Характеристика ионизирующих излучений.

Радиоактивность и единицы ее измерения.

 

Свойство самопроизвольного испускания некоторыми химическими элементами ИИ называется радиоактивностью.

Радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение ядер одних элементов в другие с их переходом в более стабильное состояние, выделением избыточной энергии и испусканием ИИ определенного вида. Химические элементы с атомными ядрами, подверженными самопроизвольному радиоактивному распаду, называются радионуклидами.

Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьшение числа атомов радиоактивного элемента. Интервал времени, в течение которого распадается половина атомов радионуклида, называется периодом полураспада. Зная эту величину, можно рассчитать число нераспавшихся атомов радионуклида в любой момент времени /:

где N₀- начальное число атомов; N- число атомов в момент V, Т - период полураспада.

Период полураспада является одной из основных характеристик радиоактивного вещества, поскольку его величина строго постоянна и не зависит от условий внешней среды. Если период полураспада измеряется секундами или часами, то говорят о короткоживущих радионуклидах; если годами - о долгоживущих радионуклидах. Период полураспада основного природного изотопа урана ²^U составляет 4,5 млрд лет. Медицинское значение скорости радиоактивного распада состоит в том, что при равном количестве радиоактивных веществ, поступивших в организм или загрязнивших кожные покровы, более длительное облучение (следовательно, и более высокую дозу облучения) обусловит то из них, которое содержит радионуклид с большим периодом полураспада.

Активность радиоактивного изотопа (А) определяется числом атомных ядер, распадающихся за единицу времени. Существует две основные единицы активности. В Международной системе единиц измерения (СИ) за единицу активности принят Беккерель (Бк): 1 Бк - это одно ядерное превращение за 1 с (1 распад в 1 с). Ранее широко использовалась единица радиоактивности, названная Кюри (Ки), которая соответствовала активности 1 г ²²⁶Ra. 1 Ки = 3,7 • Ю¹⁰ распадов в секунду; 1 Бк = 2,7 • КГ¹¹ Ки.

Активность, отнесенная к единице объема или единице массы зараженного радионуклидами вещества, называется удельной активностью. Активность, отнесенная к единице площади зараженной радионуклидами поверхности, называется плотностью поверхностного радиоактивного заражения.

Единицы радиоактивности и производные от них представлены в табл. 11.2. Выявление радиоактивных веществ и количественная оценка их содержания в различных объектах и на поверхностях называется радиометрией. Активность - главный параметр, определяющий дозу облучения тканей и повреждающий эффект радионуклидов при поступлении в организм и наружном радиоактивном заражении тела.

Таблица 11.2. Единицы измерения количества радиоактивных веществ

Показатели ко- личества радиоактивных веществ	Единица, ее наименование, обозначение	Соотношение единиц
Внесистемная	СИ
Активность	Кюри (Ки)	Беккерель (Бк)	1 Ки = 3,7 • 10'°Бк
Удельная активность	Ки/кг; Ки/м3	Бк/кг; Бк/м3	-
Плотность поверхностного радиоактивного заражения	Ки/см2; Ки/м2; Ки/км2; распад / (мин • см2)	Бк/м2

Альфа-излучение. Ядро атома гелия, которое состоит из 2 протонов и 2 нейтронов, с зарядом ядра +2 и массой 4 атомных единиц массы (а.е.м.), представляет собой а-частицу. К уменьшению порядкового номера вещества на 2 единицы и массового числа на 4 единицы приводит а-распад.

Правило смещения Содди для а-распада:

например:

Существуют естественные (природные) и искусственные источники a-излучения. К естественным относятся радиоизотопы урановой группы. Уран-238 (²³⁸U) появился с момента образования планеты. Скорость его распада очень мала, поэтому он существет до наших дней и присутствует везде (в пищевых продуктах, почве, воде). Продукты распада (²³⁸U) дают цепочку из 18 наименований, последнее вещество - свинец - является стабильным. Искусственные а-излучатели образуются в ядерных реакторах, где происходит синтез изотопов, часто не существующих в природе (²³⁹Pu). ²³⁸U и ²³⁹Ри используются в производстве ядерного оружия.

