Основы радиационной физики

end;

Изучение радиационной гигиены предполагает знание основ ядерной физики, особенностей взаимодействия ИИ с веществом, в частности с живой тканью.

Конец позапрошлого века был ознаменован двумя выдающимися открытиями: в 1895 году В.К. Рентген открыл неизвестный до этого вид излучения, названный позже рентгеновским. В 1896 году А. Беккерель обнаружил, что уран самопроизвольно испускает невидимые лучи. Это явление было названо радиоактивностью, а само излучение – ионизирующим излучением. Спустя три года, в 1899 году английский физик Э. Резерфорд открыл α- и β-излучения, испускаемые при распаде радиоактивных веществ.

Строение атома, виды ядерных превращений и радиоактивный распад

Основу всего многообразия материального мира составляет, как известно, относительно небольшое число химических элементов. В настоящее время известно более ста различных элементов и соответственно столько же видов атомов, которые представляют наименьшую часть химического элемента, еще сохраняющую все его свойства. Некоторые элементы в природе не обнаружены и были получены искусственным путем.

Атомы всех химических элементов имеют одинаковое строение, напоминающее строение Солнечной системы.

Аналогом Солнца является ядро, расположенное в центре, вокруг которого находятся электронные оболочки, заполненные вращающимися электронами - прообразы планет.

Размеры ядра чрезвычайно малы по сравнению с пространственными характеристиками самого атома. Если диаметр атома составляет приблизительно 10 ^-8 см, то диаметр ядра - порядка 10^-13 см. Масса атома настолько мала (10^-22 - 10^-24 г), что ее принято выражать в относительных единицах - атомных единицах массы (а. е. м.). 1 а. е. м. равна 1/12 массы атома углерода и соответствует 1,66^-24г. Практически вся масса атома заключена в ядре.

Атомное ядро представляет собой совокупность ядерных частиц - нуклонов, к которым относятся положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны (рис. 1).

Протон (р) - устойчивая ядерная частица, несущая элементарный положительный заряд (1,6 * 10^-19 кулона). Находясь вне ядра, протоны сохраняют стабильность и не испытывают превращений. Число протонов в ядре (Z) строго постоянно для атомов каждого данного элемента и соответствует порядковому номеру элемента в Периодической таблице Д. И. Менделеева. Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке атома и, в конечном счете, определяет химические свойства элемента.

Нейтрон (п) — второй вид нуклонов. В отличие от протона нейтрон не несет заряда, то есть электрически нейтрален.

Рис. 1. Строение атома

Нейтроны в ядрах стабильны, а в свободном состоянии неустойчивы. За каждые 11,7 мин половина данного числа нейтронов испытывает распад. При этом нейтрон, испуская электрон и антинейтрино и высвобождая некоторое количество энергии (0,78 МэВ), превращается в протон.

Сумма числа протонов (Z) и нейтронов в ядре атома данного элемента называется его массовым числом (М). Оно близко к целочисленному значению атомного веса (атомной массы) элемента (А). Для обозначения нуклида или изотопа слева сверху от химического символа элемента пишут атомную массу, а слева внизу – атомный номер: ^A_ZХ.

Оболочка атома образована элементарными частицами — электронами (е), имеющими массу примерно в 1840 раз меньше массы нуклонов и несущими один элементарный отрицательный заряд. Электроны вращаются на орбитах, которые группируются в определенные электронные слои, окружающие ядро, создавая его оболочку. Таких слоев может быть семь. Соответственно числу электронных слоев в периодической системе все элементы размещаются в семи периодах. Сумма отрицательных зарядов электронов оболочки уравновешивается равновеликим, но положительным зарядом ядра. Поэтому в невозбужденном состоянии атом в целом электрически нейтрален. Поскольку в каждом слое электроны имеют свой уровень энергии, то перескок отдельного электрона с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или высвобождением энергии.

Атомы, имеющие определенный состав и структуру ядра, называются нуклидами. Индивидуальность нуклида определяется зарядом ядра (числом протонов), но один и тот же элемент может иметь несколько разновидностей, которые различаются числом нейтронов и, следовательно, атомной массой, сохраняя при этом практически одинаковые химические свойства. Поскольку в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева все разновидности каждого элемента занимают одинаковое место, то их называют изотопами.

Таким образом, изотопы - это атомы одного и того же элемента, имеющие разные массовые числа. Для обозначения нуклида или изотопа слева сверху от химического символа элемента пишут атомную массу, а слева внизу - атомный номер.

Так как каждому элементу присущ только один определенный атомный номер, то при графической записи его часто опускают. Химические свойства атомов определяются внешними электронными оболочками.

Если один или несколько электронов оторвать от электронной оболочки, приложив соответствующую энергию, произойдет ионизация атома. Обратный процесс образования нейтрального атома из двух разнополярных ионов называется рекомбинацией. В случае недостаточного для ионизации количества энергии электрон может переходить на более удаленную от ядра орбиту (оболочку); в этом случае атом называется возбужденным. Переход атома из нормального состояния в возбужденное, то есть переход электрона с более низкого на более высокий уровень, сопровождается поглощением строго определенного количества энергии, равного разности соответствующих энергетических уровней. Возвращение электрона на исходный или переход его на более низкий уровень сопровождается испусканием атомом строго определенной энергии, соответствующей разности между начальным и конечным энергетическими уровнями. Теряемая атомом порция энергии выделяется в виде электромагнитных излучений (фотонов).

Вместе с тем энергия взаимосвязи между нуклонами в ядре в миллионы раз превышает энергетическое взаимодействие между электронами и ядром, что обеспечивает высокую устойчивость ядра. Такое выраженное взаимодействие между нуклонами достигается за счет так называемых ядерных сил, величина которых на коротких расстояниях (в пределах размера ядра) достигает колоссальных значений и значительно превышает влияние кулоновских сил отталкивания, действующих между одноименно заряженными частицами ядра (протонами). Поэтому многие нуклиды устойчивы, то есть в отсутствие внешнего воздействия не претерпевают никаких превращений.

Для того чтобы перевести ядро из основного состояния в возбужденное, необходимо затратить намного больше энергии, чем при подобном воздействии на атом в целом (имеются в виду электронные оболочки). В свою очередь, возвращение ядра в основное состояние сопровождается одномоментным (или в несколько этапов) выделением энергии от 0,1-3,0 МэВ для первого возбужденного уровня и до7-8 МэВ для наиболее высокого уровня возбуждения.

С ростом в ядре числа одноименно заряженных протонов действующие кулоновские силы отталкивания значительно возрастают. С другой стороны, энергия связи между нуклонами (ядерные силы) с увеличением атомного номера (размера ядра), ростом числа нейтральных нейтронов уменьшается. У элементов с атомным номером более 82 (свинец) ядерные силы притяжения уже не способны обеспечить полную устойчивость ядер. К тому же в «тяжелых» ядрах все более увеличивается соотношение между количеством протонов и нейтронов в пользу последних (происходит как бы «разрыхление» ядра) и при превышении его в 1,6 раз стабильность ядер стремительно снижается. Неустойчивость нуклидов также повышается при недостатке нейтронов (при соотношении между нейтронами и протонами менее единицы). В связи с этим даже ядра атомов элементов, расположенных в начале и середине Периодической таблицы, могут становится неустойчивыми.

Таким образом, в зависимости от состава и энергетического состояния ядра нуклиды могут быть стабильными и нестабильными, иначе - радиоактивными. Ядра радиоактивных нуклидов (радионуклидов) неустойчивы, вследствие чего в них происходят сложные процессы — ядерные превращения, конечным результатом которых является образование стабильного нуклида той или иной разновидности. Совокупность таких ядерных превращений называется радиоактивным распадом, или радиоактивностью. При каждом акте распада высвобождается энергия, которая передается дальше в виде излучения того или иного вида. Иногда образовавшийся в ходе радиоактивного распада нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения; в этом случае происходит выброс порции «чистой», квантовой, энергии, которая не имеет своего материального носителя с четкими пространственными и весовыми характеристиками. Иногда ядро последовательно испускает ряд квантов энергии, каждый раз переходя в менее возбужденное состояние, пока не станет стабильным. Это явление получило название каскадного излучения. К примеру, практически все ядра нестабильного изотопа кобальта-60 последовательно испускают два кванта энергии величиной 1,33 и 1,17 МэВ. Переход ядра из возбужденного состояния в основное путем испускания фотонов, при котором не изменяется ни атомный номер, ни атомная масса (массовое число), называется изомерным переходом. Это явление также относится к радиоактивному распаду.

Радионуклиды по своему происхождению подразделяются на природные, или естественные (появившиеся на Земле при ее возникновении или образующиеся постоянно в ядерных реакциях под воздействием космического излучения), и искусственные (образующиеся из стабильных нуклидов при работе ядерных устройств - реакторов, ускорителей либо в результате ядерных взрывов).

К основным типам ядерных превращений относятся: α-распад, β-распад, деление тяжелых ядер, синтез легких ядер, радиационный (нейтронный) захват.

При альфа-распаде (α) из ядра радионуклида выделяется α-частица, представляющая собой ядро атома гелия (⁴Не), состоящее их двух протонов и двух нейтронов, (то есть имеющее массу 4 и заряд +2) с образованием нового стабильного или радиоактивного нуклида. Отсюда следует, что при испускании α-частицы образуется нуклид, имеющий заряд на 2 единицы и массовое число на 4 единицы меньше, чем у материнского нуклида:

²²⁶₈₈Ra → ²²²₈₆Rn +⁴₂He

Из примера видно, как в результате α-распада из металла радия получается радиоактивный инертный газ радон, α-распад характерен для тяжелых (трансурановых) естественных и искусственных радионуклидов. Масса α-частицы превышает массу электрона в 7300 раз. α -распад претерпевает примерно 15 % всех радиоизотопов, которых насчитывается около 1500. Из них порядка 30 нуклидов относятся к радиоактивным семействам урана и тория. Известны многоступенчатые акты α -распада, например:

²³⁴U → ²³⁰Th → ²²⁶Ra → ²²²Rn → ²¹⁸Po → ²¹⁴Pb.

Два лишних электрона, оказавшихся в оболочке нового атома, теряются им, и атом становится нейтральным. Энергия α-частиц большинства альфа-излучателей находится в пределах 4-9 МэВ. При α-распаде могут возникать возбужденные ядра (продукты распада), которые, переходя в основное состояние, испускают γ-кванты.

Бета-распад (β) является наиболее распространенным типом распада (им обладают до 57 % всех известных радионуклидов) и может протекать в трех разновидностях. Для большинства природных и искусственных радионуклидов характерен электронный или отрицательный β-распад (46 %), при котором ядро радионуклида излучает высокоэнергетический электрон (^-1е) - бета-частицу (^-β). Реже (у некоторых искусственных радионуклидов) встречается позитронный или положительный β-распад (11 %) с испусканием позитрона (+β), а также электронный захват, при котором ядро радионуклида поглощает электрон с внутренней электронной К-оболочки собственного атома. Во всех случаях β-распада образуются новые нуклиды, ядра которых часто содержат избыток энергии, поскольку находятся в возбужденном состоянии. При переходе их в стабильное (основное) состояние избыток энергии излучается в виде гамма-квантов. Однако известен ряд β-активных радионуклидов, например, углерод-14, фосфор-32, стронций-90, рутений-106, распад которых не сопровождается гамма-излучением.

При электронном β-распаде ядро радионуклида испускает электрон. Массовое число вновь образованного радионуклида не изменяется по сравнению с массовым числом материнского радионуклида. Порядковый же номер радионуклида возрастает на единицу.

⁴⁰₁₉К → ^-е + ⁴⁰₂₀Са.

Вылет электронов сопровождается выбросом нейтрино (ν) (антинейтрино) - элементарной частицы с ничтожной массой (0,0005 от массы электрона).

Электронный распад типичен для ядер, содержащих избыточное число нейтронов, и эквивалентен превращению нейтрона ядра в протон по реакции:

¹n → ¹p + ^-β + ⁰ν

Суммарная энергия электрона и нейтрино равна максимальной энергии данного распада.

Позитронный распад наблюдается у некоторых искусственных радионуклидов, например:

³⁰₁₅P → ⁺¹e + ³⁰₁₄Si

При позитронном распаде порядковый номер радионуклида уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется. Позитронный распад характерен для ядер, содержащих избыточное число протонов, и эквивалентен превращению протона в нейтрон по реакции:

¹p → ¹n + ⁺β + ⁰ν

Позитрон в отличие от электрона недолговечен (время жизни 10^-10- 10^-7). Он соединяется с электроном, в результате чего образуются два гамма-кванта. Это явление называется аннигиляцией.

