Файл: ЧС и радбез. Курс лекций 2014.pdf

Лекция 4. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВЕЩЕСТВОМ. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЙ

4.1.Ионизирующие излучения, их характеристики.

4.2.Альфа-излучение.

4.3.Бета-излучение.

4.4.Нейтронное излучение.

4.5.Гамма-излучение.

4.6.Основные дозиметрические величины и единицы их измерения. Связь между дозами.

4.1.Ионизирующие излучения, их характеристики

Любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрически заряженных частиц, называется ионизирующим. Излучения отличаются по проникающей и ионизирующей способности. Ионизирующая способность излучения обусловлена ионизацией атомов и молекул в результате взаимодействия частиц со средой. Проникающая способность – это проникновение ионизирующих излучений в массу вещества на некоторую глубину.

Ионизирующее излучение – излучение, которое образуется при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков. Ионизирующее излучение не воспринимается органами чувств: мы его не видим и не слышим, не ощущаем воздействия на наши тела. Ионизирующие излучения разделяют на электромагнитное и корпускулярное.

К электромагнитным (фотонным) относят рентгеновское и гамма-излучения, которые представляют собой поток электромагнитной энергии с разной (преимущественно короткой) длиной волны. Солнце является природным источником ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение поглощается земной атмосферой; если бы этого не происходило, то оно губительно действовало бы на все живое на Земле.

Корпускулярное ионизирующее излучение – поток элемен-

тарных частиц, образующихся при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, либо генерируемых на ускорителях. К нему относятся:

63

бета-частицы (электроны и позитроны), нейтроны, протоны и альфачастицы (ядра атома гелия).

К ионизирующим относятся также космические излучения, которые приходят на Землю из космического пространства.

Воздействие ионизирующих излучений на вещества называется

облучением.

За единицу энергии радиоактивных излучений принят электронвольт (эВ). Электрон-вольт – это энергия, которую приобретает электрон, проходя в электрическом поле разность потенциалов, равную одному вольту.

Альфа- и бета-частицы, гамма-кванты при распространении в разных средах взаимодействуют с атомами и молекулами вещества, могут передавать последним часть своей энергии и менять направление движения. Атомы и молекулы, получившие избыток энергии, в процессе столкновения переходят в возбужденное состояние. При этом может происходить ионизация атомов или молекул (отрыв электронов), а молекулы могут и диссоциировать на ионы. Для ионизации большинства химических веществ, которые входят в состав биологических объектов, необходима энергия порядка 10 эВ.

Ионизирующая способность излучения определяется удельной ионизацией, т. е. числом пар ионов, создаваемых частицей в единице объема, массы среды или на единице длины пути. Энергия, необходимая на образование одной пары ионов, называется потенциалом ионизации данного вещества, или средней энергией ионообразования. Например, потенциал ионизации воздуха составляет в среднем 34 эВ. Если энергия излучения, которая передается атому или молекуле, меньше, чем потенциал ионизациивещества, топроисходитвозбуждениеатомабезобразованияионов.

Число пар ионов, которые образованы в среде гамма-квантом или частицей на единице длины своего пути, называется линейной плотностью ионизации. При каждом акте взаимодействия частица теряет часть своей энергии и затормаживается, ее скорость уменьшается до того момента, пока не станет равной скорости теплового движения.

Проникающая способность излучений определяется величиной пробега. Пробег – путь, пройденный частицей в веществе до ее полной остановки, обусловленной тем или иным видом взаимодействия.

4.2. Альфа излучение

Альфа-излучение – это поток частиц, являющихся ядрами атома гелия ( 42 He) и обладающими двумя единицами заряда. Масса альфа-

64

частицы m = 6,64 10–27 кг, заряд q = 3,204 10–19 Кл. Радиоактивное превращение атомного ядра, сопровождающееся вылетом из него альфа-частиц, называется альфа-распадом.

Альфа-распад может быть выражен следующим соотношением:

ZA X ZA 42Y 42 He.

Зарядовое число Z распадающегося ядра ZA Z при альфа-распаде

уменьшается на две единицы, массовое число A – на четыре единицы. Примером альфа-распада может служить радиоактивное

превращение 23994 Pu с испусканием альфа-частиц различных энергий

(5,11; 5,14; 5,16 МэВ) и гамма-квантов (0,02; 0,05 МэВ). Гамма-

кванты испускаются дочерними ядрами U-235, находящимися в возбужденном состоянии:

Основными источниками альфа-излучения являются естественные радиоактивные изотопы, многие из которых испускают при распаде альфа-частицы с энергией в пределах от 2 до 8,8 МэВ. При этом все ядра одних радионуклидов испускают альфа-частицы, обладаю-

щие одной и той же энергией. Это моноэнергетические излучатели,

например, 23492 U (4,5 МэВ), 21684 Po (6,78 МэВ). Ядра других элементов испускают альфа-частицы различных энергий; так, например, при распаде 23592 U примерно 10% альфа-частиц имеют энергию 4,58 МэВ,

86% – 4,40 МэВ и 4% – 4,18 МэВ. Энергия гамма-квантов, испускаемых дочерними (возбужденными) ядрами после альфа-распада, обычно не превышает 0,5 МэВ.

Альфа-частицы обладают наиболее высокой ионизирующей способностью и наименьшей проникающей способностью. Их удельная ионизация – линейная плотность ионизации (ЛПИ) – изменяется от

25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздухе. На образование одной пары ионов требуется около 34 эВ. Длина пробега этих частиц в воздухе при нормальных условиях – от 2,5 до 8,6 см; в биологических средах – не превышает 70 мкм.