При взаимодействии а-частиц с веществом их энергия расходуется на возбуждение и ионизацию атомов, при этом частица теряет (передает) свою энергию - это явление называют линейной передачей энергии (ЛПЭ).

Линейная передача энергии - это количество энергии, передаваемое ИИ веществу на единицу пути. При одном и том же количестве энергии ИИ, поглощенной единицей массы вещества, распределение этой энергии в объеме данного вещества неодинаково. Данное различие определяется ЛПЭ, которая зависит от вида ИИ и плотности вещества.

Все ИИ в зависимости от величины ЛПЭ делятся на редко- и плотноионизирующие (табл. 11.3). Редкоионизирующие излучения отличаются сравнительно высокой проникающей способностью.

Таблица 11.3. Редкоионизирующие и плотноионизирующие излучения

Критерий	Ионизирующие излучения
Редкоионизирующие	Плотноионизирующие
Величина ЛПЭ, КэВ/мкм	Менее 10	Более 10
Вид ИИ	у-, Р", /^-излучения	а-частицы, нейтроны

Одна а-частица может ионизировать много атомов, число которых рассчитывается. Например, а-частица с энергией 3,8 Мэ образует более 100 тыс. пар ионов (3,8 Мэ: 34 эВ). Проникающая способность а-частиц низкая. Длина пробега в веществе зависит от их начальной энергии, а также порядкового номера, атомной массы и плотности материала. Эта крупная заряженная частица не может преодолеть даже лист бумаги. Пробег а-частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, в жидкостях и биологических тканях - от 10 до 100 мкм.

Любые материалы, включая биологические ткани, полностью поглощают а-частицы. Эпидермис кожи поглощает a-излучение своими ороговевшими чешуйками, и живые клетки обычно не повреждаются. Опасны при попадании внутрь организма а-излучатели. Если происходит их диффузия в кровь и проникновение внутрь клетки, возможно развитие острой лучевой болезни вследствие высокой ионизирующей способности с образованием нескольких десятков тысяч пар ионов на одну частицу. При контакте с а-излучателями надо предотвратить их поступление во внутреннюю среду организма в основном путем защиты органов дыхания марлевой повязкой, респиратором, противогазом.

Бета-излучение. Существует две разновидности р-частиц: электроны (е~) и позитроны (е⁺). Они различаются зарядом, в остальном их свойства схожи. Источниками P-излучения являются радиоактивные вещества - р-излучатели, которые при естественном распаде излучают электроны или позитроны. Кроме того, р-излучение - это компонент космического излучения, также он может создаваться в электрофизических установках (ускорителях электронов).

Электронный Р -распад (Р-минус-распад, Р“-распад) - это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино (элементарная частица с массой, равной 1/2000 массы покоя электрона). Внутринуклонным процессом является Р-распад. Он происходит вследствие превращения одного из of-кварков в одном из нейтронов ядра в w-кварк, при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

Правило смещения Содди для Р“-распада:

например:

После Р~-распада возникает ядро нового элемента с порядковым номером, большим на единицу при практически неизменном массовом числе. При испускании р-частиц ядра атомов могут находиться в возбужденном состоянии. Их переход в невозбужденное состояние сопровождается испусканием у-квантов.

При позитронном 0 -распаде (Р-плюс-распад, Р⁺-распад) ядро испускает позитрон и нейтрино, порядковый номер распадающегося атома уменьшается на единицу, а масса практически не изменяется.

Существуют естественные и искусственные радионуклиды - Р-излучатели. Главные из естественных: ⁴⁰К - смешанный Р_ _и у-излучатель, присутствует в большом количестве в земной коре; ¹⁴С относится к космогенным радионуклидам, которые обязаны своим происхождением космическому излучению, содержащему нейтроны различных энергий; Т возникает под действием космического излучения в верхних слоях атмосферы. Искусственные Р-излучатели попали в окружающую среду, главным образом, в результате испытаний ядерного оружия. Наиболее значимыми из них являются ¹²⁵1, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs.

Энергия P-излучения меньше, чем у a-излучения, и составляет 10-100 кэВ. В 1000 раз меньшей удельной плотностью ионизации, по сравнению с a-излучением такой же энергии (несколько десятков пар ионов на микрометр пробега), обладает Р-излучение.

Проникающая способность р-частиц больше, чем у а-частиц, а заряд и масса меньше. По воздуху Р-частицы распространяются до нескольких метров, в биологических тканях - до нескольких сантиметров. Проникающая способность в биологическом материале P-излучения с энергией 2-5 Мэ равна 1-2,5 см. У р-частиц малая масса, при столкновении с другими элементарными частицами они отклоняются. Любые ткани способны их поглощать. В кожу р-частицы могут проникать до росткового слоя и поражать его. Ожоги кожи, как правило, поверхностные, I—II степени. При внешнем облучении костный мозг не повреждается, депрессии кроветворения обычно не наблюдается.

Основная задача профилактики заключается в защите от поверхностного р-облучения кожи и видимых слизистых. Должно быть меньше открытых частей тела. На практике защита от р-частиц осуществляется с помощью специальных экранов из веществ с малым атомным номером: плексиглаз, стекло, алюминий, резина и др. Толщину защитного экрана выбирают равной длине максимального пробега р-частиц в материале экрана. Толщина экрана из алюминия более 5 мм практически достаточна для защиты от p-излучения всех радиоизотопов. Сухие хлопчатобумажные ткани защищают кожу не хуже, чем резина, но мокрые пропускают р-излучение. Необходимо защищать органы дыхания. Сложенный вчетверо носовой платок защищает в 8 раз, а респиратор - в 100 раз лучше от P-излучения, чем при отсутствии этих средств защиты.

Нейтроны. Их масса равна 1 а.е.м., а заряд - 0. Нейтронное излучение возникает при бомбардировке атомного ядра ускоренной заряженной частицей (а-, Р-частицы) или фотоном высокой энергии. Помимо лабораторных условий такой путь реализуется при взрывах атомных боеприпасов, где источником этих частиц служат цепные реакции деления ядер ²³⁵U или ²³⁹Ри. Другой путь образования нейтронов - синтез ядер легких элементов - дейтерия (jD²), трития (jT³) и лития (₃Li⁶), происходящий при взрывах термоядерных (водородных) боеприпасов.

Нейтроны могут быть классифицированы по их энергии (табл. 11.4).

Таблица 11.4. Классификация нейтронов в зависимости от энергии

Название нейтронов	Энергия частицы
Тепловые	<0,1 эВ
Медленные	0,1-500,0 эВ
Промежуточные	0,5-100,0 кэВ
Быстрые	0,1-10,0 МэВ
Очень больших энергий	10-1000 МэВ
Сверхбыстрые	>1000 МэВ

Большинство нейтронов, образующихся при взрывах атомных боеприпасов, относится к быстрым нейтронам, а при взрывах водородных боеприпасов - к нейтронам очень больших энергий. Нейтроны не имеют заряда, поэтому они не оказывают непосредственного влияния на электронную оболочку атомов, взаимодействуя только с ядрами. Сталкиваясь с ядрами, они либо отталкиваются от них (рассеяние), либо поглощаются ими (участие в ядерных перестройках). Ниже раскрывается содержание процессов взаимодействия нейтронов с атомами вещества.

Упругое рассеяние. При столкновении с ядрами углерода, азота, кислорода, фосфора нейтроны теряют 10-15 %, а при столкновении с ядрами водорода - до 2/3 своей энергии.

Потерянная нейтронами энергия передается «ядрам отдачи» - положительно заряженным частицам с высокой ионизирующей способностью. Упругое рассеяние - основной путь потери энергии нейтронами, возникающими при атомных и водородных взрывах.

Неупругое рассеяние. В этом случае часть энергии расходуется нейтронами на возбуждение ядер-мишеней. В исходное состояние ядра возвращаются, испуская фотоны у-излучения.

Ядерные перестройки. При поглощении ядрами нейтронов происходит выброс протонов, а-частиц, у-квантов, возникают искусственные радиоактивные изотопы (это явление называется наведенной активностью).

Проникающая способность нейтронов существенно больше, чем у ускоренных заряженных частиц. При ядерных и водородных взрывах нейтронный поток распространяется на сотни метров, легко проникая сквозь стальную броню и железобетон. Энергия нейтронов наиболее эффективно передается ядрам легких атомов, поэтому вещества, богатые атомами водорода, углерода, находят применение в экранировании от нейтронного излучения. Тяжелые металлы, плохо задерживающие нейтроны, могут использоваться для ослабления вторичного у-излучения, возникающего в легких материалах в результате неупругого рассеяния нейтронов и ядерных перестроек.

Гамма-излучение. Оно образуется при ядерных превращениях, его сопровождает P-излучение (Р + у). Отдельные а-излучатели также могут быть источниками у-излучения (а + у). Гамма-излучение может сопровождать и цепные ядер- ные реакции с нейтронным излучением. За счет космического и земного излучения у-фон существует с момента зарождения планеты и уменьшается со временем. Человек в определенной степени адаптирован к нему. На Земле у-фон находится в пределах от 5 до 50 мкР/ч. Уровень у-фона местности зависит от высоты над уровнем моря, присутствия горных пород. В горах он выше, так как поверхность Земли ближе к Солнцу, а разреженная атмосфера меньше поглощает космическое у-излучение. Там, где есть гранитные породы, у-фон также выше. В Бразилии, Индии есть территории, где наблюдается еще более высокий у-фон, но они малонаселенные. В Республике Беларусь у-фон считается нормальным до 20 мкР/ч.

Как и рентгеновское, у-излучение обладает малой ЛПЭ и высокой проникающей способностью. Длина пробега в воздухе у-излучения составляет сотни метров. Высокоэнергетические электромагнитные излучения легко проникают вглубь тела человека, вызывая ионизацию во всех клетках организма. Для у-излучения характерно повреждение кроветворных и репродуктивных органов, эпителиальной ткани.

При прохождении электромагнитных ИИ через вещество интенсивность их потока уменьшается в соответствии с уравнением:

где I - интенсивность прошедшего сквозь экран потока излучения; /₀ - интенсивность падающего потока излучения; е - основание натурального логарифма; р - коэффициент ослабления, величина которого зависит от энергетического спектра ИИ и свойств вещества; х - толщина экрана.

Практически удобным показателем экранирующей способности материалов является толщина их слоя, ослабляющего излучение вдвое, - слой половинного ослабления. Эта величина связана с коэффициентом ослабления ИИ зависимостью

где 0,693 - коэффициент ослабления.

Коэффициент ослабления электромагнитных ИИ растет с увеличением атомной массы входящих в вещество элементов, поэтому наиболее эффективно экранируют от них вещества, содержащие тяжелые металлы («защита экранированием»). Свинец и барий вводят в состав материалов, используемых при сооружении помещений для защиты от электромагнитных ИИ.

Принципы защиты от всех видов внешнего ИИ:

• защита расстоянием - по мере удаления от источника доза уменьшается пропорционально квадрату расстояния;
• защита временем - доза облучения пропорциональна времени контакта, чтобы уменьшить дозу вдвое, надо сократить время контакта вдвое;
• защита экранированием - используются защитные экраны (свинцовые, железные, бетонные, грунтовые); при проектировании защиты конечной целью является определение толщины защитного экрана.

Основные источники ионизирующих излучений. По происхождению источники ИИ подразделяются на естественные и искусственные. В промышленно развитых странах от естественных источников население получает около 2/3 суммарной дозы облучения. Медицинские процедуры (лучевая диагностика и терапия) обусловливают около трети этой дозы, а вклад в нее атомной энергетики, других мирных форм применения источников ИИ и испытаний ядерного оружия пренебрежимо мал (рис. 11.1). Совокупность ИИ, происходящих из естественных источников, называется природным радиационным фоном Земли. Извне на организм воздействует преимущественно у-излучение, источником которого являются радиоактивные вещества, присутствующие в земной коре, а также космические излучения.

Рис. 11.1. Диаграмма соотношения основных источников ионизирующих излучений при облучении населения промышленно развитых стран

В каменных зданиях интенсивность внешнего у-облучения в несколько раз ниже, чем на открытой местности, что объясняется экранирующими свойствами конструкционных материалов. По мере увеличения высоты над поверхностью моря роль земных источников внешнего облучения уменьшается. При этом возрастает космическая составляющая природного радиационного фона.

Искусственные (техногенные) источники ИИ включают в себя рентгеновские трубки, ускорители заряженных частиц, а также устройства, содержащие радионуклиды. Последняя группа подразделяется на открытые (имеющие непосредственный контакт с атмосферой) и закрытые (заключенные в герметичную оболочку) источники ИИ. Как правило, закрытые источники ИИ используют с целью внешнего лучевого воздействия на объекты. Они являются конструктивными элементами у-терапевтических установок, дефектоскопов, атомных реакторов и некоторых дозиметрических и радиометрических приборов.

Основной вклад в дозу, получаемую человеком от искусственных источников ИИ, вносят лечебные и диагностические процедуры. Лучевая нагрузка при некоторых из них указана в табл. 11.5.

Таблица 11.5. Ориентировочные значения поглощенной дозы излучения при некоторых медицинских процедурах

Медицинская процедура	Доза излучения, сГр
Рентгенография грудной клетки
Флюорография грудной клетки
Рентгеноскопия грудной клетки	5-10
Рентгеноскопия брюшной полости	10-20
Лечение злокачественных опухолей	2000-10 000

В случае применения ядерного оружия или крупномасштабных аварий на объектах ядерной энергетики будет наблюдаться многократное возрастание интенсивности лучевых воздействий на организм. Основными радиационными факторами ядерного взрыва являются проникающая радиация и радиоактивное заражение местности.

Облучение - процесс взаимодействия излучения с окружающей средой. Ре­акция облучаемого объекта на лучевое воздействие связана лишь с той частью энер­гии излучения, которая передается ему в данных конкретных условиях.

Лучевая болезнь - общее заболевание организма, развивающееся вследствие воздействия ионизирующего излучения. Различают острую лучевую болезнь (ОЛБ) и хроническую лучевую болезнь (ХЛБ) различной степени тяжести.

Поглощенная доза (D) - дозиметрическая величина, измеряемая количеством энергии, поглощенной в единице массы облучаемого вещества (биологической ткани). В системе СИ единицей измерения поглощенной дозы является, грей (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг вещества. Внесистемная единица-рад; 1 рад = 1х10²Гр.

Экспозиционная доза (X) - количественная характеристика фотонного излуче­ния с энергией до 3 МэВ, основанная на его ионизирующем действии в сухом атмо­сферном воздухе; представляет собой отношение суммарного заряда всех ионов од­ного знака, созданных в воздухе, к массе воздуха в указанном объеме. Экспозиционная доза ионизирующего излучения используется для измерения γ - и рентгеновского излучения, воздействующего на объект (организм). Это количест­венная характеристика общего излучения. В системе СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р); 1 Р = 2,58х10⁴ Кл/кг.