Файл: НрСлтан аласы Товарищество с ограниченной ответственностью Казахстанский центр обучения.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.12.2023
Просмотров: 107
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
1 1
Бүлдірмейтін әдістермен бақылау және пісіру саласындағы Қазақстандық оқыту және
аттестатау» жауапкершілігі шектеулі серіктестігі, Қазақстан Республикасы,
Нұр-Сұлтан қаласы
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки» Республика Казахстан,
город Нур-Султан
Сущность радиационного излучения.
Единицы измерения в радиационной
физике.
Радиографический контроль.
г.
Нур-Султан 2022 год
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
2 из 107
1.1. Радиация
1.
Сущность радиационного излучения.
Слово радиация, в переводе с английского "radiation" означает излучение и применяется не только в отношении радиоактивности, но целого ряда других физических явлений, например: солнечная радиация, тепловая радиация и др. Поэтому в отношении радиоактивности следует применять принятое МКРЗ (Международной комиссией по радиационной защите) и Нормами радиационной безопасности понятие "ионизирующее излучение".
1.2. Ионизирующее излучение
Ионизирующее излучение - излучение (электромагнитное, корпускулярное), которое при взаимодействии с веществом непосредственно или косвенно вызывает ионизацию и возбуждение его атомов и молекул. Энергия ионизирующего излучения достаточно велика, чтобы при взаимодействии с веществом, создать пару ионов разных знаков, т.е. ионизировать ту среду, в которую попали эти частицы или гамма кванты.
Ионизирующее излучение состоит из заряженных и незаряженных частиц, к которым относятся также фотоны.
Рис.1 Атом, согласно модели Томсона. Электроны удерживаются внутри положительно заряженной сферы упругими силами. Те из них, которые находятся на поверхности, могут довольно легко «выбиваться», оставляя ионизованный атом.
1.3. Атома строение
Раздел физики, изучающий внутреннее устройство атомов. Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся электроны. Атомы очень малы – их размеры порядка 10
–10
–10
–9
м, а размеры ядра еще примерно в 100 000 раз меньше (10
–15
–10
–14
м). Поэтому атомы можно «увидеть» только косвенным путем, на изображении с очень большим увеличением (например, с помощью автоэлектронного проектора). Но и в этом случае атомы не удается рассмотреть в деталях.
Наши знания об их внутреннем устройстве основаны на огромном количестве экспериментальных данных, которые косвенно, но убедительно свидетельствуют в пользу сказанного выше.
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
3 из 107
Рис.2 Строение атома
1.4. Радиоактивность
Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомных ядер в ядра других элементов. Сопровождается ионизирующим излучением. Известно четыре типа радиоактивности: o альфа-распад – радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается альфа-частица; o бета-распад - радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается бета-частицы, т.е электроны или позитроны; o спонтанное деление атомных ядер - самопроизвольное деление тяжелых атомных ядер (тория, урана, нептуния, плутония и других изотопов трансурановых элементов). Периоды полураспада у спонтанно делящихся ядер составляют от нескольких секунд до 10 20
для Тория-232; o протонная радиоактивность - радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускаются нуклоны (протоны и нейтроны). o
1.5. Виды ионизирующего излучения
Основными видами ионизирующего излучения, с которыми нам чаще всего приходится сталкиваться являются: o альфа-излучение; o бета-излучение; o гамма-излучение; o рентгеновское излучение.
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
4 из 107
Конечно существуют и другие виды излучения (нейтронное), но с ними мы сталкиваемся в повседневной жизни значительно реже. Различие этих видов излучения заключается в их физических характеристиках, в происхождении, в свойствах, в радиотоксичности и поражающем действии на биологические ткани.
2.
Физические свойства радиоактивных излучений. Особенности
взаимодействия с веществом альфа-, бета-частиц, рентгеновского и гамма-
излучений.
2.1. Источники радиоактивности могут быть природными или искусственными.
Природные источники ионизирующего излучения это естественные радиоактивные элементы находящиеся в земной коре и создающие природный радиационный фон, это ионизирующее излучение приходящее к нам из космоса. Чем больше активность источника
(т.е. чем больше в нем распадается атомов за единицу времени), тем больше он испускает за единицу времени частиц или фотонов.
Искусственные источники радиоактивности могут содержать радиоактивные вещества полученные в ядерных реакторах специально или являющиеся побочными продуктами ядерных реакций. В качестве искусственных источников ионизирующего излучения могут быть и различные электровакуумные физические приборы, ускорители заряженных частиц и др. Например: кинескоп телевизора, рентгеновская трубка, кенотрон и др.
Возникающие в процессе распада или при осуществлении ядерных реакций излучения, проходя через вещество, взаимодействуют с электронами и ядрами атомов, передавая им свою энергию. Характер взаимодействия зависит от заряда, массы и энергии излучений, а также от атомного номера и плотности вещества. Поэтому мы отдельно рассмотрим взаимодействие с веществом заряженных частиц, гамма- квантов и нейтронов.
Основными свойствами радиоактивных излучений являются:
- способность проникать через вещества;
- ионизация вещества среды;
- выделение тепла при радиоактивном распаде;
- действие на фотоэмульсию;
- способность вызывать свечение люминесцирующих веществ;
- способность вызывать химические реакции и распад молекул ( при длительном воздействии излучений изменяется окраска окружающих предметов).
Все эти свойства используются при обнаружении и регистрации излучений, но ни одно из шести чувств человека воздействие ионизирующих излучений не улавливает.
2.2. Альфа-излучение
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
5 из 107
Естественное альфа-излучение является результатом радиоактивного распада ядра и
характерно для неустойчивых ядер тяжелых элементов, начиная с атомного номера более
83, т.е. для естественных радионуклидов рядов урана и тория, а также полученных
искусственным путем трансурановых элементов.
Альфа-частица, пролетая сквозь вещество, взаимодействует в первую очередь с электронами атомов вещества, «расталкивая» их своим кулоновским полем и передавая им при этом свою энергию ( в редких случаях, когда альфа-частица сталкивается с ядром, происходит ее рассеяние или ядерная реакция). В результате альфа-частица постепенно теряет свою энергию и замедляется. Растеряв всю энергию, она останавливается, присоединяет к себе два электрона и превращается в атом гелия.
Атомный электрон вещества, получив от альфа-частицы дополнительную энергию, может перейти со своей оболочки на более удаленную от ядра оболочку. Такое состояние атома называется возбужденным, а процесс перехода атома в подобное состояние называется возбуждением. За время порядка 10-8 сек возбужденный атом возвращается в исходное
(основное) состояние, а энергия, затраченная на возбуждение атома, высвобождается в виде электромагнитного излучения (характеристического рентгеновского излучения, видимого света и т.д.).
Если полученная электроном от альфа-частицы энергия окажется достаточно большой, электрон может преодолеть силы связи с ядром и покинуть атом. В результате этого атом превратится в положительно заряженный ион и, таким образом, образуются два заряда противоположных знаков- отрицательный заряд электрона и положительный заряд иона.
Подобный процесс называется ионизацией, а излучения, способные при взаимодействии с веществом производить ионизацию, называются ионизирующими. Через некоторое время положительно заряженный ион присоединяет к себе блуждающий электрон и превращается в нейтральный атом. Этот процесс, обратный процессу ионизации, называется рекомбинацией.
Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия – 42Не
и вылетают из ядра со скоростью 15 -20 тыс. км/с.
На своем пути они сильно ионизируют среду, выбивая электроны из орбит атомов.
Пробег альфа-частиц в воздухе порядка 5-8 см, в воде – 30-50 микрон (одна миллионная доля метра), в металлах – 10-20 микрон.
При ионизации альфа-лучами наблюдаются химические изменения вещества, и нарушается кристаллическая структура твердых тел.
Таким образом, альфа-распад сопровождается испусканием двух протонов и двух
нейтронов.
Важно, что изотоп, являющийся альфа-излучателем, испускает альфа-
частицы
со
строго
определенными
энергиями.
Альфа-излучатели используются при изготовлении ядерного топлива, в ядерных реакторах
2.3. Бета-излучение
Бета-излучение является самым распространенным типом радиоактивного
распада ядер, особенно для искусственных радионуклидов, образующихся при
использовании атомной энергии в научных, военных и промышленных (энергетических)
целях.
