ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

радиационной безопасности
Министерство образования
Белорусский государственный университет
Международный государственный экологический институт им. А.Д.

Сахарова

к образованию ионов разных знаков в этом веществе.
Ионизирующее излучение:
Непосредственное ионизирующее

излучение
Косвенное ионизирующее излучение
Непосредственное ионизирующее излучение состоит из заряженных частиц (е, р, α-частицы). Их энергия должна быть достаточна для ионизации при столкновении, чтобы выбить орбитальные электроны из атомов при кулоновском взаимодействии).
Косвенное ионизирующее излучение состоит из незаряженных частиц (γ-кванты, n), которые создают непосредственно ИИ и (или) вызывают ядерные реакции. Т.е., энергия передается вначале заряженной частице (е, р), а затем эти вторичные частицы производят ионизацию и(или) вызывают ядерные реакции.

при описании рентгеновских лучей.
Фотонное ИИ:
γ-излучение, возникающее при изменении энергетического

состояния атомных ядер, при ядерных превращениях или при аннигиляции частиц
Тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц;
Характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома;
Рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений.
Корпускулярное излучение – ИИ, состоящее из частиц с массой отличной от 0, т.е. α, n, β, μ и др. Эти частицы называют ионизирующими.

частиц и фотонов.
ИИ: моноэнергетическое и немоноэнергетическое.
Первичное ИИ – излучение, которое

в рассматриваемом процессе взаимодействия со средой является или принимается за исходное.
Вторичное ИИ возникает в результате взаимодействия первичного ИИ с данной средой.
ИИ подразделяют на 4 группы:
1 – тяжелые заряженные частицы (р, α-частицы, ...)
2 – легкие заряженные частицы: электроны и позитроны.
3 – фотонное: рентгеновское и γ-излучение
4 – нейтронное

2 нейтрона, входящих в состав ядер гелия.
Альфа-частицы образуются при

распаде ядра атома и могут иметь начальную кинетическую энергию от 1,8 до 15 МэВ. Характерными особенностями альфа-излучения являются:
высокая ионизирующая и
малая проникающая способности.
При движении альфа-частицы очень быстро теряют свою энергию, и это обуславливает тот факт, что ее не хватает даже для преодоления тонких пластмассовых поверхностей.

высокоэнергичные альфа-частицы, полученные с помощью ускорителя, не несет в себе

никакого вреда для человека, а вот проникновение частиц внутрь организма может быть опасно для здоровья.
альфа-радионуклиды отличаются большим периодом полураспада и обладают сильной ионизацией.
В случае попадания внутрь организма альфа-частицы часто могут быть даже опаснее, чем бета- и гамма-излучение.

результате бета-распада.
Бета-лучи обладают большей проникающей способностью, чем альфа-лучи:
–

они могут вызывать химические реакции, люминесценцию, ионизировать газы, оказывать эффект на фотопластинки.
В качестве защиты от потока заряженных бета-частиц (энергией не более 1МэВ) достаточно будет использовать обычную алюминиевую пластину толщиной 3-5 мм.

два вида излучений:
рентгеновское (может быть тормозным и характеристическим) и

гамма-излучение.
Наиболее распространенным видом фотонного излучения являются обладающие очень высокой энергией при ультракороткой длине волны гамма-частицы, которые представляют собой поток высокоэнергичных, не обладающих зарядом фотонов.
В отличие от альфа- и бета-лучей гамма-частицы не отклоняются магнитными и электрическими полями и обладают значительно большей проникающей способностью.
В определенных количествах и при определенной продолжительности воздействия гамма-излучение может вызвать лучевую болезнь, привести к возникновению различных онкологических заболеваний.
Препятствовать распространению потока гамма-частиц могут только такие тяжелые химические элементы, как, например, свинец, обедненный уран и вольфрам.

реакторы, лабораторные и промышленные установки.
Сами нейтроны представляют собой электрически

нейтральные, нестабильные (период полураспада свободного нейтрона составляет около 10 минут) частицы, которые благодаря тому, что у них отсутствует заряд, отличаются большой проникающей способностью при слабой степени взаимодействия с веществом.
Нейтронное излучение очень опасно, поэтому для защиты от него используют ряд специальных, в основном водородосодержащих, материалов. Лучше всего нейтронное излучение поглощается обычной водой, полиэтиленом, парафином, а также растворами гидроксидов тяжелых металлов.

