эту группу входят электроны и позитроны (β-частицы), протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра дейтерия), α-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы (ядра других элементов).

Кроме того, к корпускулярным излучениям относят не имеющие заряда нейтроны и отрицательно заряженные мезоны.

Различные виды ионизирующих излучений характеризуются определенной ионизирующейи проникающейспособностью.

Так, α-частицы обладают большой ионизирующей и малой проникающей способностью, длина пробега их в воздухе составляет 3 см – 11 см, а в тканях организма – несколько микрон. Альфа – активностью обладают естественные радиоактивные изотопы, начиная по таблице Д. И. Менделеева с порядкового номера 83 (висмут-83). Исходя из указанных свойств α-альфа – излучатели совершенно не опасны как внешние облучатели и чрезвычайно опасны при попадании в организм (ингаляционным путем, с продуктами питания, водой).

Бета-излучатели встречаются как среди легких, так и среди тяжелых элементов. Ионизирующей способностью β-излучение обладает в меньшей степени, чем альфа-излучение, но при этом имеет большую проникающую способность. Длина пробега бета-частиц составляет в воздухе 10 м – 15 м, а в тканях организма – несколько миллиметров;

Рентгеновское и γ-излучение – по своим свойствам идентичны. Длина пробега рентгеновских и гамма-квантов в воздухе составляет сотни, а в биологических средах – десятки метров. Ионизирующая способность этих излучений невелика, однако они обладают высокой проникающей способностью и поэтому могут взаимодействовать с атомами вещества в глубине объекта.

Известно соотношение по «ионизирующей способности» между перечисленными видами ионизирующих излучений:

α : β : γ = 10000 : 100 : 10;

а также по «проникающей способности»:

α : β : γ = 10 : 100 : 10000.

Нейтронное излучение возникает в процессе деления ядер урана, плутония в ядерных реакторах. Т.к. нейтроны не имеют заряда, они обладают большой проникающей способностью. Опасность их состоит в том, что нейтроны легко проникают в ядра стабильных атомов, делая их радиоактивными, и при этом возникает наведенная радиация. Данное свойство нейтронов используется для получения искусственных радиоактивных изотопов.

Для характеристики ионизирующего излучения также используется понятие «энергия излучения», от которой зависит их проникающая способность. Она выражается в электрон-вольтах (эВ). 1эВ – это энергия, которую приобретают электроны, проходя через электрическое поле с разностью в 1 вольт. Производными данной единицы измерения являются:

1 килоэлектрон – вольт (КэВ) = 1 х 10³ эВ;

1 мегаэлектрон – вольт (МэВ) = 1 х 10⁶ эВ.

Энергия ионизирующих излучений колеблется от сотен КэВ до нескольких десятков МэВ.

Методы регистрации ИИ. Ионизирующие излучения измеряются и обнаруживаются по тем специфическим физическим процессам, которые происходят при взаимодействии этих излучений с веществами (ионизация, возбуждение атомов, образование вторичных излучений и др.). Во всех случаях регистрируется ионизация или обусловленные ею вторичные эффекты. Метод, основанный на непосредственной регистрации эффекта ионизации, называется ионизационным.

Вторичные эффекты ионизации могут быть измерены с помощью фотографического, люминесцентного, химического и других методов.

Фотографический метод регистрации ионизирующих излучений основан на их свойстве воздействовать на фотоэмульсию подобно видимому свету, вызывая ее почернение. Используется для измерения внешних потоков корпускулярных излучений, определения доз квантовых излучений, исследования радиоактивности, ее распределения в различных объектах.

В случае смешанных потоков (β-, γ-излучений и др.) для раздельной регистрации плотности почернения, обусловленной различными излучениями, пленки помещают в многопольную кассету.

Следует отметить, что фотографический метод может быть использован и для регистрации нейтронов. При этом фотопленка регистрирует протоны отдачи, возникающие при взаимодействии нейтронов с кадмиевым фильтром. Для таких измерений подбирают специальные пленки с толстослойной («ядерной») эмульсией.

В сцинтилляционном методе регистрации основную роль играют возбужденные атомы и молекулы, образующиеся в веществах, под влиянием ионизирующего излучения. Переход возбужденных атомов в основное состояние сопровождается световой вспышкой. Способность излучения вызывать свечение некоторых веществ используется, для его регистрации. Детекторы, основанные на этом принципе, получили название сцинтилляционные счетчики. Сцинтилляционные детекторы особенно широко используются для регистрации α-, β- и γ-излучения.

В течение последних лет развитие получили методы дозиметрии, основанные на использовании своеобразных физических явлений, происходящих в некоторых твердых телах под воздействием ионизирующих излучений. Сущность этого явления заключается в том, что в твердом теле (люминофоре) под воздействием ионизирующего излучения происходит накопление поглощенной энергии, которая может быть освобождена при дополнительном возбуждении. В зависимости от типа дополнительного возбуждения различают следующие методы люминесценции: радиофотолюминесценцию (возбуждение светом предварительно облученного вещества); радиотермолюминесценцию (нагрев предварительно облученного вещества) и хемилюминесценцию (возбуждение за счет энергии, выделяющейся при химических реакциях).