Бета-распад представляет собой самопроизвольное взаимное превращение
протонов и нейтронов, протекающее внутри ядра и сопровождающееся испусканием
или поглощением электронов (β- ) или позитронов(β+), нейтрино (νе) или
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
6 из 107
антинейтрино ( νе ).
Антинейтрино- частица, не имеющая массы покоя и заряда, вследствие чего практически не взаимодействует с веществом и свободно улетает.
Бета-частица, так же как и альфа-частица, взаимодействует своим кулоновским полем в основном с электронами атомов вещества, передавая им постепенно свою энергию, что приводит к возбуждению и ионизации атомов. Однако бета-частицы, наряду с возбуждением и ионизацией, могут испытывать третий вид потерь энергии, связанный с возникновением тормозного излучения. Пролетая мимо ядра атома и взаимодействуя с его электрическим полем, бета-частица тормозится, ее энергия уменьшается на некоторую величину, которая выделяется в виде электромагнитного излучения. Потери энергии на тормозное излучение пропорциональны энергии бета-частицы и заряду ядер вещества.
По мере движения в веществе бета-частица теряет свою энергию и замедляется. Движение ее продолжается до тех пор, пока она еще способна производить ионизацию и возбуждение атомов вещества. После этого бета-частица становится свободным электроном или захватывается одним из атомов вещества.
Существуют изотопы, у которых ядра атомов распадаются с испусканием только β- - частиц и антинейтрино, они называются чистые бета-излучатели . Но часто не вся энергия отдается бета-частице и антинейтрино и часть ее остается в ядре. Такое ядро испускает еще гамма- излучение.
2.4. Гамма-излучение
Гамма-излучение представляет собой электромагнитные волны, т.е. ядро, имеющее
избыток энергии, испускает его в виде электромагнитных волн.
При испускании гамма-кванта число протонов и нейтронов не изменяется, т.е. изотоп остается тем же, но происходит перестройка внутри ядра, так что этот процесс можно считать ядерным превращением. Гамма-кванты испускаются обычно после бета- частицы или альфа-частицы через время порядка 10-12 ÷ 10-7 сек.
Проходя через вещество, гамма-кванты взаимодействуют с электронами и ядрами.
Будучи незаряженными частицами, гамма-кванты не подвержены влиянию кулоновских сил. По этой причине они сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении могут передавать значительную долю своей энергии (вплоть до передачи всей энергии в одном столкновении), в отличие от заряженных частиц.
Взаимодействие гамма-квантов с веществом происходит за счет трех основных процессов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), комптоновского рассеяния (эффекта
Комптона) и образования пар. При большой энергии гамма-излучения возникают, кроме того, ядерные реакции, однако вероятность их намного меньше вероятности перечисленных процессов Относительный вклад того или иного процесса взаимодействия излучения с веществом зависит как от свойств вещества, так и от энергии излучения.
2.5. Фотоэффект
Гамма-кванты малых энергий взаимодействуют с электронами атомов, полностью передавая им свою энергию. В результате этого гамма-квант исчезает, а его энергия расходуется на отрыв электрона от атома и сообщение ему кинетической энергии Энергия фотона в этом случае передается, как правило, электроном, находящимся наиболее близко к ядру, т.е. на К- оболочке. При наличии достаточной энергии выбитый из атома оболочки электрон на своем пути сам способен производить ионизацию атомов так же, как и бета- частица. На место выбитого электрона немедленно переходит электрон из более удаленного от ядра слоя, что сопровождается характеристическим излучением Такой механизм
взаимодействия назван фотоэффектом.
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
7 из 107
Фотоэффект характерен для гамма-лучей с энергией менее 0,5 МэВ и имеет существенное значение при поглощении излучений тяжелыми элементами Вероятность взаимодействия с атомами по механизму фотоэффекта пропорциональна Z, где Z- средний атомный номер вещества.
2.6. Эффект Комптона
Гамма-кванты с энергией в несколько сот килоэлектронвольт и больше взаимодействуют со свободными электронами, а также с электронами внешних слоев оболочек, слабо связанными с ядром. Этот процесс взаимодействия подобен столкновению двух бильярдных шаров, так как гамма-кванты, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей энергии и меняют направление своего движения. Электрон, получивший дополнительную энергию, расходует ее на ионизацию атомов вещества. Такое взаимодействие называется комптоновским рассеянием В результате многократного комптоновского взаимодействия фотона с электронами его энергия уменьшается и достигает значений, при которых происходит преимущественно фотоэффект
Комптоновское рассеяние средних энергий характерно для гамма-квантов средних энергий (0,5 -1 МэВ). Вероятность взаимодействия с атомами по механизму комптоновского рассеяния пропорциональна Z.
2.7. Образование пар
Гамма-кванты высоких энергий могут взаимодействовать с электрическим полем ядра. В результате такого взаимодействия фотон исчезает, а вместо него образуются две частицы: электрон и позитрон. Процесс образования пар имеет место только в том случае, если энергия фотона превышает 1,02 МэВ.
Далее электрон расходует свою энергию на ионизацию среды, а позитрон претерпевает процесс аннигиляции ( взаимодействия с электроном). Образовавшиеся в процессе аннигиляции два кванта гамма-лучей расходуют свою энергию также на ионизацию среды. С увеличением энергии гамма- квантов и атомного номера среды вероятность процесса образования пар возрастает ( она пропорциональна Z2 )
Таким образом, при всех процессах взаимодействия гамма-лучей с веществом часть энергии излучения преобразуется в кинетическую энергию электронов, которые, проходя через вещество, производят ионизацию. Поэтому гамма- излучение является косвенно ионизирующим излучением, в отличие от непосредственно ионизирующего излучения, к которому относятся альфа- и бета-излучение.
гамма-кванты обладают большой проникающей способностью, и термин «пробег» по
отношению к гамма-излучению неприемлем, в отличие от альфа- и бета-излучений ,для
которых всегда можно подобрать такой слой вещества, в котором происходит полное
поглощение потока альфа- и бета-частиц.
Слой половинного ослабления (Δ1/2 )- это слой поглотителя , при прохождении
которого плотность потока гамма-квантов уменьшается в два раза.
Линейный коэффициент ослабления слагается из суммы коэффициентов ослабления за счет фотоэффекта, комптоновского эффекта и процесса образования пар
2.8. Нейтроны
Нейтроны, представляющие собой поток незаряженных частиц, при прохождении
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 12
1 1
Бүлдірмейтін әдістермен бақылау және пісіру саласындағы Қазақстандық оқыту және
аттестатау» жауапкершілігі шектеулі серіктестігі, Қазақстан Республикасы,
Нұр-Сұлтан қаласы
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки» Республика Казахстан,
город Нур-Султан
Сущность радиационного излучения.
Единицы измерения в радиационной
физике.
Радиографический контроль.
г.
Нур-Султан 2022 год
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
2 из 107
1.1. Радиация
1.
Сущность радиационного излучения.
Слово радиация, в переводе с английского "radiation" означает излучение и применяется не только в отношении радиоактивности, но целого ряда других физических явлений, например: солнечная радиация, тепловая радиация и др. Поэтому в отношении радиоактивности следует применять принятое МКРЗ (Международной комиссией по радиационной защите) и Нормами радиационной безопасности понятие "ионизирующее излучение".
1.2. Ионизирующее излучение
Ионизирующее излучение - излучение (электромагнитное, корпускулярное), которое при взаимодействии с веществом непосредственно или косвенно вызывает ионизацию и возбуждение его атомов и молекул. Энергия ионизирующего излучения достаточно велика, чтобы при взаимодействии с веществом, создать пару ионов разных знаков, т.е. ионизировать ту среду, в которую попали эти частицы или гамма кванты.
Ионизирующее излучение состоит из заряженных и незаряженных частиц, к которым относятся также фотоны.
Рис.1 Атом, согласно модели Томсона. Электроны удерживаются внутри положительно заряженной сферы упругими силами. Те из них, которые находятся на поверхности, могут довольно легко «выбиваться», оставляя ионизованный атом.
1.3. Атома строение
Раздел физики, изучающий внутреннее устройство атомов. Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся электроны. Атомы очень малы – их размеры порядка 10
–10
–10
–9
м, а размеры ядра еще примерно в 100 000 раз меньше (10
–15
–10
–14
м). Поэтому атомы можно «увидеть» только косвенным путем, на изображении с очень большим увеличением (например, с помощью автоэлектронного проектора). Но и в этом случае атомы не удается рассмотреть в деталях.
Наши знания об их внутреннем устройстве основаны на огромном количестве экспериментальных данных, которые косвенно, но убедительно свидетельствуют в пользу сказанного выше.
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
3 из 107
Рис.2 Строение атома
1.4. Радиоактивность
Радиоактивность – самопроизвольное превращение атомных ядер в ядра других элементов. Сопровождается ионизирующим излучением. Известно четыре типа радиоактивности: o альфа-распад – радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается альфа-частица; o бета-распад - радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускается бета-частицы, т.е электроны или позитроны; o спонтанное деление атомных ядер - самопроизвольное деление тяжелых атомных ядер (тория, урана, нептуния, плутония и других изотопов трансурановых элементов). Периоды полураспада у спонтанно делящихся ядер составляют от нескольких секунд до 10 20
для Тория-232; o протонная радиоактивность - радиоактивное превращение атомного ядра при котором испускаются нуклоны (протоны и нейтроны). o
1.5. Виды ионизирующего излучения
Основными видами ионизирующего излучения, с которыми нам чаще всего приходится сталкиваться являются: o альфа-излучение; o бета-излучение; o гамма-излучение; o рентгеновское излучение.
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
4 из 107
Конечно существуют и другие виды излучения (нейтронное), но с ними мы сталкиваемся в повседневной жизни значительно реже. Различие этих видов излучения заключается в их физических характеристиках, в происхождении, в свойствах, в радиотоксичности и поражающем действии на биологические ткани.
2.
Физические свойства радиоактивных излучений. Особенности
взаимодействия с веществом альфа-, бета-частиц, рентгеновского и гамма-
излучений.
2.1. Источники радиоактивности могут быть природными или искусственными.
Природные источники ионизирующего излучения это естественные радиоактивные элементы находящиеся в земной коре и создающие природный радиационный фон, это ионизирующее излучение приходящее к нам из космоса. Чем больше активность источника
(т.е. чем больше в нем распадается атомов за единицу времени), тем больше он испускает за единицу времени частиц или фотонов.
Искусственные источники радиоактивности могут содержать радиоактивные вещества полученные в ядерных реакторах специально или являющиеся побочными продуктами ядерных реакций. В качестве искусственных источников ионизирующего излучения могут быть и различные электровакуумные физические приборы, ускорители заряженных частиц и др. Например: кинескоп телевизора, рентгеновская трубка, кенотрон и др.
Возникающие в процессе распада или при осуществлении ядерных реакций излучения, проходя через вещество, взаимодействуют с электронами и ядрами атомов, передавая им свою энергию. Характер взаимодействия зависит от заряда, массы и энергии излучений, а также от атомного номера и плотности вещества. Поэтому мы отдельно рассмотрим взаимодействие с веществом заряженных частиц, гамма- квантов и нейтронов.
Основными свойствами радиоактивных излучений являются:
- способность проникать через вещества;
- ионизация вещества среды;
- выделение тепла при радиоактивном распаде;
- действие на фотоэмульсию;
- способность вызывать свечение люминесцирующих веществ;
- способность вызывать химические реакции и распад молекул ( при длительном воздействии излучений изменяется окраска окружающих предметов).
Все эти свойства используются при обнаружении и регистрации излучений, но ни одно из шести чувств человека воздействие ионизирующих излучений не улавливает.
2.2. Альфа-излучение
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
5 из 107
Естественное альфа-излучение является результатом радиоактивного распада ядра и
характерно для неустойчивых ядер тяжелых элементов, начиная с атомного номера более
83, т.е. для естественных радионуклидов рядов урана и тория, а также полученных
искусственным путем трансурановых элементов.
Альфа-частица, пролетая сквозь вещество, взаимодействует в первую очередь с электронами атомов вещества, «расталкивая» их своим кулоновским полем и передавая им при этом свою энергию ( в редких случаях, когда альфа-частица сталкивается с ядром, происходит ее рассеяние или ядерная реакция). В результате альфа-частица постепенно теряет свою энергию и замедляется. Растеряв всю энергию, она останавливается, присоединяет к себе два электрона и превращается в атом гелия.
Атомный электрон вещества, получив от альфа-частицы дополнительную энергию, может перейти со своей оболочки на более удаленную от ядра оболочку. Такое состояние атома называется возбужденным, а процесс перехода атома в подобное состояние называется возбуждением. За время порядка 10-8 сек возбужденный атом возвращается в исходное
(основное) состояние, а энергия, затраченная на возбуждение атома, высвобождается в виде электромагнитного излучения (характеристического рентгеновского излучения, видимого света и т.д.).
Если полученная электроном от альфа-частицы энергия окажется достаточно большой, электрон может преодолеть силы связи с ядром и покинуть атом. В результате этого атом превратится в положительно заряженный ион и, таким образом, образуются два заряда противоположных знаков- отрицательный заряд электрона и положительный заряд иона.
Подобный процесс называется ионизацией, а излучения, способные при взаимодействии с веществом производить ионизацию, называются ионизирующими. Через некоторое время положительно заряженный ион присоединяет к себе блуждающий электрон и превращается в нейтральный атом. Этот процесс, обратный процессу ионизации, называется рекомбинацией.
Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия – 42Не
и вылетают из ядра со скоростью 15 -20 тыс. км/с.
На своем пути они сильно ионизируют среду, выбивая электроны из орбит атомов.
Пробег альфа-частиц в воздухе порядка 5-8 см, в воде – 30-50 микрон (одна миллионная доля метра), в металлах – 10-20 микрон.
При ионизации альфа-лучами наблюдаются химические изменения вещества, и нарушается кристаллическая структура твердых тел.
Таким образом, альфа-распад сопровождается испусканием двух протонов и двух
нейтронов.
Важно, что изотоп, являющийся альфа-излучателем, испускает альфа-
частицы
со
строго
определенными
энергиями.
Альфа-излучатели используются при изготовлении ядерного топлива, в ядерных реакторах
2.3. Бета-излучение
Бета-излучение является самым распространенным типом радиоактивного
распада ядер, особенно для искусственных радионуклидов, образующихся при
использовании атомной энергии в научных, военных и промышленных (энергетических)
целях.
Бета-распад представляет собой самопроизвольное взаимное превращение
протонов и нейтронов, протекающее внутри ядра и сопровождающееся испусканием
или поглощением электронов (β- ) или позитронов(β+), нейтрино (νе) или
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
6 из 107
антинейтрино ( νе ).
Антинейтрино- частица, не имеющая массы покоя и заряда, вследствие чего практически не взаимодействует с веществом и свободно улетает.
Бета-частица, так же как и альфа-частица, взаимодействует своим кулоновским полем в основном с электронами атомов вещества, передавая им постепенно свою энергию, что приводит к возбуждению и ионизации атомов. Однако бета-частицы, наряду с возбуждением и ионизацией, могут испытывать третий вид потерь энергии, связанный с возникновением тормозного излучения. Пролетая мимо ядра атома и взаимодействуя с его электрическим полем, бета-частица тормозится, ее энергия уменьшается на некоторую величину, которая выделяется в виде электромагнитного излучения. Потери энергии на тормозное излучение пропорциональны энергии бета-частицы и заряду ядер вещества.
По мере движения в веществе бета-частица теряет свою энергию и замедляется. Движение ее продолжается до тех пор, пока она еще способна производить ионизацию и возбуждение атомов вещества. После этого бета-частица становится свободным электроном или захватывается одним из атомов вещества.
Существуют изотопы, у которых ядра атомов распадаются с испусканием только β- - частиц и антинейтрино, они называются чистые бета-излучатели . Но часто не вся энергия отдается бета-частице и антинейтрино и часть ее остается в ядре. Такое ядро испускает еще гамма- излучение.
2.4. Гамма-излучение
Гамма-излучение представляет собой электромагнитные волны, т.е. ядро, имеющее
избыток энергии, испускает его в виде электромагнитных волн.
При испускании гамма-кванта число протонов и нейтронов не изменяется, т.е. изотоп остается тем же, но происходит перестройка внутри ядра, так что этот процесс можно считать ядерным превращением. Гамма-кванты испускаются обычно после бета- частицы или альфа-частицы через время порядка 10-12 ÷ 10-7 сек.
Проходя через вещество, гамма-кванты взаимодействуют с электронами и ядрами.
Будучи незаряженными частицами, гамма-кванты не подвержены влиянию кулоновских сил. По этой причине они сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении могут передавать значительную долю своей энергии (вплоть до передачи всей энергии в одном столкновении), в отличие от заряженных частиц.
Взаимодействие гамма-квантов с веществом происходит за счет трех основных процессов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), комптоновского рассеяния (эффекта
Комптона) и образования пар. При большой энергии гамма-излучения возникают, кроме того, ядерные реакции, однако вероятность их намного меньше вероятности перечисленных процессов Относительный вклад того или иного процесса взаимодействия излучения с веществом зависит как от свойств вещества, так и от энергии излучения.
2.5. Фотоэффект
Гамма-кванты малых энергий взаимодействуют с электронами атомов, полностью передавая им свою энергию. В результате этого гамма-квант исчезает, а его энергия расходуется на отрыв электрона от атома и сообщение ему кинетической энергии Энергия фотона в этом случае передается, как правило, электроном, находящимся наиболее близко к ядру, т.е. на К- оболочке. При наличии достаточной энергии выбитый из атома оболочки электрон на своем пути сам способен производить ионизацию атомов так же, как и бета- частица. На место выбитого электрона немедленно переходит электрон из более удаленного от ядра слоя, что сопровождается характеристическим излучением Такой механизм
взаимодействия назван фотоэффектом.
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
7 из 107
Фотоэффект характерен для гамма-лучей с энергией менее 0,5 МэВ и имеет существенное значение при поглощении излучений тяжелыми элементами Вероятность взаимодействия с атомами по механизму фотоэффекта пропорциональна Z, где Z- средний атомный номер вещества.
2.6. Эффект Комптона
Гамма-кванты с энергией в несколько сот килоэлектронвольт и больше взаимодействуют со свободными электронами, а также с электронами внешних слоев оболочек, слабо связанными с ядром. Этот процесс взаимодействия подобен столкновению двух бильярдных шаров, так как гамма-кванты, сталкиваясь с электронами, передают им часть своей энергии и меняют направление своего движения. Электрон, получивший дополнительную энергию, расходует ее на ионизацию атомов вещества. Такое взаимодействие называется комптоновским рассеянием В результате многократного комптоновского взаимодействия фотона с электронами его энергия уменьшается и достигает значений, при которых происходит преимущественно фотоэффект
Комптоновское рассеяние средних энергий характерно для гамма-квантов средних энергий (0,5 -1 МэВ). Вероятность взаимодействия с атомами по механизму комптоновского рассеяния пропорциональна Z.
2.7. Образование пар
Гамма-кванты высоких энергий могут взаимодействовать с электрическим полем ядра. В результате такого взаимодействия фотон исчезает, а вместо него образуются две частицы: электрон и позитрон. Процесс образования пар имеет место только в том случае, если энергия фотона превышает 1,02 МэВ.
Далее электрон расходует свою энергию на ионизацию среды, а позитрон претерпевает процесс аннигиляции ( взаимодействия с электроном). Образовавшиеся в процессе аннигиляции два кванта гамма-лучей расходуют свою энергию также на ионизацию среды. С увеличением энергии гамма- квантов и атомного номера среды вероятность процесса образования пар возрастает ( она пропорциональна Z2 )
Таким образом, при всех процессах взаимодействия гамма-лучей с веществом часть энергии излучения преобразуется в кинетическую энергию электронов, которые, проходя через вещество, производят ионизацию. Поэтому гамма- излучение является косвенно ионизирующим излучением, в отличие от непосредственно ионизирующего излучения, к которому относятся альфа- и бета-излучение.
гамма-кванты обладают большой проникающей способностью, и термин «пробег» по
отношению к гамма-излучению неприемлем, в отличие от альфа- и бета-излучений ,для
которых всегда можно подобрать такой слой вещества, в котором происходит полное
поглощение потока альфа- и бета-частиц.
Слой половинного ослабления (Δ1/2 )- это слой поглотителя , при прохождении
которого плотность потока гамма-квантов уменьшается в два раза.
Линейный коэффициент ослабления слагается из суммы коэффициентов ослабления за счет фотоэффекта, комптоновского эффекта и процесса образования пар
2.8. Нейтроны
Нейтроны, представляющие собой поток незаряженных частиц, при прохождении
через вещество взаимодействуют только с ядрами атомов.
Они не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и поэтому обладают
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
8 из 107
большой проникающей способностью.
Нейтроны классифицируются по энергиям: медленные - с энергией до 1 кэВ; промежуточные- от 1 до 200 кэВ; быстрые - от 0,2 до 20 МэВ; сверхбыстрые - более 20 МэВ
В группе медленных нейтронов выделяют тепловые нейтроны с энергией 0,025 эВ.
Взаимодействие нейтронов с веществом слагается в основном из четырех процессов:
Упругое рассеяние - можно представить как столкновение двух бильярдных шаров.
Шар, движущийся с большой скоростью, сталкивается с неподвижным шаром, то первый передает второму часть энергии и изменяет направление своего движения.
Неупругое рассеяние - при столкновении быстро движущегося нейтрона с ядром он может проникнуть в ядро и выбить из него ядерный нейтрон При этом налетевший нейтрон передает часть своей энергии атомному ядру. Возбужденное ядро высвечивает избыточную энергию в виде гамма-квантов и переходит в нормальное состояние Этот процесс имеет сравнительно большую вероятность для многих тяжелых атомных ядер.
Радиационный захват-этот процесс характерен для тепловых нейтронов и состоит в захвате нейтрона атомным ядром с образованием нового, более тяжелого изотопа данного элемента.
Ядерные реакции - ядрами атомов могут быть захвачены не только тепловые. но быстрые нейтроны. При этом происходят ядерные реакции, которые сопровождаются испусканием протонов, альфа-частиц и т.д.
2.9. Рентгеновское излучение (Тормозное).
Рентгеновское излучение по своим физическим свойствам аналогично гамма-излучению, но природа его совсем другая. Оно образуется в рентгеновской трубке в результате торможения электронов на вольфрамовой мишени. Энергия рентгеновского излучения не может быть больше величины напряжения поданного на трубку. Это электромагнитное излучение с длиной волны 10
-5
-10
-2
нм. Излучается при торможении быстрых электронов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов из внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчатый спектр). Источники – рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы (например бета-изучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).
Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц.
В современной литературе в качестве общего названия всех атомов, отличающихся составом ядра, применяется термин « нуклид»
Нуклиды могут быть стабильными и радиоактивными.
Сказанное выше относится и к тем и к другим. В дальнейшем нас будут интересовать только радиоактивные нуклиды.
Радионуклид- нуклид, обладающей радиоактивностью ( радиоактивный атом с данным
массовым числом и атомным номером)
В зависимости от состава ядра атомы (нуклиды) группируются следующим образом:
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
9 из 107
Изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, обладающие разными массовыми числами, но имеющие одинаковый электрический заряд атомных ядер и потому занимающие в периодической системе элементов Д.И. Менделеева одинаковое место. Например:
55
Cs
131
,
55
Cs
134m
,
55
Cs
134
,
55
Cs
135
,
55
Cs
136
,
55
Cs
137
Различают изотопы устойчивые (стабильные) и неустойчивые – самопроизвольно распадающиеся путем радиоактивного распада, так называемые радиоактивные изотопы.
Известно около 250 стабильных, и около 50 естественных радиоактивных изотопов.
Примером устойчивого изотопа может служить Pb
206
, Pb208 являющийся конечным продуктом распада радиоактивных элементов U
235
, U
238
и Th
232
Изобары– атомы с одинаковым массовым числом, но с различным числом протонов в ядре.
Изотоны – атомы с одинаковым числом нейтронов в ядре, но с различным числом протонов и массовым числом.
Радионуклиды, в отличие от стабильных элементов, имеют еще одну, четвертую группу атомов
(нуклидов). Эта группа называется изомерами. К ним относятся атомы с одинаковым порядковым номером, массовым числом, количеством нейтронов, но с различными радиоактивными свойствами. В качестве примера разберем все четыре группы радионуклидов:
1.
Радиоизотопы - стронций, порядковый номер 38, атомные массы 89 и 90 соответственно
( 89 38 Sr, 9038 Sr) , периоды полураспада соответственно50,5 суток и 28 лет)
2.
Радиоизобары – золото ( 20379 Au), ртуть ( 20380Hg ), периоды полураспада соответственно55 секунд, 47 суток).
3.
Радиоизотоны - фосфор (3015 Р), сера ( 3116S), периоды полураспада соответственно2,6 мин; 3,2 секунд).
4.
Радиоизомеры – бром 8035 Br, 8035Brm (периоды полураспада соответственно18 минут,
4,58 секунд)
3. Естественные (природные) и искусственные радионуклиды .
3.1. Естественной радиоактивностью - называется радиоактивность, наблюдающаяся у неустойчивых изотопов, существующих в природе. Естественные радионуклиды состоят из радионуклидов-первичного происхождения.
Эти радионуклиды образуют три семейства:
1)
ториевое - торий-232 → свинец-208;
2)
урановое- уран-238 → свинец-206;
3)
актино-урановое- уран-235 → свинец-207.
Все три радиоактивных семейства роднит между собой общность некоторых свойств:
- каждое семейство начинается с долгоживущего изотопа, период полураспада которого сравним с возрастом земли (5-7•109 лет ), вследствие чего, эти семейства и «дожили» до наших дней;
- в каждом семействе образуется благородный газ, являющийся изотопом элемента радона;
- превращения изотопов в каждом семействе заканчиваются устойчивым изотопом свинца;
- в пределах каждого семейства массовые числа А подчиняются одной формуле.
Если получающиеся в результате распада исходного ядра новое ядро также радиоактивно и
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
10 из 107
т.д., то имеет место цепочка радиоактивных превращений.
Большая часть естественных радиоактивных ядер связана в ряды последовательных превращений, которые называются радиоактивными семействами.
Из встречающихся в природе одиночных радиоактивных изотопов наиболее распространенными являются : калий-40 ( 40К , Т=
4,5•108лет), рубидий-87 (87 Rb , Т=6,0•1010 лет), самарий-152( 152 Sm ,Т=2,5•1011 лет) и др.
В результате радиоактивного распада родоначальников образуется большое количество различных радиоактивных нуклидов. Распад каждого родоначальника заканчивается стабильным изотопом свинца.
Радионуклиды этих трех семейств представлены во всех группах периодической системы химических элементов.
Естественные радиоактивные нуклиды, исключая калий-40 и некоторые другие, находятся в конце периодической системы химических элементов, начиная с порядкового номера 81
(элемент - таллий Тl )
Ранее в природе существовало 4-е семейство (нептуний-237 - висмут- 209). Это семейство из-за сравнительно короткого периода полураспада родоначальника (Т = 2,2 • 10 6 лет) распалось. В настоящее время оно воспроизведено искусственно.
В качестве примера приведем упрощенную радиоактивную цепочку уранового ряда:
238U (α, 4,5•109 лет)→ 234 Th (β-,24,1 дн) →234Pa (β-, 1.17мин) → 234U (α, 242•105 ) → 230
Th (α, 8,0•104 лет) → 226Ra (α, 1620 лет) → 222Rn (α, 3,8 дня) →
218Po (α, 3,05 мин) → 214Pb (β-, 26,8 мин) → 214Вi (β-, 19.7 мин) → 214Po (α, 104 cек) →
210Pb (β-, 22.3 года) → 210 Bi (β-, 5 дней) →
Уран- 238 относят к естественным радионуклидам первичного происхождения. Он давно и широко распространен в природе. Вся радиоактивная цепочка уранового ряда в земле находится в радиоактивном равновесии, если она не нарушена путем изъятия из нее какого- либо ее члена непрерывно образующиеся в атмосфере: углерод-14 (14С), тритий (3Н)
3.2. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Свойства изотопа не зависят от способа его получения.
Искусственные радионуклиды получаются при делении урана -235 (235U) и плутония-239
(239Pu) в ядерных реакторах и при взрывах ядерных бомб.
Продукты ядерных взрывов состоят:
- осколки деления ядерного горючего: урана-235 (235U), урана-238 (238U), плутония -239
(239Pu);
-неразделившееся ядерное горючее;
-продукты активации веществ, окружающих ядерный боеприпас во время его взрыва.
Например: железо -59 (59Fe), углерод-14 (14С), натрий-24 (24Na) и др.
В 1919 году Э. Резерфорд впервые осуществил превращение одних химических элементов в другие. Для этого он использовал ядерную реакцию, в которой атомы азота, подвергшись бомбардировке альфа-частицами, превращались в атомы кислорода:
147 N + 42He→ 178O + 11H
В 1934 году супруги Жолио-Кюри получили искусственным путем радиоактивный радиофосфор в результате реакции: 27 13 Al + 42 He → 3015 P + 01 n
В отличие от естественного фосфора, который стабилен, его изотоп 3015 P оказался
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
11 из 107
радиоактивным. Период его полураспада (Т) около 3 мин; из реакции 3015 P→ 3014Si + β+ видно, что этоβ – распад.
Первой стадией взаимодействия бомбардирующей частицы с ядром является образование так называемого «составного» или «компаунд»-ядра. Частица привносит в ядро свою кинетическую энергию и энергию связи. Эта энергия быстро ( 10-21 сек) распределяется между всеми нуклонами ядра в качестве энергии его возбуждения.
Второй и заключительной стадией реакции является вылет одной из частиц из ядра. Этот процесс происходит таким образом, что в силу статистических флуктуаций, которые всегда достаточно развиты в системах с небольшим числом частиц, энергия может сконцентрироваться на одной какой –либо частице, после чего последняя покинет ядро.
Часто для обозначения ядерных реакций используют более короткую запись, например:
105 В (α, n ) 137 N
Ядерные реакции характеризуются определенным энергетическим эффектом.
Из более, чем двух тысяч известных в настоящее время радиоизотопов, лишь около трехсот естественные, а все остальные получены искусственным путем.
Они нашли широкое применение в технике, биологии, медицине, сельском хозяйстве и т.д.
Искусственная радиоактивность используется для получения химических элементов, занимающих места в таблице Менделеева дальше 92. Их называют трансурановыми и в природе в естественном виде они не существуют.
5.
Единицы измерения радиоактивности и ионизирующего излучения
Радиоактивность - самопроизвольный распад неустойчивых ядер некоторых атомов, сопровождающийся испусканием ионизирующего излучения (радиации).
Ионизирующее излучение - поток элементарных частиц или квантов, энергия которых достаточно велика, чтобы вызвать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе.
Основные виды ионизирую щего излучения - альфа-частицы, бета-лучи, гамма-лучи, рентгеновские лучи, нейтроны.
Альфа-частица - ядро атома гелия, состоит из двух протонов и двух нейтронов. В воздухе пробег альфа-частицы не превышает нескольких сантиметров, в мягких биологических тканях - нескольких десятков микрометров.
Бета-лучи - электроны и позитроны. В воздухе способны пролететь несколько метров, в мягкие ткани могут проникать на расстояние нескольких миллиметров.
Гамма-лучи - кванты электромагнитного излучения высокой энергии с длиной волны короче 0,01 нм. Способны распространяться на большие расстояния.
Рентгеновские лучи - кванты электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 100 нм. Обладают меньшей энергией, чем гамма-лучи. Образуются не только при радиоактивном распаде, но и в рентгеновской трубке.
Нейтроны - нейтральные частицы, вызывают косвенную ионизацию.
Единицей измерения радиоактивности служит беккерель (Бк, Bq). Один беккерель равен одному распаду в секунду. Часто используют внесистемную единицу - кюри (Ки, Ci). Один кюри соответствует числу распадов в секунду в 1 грамме радия. 1 Ки = 3,7.1010 Бк.
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
12 из 107
Широко известная внесистемная единица рентген (Р, R) служит для определения экспозиционной дозы. Один рентген соответствует дозе рентгеновского или гамма- излучения, при которой в 1 см3 воздуха образуется 2.109 пар ионов (суммарный заряд ионов равен одной единице заряда в системе СГС). 1 Р = 2, 58.10-4 Кл/кг.
Чтобы оценить действие излучения на вещество, измеряют поглощенную дозу, которая определяется как поглощенная энергия на единицу массы. Единица поглощенной дозы называется рад (от английского radiation absorbed dose). Один рад равен 100 эрг/г. В системе СИ используют другую единицу - грей (Гр, Gy). 1 Гр = 100 рад = 1 Дж/кг.
Биологический эффект различных видов излучения неодинаков. Это связано с отличиями в их проникающей способности и характере передачи энергии органам и тканям живого организма. Поэтому для оценки биологических последствий используют биологический эквивалент рентгена - бэр (в английском языке - rem, Roentgen Equivalent of Man). Доза в бэрах эквивалентна дозе в радах, умноженной на коэффициент качества излучения. Для рентгеновских, бета- и гамма-лучей коэффициент качества считается равным единице, то есть бэр соответствует раду. Для альфа-частиц коэффициент качества равен 20 (это означает, что альфа-частицы вызывают в 20 раз более сильное повреждение живой ткани, чем та же поглощенная доза бета- или гамма-лучей). Для нейтронов коэффициент составляет от 5 до 20 в зависимости от энергии. В системе СИ для эквивалентной дозы введена специальная единица, называемая зиверт (Зв, Sv). 1 Зв = 100 бэр. Эквивалентная доза в зивертах соответствует поглощенной дозе в греях, умноженной на коэффициент качества.
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 N
0
- 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
226
Ra. 1 Ки = 3,7 • Ю
10
распадов в секунду; 1 Бк = 2,7 • КГ
11
Ки.
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
13 из 107
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 количества 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/м
3
Бк/кг; Бк/м
3
-
Плотность поверхностного радиоактивного заражения
Ки/см
2
; Ки/м
2
;
Ки/км
2
; распад /
(мин • см
2
)
Бк/м
2
В радиобиологии и радиационной гигиене для характеристики воздействия ионизирующего излучения на среду вводят понятие дозы.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 12
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
8 из 107
большой проникающей способностью.
Нейтроны классифицируются по энергиям: медленные - с энергией до 1 кэВ; промежуточные- от 1 до 200 кэВ; быстрые - от 0,2 до 20 МэВ; сверхбыстрые - более 20 МэВ
В группе медленных нейтронов выделяют тепловые нейтроны с энергией 0,025 эВ.
Взаимодействие нейтронов с веществом слагается в основном из четырех процессов:
Упругое рассеяние - можно представить как столкновение двух бильярдных шаров.
Шар, движущийся с большой скоростью, сталкивается с неподвижным шаром, то первый передает второму часть энергии и изменяет направление своего движения.
Неупругое рассеяние - при столкновении быстро движущегося нейтрона с ядром он может проникнуть в ядро и выбить из него ядерный нейтрон При этом налетевший нейтрон передает часть своей энергии атомному ядру. Возбужденное ядро высвечивает избыточную энергию в виде гамма-квантов и переходит в нормальное состояние Этот процесс имеет сравнительно большую вероятность для многих тяжелых атомных ядер.
Радиационный захват-этот процесс характерен для тепловых нейтронов и состоит в захвате нейтрона атомным ядром с образованием нового, более тяжелого изотопа данного элемента.
Ядерные реакции - ядрами атомов могут быть захвачены не только тепловые. но быстрые нейтроны. При этом происходят ядерные реакции, которые сопровождаются испусканием протонов, альфа-частиц и т.д.
2.9. Рентгеновское излучение (Тормозное).
Рентгеновское излучение по своим физическим свойствам аналогично гамма-излучению, но природа его совсем другая. Оно образуется в рентгеновской трубке в результате торможения электронов на вольфрамовой мишени. Энергия рентгеновского излучения не может быть больше величины напряжения поданного на трубку. Это электромагнитное излучение с длиной волны 10
-5
-10
-2
нм. Излучается при торможении быстрых электронов в веществе (непрерывный спектр) и при переходах электронов из внешних электронных оболочек атома на внутренние (линейчатый спектр). Источники – рентгеновская трубка, некоторые радиоактивные изотопы (например бета-изучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).
Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц.
В современной литературе в качестве общего названия всех атомов, отличающихся составом ядра, применяется термин « нуклид»
Нуклиды могут быть стабильными и радиоактивными.
Сказанное выше относится и к тем и к другим. В дальнейшем нас будут интересовать только радиоактивные нуклиды.
Радионуклид- нуклид, обладающей радиоактивностью ( радиоактивный атом с данным
массовым числом и атомным номером)
В зависимости от состава ядра атомы (нуклиды) группируются следующим образом:
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
9 из 107
Изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, обладающие разными массовыми числами, но имеющие одинаковый электрический заряд атомных ядер и потому занимающие в периодической системе элементов Д.И. Менделеева одинаковое место. Например:
55
Cs
131
,
55
Cs
134m
,
55
Cs
134
,
55
Cs
135
,
55
Cs
136
,
55
Cs
137
Различают изотопы устойчивые (стабильные) и неустойчивые – самопроизвольно распадающиеся путем радиоактивного распада, так называемые радиоактивные изотопы.
Известно около 250 стабильных, и около 50 естественных радиоактивных изотопов.
Примером устойчивого изотопа может служить Pb
206
, Pb208 являющийся конечным продуктом распада радиоактивных элементов U
235
, U
238
и Th
232
Изобары– атомы с одинаковым массовым числом, но с различным числом протонов в ядре.
Изотоны – атомы с одинаковым числом нейтронов в ядре, но с различным числом протонов и массовым числом.
Радионуклиды, в отличие от стабильных элементов, имеют еще одну, четвертую группу атомов
(нуклидов). Эта группа называется изомерами. К ним относятся атомы с одинаковым порядковым номером, массовым числом, количеством нейтронов, но с различными радиоактивными свойствами. В качестве примера разберем все четыре группы радионуклидов:
1.
Радиоизотопы - стронций, порядковый номер 38, атомные массы 89 и 90 соответственно
( 89 38 Sr, 9038 Sr) , периоды полураспада соответственно50,5 суток и 28 лет)
2.
Радиоизобары – золото ( 20379 Au), ртуть ( 20380Hg ), периоды полураспада соответственно55 секунд, 47 суток).
3.
Радиоизотоны - фосфор (3015 Р), сера ( 3116S), периоды полураспада соответственно2,6 мин; 3,2 секунд).
4.
Радиоизомеры – бром 8035 Br, 8035Brm (периоды полураспада соответственно18 минут,
4,58 секунд)
3. Естественные (природные) и искусственные радионуклиды .
3.1. Естественной радиоактивностью - называется радиоактивность, наблюдающаяся у неустойчивых изотопов, существующих в природе. Естественные радионуклиды состоят из радионуклидов-первичного происхождения.
Эти радионуклиды образуют три семейства:
1)
ториевое - торий-232 → свинец-208;
2)
урановое- уран-238 → свинец-206;
3)
актино-урановое- уран-235 → свинец-207.
Все три радиоактивных семейства роднит между собой общность некоторых свойств:
- каждое семейство начинается с долгоживущего изотопа, период полураспада которого сравним с возрастом земли (5-7•109 лет ), вследствие чего, эти семейства и «дожили» до наших дней;
- в каждом семействе образуется благородный газ, являющийся изотопом элемента радона;
- превращения изотопов в каждом семействе заканчиваются устойчивым изотопом свинца;
- в пределах каждого семейства массовые числа А подчиняются одной формуле.
Если получающиеся в результате распада исходного ядра новое ядро также радиоактивно и
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
10 из 107
т.д., то имеет место цепочка радиоактивных превращений.
Большая часть естественных радиоактивных ядер связана в ряды последовательных превращений, которые называются радиоактивными семействами.
Из встречающихся в природе одиночных радиоактивных изотопов наиболее распространенными являются : калий-40 ( 40К , Т=
4,5•108лет), рубидий-87 (87 Rb , Т=6,0•1010 лет), самарий-152( 152 Sm ,Т=2,5•1011 лет) и др.
В результате радиоактивного распада родоначальников образуется большое количество различных радиоактивных нуклидов. Распад каждого родоначальника заканчивается стабильным изотопом свинца.
Радионуклиды этих трех семейств представлены во всех группах периодической системы химических элементов.
Естественные радиоактивные нуклиды, исключая калий-40 и некоторые другие, находятся в конце периодической системы химических элементов, начиная с порядкового номера 81
(элемент - таллий Тl )
Ранее в природе существовало 4-е семейство (нептуний-237 - висмут- 209). Это семейство из-за сравнительно короткого периода полураспада родоначальника (Т = 2,2 • 10 6 лет) распалось. В настоящее время оно воспроизведено искусственно.
В качестве примера приведем упрощенную радиоактивную цепочку уранового ряда:
238U (α, 4,5•109 лет)→ 234 Th (β-,24,1 дн) →234Pa (β-, 1.17мин) → 234U (α, 242•105 ) → 230
Th (α, 8,0•104 лет) → 226Ra (α, 1620 лет) → 222Rn (α, 3,8 дня) →
218Po (α, 3,05 мин) → 214Pb (β-, 26,8 мин) → 214Вi (β-, 19.7 мин) → 214Po (α, 104 cек) →
210Pb (β-, 22.3 года) → 210 Bi (β-, 5 дней) →
Уран- 238 относят к естественным радионуклидам первичного происхождения. Он давно и широко распространен в природе. Вся радиоактивная цепочка уранового ряда в земле находится в радиоактивном равновесии, если она не нарушена путем изъятия из нее какого- либо ее члена непрерывно образующиеся в атмосфере: углерод-14 (14С), тритий (3Н)
3.2. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Свойства изотопа не зависят от способа его получения.
Искусственные радионуклиды получаются при делении урана -235 (235U) и плутония-239
(239Pu) в ядерных реакторах и при взрывах ядерных бомб.
Продукты ядерных взрывов состоят:
- осколки деления ядерного горючего: урана-235 (235U), урана-238 (238U), плутония -239
(239Pu);
-неразделившееся ядерное горючее;
-продукты активации веществ, окружающих ядерный боеприпас во время его взрыва.
Например: железо -59 (59Fe), углерод-14 (14С), натрий-24 (24Na) и др.
В 1919 году Э. Резерфорд впервые осуществил превращение одних химических элементов в другие. Для этого он использовал ядерную реакцию, в которой атомы азота, подвергшись бомбардировке альфа-частицами, превращались в атомы кислорода:
147 N + 42He→ 178O + 11H
В 1934 году супруги Жолио-Кюри получили искусственным путем радиоактивный радиофосфор в результате реакции: 27 13 Al + 42 He → 3015 P + 01 n
В отличие от естественного фосфора, который стабилен, его изотоп 3015 P оказался
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
11 из 107
радиоактивным. Период его полураспада (Т) около 3 мин; из реакции 3015 P→ 3014Si + β+ видно, что этоβ – распад.
Первой стадией взаимодействия бомбардирующей частицы с ядром является образование так называемого «составного» или «компаунд»-ядра. Частица привносит в ядро свою кинетическую энергию и энергию связи. Эта энергия быстро ( 10-21 сек) распределяется между всеми нуклонами ядра в качестве энергии его возбуждения.
Второй и заключительной стадией реакции является вылет одной из частиц из ядра. Этот процесс происходит таким образом, что в силу статистических флуктуаций, которые всегда достаточно развиты в системах с небольшим числом частиц, энергия может сконцентрироваться на одной какой –либо частице, после чего последняя покинет ядро.
Часто для обозначения ядерных реакций используют более короткую запись, например:
105 В (α, n ) 137 N
Ядерные реакции характеризуются определенным энергетическим эффектом.
Из более, чем двух тысяч известных в настоящее время радиоизотопов, лишь около трехсот естественные, а все остальные получены искусственным путем.
Они нашли широкое применение в технике, биологии, медицине, сельском хозяйстве и т.д.
Искусственная радиоактивность используется для получения химических элементов, занимающих места в таблице Менделеева дальше 92. Их называют трансурановыми и в природе в естественном виде они не существуют.
5.
Единицы измерения радиоактивности и ионизирующего излучения
Радиоактивность - самопроизвольный распад неустойчивых ядер некоторых атомов, сопровождающийся испусканием ионизирующего излучения (радиации).
Ионизирующее излучение - поток элементарных частиц или квантов, энергия которых достаточно велика, чтобы вызвать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе.
Основные виды ионизирую щего излучения - альфа-частицы, бета-лучи, гамма-лучи, рентгеновские лучи, нейтроны.
Альфа-частица - ядро атома гелия, состоит из двух протонов и двух нейтронов. В воздухе пробег альфа-частицы не превышает нескольких сантиметров, в мягких биологических тканях - нескольких десятков микрометров.
Бета-лучи - электроны и позитроны. В воздухе способны пролететь несколько метров, в мягкие ткани могут проникать на расстояние нескольких миллиметров.
Гамма-лучи - кванты электромагнитного излучения высокой энергии с длиной волны короче 0,01 нм. Способны распространяться на большие расстояния.
Рентгеновские лучи - кванты электромагнитного излучения с длиной волны от 0,01 до 100 нм. Обладают меньшей энергией, чем гамма-лучи. Образуются не только при радиоактивном распаде, но и в рентгеновской трубке.
Нейтроны - нейтральные частицы, вызывают косвенную ионизацию.
Единицей измерения радиоактивности служит беккерель (Бк, Bq). Один беккерель равен одному распаду в секунду. Часто используют внесистемную единицу - кюри (Ки, Ci). Один кюри соответствует числу распадов в секунду в 1 грамме радия. 1 Ки = 3,7.1010 Бк.
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
12 из 107
Широко известная внесистемная единица рентген (Р, R) служит для определения экспозиционной дозы. Один рентген соответствует дозе рентгеновского или гамма- излучения, при которой в 1 см3 воздуха образуется 2.109 пар ионов (суммарный заряд ионов равен одной единице заряда в системе СГС). 1 Р = 2, 58.10-4 Кл/кг.
Чтобы оценить действие излучения на вещество, измеряют поглощенную дозу, которая определяется как поглощенная энергия на единицу массы. Единица поглощенной дозы называется рад (от английского radiation absorbed dose). Один рад равен 100 эрг/г. В системе СИ используют другую единицу - грей (Гр, Gy). 1 Гр = 100 рад = 1 Дж/кг.
Биологический эффект различных видов излучения неодинаков. Это связано с отличиями в их проникающей способности и характере передачи энергии органам и тканям живого организма. Поэтому для оценки биологических последствий используют биологический эквивалент рентгена - бэр (в английском языке - rem, Roentgen Equivalent of Man). Доза в бэрах эквивалентна дозе в радах, умноженной на коэффициент качества излучения. Для рентгеновских, бета- и гамма-лучей коэффициент качества считается равным единице, то есть бэр соответствует раду. Для альфа-частиц коэффициент качества равен 20 (это означает, что альфа-частицы вызывают в 20 раз более сильное повреждение живой ткани, чем та же поглощенная доза бета- или гамма-лучей). Для нейтронов коэффициент составляет от 5 до 20 в зависимости от энергии. В системе СИ для эквивалентной дозы введена специальная единица, называемая зиверт (Зв, Sv). 1 Зв = 100 бэр. Эквивалентная доза в зивертах соответствует поглощенной дозе в греях, умноженной на коэффициент качества.
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 N
0
- 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
226
Ra. 1 Ки = 3,7 • Ю
10
распадов в секунду; 1 Бк = 2,7 • КГ
11
Ки.
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
13 из 107
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 количества 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/м
3
Бк/кг; Бк/м
3
-
Плотность поверхностного радиоактивного заражения
Ки/см
2
; Ки/м
2
;
Ки/км
2
; распад /
(мин • см
2
)
Бк/м
2
В радиобиологии и радиационной гигиене для характеристики воздействия ионизирующего излучения на среду вводят понятие дозы.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 12
Доза излучения – это мера действия излучения в какой-либо среде.
Нормами радиационной безопасности (НРБ-99) регламентируются: доза поглощенная, доза на орган, эквивалентная доза, эффективная доза, ожидаемая эквивалентная или ожидаемая эффективная доза, в зависимости от контекста. Определяющие прилагательные часто опускаются, если они не нужны для определения интересующей величины.Основная физическая величина, которая характеризует радиоактивный источник, это число происходящих в нем распадов в единицу времени. Такая величина была названа
активностью. Активность того или иного вещества, например, радиоактивного изотопа, определяется количеством атомов, распадающихся в единицу времени (скажем, за одну секунду), и, следовательно, число испускаемых веществом радиоактивных частиц прямо пропорционально его активности.
В качестве единицы активности и Международной системе единиц СИ выбран
беккерель (Бк, Bq). Активность в 1 Бк соответствует одному распаду в секунду. Однако в практической дозиметрии и радиационной физике чаще используется другая единица –
кюри (обозначается Ки, Ci). Кюри в 37 миллиардов раз больше одного беккереля (1 Ки =
3,7 10 10
Бк), то есть соответствует 37 миллиардам радиоактивных распадов в секунду. С чем связан такой, казалось бы, странный и произвольный выбор единицы? Дело в том, что именно такое число распадов происходит в одном грамме радия-226 – исторически первого вещества, в котором были изучены законы радиоактивного распада. Поскольку активность одного грамма чистого радия близка к 1 Ки, то ее часто выражают в граммах. В этом (и только в этом) случае единица массы вещества обладает единичной активностью.
Благодаря распаду количество радиоактивных атомов в первоначальной массе вещества уменьшается с течением времени. Соответственно снижается, и активность. Это уменьшение активности подчиняется экспоненциальному закону:
C
t
= C
0 exp (– [0,693/T]t) который называется законом радиоактивного распада. Здесь C
t
– активность вещества по прошествии времени t, С
0
– активность в начальный момент. Как видно из формулы, описывающей распад, величина T служит важнейшей характеристикой радиоактивности – она показывает то время, по истечении которого активность вещества (или число радиоактивных атомов) уменьшается вдвое. Это время
T называется периодом
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
14 из 107
полураспада.
У разных радиоактивных веществ период полураспада меняется в очень широких пределах: от миллионных долей секунды до нескольких миллиардов лет. Например, период полураспада урана-238 равен 4,5 миллиарда лет, радиоактивного изотопа йода-131 – около
8 дней, цезия-137 – тридцать лет. При авариях с ядерными установками последние два изотопа способны доставить наибольшие неприятности. Оба представляют собой летучие продукты деления, поэтому они легко могут попасть в атмосферу и образовать аэрозоли.
Однако если йода-131 через несколько месяцев останется ничтожно мало – он практически весь распадется, – то цезий-137 вместе с другими выпавшими долгоживущими изотопами еще сохраняет способность заражать местность. Во что же превращается радиоактивный йод в результате распада? В инертный газ ксенон-131, который вполне устойчив. За 100 дней содержание йода-131 и соответственно его активность уменьшатся в 2 12
= 4096 раз.
Под действием излучений, испускаемых радиоактивными изотопами, в облучаемом объекте накапливаются различные нарушения. Принято считать (хотя это сегодня все чаще подвергается сомнению), что изменения, происходящие в облучаемом веществе, полностью определяются поглощенной энергией радиоактивного излучения. Это положение, строго говоря, не доказано, и его можно назвать энергетическим постулатом. Во всяком случае, поглощенная энергия излучения служит самой удобной физической величиной, характеризующей действие радиации на организмы.
И вот на VII Международном конгрессе радиологов, который состоялся в 1953 году в
Копенгагене, в период наиболее острого интереса к атомной науке и технике, энергию любого вида излучения, поглощенную в одном грамме вещества, было рекомендовано называть поглощенной дозой. В качестве единицы поглощенной дозы был выбран рад
(rad, по первым буквам английского словосочетания «radiation absorbed dose», –
поглощенная доза излучения). Один рад соответствует такой поглощенной дозе, при которой количество энергии, которая выделяется в одном грамме любого вещества, равно
100 эрг независимо от вида и энергии ионизирующего излучения. Таким образом,
1 рад = 100 эрг/г = 10
–2
Дж/кг = 6,25·10 7
МэВ/г для любого материала.
Поглощенная доза, образуемая в веществе в единицу времени, называется мощностью
поглощенной дозы и измеряется в единицах рад/с, рад/мин, рад/ч и т.д.
Рад, так же как и кюри (1 Ки = 3,7 гигабеккерелей, ГБк), – это так называемые внесистемные единицы, и с точки зрения ортодоксальных приверженцев системы СИ на их использование должен быть наложен суровый запрет. Однако жизненная практика оказалась сильнее формальных предписаний, и «незаконная» единица поглощенной дозы – рад – используется гораздо чаще, чем соответствующая единица системы СИ – грэй
(обозначается Гр, Gy). (Например, в широко используемом юбилейном справочнике, посвященном 50-летню Американского института физики, которое отмечалось в 1981 году, единица «грэй» вообще не упоминается.) Соотношение между единицами поглощенной дозы таково:
1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.
Мощность поглощенной дозы измеряется в системе СИ в Гр/с, Гр/ч и т.д.
Стоит обратить внимание на то обстоятельство, что рад (или грэй) – единица чисто физической величины. По существу, это энергетическая единица, никак не учитывающая те биологические эффекты, которые производит проникающая радиация при взаимодействии
Товарищество с ограниченной ответственностью «Казахстанский центр обучения
и аттестаций в области неразрушающего контроля и сварки»
Лекционный материал
«Радиографический контроля»
Обозначение документа
МК РК
Дата введения в действие
22.11.2021
Страница
15 из 107
с веществом. Однако то, что действительно интересует специалистов по дозиметрии и радиационной физике, – это изменения в организме, возникающие при облучении человека.
Оказалось, что тяжесть всяческих нарушений сильно различается в зависимости от типа излучения.
Другими словами, знания поглощенной дозы совершенно недостаточно для оценки радиационной опасности. Более того, измерить поглощенную дозу непосредственно в живой ткани чрезвычайно трудно, и даже если бы удалось проделать такие измерения, их ценность оказалась бы невелика. Действительно, отклик живого организма па облучение определяется не столько поглощенной дозой, сколько микроскопическим – то есть на уровне отдельных молекул – распределением энергии по чувствительным структурам живых клеток. Поэтому возникла необходимость ввести такую измеримую величину, которая учитывала бы не только выделение энергии, но и биологические последствия облучения.
Из соображений простоты и удобства биологические эффекты, вызванные любыми ионизирующими агентами, принято сравнивать с воздействием па живой организм рентгеновского или гамма-излучения. Удобство здесь состоит в том, что для рентгеновского излучения заданные дозы и их мощности сравнительно просто получаются
(например, с помощью калиброванных рентгеновских источников), хорошо воспроизводятся и надежно измеряются. Все эти процедуры становятся заметно сложнее для других типов излучений. Чтобы можно было сравнивать воздействие последних с биологическими эффектами от рентгеновского и гамма-излучения, вводится так называемая
эквивалентная доза, которая определяется как произведение поглощенной дозы на некоторый коэффициент, зависящий от вида излучения.
Этот коэффициент, называемый «фактором качества» Q, приблизительно равен единице для гамма-лучей и протонов высокой энергии; для тепловых нейтронов Q ≈ 3, а для быстрых нейтронов значение Q достигает десяти. При облучении α-частицами и тяжелыми ионами Q ≈ 20, а это значит, что даже сравнительно малые поглощенные дозы могут вызвать серьезные биологические последствия. Эквивалентная доза измеряется в бэрах
(бэр – биологический эквивалент рентгена). Иногда употребляется также наименование
«рем» (от английской аббревиатуры rem – roentgen equivalent for man, эквивалент рентгена для человека). Коэффициент качества излучения Q устанавливается на основе радиобиологических экспериментов и приводится в специальных таблицах. Для рентгеновского излучения (Q = 1) один рад поглощенной дозы соответствует одному бэру.
В принципе особой необходимости в специальной единице эквивалентной дозы нет, она может измеряться в тех же единицах, что и поглощенная доза, поскольку коэффициент Q – безразмерный. Тем не менее, учитывая важность проблемы биологического действия ионизирующих излучений, в радиационной физике и при расчете защиты от ядерных излучений стали использовать единицу эквивалентной дозы. В системе СИ эта единица установлена совсем недавно и называется зиверт (обозначается Зв, Sv). Эквивалентная доза в 4...5 зиверт (примерно 400...500 бэр), полученная за короткое время, вызывает тяжелое лучевое поражение и может привести к смертельному исходу. Предельно
допустимая доза (ПДД) для персонала, работающего с радиоактивными веществами, установлена в 5 бэр/год (или примерно 100 мбэр/неделя).
При этом имеется в виду облучение всего тела, как говорят, тотальное облучение. Для населения установлен предел дозы за год в десять раз меньший – 500 мбэр/год.
Как же узнать, какую дозу радиации получает человек, находящийся вблизи радиоактивного источника? В том-то и состоит предательская особенность ядерных излучений, что с точки зрения человека, попадающего в опасную зону, они никак себя не