Своеобразие позитронного распада заключается в том, что масса исходного протона меньше, чем масса образовавшегося нейтрона. Поэтому испускание позитрона требует поглощения, а не выделения энергии. Эта энергия образуется при перестройке остатка исходного ядра в конечное. Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон, и пара позитрон—электрон превращается в два гамма-кванта, после чего конечное ядро становится электрически уравновешенным.

Распределение энергии между β-частицей и нейтрино (антинейтрино) в каждом акте распада совершается в различных соотношениях, поэтому β-частицы одного и того же β-источника имеют различные значения энергии — от нуля до определенного максимального значения, называемого граничной энергией бета-спектра. То есть энергетический спектр электронного и позитронного распадов в связи с одновременным испусканием нейтрино (антинейтрино) является не дискретным, а непрерывным (сплошным). Среднее значение энергии β-частиц у различных излучателей равно примерно трети максимальной. Для большинства β-источников максимальная энергия β-частиц не превышает 2-3 МэВ, но крайние значения весьма различны - от 0,018 МэВ (тритий) до 13,5 МэВ (бор-12).

Поскольку в подавляющем большинстве случаев β-распад идет с различными вероятностями переходов на возбужденные уровни, то β-излучение, как уже отмечалось, почти всегда сопровождается γ-излучением.

К-захват (захват орбитального электрона ядром) встречается у 25 % радионуклидов. При этом ядро захватывает электрон с ближайшей К-оболочки (иногда L-слоя) и происходит такое же превращение ядра, как и при позитронном распаде - «лишний» протон, соединившись с этим электроном, превращается в нейтрон, испуская нейтрино:

⁶⁴₂₉Cu + ^-е – ⁶⁴₂₈Ni

Радионуклиды освобождаются от избыточных протонов путем электронного захвата, происходящего в том случае, когда в ядре нет энергии, достаточной для позитронного распада.

На освободившееся в К-слое место перескакивает электрон из L-слоя, на место последнего - из М-слоя и т. д., причем каждый перескок связан с высвобождением некоторой энергии, которая испускается атомом в виде рентгеновского характеристического излучения.

Позитронный распад и К-захват - конкурирующие типы распада. Если возможно испускание позитрона, то возможен и К-захват. При К-захвате единственной вылетающей из ядра частицей является нейтрино.

Радиационный (нейтронный) захват или реакция активации - это поглощение нейтрона ядром стабильного или радиоактивного нуклида с образованием нового изотопа исходного или другого радионуклида.

Такой тип ядерных превращений происходит при столкновении потока медленных (с энергией до нескольких эВ) нейтронов со стабильными ядрами. Нейтроны с энергией 0,5 МэВ и более, быстро пролетая вблизи ядра, не успевают вступить с ним во взаимодействие.

При столкновении ядро захватывает нейтрон и превращается в собственный изотоп, массовое число которого увеличивается на единицу по сравнению с исходным ядром. Таким образом, новое ядро получает избыток энергии, которая высвечивается в виде гамма-кванта. Новое ядро неустойчиво и испытывает последующий электронный распад. Поэтому эту реакцию называют еще реакцией активации, а про стабильные нуклиды, претерпевшие подобные ядерные превращения в радионуклиды под действием нейтронов, говорят, что они испытывают наведенную радиоактивность.

Деление ядер тяжелых элементов (урана-235, плутония-239) происходит при поглощении ими медленных (низкоэнергетических) нейтронов. Процесс деления начинается с того, что нейтрон, влетев в ядро обстреливаемого элемента, увеличивает его массовое число на единицу (например, ²³⁵U превращается в ²³⁶U). Но новое ядро оказывается энергетически неустойчивым, вследствие чего оно мгновенно делится. При этом образуются различные пары «осколков» (в большинстве случаев γ-, β-активных), которые представляют собой ядра радионуклидов, находящихся в средней части Периодической таблицы от номера 30 (цинк) до 65 (тербий), высвобождаются 2-3 свободных нейтрона, способных вызвать деление других тяжелых ядер, а также выделяется огромное количество тепловой энергии.

Сумма зарядов «осколков» равна порядковому номеру (заряду или числу протонов) исходного ядра. Тяжелое ядро расщепляется при делении на осколки с массовым числом от 72 до 161, но чаще в двух интервалах — от 85 до 106 и от 129 до 150. При делении ядра ²³⁵U возникает около 225 радиоактивных и 25 стабильных изотопов, принадлежащих 35 элементам (от цинка-62 до тербия-161), но наибольший выход имеют нуклиды в указанных выше интервалах массовых чисел.

Образующиеся при делении тяжелых ядер осколки имеют избыточное число нейтронов и претерпевают несколько последовательных электронных распадов, как правило, с испусканием гамма-квантов различных энергий.

В результате спонтанного деления урана наибольший выход среди относительно легких ядер имеют ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, ⁹¹Y, ⁹⁵Zr, ¹⁰³Ru, ¹⁰⁶Ru, а среди относительно тяжелых — ¹³¹I, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴¹Ce, ¹⁴⁴Ce. В сумме на них приходится 55-60 % от общего вклада осколков деления. Спонтанное деление ядер имеет место у 26 изотопов, в том числе у ряда естественных: ²³⁰Th, ²³²Th, ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu.

Если возникающие при делении нейтроны используются для последующего деления других ядер, реакция становится цепной.

При делении ²³⁵U и ²³⁸U нейтронами с энергией 14 МэВ цепной процесс развивается очень быстро, так как число вторичных нейтронов достигает 4 и даже 5. Если делящийся материал для появления такого лавинного процесса имеется в достаточном количестве, то возникает мгновенная неуправляемая цепная реакция взрывного характера. Именно такие реакции лежат в основе ядерного оружия. В атомной бомбе используются ²³⁵U и ²³⁹Pu, которые делятся любыми нейтронами, но особенно интенсивно нейтронами с энергией от 0,025 до 0,5 эВ. Если масса урана или плутония мала, то цепная реакция развиться не может, так как свободные нейтроны, возникшие при делении первого же ядра, вылетают за пределы данной массы урана (плутония), не успев произвести новые акты деления. Минимальное количество делящегося вещества, в котором уже возможна цепная реакция, называется критической массой.

Число свободных нейтронов можно регулировать, то есть частично поглощать, чтобы при каждом акте деления свободным оказался только один нейтрон, который и произведет новый, но одиночный акт деления другого атома ²³⁵U и ²³⁹Pu. В ядерных реакторах плотность нейтронного потока регулируется особыми стержнями — поглотителями избытка нейтронов. Этот тип ядерных превращений в виде управляемой цепной ядерной реакции деления используется в реакторах различных типов.

Избыточные нейтроны, вылетая в окружающую среду, испытывают там радиационный захват. Таким образом, в процессе цепной реакции деления ядер тяжелых элементов помимо радиоактивных продуктов деления образуются и продукты активации. Ими становятся конструктивные материалы самой бомбы или реактора, а при взрыве — и объекты окружающей среды.

Синтез ядер легких элементов представляет собой слияние ядер изотопов водорода — трития и дейтерия в ядро гелия, что возможно лишь при нагревании смеси ядер-реагентов до температуры в несколько миллионов градусов, при которой легкие ядра, двигаясь с большими кинетическими энергиями, способны преодолеть кулоновские силы отталкивания положительно заряженных ядер и объединиться в ядра более тяжелых элементов, например:

²D + ³T → ²He + ¹n + Е (17,57 МэВ).

На Земле такая температура достижима только в условиях атомного взрыва, поэтому реакцию синтеза называют термоядерной. В результате этой реакции выделяется колоссальное количество тепловой энергии с образованием мощного нейтронного и гамма-излучения. Реакция синтеза ядер используется в термоядерном оружии (водородной бомбе), в котором для достижения высокой температуры (инициации) применяется урановый или плутониевый заряд.

Источником трития в водородной бомбе служит дейтерий лития. Реакция термоядерного взрыва совершается в два этапа. Сначала с литием реагируют нейтроны от деления урана (плутония) атомного запала, а дейтерий в реакцию не вступает:

⁶Li + ¹n → ³T + ⁴Не.

На втором этапе ядра дейтерия, высвобожденные из дейтерия лития на первом этапе реакции, взаимодействуют с ядрами трития по реакции, приведенной выше. При слиянии ядер этих двух изотопов водорода высвобождается 17,57 МэВ энергии.

Термоядерная реакция синтеза невозможна между тяжелыми ядрами, обладающими слишком высоким кулоновским барьером, непреодолимым даже для теплового движения сверхвысоких температур.

Хотя среди продуктов термоядерной реакции синтеза нет осколочных радионуклидов, потоки нейтронов вызывают наведенную активность объектов окружающей среды. Для увеличения мощности водородная бомба заключена в толстую оболочку из урана. Поэтому взрыв ядерной бомбы крупного калибра основан на принципе «деление—синтез—деление» и сопровождается значительным загрязнением окружающей среды радиоактивными осколками деления.

Радионуклиды трудно получить в абсолютно чистом виде. Обычно они находятся в смеси с нерадиоактивными веществами в количествах, зачастую не поддающихся весовому определению. Поэтому мерой количества радионуклида служит не масса, выраженная в граммах, а активность или число ядерных превращений (распадов) в единицу времени. Одинаковые весовые количества различных радионуклидов обычно имеют различную активность, так как скорость распада у них неодинакова. Активность пропорциональна количеству радионуклида; она зависит от скорости распада и уменьшается со временем.

Единица активности — беккерель (Бк) — одно ядерное превращение в секунду. Специальной единицей активности является кюри (Ки), равное 3,7 * 10¹⁰ Бк. Кюри — достаточно большая величина. В области радиационной гигиены, радиобиологии в расчетах и практической деятельности чаще используют дольные единицы: милликюри (1 мКи = 1 * 10^-3 Ки); микроюори (1 мкКи = 1 * 10^-6 Ки); нано кюри (1 нКи = 1 * 10^-9 Ки = 37 Бк).

Для практических целей в радиометрии пользуются также числом распадов в минуту: 1 Ки = 2,22 * 10¹² расп/мин.

Концентрацией радиоактивного вещества в любой среде называют количество распадов на единицу объема или массы. Единицами концентрации радионуклида являются Бк/кг, Бк/л (Ки/л, Ки/кг). Концентрация 1 Ки/л означает, что в 1 л жидкости или газа активностью в 1 кюри в секунду происходит 3,7 * 10¹⁰, а в минуту — 2,22 * 10¹² распадов. Понятие «удельная активность» — синоним концентрации.

Ядерные превращения, независимо от типа, носят вероятностный характер. Скорость радиоактивного распада ядер разных радионуклидов неодинакова, однако в равные промежутки времени распадается одна и та же доля ядер каждого конкретного радионуклида – закон радиоактивного распада. Время, в течение которого распадается половина всех ядер данного радионуклида, называется периодом полураспада.

Следует также отметить, что скорость радиоактивного распада для каждого радионуклида — строго определенная величина, и никакие температурные воздействия, давление или катализаторы не в силах ее изменить. Чем короче период полураспада, тем быстрее идет распад. В зависимости от скорости распада радионуклиды делятся (в достаточной мере условно) на короткоживущие, период полураспада которых исчисляется секундами, минутами, часами, днями, неделями; среднеживущие (месяцы, годы), и долгоживущие, чьи периоды полураспада составляют от десятков до миллиардов лет.

Чем короче период полураспада радионуклида, тем выше его радиоактивность при одинаковой массе и наоборот: при равной активности разные по периоду полураспада радионуклиды имеют различную массу. Так, для ¹³¹I, у которого период полураспада равен 8,06 сут, масса с активностью в 1 Ки составляет всего 0,008 мг, а аналогичная по активности масса ²³⁸U периодом полураспада, равным 4,5 млрд. лет, - около 3 т.

Виды ионизирующего излучения

Радиоактивный распад сопровождается излучением — выделением из ядер элементарных частиц и (или) γ-квантов, неизбежно взаимодействующих с атомами и молекулами среды, в которой находятся радионуклиды. Это взаимодействие возможно благодаря некоторому запасу энергии, с которым частицы и кванты вылетают из материнского ядра. Результаты этого взаимодействия различны, однако наиболее важным из них является эффект ионизации — образование ионов — положительно и отрицательно заряженных частиц. Излучение, производящее в среде эффект ионизации, называется ионизирующим (в качестве сокращенной формы допускается использование термина «излучение»).

Важнейший фактор в явлениях взаимодействия излучения со средой — ионизационные потери, которые представляют собой акт ионизации, происходящий в том случае, когда кинетическая энергия облучающей частицы больше энергии связи орбитального электрона с ядром атома облучающейся среды. При этом электрон может быть сорван с оболочки облучаемого атома, и электрически нейтральный атом временно превращается в заряженное образование — ион, несущий положительный заряд. Сорванный электрон, теряя свою кинетическую энергию на ионизацию встречных атомов (вторичная ионизация), замедляется и захватывается каким- либо атомом, превращающимся при этом в отрицательный ион, то есть возникает пара ионов.

Помимо ионизационных потерь энергии, в веществе с высоким атомным номером имеют значение так называемые радиационные потери, возникающие при торможении движущейся частицы в электрическом поле встречных атомов. Энергия, затраченная при этом движущейся частицей, высвечивается квантами тормозного рентгеновского излучения. Радиационные (тормозные) потери выражены слабее в среде, состоящей из легких атомов. Воздух и биологические среды содержат тяжелые атомы в ничтожных количествах, и возникающее в этих средах тормозное рентгеновское излучение крайне слабо. Биологического значения оно практически не имеет.

Излучения наряду с ионизацией вызывают возбуждение атомов среды (перевод электронов с ближайшей к ядру оболочки на более удаленную от него). Возбуждение атомов требует меньше энергии, чем ионизация. В связи с этим летящая заряженная частица способна возбуждать атомы, расположенные на большем удалении от ее траектории, чем при ионизации. Поэтому на каждый акт ионизации приходится примерно два-три акта возбуждения.

Ионизированное состояние длится лишь стомиллионные доли секунды (10^-8 с), после чего положительный ион, присоединив к себе любой свободный электрон, рекомбинирует, то есть восстанавливается в нейтральный атом. Рекомбинация сопровождается перегруппировкой орбитальных электронов; при этом энергия излучения. ранее поглощенная атомом при ионизации, превращается в простых веществах в тепловую энергию колебания молекул, но в некоторых веществах высвобождается (высвечивается) в виде квантов γ-, рентгеновского или ультрафиолетового излучения и даже видимого света. В последнем случае возникает явление люминесценции. Таким же путем избыток энергии отдается и возбужденными атомами. В сложных веществах возвращение в невозбужденное состояние может приводить к появлению химически активных радикалов и к другим химическим превращениям, которые, в свою очередь, способны изменить физические свойства облучаемого объекта.

Таким образом, ионизирующее излучение (ИИ), взаимодействуя с веществом, вызывает в нем различные эффекты: первичные (ионизация, возбуждение, люминесценция) и вторичные (химические и физические изменения). На выявлении перечисленных эффектов основаны средства и методы обнаружения и регистрации ИИ.

Из физических свойств ИИ, оказывающих влияние на их потенциальные возможности ионизировать нейтральные атомы, важными являются энергетические характеристики частиц и фотонов. Связь величины энергии излучения с возможным неблагоприятным воздействием на организм вполне понятна: чем больше величина энергии, тем больше способность к ионизации при столкновении различных «носителей» ИИ с нейтральными атомами. Поэтому одной из важнейших характеристик ИИ является энергетический спектр, представляющий распределение «носителей» ИИ по энергии.

Различают спектры дискретные и непрерывные. В первом случае величина энергии принимает дискретные (строго конкретные) значения, например 2, 5, 7, 5 МэВ. Во втором — возможны произвольные значения из некоторого интервала: 12-23 кэВ, 1-5 МэВ. Существуют энергетические спектры α-, β-, γ-, нейтронного или рентгеновского излучений и т. п.

Ионизирующее излучение классифицируется по разным признакам (рис. 2).

Рис. 2. Виды ионизирующего излучения

В частности, различают два вида ионизирующего излучения: корпускулярное и фотонное.

Корпускулярное ионизирующее излучение представляет собой поток элементарных частиц, обладающих определенной энергией и массой покоя, отличной от нуля.

Частицы, имеющие электрический заряд (α-частицы, электроны, позитроны, протоны) и кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов среды, относятся к непосредственно ионизирующему излучению. Нейтральные элементарные частицы (нейтроны с разной энергией) из-за отсутствия электрического заряда сами по себе не вызывают ионизацию, однако в процессе взаимодействия их со средой происходит образование заряженных частиц, способных давать эффект ионизации. Поэтому нейтральные частицы относят к косвенно ионизирующим.

Фотонное ионизирующее излучение также является косвенно ионизирующим. Оно представляет собой поток электромагнитных колебаний (квантов) с определенной длиной волны и энергией, распространяющихся прямолинейно и равномерно во все стороны от источника в вакууме с постоянной скоростью, близкой к скорости света (299792,8 км/с).

По условиям образования различают следующие виды фотонного ионизирующего излучения:

— γ-излучение с прерывистым (дискретным) энергетическим спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния ядер в процессе радиоактивного распада, а также при аннигиляции частиц (позитрона и электрона). Испускание γ-квантов происходит в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением. Этот избыток мгновенно высвечивается в виде γ-кванта.

— тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром, которое возникает при изменении скорости и кинетической энергии заряженных частиц, связанном с их торможением в электрическом поле ядра атома;

— характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, образующееся при изменении энергетического состояния атома в связи с перестройкой его внутренних электронных оболочек (перестройка внешних электронных оболочек атома сопровождается испусканием видимого света, инфракрасного или ультрафиолетового излучения, которые, как уже отмечалось, не относятся к ИИ);

— рентгеновское излучение — совокупность тормозного и характеристического излучения, генерируемого рентгеновскими аппаратами в диапазоне энергии квантов от 1 кэВ до 1 МэВ.

Взаимодействие ионизирующего излучения со средой

Ионизирующее излучение, образующееся в процессе ядерных превращений, распространяется в веществе окружающей среды и взаимодействует с его атомами. Выяснение характера и особенностей этого взаимодействия имеет важное значение для предупреждения или снижения вредного влияния ИИ на организм человека, а также для оценки его последствий.

При взаимодействии со средой ИИ передают ей свою энергию, однако для каждого вида излучений этот процесс и его последствия, в том числе радиобиологические эффекты, имеют выраженную специфику (рис. 3).

Рис. 3. Основные виды ионизирующего излучения и их проникающая способность

Корпускулярное непосредственно ионизирующее излучение (поток положительно или отрицательно заряженных частиц) взаимодействует главным образом с электронами оболочек атомов среды и в очень малой мере — с электрическим полем ядер атомов, поскольку диаметр всего атома (с электронными оболочками) примерно в 105 раз больше, чем диаметр ядра, а различие в их объемах составляет соответственно 1015 раз. В процессе взаимодействия энергия частиц излучения постепенно расходуется в основном на ионизацию и возбуждение атомов среды и, в конечном счете, полностью передается среде. После этого частица завершает пробег и прекращает свое существование.

Длина пробега частицы, имеющая важное значение для оценки радиобиологического эффекта, зависит от ее энергии, массы и величины заряда, а также от характера облучаемой среды. С энергией частицы пробег связан прямой зависимостью, с массой и величиной заряда — обратной. Отсюда следует, что пробег α-частицы с энергией 4 МэВ будет меньше, чем α-частицы, имеющей энергию 9 МэВ, в одной и той же среде. Рассмотрим теперь в этом плане α-частицу и отрицательную β-частицу (электрон) с одинаковыми величинами энергии. Поскольку масса электрона в несколько тысяч раз меньше массы альфа-частицы, скорость электрона будет значительно больше (так, если скорость α-частиц достигает 20 тыс. км/с, то скорость полета β-частицы близка к скорости света и составляет 200-270 тыс. км/с). Чем меньше скорость частицы, тем больше вероятность ее взаимодействия с атомами среды, следовательно, больше потери энергии на единице пути пробега, а значит, и меньше пробег. Кроме того, заряд электрона по абсолютной величине вдвое меньше заряда α-частицы. Вследствие этого вероятность взаимодействия электрона с атомами среды в один и тот же момент времени и соответственно количество образуемых ионов на единице пробега будет меньше, чем у α-частицы.

Таким образом, при равенстве энергии длина пробега электрона будет значительно больше, чем у α-частицы в одной и той же среде, а плотность ионизации существенно меньше. Так, например, при энергии около 4 МэВ пробег β-частиц составляет в воздухе 17 м, в мягкой биологической ткани — 2 см; α-частиц — 2,5 см и несколько десятков (порядка 30) микрон соответственно.

Повреждающее действие излучений на биологическую ткань находится в прямой зависимости от удельной ионизации — числа пар ионов, образующихся на единице пути пробега частицы. Этот показатель связан с линейной передачей энергии (ЛПЭ) — величиной энергии, теряемой заряженной частицей на единицу длины пробега. Значения этих показателей в одной и той же среде для α-частиц существенно больше, чем для β-частиц при одинаковой начальной энергии.

Что касается характера облучаемой среды, то пробег заряженных частиц в среде будет тем меньше, чем больше в ней концентрация электронов. Более высокой концентрацией электронов обладают атомы тяжелых элементов, и это обстоятельство учитывается при выборе материалов для защиты от непосредственно ионизирующего (корпускулярного) излучения.

Линейная и объемная плотности ионизации (число пар ионов, возникающих на единицу пути пробега или в данном объеме вещества), производимой α-частицами, очень велики. Полная ионизация составляет 120-250 тыс. пар ионов при энергии 4-9 МэВ; удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздухе. Чем выше энергия частицы, то есть чем быстрее ее полет, тем меньше вызываемая ею плотность ионизации. Но по мере растрачивания энергии пробег α-частицы в веществе замедляется и к концу пробега удельная плотность производимой ею ионизации возрастает в 3-4 раза, а затем падает до нуля. Так как пробег обратно пропорционален плотности вещества поглотителя, а биологическая ткань примерно в 730 раз плотнее воздуха, то, например, пробег α-частицы ²¹⁰Ро в биологических тканях равен лишь 45 мкм, но зато удельная плотность ионизации огромна. В среднем она составляет более 3400 пар ионов на 1 мкм пути. Обладая большой массой, α-частицы при взаимодействии со встречными атомами практически не меняют своего движения, а создаваемая ими ионизация носит колонный характер, образуя плотные скопления ионов вдоль вектора пробега (так называемые «треки»). Когда α-частица окончательно израсходует весь свой запас кинетической энергии, то присоединяет к себе два свободных электрона, которые всегда есть в веществе, и превращается в нейтральный атом гелия.

Обладая относительно большой массой и зарядом, α-частицы имеют незначительную проникающую способность. Вследствие этого они могут быть полностью задержаны листом плотной бумаги, одеждой, слоем резины хирургических перчаток и эпидермисом кожи. Однако при попадании α-излучающих нуклидов внутрь организма степень их опасности резко возрастает.

β-излучение возникает при радиоактивном распаде ядер или нестабильных частиц или при взаимодействии фотонов с веществом.

Как уже отмечалось, скорость полета β-частиц по сравнению с α-частицами значительно выше и может достигать величин, соизмеримых со скоростью света. Благодаря такой скорости и меньшему заряду проникающая способность β-частиц примерно на два порядка больше, а линейная плотность ионизации примерно в 800 раз меньше и составляет в среднем примерно 100—300 пар ионов на 1 см пути в воздухе. Свою энергию бета-частицы затрачивают не только на ионизацию, но и на рассеяние. Имея малую массу, большую скорость и отрицательный заряд, они отскакивают от орбитальных электронов встречных атомов.

При столкновении с электроном β-частица передает ему (так называемому дельта-электрону) энергию до 1000 эВ. Обладая такой энергией, дельта-электроны производят вторичную ионизацию, при которой образуется до 30-40% и более пар ионов от общего количества, создаваемого при прохождении β-частиц. Отклоняясь многократно от первоначального направления, β-частица может даже полететь в обратном направлении (обратное рассеяние). Истинная протяженность пробега β-частиц в 1,5-4,0 раза больше толщины слоя вещества, через которое они прошли. Чем меньше кинетическая энергия β-частиц и чем плотнее поглотитель, тем короче их пробег и наоборот. Общее количество пар ионов, создаваемых β-частицей при прохождении в веществе, пропорционально се начальной энергии.

Определение толщины слоя различных экранов, полностью поглощающих β-частицы различных энергий, имеет решающее значение для расчета защиты. Толщину слоя поглощения обычно выражают в единицах поверхностной плотности, то есть в граммах на квадратный сантиметр (г/см²), другими словами, указывают число граммов, находящихся в столбике данного вещества с основанием в 1 см² и с высотой, равной пробегу. Глубина проникновения 1 г/см² равносильна 1 см пробега в воде.

При расчетах широко используется такая характеристика, как слой половинного ослабления потока β-частиц представляющий собой такую толщину поглотителя, которая ослабляет интенсивность пучка β-частиц данной энергии в два раза.

Толщина слоя вещества, в котором происходит полное поглощение β-частиц, соответствует максимальной длине пробега β-частиц с энергией, равной граничной энергии данного β-спектра.

β-частицы средних энергий задерживаются оконным стеклом, подошвой обуви, но могут вызывать поражение кожных покровов, роговицы и т. п. Поэтому даже при работе с мягкими β-излучателями руки должны быть защищены перчатками, а от жестких β-частиц (с энергией 1,5 МэВ и выше) следует защищаться экранами из органического стекла.

Корпускулярное косвенно ионизирующее излучение (поток нейтронов) взаимодействует ввиду отсутствия заряда только с ядрами облучаемой среды при непосредственном контакте с ними. Результатом взаимодействия, сопровождающегося передачей энергии среде и ослаблением нейтронного потока, является образование непосредственно и косвенно ионизирующего излучения с уменьшенными по сравнению с исходными величинами энергии. Полного поглощения нейтронов (в отличие от заряженных частиц) в среде не происходит, нейтронный поток ослабляется по экспоненциальному закону.

Основными типами взаимодействия нейтронов с облучаемой средой являются упругое и неупругое рассеяние, радиационный захват и реакции деления ядер.

Упругое рассеяние заключается в том, что нейтрон, обладающий определенным запасом энергии, при столкновении с ядром атома передает ему часть энергии, а сам изменяет направление своего движения. Суммарная энергия нейтрона и ядра до и после взаимодействия не изменяется, причем, чем больше масса неподвижного ядра по сравнению с массой движущегося нейтрона, тем меньшая доля энергии будет ему передана при столкновении. При равных массах сталкивающихся объектов (например, с ядром водорода) движущееся тело (в данном случае нейтрон) будет терять в среднем половину своей энергии. Ядро атома, получившее дополнительную энергию («ядро отдачи»), покидает свои электронные оболочки и, обладая положительным зарядом, производит ионизацию. В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона последовательно уменьшается и достигает значения, равного примерно 0,025 эВ, что соответствует энергии теплового движения атомов и молекул среды. В связи с этим такие нейтроны называются тепловыми. В последующем происходит реакция радиационного захвата — поглощение теплового нейтрона ядром одного из атомов среды с выделением избытка энергии в виде гамма-излучения и образованием изотопа исходного нуклида, как правило, радиоактивного.

Неупругое рассеяние происходит путем поглощения нейтрона ядром, но с последующей ядерной реакцией того или иного типа с выделением α-частицы или протона и образованием ядра нового нуклида. После поглощения нейтрона ядром возможна также реакция с выделением нейтрона меньшей энергии, γ-излучения и образованием ядра исходного нуклида.

Вероятность того или иного типа взаимодействия зависит от энергии нейтронов и характера ядер атомов облучаемой среды. По уровню энергии нейтроны условно могут быть разделены на:

- медленные: холодные, тепловые и надтепловые (с энергией от 0,025 до нескольких эВ);

- резонансные (до 500 эВ);

- промежуточные (0,5 эВ - 0,5 МэВ);

- быстрые (быстрые, очень быстрые и сверхбыстрые) с энергией от 0,5 до 300 МэВ и более.

Разной энергии соответствует и разная скорость полета, которая у медленных (тепловых) нейтронов составляет около 2200 м/с, тогда как скорость нейтронов с энергией в 1 МэВ достигает 14 000 км/с.

Для нейтронов с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ доминирующим является упругое рассеяние, эффективность которого в отношении потери энергии нейтронами находится в обратной зависимости от массы ядер атомов облучаемой среды. Так, при каждом акте упругого рассеяния на ядрах водорода нейтрон теряет в среднем 50% энергии, на ядрах углерода (более тяжелого нуклида) — от 14 до 17 %.

Для того чтобы быстрый нейтрон с энергией в 1 МэВ стал тепловым (медленным) с Еn- 0,025 эВ, необходимо, чтобы в течение 10^-6 с произошло его столкновение с 25 ядрами водорода, 100 ядрами углерода или с 2100 ядрами урана. В связи с этим в качестве замедлителей быстрых нейтронов используют материалы, содержащие преимущественно легкие элементы (водород, бор, углерод и другие). Чаще всего в качестве таких материалов применяют воду, пластмассы, парафин.

Для нейтронов с энергией 0,5 эВ-200,0 кэВ наиболее характерно неупругое рассеяние, происходящее, как правило, на ядрах атомов элементов середины и конца Периодической системы Д. И. Менделеева.

Тепловые нейтроны с энергией до 0,5 эВ подвергаются главным образом радиационному захвату, причем ядра атомов ряда химических элементов отличаются избирательно высокой способностью поглощать тепловые нейтроны (бор, бериллий, кадмий, европий и некоторые другие), что используется в построении биологической защиты и системах управления ядерным реактором.

Фотонное ионизирующее излучение (γ-, рентгеновское), проходя через среду, взаимодействует преимущественно с электронными оболочками. В незначительной мере имеет место также взаимодействие с электрическим полем и нуклонами ядер. В результате этих процессов энергия фотонного излучения убывает по экспоненциальному закону, преобразуясь в кинетическую энергию электронов, которые и производят ионизацию в облучаемой среде.

Энергия γ-квантов различных гамма-излучателей колеблется от 0,01 (мягкие у-лучи) до 3 МэВ (жесткие) и редко достигает величины 5-6 МэВ. Как уже отмечалось, у-источники практически не бывают моноэнергетическими. Однако «набор» различных величин энергии для каждого источника постоянен и образует дискретный спектр излучения.

Так как γ-излучение равномерно и прямолинейно распространяется во все стороны, то акты первичной ионизации встречных атомов реализуются в случае столкновения кванта с одним из орбитальных электронов и поэтому возможны значительно реже, чем, например, при облучении β-частицами. Электрон, выбитый квантом при ионизации, в свою очередь уже ионизирует другие встречные атомы, и такая вторичная ионизация по частоте значительно превосходит первичную. В зависимости от атомного номера облучаемого вещества и от величины энергии γ-квантов их взаимодействие с атомами вещества происходит по-разному.

Мягкое γ-излучение с энергией до 0,05 МэВ преимущественно вызывает фотоэффект, излучение с энергией от 0,05 до 1 МэВ — комптоновский эффект, а жесткое (более 1,02 МэВ) — образование пар электрон-позитрон.

Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение) заключается в полном поглощении энергии γ-кванта каким-либо орбитальным электроном (чаще всего электроном К-слоя). Часть энергии кванта при этом затрачивается на преодоление энергии связи электрона с ядром, а остаток ее сообщается выбиваемому электрону («электрон отдачи»), который покидает оболочку атома и на своем пути ионизирует атомы и молекулы вещества. На освободившееся место в орбите К-слоя перескакивает электрон L-слоя, причем разность энергии высвечивается квантом рентгеновского излучения. На L-слой перескакивает электрон М-слоя и т. д. Вероятность фотоэффекта возрастает с увеличением атомного номера элемента. С увеличением же энергии фотонного излучения вероятность фотоэффекта быстро падает.

Комптоновский эффект (комптоновское или некогеррентное рассеяние) возникает тогда, когда γ-квант выбивает с внешней оболочки атома орбитальный электрон, передавая ему часть своей энергии, а сам продолжает движение в несколько ином направлении (рассеивается под некоторым углом). После нескольких актов комптоновского рассеяния при уменьшении энергии кванта до 0,05 МэВ происходит его фотоэлектрическое поглощение. Выбитые с орбит электроны производят вторичную ионизацию других атомов.

Вероятность рассеяния возрастает пропорционально концентрации электронов в веществе, которая постоянна у легких (за исключением водорода) и средних элементов и несколько снижается у тяжелых.

Образование пар (электрон-позитронных) происходит при пролете γ-кванта вблизи ядра атома. Под воздействием электрического поля ядра он превращается в пару частиц: электрон и позитрон. Последний, встретившись с любым свободным или орбитальным электроном, немедленно с ним аннигилирует, «уничтожается» с образованием двух γ-квантов меньших энергий, которые в дальнейшем претерпевают комптоновское превращение или фотоэлектрическое поглощение.

Образование пар может происходить только в том случае, когда энергия фотона больше суммы энергий, взаимосвязанных с массой покоя электрона и позитрона, равных по 0,511 МэВ, то есть при энергии фотона больше 1,02 МэВ. Вероятность образования пар растет с увеличением энергии фотона и атомного номера элемента - поглотителя.

Вероятность попадания γ-кванта в орбитальный электрон атома поглотителя невелика, и, следовательно, плотность первичной и вторичной ионизации, вызываемой γ-квантами, очень мала. По сравнению с плотностью ионизации, производимой β-частицами, она меньше примерно на два порядка, а α-частицами — на четыре порядка. Поскольку уменьшение энергии γ-излучения в веществе на единицу пути относительно невелико, то оно обладает сильной проникающей способностью.

Ослабление γ-излучения тем сильнее, чем меньше энергия квантов и больше объем, плотность и порядковый номер поглотителя и, следовательно, количество орбитальных электронов. Поэтому при выборе материалов для защиты учитывают, что ослабление γ-излучения наиболее эффективно происходит в веществах, содержащих тяжелые элементы, поскольку они имеют большое количество электронов на оболочках. Эффективность различных защитных материалов оценивают через слой половинного ослабления γ-излучения, который, в частности, для γ-квантов с энергией 2,5 МэВ в воздухе составляет 200 м, в свинце — 1,8 см, в бетоне — 10 см, а в дереве — 25 см.

Доза ионизирующего излучения

Общим свойством ИИ, независимо от вида, является их способность при взаимодействии со средой передавать ей свою энергию. Именно это обстоятельство легло в основу установления количественной связи между уровнем воздействия и возникающими под влиянием ИИ эффектами в среде, прежде всего в биологической ткани.

При оценке влияния радиации на здоровье человека необходимо знать, что эффект от воздействия зависит прежде всего от дозы облучения. Различают экспозиционную, поглощенную, эквивалентную, эффективную дозы.

Экспозиционная доза (Х) характеризует ионизационную способность только фотонного излучения при его взаимодействии исключительно с воздухом и определяется суммарным зарядом ионов одного знака, возникающих в единице массы воздуха при полном торможении всех вторичных электронов, образованным фотонным излучением.

Поглощенная доза (D) измеряется отношением энергии, переданной ионизирующим излучением веществу к единице массы этого вещества. Для характеристики какого-либо вида ионизирующего излучения ранее применялся коэффициент качества, который показывает, во сколько раз данный вид излучения оказывает более сильное биологическое действие, чем рентгеновское и гамма-излучение, при одинаковой поглощенной энергии в единице массы вещества. В настоящее время коэффициент качества получил название взвешивающих коэффициентов для отдельных видов излучения (WR).

Эквивалентная доза (H) – это произведение поглощенной дозы данного вида излучения в определенной ткани на взвешивающий коэффициент этого излучения. Однако для оценки риска отдаленных последствий облучения понятие эквивалентной дозы не является исчерпывающим. Разные части тела, органы, ткани существенно отличаются с точки зрения радиочувствительности. Поэтому для учета и сравнения риска отдаленных стохастических (вероятностных) последствий облучения введена эффективная эквивалентная доза, или просто эффективная доза (HЭФ), которая представляет собой произведение эквивалентной дозы на взвешивающий коэффициент для тканей и органов (WT). Необходимость введения эффективной дозы становится понятной из следующего примера. Так, риск возникновения отдаленных радиационных эффектов, например рака, оказывается одинаковым при облучении щитовидной железы в дозе 1 Гр и всего тела в дозе 0,05 Гр.

В радиобиологических исследованиях установлено, что при одной и той же поглощенной дозе биологические эффекты неодинаковы для разных видов ИИ, поскольку они отличаются величиной ЛПЭ и плотностью ионизации. В связи с этим для оценки опасности различных видов излучения по их ЛПЭ было введено понятие коэффициента качества (к), отражающего относительную биологическую эффективность (ОБЭ) излучения. Относительная биологическая эффективность — это отношение поглощенной дозы эталонного излучения к поглощенной дозе данного излучения, вызывающего тот же биологический эффект. В качестве эталонного принято рентгеновское излучение с энергией 180-200 кэВ, при котором линейная плотность ионизации за счет вторичных электронов минимальна по сравнению с другими видами излучения и составляет около 100 пар ионов на 1 мкм в воде.

Мощность дозы – отношение полученной дозы к единице времени.

Количество радиоактивного вещества может быть оценено не только его активностью, но и путем сравнения мощности его излучения с мощностью доз излучения эталонного источника. Так, в качестве меры количества у-излучающего радионуклида принят гамма-эквивалент источника — условная масса точечного источника радия-226, создающего на данном расстоянии такую же мощность экспозиционной дозы, как и данный источник. Единицей гамма-эквивалента является килограмм-эквивалент радия (кг-экв радия) и его дольные величины — г-экв радия, мг-экв радия, создающие на расстоянии 1 см мощность экспозиционной дозы соответственно 8,4 * 10⁶; 8,4 * 10³; 8,4 Р/ч. Например, если источник кобальт-60 создает на расстоянии 1 см мощность экспозиционной дозы 16,8 Р/ч, то его гамма-эквивалент будет равен 2 мг-экв радия.

Биологическое действие ионизирующих излучений и влияние на здоровье человека