Длина пробега частиц зависит от энергии. Разные группы альфачастиц, даже испускаемые одним и тем же радиоактивным ядром, могут иметь различные энергии и, следовательно, различные длины пробега. Скорости движения альфа-частиц в воздухе в зависимости от энергии находятся в интервале от 14 000 до 22 500 км/с.

65

Длина пробега R (см) в воздухе альфа-частиц с энергией от 3 до 8 МэВ может быть вычислена по экспериментальной формуле

где E – энергия альфа-частиц, МэВ; Аm – массовое число вещества;– плотность вещества, г/см3.

Взаимодействие альфа-частицы с веществом проявляется во взаимном отталкивании с положительно заряженными ядрами и притяжении с отрицательно заряженными электронами атомов.

Взаимодействие с ядрами не играет существенной роли, т. к. ядер в веществе значительно меньше, чем электронов. Кинетическая энергия альфа-частиц при их прохождении через вещество затрачивается главным образом на возбуждение и ионизацию атомов среды и диссоциацию молекул.

Когда альфа-частица окончательно расходует весь свой запас кинетической энергии, то присоединяет к себе два электрона и превращается в нейтральный атом гелия.

Кожа человека полностью задерживает альфа-частицы. Для исключения ожога кожи при работе с источниками альфа-излучения используют защитные резиновые перчатки.

Альфа-частицы полностью поглощаются одеждой. Однако при попадании альфа-частиц внутрь организма (с воздухом, пищей, водой или через открытую рану) из-за сильной ионизирующей способности они становятся очень опасными и вызывают в местах контакта необратимые повреждения биологической ткани.

Известно около 300 альфа-активных радионуклидов, из них 40 являются природными. Природные альфа-излучатели: изотопы 23592 U ,

23892 U , 22088 Ra, 23290 Th, 21884 Po, 22286 Ru, 20482 Rb.

В результате аварии на Чернобыльской АЭС были выброшены искусственные альфа-излучатели: изотопы плутония 23894 Pu, 23994 Pu,

24094 Pu, 24194 Pu.

66

4.3. Бета излучение

Бета-частицы – поток электронов или позитронов, испускаемых ядрами радиоактивных элементов при бета-распаде. Электрон ( –-частица) имеет массу me = 9,109 10–31 кг и отрицательный заряд e = 1,6 10–19 Кл. Позитрон ( +-частица) – элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Массы электрона и позитрона равны, а их электрические заряды и магнитные моменты равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.

Позитрон стабилен, но в веществе существует лишь короткое время (доли секунды) из-за аннигиляции с электронами.

Бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии. Это объясняется природой бетарадиоактивных ядер, при котором образующаяся энергия распределяется между дочерним ядром, бета-частицей и нейтрино.

Энергетический спектр бета-частиц сложный и непрерывный. Максимальная энергия лежит в пределах от 0,018 до 13,5 МэВ.

Поток бета-частиц называется бета-излучением. В результате электронного бета-распада исходное ядро превращается в новое ядро, масса которого остается прежней, а заряд увеличивается на единицу, при этом появляется частица – антинейтрино:

Позитронный бета-распад приводит к образованию ядра с прежней массой и зарядом, уменьшенным на единицу, при этом образуется нейтрино:

Нейтрино от антинейтрино отличается направлением спина по отношению к импульсу.

Электронный захват, при котором ядро притягивает к себе один из электронов, расположенныхнавнутреннихорбитахатома(чащеK-слоя):

Место захваченного электрона сразу же заполняется электроном с более высокого уровня, при этом испускается рентгеновское излучение. Ядро же такого атома остается неизменным по массе и превращается в новое ядро с зарядом, уменьшенным на единицу.

67

Часто один и тот же радионуклид подвергается одновременно нескольким типам распада. Например, K-40 претерпевает электронный распад и электронный захват (K-захват).

Таким образом, при всех видах бета-распада массовое число ядра остается без изменения, а зарядовое число изменяется на единицу.

При взаимодействии бета-частиц с веществом происходит ионизация и возбуждение атомов, при этом бета-частицы передают атомам свою кинетическую энергию и рассеиваются. Потеря бета-частицей энергии при каждом акте взаимодействия с веществом сопровождается уменьшением ее скорости до тепловой скорости движения вещества. Отрицательная бета-частица при этом либо остается в виде свободного электрона, либо присоединяется к нейтральному атому или положительному иону, превращая первый в отрицательный ион, а второй – в нейтральный атом. Положительная бета-частица (позитрон) в конце своего пути, сталкиваясь с электроном, соединяется с ним и аннигилирует.

Многократные изменения направления бета-частицы при ее взаимодействии с веществом приводят к тому, что глубина проникновения ее в вещество – длина пробега – оказывается значительно меньше истиной длины пути бета-частицы в веществе, а ионизация носит объемный характер.

Средняя величина ЛПИ в воздухе зависит от энергии бета-частиц и составляет 100–300 пар ионов на 1 см пути, а максимальный пробег в воздухе достигает нескольких метров, в биологической ткани – сантиметры, в металлах – десятки мкм. Скорость движения бета-частиц в воздухе близка к скорости света (250 000–270 000 км/с).

Для защиты от бета-излучения используются: стекло, алюминий, плексиглас, полимеры – материалы, состоящие из элементов с малым порядковым номером.

Толщина слоя вещества, в котором происходит полное поглощение бета-частиц, соответствует максимальной длине пробега – длине пробега бета-частиц, имеющих наибольшую энергию в данном спектре, – и может быть определена по формуле

где Rmax – максимальная длина пробега (толщина слоя), см; Emax – максимальная энергия бета-частиц в спектре, МэВ; – плотность вещества, г/см3.

Потеря энергии бета-частицами и рассеяние их в веществе приводят к постепенному ослаблению потока бета-частиц, которое выражается экспоненциальной зависимостью

68