той или иной степени оказывают воздействие на различные вещества, но

сильнее всего оно выражено у гамма-частиц и у нейтронов.
Так, при длительном воздействии они могут существенно изменить свойства различных материалов, изменить химический состав веществ, ионизировать диэлектрики и оказывать разрушительный эффект на биологические ткани.
Естественный радиационный фон не принесет человеку особого вреда, однако при обращении с искусственными источниками ионизирующих излучений стоит быть очень осторожными и предпринимать все необходимые меры, чтобы до минимума снизить уровень воздействия излучения на организм.

электроны своим кулоновским полем, за счет чего теряет свою энергию,

ионизируя либо возбуждая атомы. Т.е., заряженная частица всегда теряет энергию при прохождении через вещество. А γ-квант может пройти толстый защитный экран без потери энергии.
Практический интерес: от нескольких кэВ до 10 МэВ.
Три механизма потери энергии:
1 - ионизация
2 - возбуждение
3 - торможение

заряженные частицы – электроны и ионы, т.е. образование пар ионов.
На

образование пары тратится ~ 30 – 40 эВ. Это энергия образования пары ионов
Для образования пары ионов в воздухе γ-излучение тратит энергию ε = 33,85 эВ.
Полная ионизация Nn – это количество пар ионов, образованных ИИ, на всем пути в среде:
Nn = Е / ε
Где Е – энергия ИИ, эВ
Линейная плотность ионизации NL - количество пар ионов, образованных ИИ на единице пути:
NL = N / R = Е / s R
N – полная ионизация пар ионов, R - линейный пробег.

частицей и электронами атома.
При ионизации электрон выбивается из атома путем

удаления его из орбиты
При возбуждении электрону передается энергия, недостаточная для его выбивания, и он переходит на более высокий энергетический уровень, оставаясь в атоме. При возвращении его на прежний уровень испускается характеристическое излучение, энергия которого зависит от глубины перехода электрона.
На каждую пару ионов приходится около 2 – 3 возбужденных атома.
Ионизационные потери – сумма потерь на ионизацию и возбуждение.

в результате торможения частицы в поле ядра → тормозное излучение
Причина

- кулоновское взаимодействие
Тормозное излучение – те же фотоны с непрерывным спектром (входит в энергетический диапазон рентгеновского излучения)
Тормозная способность –
S = средняя энергия, теряемая заряженной частицей на единице пути (кэВ/мкм).
Свойство поглощающего вещества: чем выше S, тем лучшим материалом является вещество для защиты
S ~q1 q 2 /r2,

до полной потери кинетической энергии, или минимальная толщина поглотителя, необходимая

до полного поглощения ИИ.
Относится только к заряженным частицам. Для фотонного излучения смысла не имеет.
Пробег обратно пропорционален тормозной способности.
Зависит от факторов Кулоновского взаимодействия:
зарядов взаимодействующих частиц,
плотности вещества-поглотителя и
энергии заряженной частицы.
Массовый пробег Rm – пробег заряженной частицы в единицах массы, г/см2
Rm = R ρ

(L) – отношение средней энергии dE, переданной поглощающему веществу заряженной

частицей вследствие столкновений при перемещении ее на расстояние dl, к этому расстоянию (кэВ/мкм)
L = dE / dl

энергий до и после взаимодействия сохраняется неизменной
Неупругие: часть кинетической энергии

взаимодействующих частиц передается образовавшимся частицам или фотонам, другая часть кинетической энергии передается атому или ядру на их возбуждение или перестройку.
Неупругое рассеяние
Ионизация и возбуждение
Перестройка

/dx = 4 π е4 z2 Z n B /

( m0 V2)
Eα - кинетическая энергия частицы
е – заряд электрона
Z – порядковый номер поглотителя,
Z - заряд альфа-частицы
В – коэффициент торможения
m0 - масса покоя электрона
V – скорость частицы

энергия, МэВ
n – безразмерный коэффициент, установленный эмпирическим путем.

Длина пробега:
Ф-ла Брегга Rα =  ( А Е 3α)/ ρ, мкм
Ф-ла Глессона Rα = А (Е 3α)/ 3 (Z2 ρ), мкм
Чем больше энергия α-частицы, тем больше пробег и больше образованных пар ионов.

радионуклиды.
Нуклид – это вид атомов с определенным числом протонов

и нейтронов в ядре. Если ядра атомов нуклида радиоактивны, то его называют радионуклидом.
К числу радионуклидов в окружающей среде принадлежат атомы таких тяжелых химических элементов, как уран U и торий Th.
Распадаются уран и торий очень медленно. Скорость распада характеризуют периодом полураспада
Т1/2 – время, за которое распадается половина из имевшихся первоначально ядер радионуклида.

Т1/2 равны соответственно 4,47 ⋅ 109 ; 7,04 ⋅ 108

и 1,4 × 1010 лет. Возникающие при радиоактивном распаде этих материнских ядер дочерние ядра, например 210Ро, 226Ra, и 222Rn, обладают значительно меньшими значениями Т1/2 (вплоть до десятитысячных долей секунды).
Дочерние радионуклиды вместе с материнскими образуют радиоактивные ряды, конечные продукты которых – стабильные атомы свинца. Хотя значения Т1/2 дочерних радионуклидов и невелики, они постоянно образуются при распаде предшественников и с постоянной скоростью распадаются, так что в земной коре все они содержатся в неизменных, правда в значительно меньших, чем материнские, количествах.

коре значительно выше, чем материнских. Поэтому эти радионуклиды оказываются вездесущими

и в рассеянном состоянии присутствуют практически всюду. Ионизирующее излучение дочерних радионуклидов вносит заметный вклад в радиационный фон (фон ионизирующего излучения) Земли.
Особенно велика роль в радиационном воздействии на человека входящего в ряд 238U радионуклида 222Rn.

и радионуклиды некоторых элементов середины Периодической системы Д.И. Менделеева.
Наибольшее

значение среди них имеет 40К (Т1/2 = 1,29 ⋅ 109 лет), входящий в смесь природных изотопов калия. На долю 40К в ней приходится 0,012%.
Калий – один из самых распространенных элементов земной коры. Растения усваивают необходимый для их питания калий (и, следовательно, 40К) из почвы. Далее по пищевым цепям 40К попадает в организмы животных и человека.
Содержание радионуклида в объекте характеризуют через его активность.
Единица активности – 1 беккерель (1 Бк), 1 Бк отвечает одному распаду в 1 с.

Бк/л или Бк/кг

1 Ки = 3,7 × 1010 Бк.
Естественные радиоактивные изотопы

обнаружены не только у калия, но и у таких элементов, как рубидий (87Rb), индий (115In), лантан (138La), у некоторых лантаноидов, у гафния (174Hf), тантала (180Ta) и платины ( 190Pt).
Значения Т1/2 этих радионуклидов, как правило, велики и составляют 1012 – 1014 лет.
Поэтому радиоактивность веществ, содержащих эти элементы, очень низкая, и их ионизирующее излучение практически не влияет на живые организмы.
Можно не беспокоиться, например, о вреде для здоровья платинового ювелирного изделия, всегда содержащего радионуклид 190Pt. Указанные естественные радионуклиды имеют земное происхождение (их называют терригенными).

излучения воздействуют на организмы по-разному.
Характер воздействия в значительной степени

зависит от того, находится ли радионуклид внутри организма (то есть организм подвергается внутреннему облучению) или он расположен вне организма (внешнее облучение).
Рассмотрим сначала, в чем состоит воздействие на организм α-частиц. α-частицы (ядра) из-за своего сравнительно большого заряда (+2) и большой массы испытывают частые столкновения с молекулами и атомами среды и растрачивают всю энергию на небольшом пути.

воздухе не превышает 10 см, а путь, который они проходят

в тканях человека, составляет десятые доли миллиметра.
Понятно, что если источник α-частиц расположен, например, на расстоянии 1 м от человека, то до него они просто не долетят, как бы ни была велика активность источника.
Поэтому роль α-радиоактивных нуклидов во внешнем облучении организма ничтожна

организма воздухом, водой или пищей), то вся энергия α-частиц будет

израсходована на небольшом отрезке, причем встретившиеся на их пути молекулы будут разрушены (превратятся в ионы или нейтральные химически очень активные частицы, свободные радикалы).
Свободные радикалы вступают в новые химические реакции с молекулами, составляющими организм. Эти реакции носят цепной характер.
В результате в организме накапливаются заметные количества чужеродных, часто сильно ядовитых веществ. Конечно, прохождение через организм одной или даже десяти α-частиц вреда не принесет – слишком мало число образовавшихся при этом свободных радикалов и ионов.

