Физические свойства и источники ионизирующего излучения

Виды ионизирующего излучения

Ионизирующее излучение - в самом общем смысле - различные виды микрочастиц и физических полей, способные ионизировать вещество. В более узком смысле к ионизирующему излучению не относят ультрафиолетовоеизлучение и излучение видимого диапазона света, которое в отдельных случаях также может быть ионизирующим. Излучение микроволнового и радиодиапазонов не является ионизирующим.

Наиболее значимы следующие виды ИИ: коротковолновое электромагнитное излучение (рентгеновское и гамма-излучения), потоки заряженных частиц: бета-частиц (электронов и позитронов), альфа-частиц, протонов, мюонов, ионов атомов и др., а также нейтронов.

По механизму взаимодействия с веществом выделяют непосредственно (потоки заряженных частиц) и косвенно ИИ (потоки нейтральных элементарных частиц - фотонов и нейтронов). По механизму образования - первичное ИИ (рождённое в источнике) и вторичное ИИ (образованное в результате взаимодействия излучения другого типа с веществом).

Физические свойства и источники ионизирующего излучения

Различают природные (естественные) и антропогенные (искусственные, созданные человеком) источники ИИ. Основную часть облучения человек получает от естественных источников радиации (рис. 1). В природе ИИ обычно генерируется в результате спонтанного радиоактивного распада радионуклидов, ядерных реакций (синтез и индуцированное деление ядер, захват протонов, нейтронов, альфа-частиц и др.) происходящих в земной коре, а также при ускорении заряженных частиц в космосе (природа такого ускорения космических частиц до конца не ясна). Искусственными источниками ИИ являются искусственные радионуклиды (генерируют альфа-, бета- и гамма-излучения), ядерные реакторы (генерируют главным образом нейтронное и гамма-излучение), радионуклидные нейтронные источники, ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение), рентгеновские аппараты (генерируют тормозное рентгеновское излучение).

Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи (внешнееоблучение), или они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма (внутреннее облучение).

Облучению от естественных источников радиации подвергаются все жители Земли, при этом уровень облучения может зависеть от местожительства (залегание радиоактивных пород), а также образа жизни людей (строительные материалы, газ для приготовления пищи, открытые угольные жаровни, герметичность помещений, пищевой рацион, полеты на самолетах и т.д.). Земные источники радиации в сумме ответственны за бoльшую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. Остальную часть радиации вносят космические лучи (рис. 2).

Космические лучи, в основном, приходят к нам из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время солнечных вспышек. Космические лучи могут достигать поверхности Земли или взаимодействовать с ее атмосферой, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов. При этом Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых, в основном, и состоят космические лучи). Уровень облучения растет с высотой над поверхностью Земли, поскольку уменьшается слой воздуха, играющего роль защитного экрана.

Основные радионуклиды, встречающиеся в горных породах Земли, - это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало от урана-238 и тория-232, включившихся в состав Земли с самого ее рождения.

В среднем примерно 70% эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом.

Совсем небольшие дозы приходится на радиоактивные изотопы типа углерода-14 и трития, которые образуются под воздействием космической радиации. Все остальное поступает от источников земного происхождения. Достаточно большую долю радиации человек получает от калия-40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Ещё бoльшую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда урана-238 и, в меньшей степени, - от радионуклидов ряда тория-232. Некоторые из них, например, нуклиды свинца-210 и полония-210 (концентрируются в рыбе и моллюсках), поступают в организм с пищей.

Наиболее весомым из всех естественных источников радиации является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (в 7,5 раза тяжелее воздуха) радон. Радон вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада ответствен примерно за 75% годовой эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой человеком от земных источников радиации. Большую часть этой дозы человек получает от радионуклидов, попадающих в его организм вместе с вдыхаемым воздухом. Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в наружном воздухе (в зонах с умеренным климатом) в закрытых помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Радон концентрируется в воздухе внутри помещений лишь тогда, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Поступая внутрь помещения тем или иным путем (просачиваясь через фундамент и пол, высвобождаясь из материалов, использованных в конструкции дома), радон накапливается в нем и создаёт достаточно высокие уровни радиации.

Естественное фоновое ионизирующее излучение равно ~ 2,4 мЗв/год.

На рис. 3 представлена диаграмма распределения доз облучения от природных и антропогенных источников

Рис. 3. Дозы облучения от природных и антропогенных источников

Энергия частиц ИИ лежит в диапазоне от ~ 100 эВ (рентгеновское излучение, бета-излучение некоторых радионуклидов) до 10¹⁵ - 10²⁰ эВ и выше (протоны космических лучей). В зависимости от типа частиц и их энергии сильно различаются длина пробега и проникающая способность ИИ - от долей миллиметра в конденсированной среде (альфа-излучение радионуклидов, осколки деления) до многих километров (высокоэнергетические мюоны космических лучей).