Позитрон и гамма-лучи в радиоактивном излучении

Обновлено: 09.10.2024

Радиоактивностью называется способность нестабильных ядер превращаться в другие ядра, при этом процесс превращения сопровождается испусканием различных частиц. После открытия радиоактивных элементов началось исследование физической природы их излучения. Кроме Беккереля и супругов Кюри, в данном направлении проводил исследования и Резерфорд.

Рассмотрим опыт, который позволил обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. Отметим, что установка размещена в вакууме. В куске свинца сделан узкий канал. На дно канала помещен препарат радия. Расположим фотопластинку против канала. После проявления на фотопластинке присутствуют одно темное пятно, которое расположено точно напротив канала. Создадим сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу. Магнитное поле действует на выходящее из канала излучение: пучок распадается на три пучка. Два из них отклоняются в противоположные стороны, что указывает на наличие у этих излучений электрических зарядов противоположных знаков. Отрицательный элемент излучения отклонялся магнитным полем гораздо сильнее, чем положительный. Третий пучок совсем не отклоняется магнитным полем. Положительно заряженный компонент получил название альфа-лучей, отрицательно заряженный — бета-лучей и нейтральный - гамма-лучей.
Альфа-частица — положительно заряженная частица, образованная 2 протонами и 2 нейтронами. Идентична ядру атома гелия. Образуется при альфа-распаде ядер.
Бета-частицы представляют собой электроны, движущиеся со скоростями, очень близкими к скорости света. Отрицательно заряженные бета-частицы являются электронами (β−), положительно заряженные — позитронами (β+).
Гамма лучи представляют собой электромагнитные волны с чрезвычайно малой длиной волны. Вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами.
Рассмотрим свойства этих излучений. Проникающая способность – свойство интенсивности поглощения различными веществами. α, β, γ - излучения очень сильно различаются по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладают α-лучи. Если прикрыть отверстие в свинцовой пластинке листочком бумаги, то на фотопластинке не обнаружится пятна, соответствующего α-излучению, т.к. слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен. β-лучи, проходящие через вещество, поглощаются намного меньше. Алюминиевая пластинка, имеющая толщину несколько миллиметров, может полностью задержать β-лучи. γ-лучи имеют наибольшую проникающую способность. Интенсивность поглощения γ-лучей усиливается с увеличением атомного номера вещества-поглотителя. При прохождении γ -лучей через слой свинца в 1 см их интенсивность ослабевает лишь вдвое. Различия в проникающей способности свидетельствуют о том, что другие свойства этих лучей также различны.
Гамма-лучи. По своим свойствам -лучи напоминают рентгеновские, но они имеют гораздо большую проникающую способность. Впоследствии была обнаружена дифракция γ-лучей на кристаллах, следовательно, γ-лучи представляют собой электромагнитные волны. Длина волны очень мала и составляет от 10-8 до 10-11 см. На шкале электромагнитных волн γ-лучи следуют непосредственно за рентгеновскими. Скорость распространения у γ-лучей соответствует скорости электромагнитных волн — около 300 000 км/с.
Бета-лучи. β-лучи – потоки заряженных частиц. Они сильнее чем α-лучи отклоняются как в магнитном, так и в электрическом поле. В результате исследования отклонения β-частиц в электрических и магнитных полях было установлено, что они по своим свойствам полностью совпадают с электронами, которые движутся со скоростью, очень близкой к скорости света. Причем, скорости β-частиц, испущенных различными радиоактивными элементами, неодинаковы. Встречаются частицы с самыми различными скоростями, что приводит к расширению пучка β-частиц в магнитном поле.
Альфа-частицы. Так как α-частицы слабее всех откланяются магнитным и электрическими полями, то выяснить природу данных частиц было трудной задачей. Её удалось решить Резерфорду. Он измерил отношение заряда q частицы к ее массе m по отклонению в магнитном поле. Оно оказалось примерно в 2 раза меньше, чем у протона — ядра атома водорода. Заряд протона равен элементарному, а его масса очень близка к атомной единице массы. Из чего следует, что у альфа-частицы на один элементарный заряд приходится масса, равная двум атомным единицам массы. Но заряд α-частицы и ее масса оставались неизвестными. Для их определения Резерфорд провел серию опытов. Сперва он поместил на пути α-частиц счетчик Гейгера, который измерял число частиц, которые испускало радиоактивное вещество за определенное время. Потом заменил счетчик Гейгера на металлический цилиндр, который соединил с чувствительным электрометром. С помощью электрометра был измерен заряд α-частиц, испущенных источником внутрь цилиндра за такое же время, так как радиоактивность многих веществ почти не меняется со временем. Зная суммарный заряд α-частиц и их число, Резерфорд определил, что заряд одной α-частицы равен двум элементарным. Следовательно, у α-частицы на каждый из двух элементарных зарядов приходится две атомные единицы массы. А на два элементарных заряда приходится четыре атомные единицы массы. Такой же заряд и такую же относительную атомную массу имеет ядро гелия. Отсюда был сделан вывод, что α-частица и есть ядро атома гелия.
Чтобы убедиться в полученных результатах, Резерфорд другими опытами доказал, что при радиоактивном α-распаде образуется именно гелий. Собирая α-частицы внутри специального резервуара на протяжении нескольких дней, он с помощью спектрального анализа убедился в том, что в сосуде накапливается гелий, т.к. каждая α-частица захватывала два электрона и превращалась в атом гелия.

Позитрон и гамма-лучи в радиоактивном излучении

Гамма-излучение (γ-излучение) – электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн. Приведем классификацию электромагнитных волн:

Название Длина волны, м Частота, Гц
радиоволны 3·10 5 - 3 10 3 - 10 8
микроволны 3 - 3·10 -3 10 8 - 10 11
инфракрасное излучение 3·10 -3 - 8·10 -7 10 11 - 4 . 10 14
видимый свет 8·10 -7 - 4·10 -7 4·10 14 - 8·10 14
ультрафиолетовое излучение 4·10 -7 - 3·10 -9 8·10 14 - 10 17
рентгеновское излучение 3·10 -9 - 10 -10 10 17 - 3·10 18
гамма-излучение < 10 -10 > 3·10 18

На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует с рентгеновскими лучами, но имеет более короткую длину волны. Первоначально термин “гамма-излучение” относился к тому типу излучения радиоактивных ядер, который не отклонялся при прохождении через магнитное поле, в отличие от α- и β-излучений.
Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10 -10 м. При столь малых длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные свойства излучения. Гамма-излучение представляет собой поток частиц - гамма-квантов или фотонов, с энергиями Е = hν (h – постоянная Планка, равная 4.14·10 -15 эВ . сек, ν – частота электромагнитных колебаний). Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Между длиной волны λ гамма-излучения и его частотой ν существует то же соотношение, что и для других типов электромагнитных волн:

ν·λ = с (с – скорость света).

Частота гамма-излучения (> 3·10 18 Гц) отвечает скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и с участием элементарных частиц. Поэтому источниками гамма-излучения могут быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами, в частности аннигиляция пар частица-античастица. И наоборот, гамма-излучение может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц. Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего в процессах взаимодействия частиц, дает важную информацию о структуре этих микрообъектов.
Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение) или при их движении в сильных магнитных полях (синхротронное излучение).
Источниками гамма-излучения являются также процессы в космическом пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.
Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения обычно лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ и спектр этого излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней) ядра.
При распадах частиц и реакциях с их участием обычно испускаются гамма-кванты с бoльшими энергиями - десятки-сотни МэВ.
Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер вещества. Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой энергии от ускорителей с интенсивными пучками видимого света, создаваемых лазерами. При этом электрон передает свою энергию световому фотону, который превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.
Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т. е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения с веществом - фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние (комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте гамма-квант выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При комптон-эффекте гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1.02 МэВ, то возможно его превращение в электрическом поле ядер в пару электрон-позитрон (процесс обратный аннигиляции).

Рис. Зависимость полного коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце и алюминии от энергии (сплошные линии). Поглощение за счёт фотоэффекта в алюминии пренебрежимо мало при рассматриваемых энергиях. Пунктирные линии − отдельные вклады, вносимые в полный коэффициент поглощения фотоэффектом, комптоновским рассеянием, рождением пар для свинца.

Гамма-излучение используется в технике (напр., дефектоскопия), радиационной химии (для инициирования химических превращений, напр., при полимеризации), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (мутации для генерации хозяйственно-полезных форм, стерилизация продуктов), в медицине (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.

Позитрон и гамма-лучи в радиоактивном излучении

Позитрон и гамма-лучи в радиоактивном излучении

Позитрон (Р+)—частица, которая образуется при распаде некоторых искусственных радиоактивных изотопов. Средняя продолжительность ее жизни приблизительно равна 1,5*10-7 секунды. Отличается от электрона лишь положительным знаком заряда. Позитрон после задержки в веществе соединяется с каким-либо электроном, в результате чего образуется два фотона. Свойства позитронного излучения весьма сходны с таковыми обычного р-излучения, но в магнитном и электрическом полях позитроны отклоняются в противоположном направлении по сравнению с электронами. Позитронный b-распад всегда сопровождается у-излучением.
Биологическое действие позитрон-частиц ничем не отличается от действия электронов тех же энергий.

Гамма(у)-лучи — кванты энергии (фотоны), испускаемые ядрами атомов со скоростью распространения света в виде жестких электромагнитных колебаний. Длины волн у-излучения находятся в пределах от 1,5 X (жесткие у-лучи) до 104Х (мягкие у-лучи). Энергия у-лучей может колебаться от 0,05 до 10 MeV и более. Мягкие у-лучи имеют энергию порядка до 0,2 MeV и соответственно лучи средней жесткости 0,2—1 MeV, жесткие у-лучи—1 —10 MeV и сверхжесткие лучи — свыше 10 MeV.

у-лучи, попадая на фотографическую пластинку или пленку, вызывают фотохимическую реакцию. Подобно световым и рентгеновым лучам у-лучи вызывают свечение (люминесценцию) некоторых веществ, ионизацию воздуха и газов, делая их электропроводными. При у-излучении атомное ядро не изменяет своего заряда и массового числа, у-лучи являются наиболее проникающим видом излучения. При прохождении их через вещество наблюдается ряд явлений, а именно фотоэлектрический эффект, эффект Комптона или образование электронных пар.

радиоактивное излучение

у-лучи, испускаемые радиоактивными ядрами, при взаимодействии с легкими веществами (вода, ткань) теряют свою энергию в основном путем соударения с электронами. В тех случаях, когда у-квант передает всю свою энергию электрону, такое соударение называют фотоэлектрическим эффектом. Это явление встречается в тех случаях, когда у-лучи обладают небольшой энергией. Когда у-квант передает электрону только часть своей энергии и после соударения изменяет направление своего движения, такой эффект называют эффектом Комптона.

Наиболее часто этот эффект наблюдается у у-лучей со средней величиной энергии. Если у-лучи обладают большой энергией (более 1,2 MeV), то при взаимодействии с тяжелыми веществами существенное значение имеет процесс образования пар. В результате этого процесса у-квант превращается в пару частиц: электрон и позитрон. Однако при взаимодействии у-лучей даже большой энергии с легкими веществами потеря энергии за счет эффекта образования пар мала.

Ионизирующее действие у-лучей обусловлено главным образом быстрыми электронами, которые выбиваются у-квантами при прохождении через вещества и, так же как и b-частицы, расходуют свою энергию на ионизацию. Вследствие малой поглощаемости у-лучей образуемые ими ионы распределяются на большом расстоянии.

у-лучи представляют наибольшую опасность при внешнем облучении и требуют устройства специальной защиты из материалов, хорошо поглощающих лучи, — свинец, бетон, вода и др. Для снижения интенсивности у-излучений необходимо также учитывать расстояние. Известно, что интенсивность у-излучения снижается прямо пропорционально квадрату расстояния. При работе с у-источниками возникает необходимость дистанционного управления и применение манипуляторов.

Радиоактивность и единицы ее измерения

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 . 10 10 Бк.

Широко известная внесистемная единица рентген (Р, R) служит для определения экспозиционной дозы. Один рентген соответствует дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см 3 воздуха образуется 2 . 10 9 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.

См. в номере на ту же тему

См. также статью С. Панкратова "Единицы измерения в радиационной физике". "Наука и жизнь" 1986 г., № 9.

Позитрон и гамма-лучи в радиоактивном излучении


Бог проявил щедрость,
когда подарил миру такого человека.

Светлане Плачковой посвящается

Издание посвящается жене, другу и соратнику, автору идеи, инициатору и организатору написания этих книг Светлане Григорьевне Плачковой, что явилось её последним вкладом в свою любимую отрасль – энергетику.

Книга 5. Электроэнергетика и охрана окружающей среды. Функционирование энергетики в современном мире

3.2.5. Виды ионизирующего излучения и основные понятия дозиметрии

Важным свойством радиоактивности является ионизирующее излучение. Опасность этого явления для живого организма исследователи обнаружили с самого начала открытия радиоактивности. Так, А. Беккерель и М. Кюри-Склодовская, изучавшие свойства радиоактивных элементов, получили сильнейшие ожоги кожи от излучения радия.

Ионизирующее излучение – любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков. Различают следующие виды ионизирующих излучений: α-,β-излучение, фотонное и нейтронное излучение. Ультрафиолетовое излучение и видимую часть светового спектра не относят к ионизирующим излучениям. Указанные выше виды излучения имеют различную проникающую способность (рис. 3.6), зависящую от носителя и энергии излучения.

Энергию излучения измеряют в электрон-вольтах (эВ). За 1 эВ принята энергия, которую приобретает электрон при перемещении в ускоряющем электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В. На практике чаще применяются десятичные кратные единицы: килоэлектрон-вольт (1 кэВ = 103эВ) и мегаэлектронвольт (1 МэВ = 10эВ). Связь электрон-вольта с системной единицей энергии Дж задается выражением: 1 эВ = 1,6·10 -19 Дж.

Рис. 3.6. Виды радиоактивных излучений и их проникающая способность

Рис. 3.6. Виды радиоактивных излучений и их проникающая способность

Альфа-излучение (α-излучение) – ионизирующее излучение, представляющее собой поток относительно тяжелых частиц (ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов), испускаемых при ядерных превращениях. Энергия α -частиц составляет порядка нескольких мегаэлектрон-вольт и различна для разных радионуклидов. При этом некоторые радионуклиды испускают α-частицы нескольких энергий.

Этот вид излучения, имея малую длину пробега частиц, характеризуется слабой проникающей способностью, задерживаясь даже листком бумаги. Например, пробег α-частиц с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 2,5 см, а в биологической ткани лишь 31 мкм. Излучение практически не способно проникнуть через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками. Поэтому α -излучение не опасно до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие альфа-частицы, не попадут внутрь организма через органы дыхания, пищеварения или через открытые раны и ожоговые поверхности. Степень опасности радиоактивного вещества зависит от энергии испускаемых им частиц. Поскольку энергия ионизации одного атома составляет единицы–десятки электрон-вольт, каждая α -частица способна ионизировать до 100000 молекул внутри организма.

Бета-излучение – поток β-частиц (электронов и позитронов), обладающих большей проникающей способностью в сравнении сα-излучением. Испускаемые частицы имеют непрерывный энергетический спектр, распределяясь по энергии от нуля до определенного максимального значения, характерного для данного радионуклида. Максимальная энергияβ-спектра различных радионуклидов лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

Пробег β-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. Так, пробег электронов с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 17,8 м, а в биологической ткани 2,6 см. Однако они легко задерживаются тонким листом металла. Как и источники α-излучения, β-активные радионуклиды более опасны при попадании внутрь организма.

Фотонное излучение включает в себя рентгеновское и гамма-излучение (γ-излучение). После радиоактивного распада атомное ядро конечного продукта часто оказывается в возбужденном состоянии. Переход ядра из этого состояния на более низкий энергетический уровень (в нормальное состояние) происходит с испусканием гамма-квантов. Таким образом, γ-излучение имеет внутриядерное происхождение и представляет собой довольно жесткое электромагнитное излучение с длиной волны 10 -8 –10 -11 нм.

Энергия кванта γ-излучения Е (в эВ) связана с длиной волны соотношением

где λ выражена в нанометрах (1 нм = 10 -9 м).

Распространяясь со скоростью света, γ-лучи имеют высокую проникающую способность, значительно большую, чем α и β - частицы. Их может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. Чем выше энергия γ -излучения и соответственно меньше длина его волны, тем выше проникающая способность. Обычно энергия гамма-квантов лежит в диапазоне от нескольких кэВ до нескольких МэВ.

В отличие от γ-излучения рентгеновское имеет атомное происхождение, Оно образуется в возбужденных атомах при переходе электронов с удаленных орбит на более близкую к ядру орбиту или возникает при торможении заряженных частиц в веществе. Соответственно первое имеет дискретный энергетический спектр и называется характеристическим, второе – непрерывный спектр и называется тормозным. Диапазон энергий рентгеновского излучения – от сотен электрон-вольт до десятков килоэлектрон-вольт. