Лекция №6. Ионизирующие излучения

Ионизирующие излучения (ИИ) — потоки элементарных частиц (электронов, пози­тронов, протонов, нейтронов) и квантов электромагнитной энергии, прохождение которых через вещество приводит к ионизации (образованию разпополярных ионов) и возбуждению его атомов и молекул.

Ионизация — превращение нейтральных атомов или молекул в электрически заряжен­ные частииы - ноны.

ИИ попадают на Землю в виде космических лучей, возникают в результате радиоак­тивного распада атомных ядер (альфа и бета-частнцы, гамма— и рентгеновские лучи), создаются искус­ственно на ускорителях заряженных частиц.

Радиоактивность — самопроизвольный распад ядер атомов нестабильных химиче­ских элементов (изотопов), сопровождаюшийся выделением (излучением) потока элемен­тарных частии и квантов электромагнитной энергии. При взаимодействии такого потока с веществом происходит образование ионов разного (положительного и отрицательного) знака, поэтому это явление называют еше ионизирующим излучением.

Альфа-излучение - поток положительно заряженных частиц - ядер гелия. В насто­ящее время известно более 120 искусственных и естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская а-частниу, теряют 2 протона и 2 нейтрона. Скорость частиц при распадесоставляет 20 тыс. км в секунду. При этом альфа-частицы обладают наименьшей проникающей способ­ностью, длина их пробега (расстояние от источника до поглощения) в теле равна 0.05 мм, в воздухе - 8—10 см. Они не могут пройти даже через лист бумага, но плотность ионизации на единицу величины пробега очень велика (на 1 см до десятка тысяч пар), поэтому эти частииы обладают наибольшей ионизирующей способностью и опасны внутри организма.

Бета-излучение представляет собой поток электронов или позитронов ядерного происхождения. Позитрон– элементарная частица, подобная электрону, но с положительным знаком заряда (античастица электрона). Физические параметры электронов ядерного происхождения (масса, заряд) такие же, как и у электронов атомной оболочки. Обозначаются бета-частицы символами β^- или е^-, β⁺ или е⁺.

В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов. Масса бета-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше альфа-частиц, но они обладают большей проникающей способностью. Их ско­рость равна 200-300 тыс. км/с. Длина пробега потока от источника в воздухе составляет 1800 см. в тканях человека - 2,5 см. Бета-частицы полностью задерживаются твердыми материалами (алюминиевой пластиной в 3,5 мм, органическим стеклом); их ионизирующая способность в 1000 раз меньше, чем у альфа-частиц.

Гамма-излучение - электромагнитное излучение с частотой около 10²⁰ Гц и длиной волны от 1 • 10^-7 м до 1 • 10^-14 м; испускается при торможении быстрых электронов в веществе. Оно возникает при распаде большинства радиоактивных веществ и обладает большой проникающей способно­стью; распространяется со скоростью света. В электрических и магнитных полях гамма-лучи не отклоняются. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, так как плотность ионизации на единицу длины очень низкая.

Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубках, в электронных ускорителях, при торможении быстрых электронов в веществе и при переходе электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние, когда создаются ионы. Рентгеновские лучи, как и гамма-излучение, обладают малой ионизирующей способностью, но большой глубиной проникновения.

Нейтроны (нейтронное излучение) — поток электронейтральных частиц атомного ядра, их масса в 4 раза меньше массы альфа-частиц. Время их жизни - около 16 мин. Нейтроны не имеют электрического заряда. Длина пробега медленных нейтронов в воздухе составляет около 15 м, в биологической среде - 3 см; для быстрых нейтронов - соответственно 120 м и 10 см. Последние обладают высокой проникающей способностью и представляют наибольшую опасность.

Выделяют два вида ионизирующих излучений:

• корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (aльфа-, бета- и нейтронное излучения);

• электромагнитное (гамма— и рентгеновское излучение) - с очень малой длиной волны. Для оценки воздействия ионизирующего излучения на любые вещества и живые орга­низмы используются специальные величины - дозы излучения.

Основная характеристика взаимодействия ионизирующего излучения и среды - это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень иони­зации воздуха рентгеновских трубок или аппаратов. Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза.

Экспозиционная доза определяет ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей и выражает энергию излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряжен­ных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза - это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном обьеме воздуха к массе воздуха в этом объеме. В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица - рентген (Р). 1 Кл/кг = 3880 Р.

При расширении круга известных видов ионизирующего излучения и сфер его приложения оказалось, что мера воздействия ионизирующего излучения на вещество не поддается простому определению из-за сложности и многообразности протекающих при этом процессов. Важнейшим из них, дающим начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определенному радиационному эффекту, является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом. В результате этого возникло понятие поглощенная доза.

Поглощенная доза показывает, какое количество энергии излучения поглощено в еди­нице массы любого облучаемого вещества, и определяется отношением поглощенной энер­гии ионизирующего излучения на массу вещества. За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грэй (Гр). 1 Гр - это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр = 100 рад.

Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, было введено понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент - коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества. Значения коэффициента для различных видов излучений приведены в табл. 7.

Таблица 7

Коэффициент относительной биологической эффективности для различных видов излучений

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр (биологи­ческий эквивалент рада). 1 Зв = 100 бэр.

Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска гене­тических повреждений. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учиты­вать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем тканям и органам, получим эффективную дозу, отражаю­щую суммарный эффект для организма. Взвешенные коэффициенты устанавливают эмпи­рически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения экви­валентной дозы. Она также измеряется в зивертах или бэрах.

Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела, рекомендованные Международной комиссией по радиационной защите для вычисления эффективной эквивалентной дозы.

Радиоактивные вещества и их активность

Радиоактивные вещества принято оценивать по их активности.

Активность определяется числом распадов, происходящих в данном количестве веще­ства за единицу времени. Активность изотопа чаще определяется периодом полураспада.

Период полураспада радиоактивного изотопа — промежуток времени, за который число радиоактивных атомов данного изотопа уменьшается вдвое.

Наиболее опасны те радиоактивные вещества, период полураспада которых близок к продолжительности жизни человека. Большую опасность для здоровья человека предста­вляют наиболее распространенные в природе изотопы, например, стронинй-90 (имеющий период полураспада 28 лет) и цезий-137 {период полураспада 33 года). Из корогкоживуших радиоактивных изотопов наиболее распространен радон-222, составляющий 1/3 естествен­ной радиации. Период его полураспада равен 3,8 суток.

В системе СИ активность измеряется в беккерелях (Бк). 1 Бк равен одному распаду ядра в секунду. Часто пользуются внесистемной единицей - кюри (Ки); I Ки = 3,7 • 10¹⁰ Бк.

Воздействие ионизирующего излучения на живые организмы

Биологическое действие ионизирующих излучений на организм имеет ряд особенно­стей:

· неся в себе огромную опасность для здоровья и жизни, оно неощутимо человеком существует скрытый (инкубационный) период проявления действия ионизирую­щего излучения, который может быть весьма продолжительным;

· одним из видов последствий облучения являются так называемые генетические эффекты – разнообразные наследственные заболевания, возникающие в результате мутаций (изменений) в половых клетках;

· получаемые человеком дозы излучений накапливаются в организме (кумулятивный эффект), поэтому вероятность возникновения заболеваний пропорциональна длительности воздействия радиации;

· наиболее чувствительны к облучению дети в период роста;

· степень чувствительности к облучению различных органов и тканей человека неодинакова;

· радиочувствительность живых организмов также весьма различна (смертельная доза для бактерий в 100 раз превышает дозу для млекопитающих).