организм ядер α-радионуклида велико, может наступить его серьезное поражение –

лучевая болезнь. Важное значение имеет и то, что при прохождении α-частиц через клетки организма (впрочем, похожее воздействие оказывают β-частицы и γ-лучи) в них могут происходить нежелательные нарушения (мутации) наследственных структур.
Эти нарушения могут стать причиной онкологических и наследственных заболеваний.

организм ядер α-радионуклида велико, может наступить его серьезное поражение –

лучевая болезнь. Важное значение имеет и то, что при прохождении α-частиц через клетки организма (впрочем, похожее воздействие оказывают β-частицы и γ-лучи) в них могут происходить нежелательные нарушения (мутации) наследственных структур. Эти нарушения могут стать причиной онкологических и наследственных заболеваний.
Важное значение имеет и то, что при прохождении α-частиц через клетки организма (впрочем, похожее воздействие оказывают β-частицы и γ-лучи) в них могут происходить нежелательные нарушения (мутации) наследственных структур. Эти нарушения могут стать причиной онкологических и наследственных заболеваний.

так и при внешнем облучении (когда радионуклид находится вне организма).

Длина пробега β-частиц в тканях организма значительно больше, чем α-частиц.
При этом разрушенные молекулы располагаются не так близко друг к другу, как в случае воздействия α-частиц, и поэтому при одинаковом числе прошедших через организм частиц обоих видов и их равной исходной энергии вред от воздействия β-частиц меньше.

ткани тела на значительно большие расстояния, чем α- или β-частицы.

Поэтому, если γ-излучатель находится внутри организма, испускаемое им γ-излучение поглощается в организме обычно только частично (производя в нем при поглощении те же разрушения, что и α- или β-излучение).
Частично же γ-излучение покидает организм. Разумеется, эта его часть вредного воздействия на организм не оказывает.
Вред от γ-излучения в большой степени может проявиться при внешнем облучении, даже тогда, когда источник γ-излучения расположен от организма на большом расстоянии и находится, например, за бетонной стеной.

его энергия передается организму. А если излучение проходит через организм,

не оставляя в нем своей энергии, то никакого вредного воздействия оно не оказывает.
Так ведут себя нейтрино ν и их аналоги – антинейтрино , возникающие при превращениях нейтронов в протоны.
По современным представлениям каждого из нас постоянно пронзают мощные потоки нейтрино и антинейтрино, но абсолютно никакого воздействия на живые организмы они не оказывают.

излучения на организм, используют понятие дозы. Доза ионизирующего излучения –

это энергия, которую излучение передает тому телу, через которое оно проходит.
Единица поглощенной дозы 1 грей (1 Гр), 1 Гр отвечает поглощению 1 Дж в 1 кг вещества.
Парадокс состоит в том, что энергия, отвечающая поглощению организмом человека, например, дозы в 1 Гр, сама по себе очень мала, а вот вредное воздействие она оказывает значительное (возможно даже появление лучевой болезни). Между тем с точки зрения поглощенной энергии доза в 1 Гр отвечает, например, тому, что человек выпил чайную ложку воды с температурой около 55°С. Понятно, что температура тела при этом практически не изменится и никакого вреда человеку не принесет.

доз возможны тяжелые последствия:
все дело в образующихся под действием

излучения ионах, и особенно свободных радикалах.
Вредное воздействие поглощенного ионизирующего излучения зависит от того, каким типом излучения обусловлена доза. Вредный эффект поглощенной дозы в 0,1 Гр от α-радионуклида значительно сильнее, чем от такой же дозы, связанной с поглощением β-, γ- или рентгеновского излучения.
Для характеристики различий воздействия на организм ионизирующего излучения разных типов используют понятие эффективной дозы Дэфф.

коэффициент WR отражает эффективность биологического воздействия излучения.
Значение WR для

β- и γ-излучения равно 1,
а для α-излучения – 20.
Единица эффективной дозы – 1 зиверт (1 Зв).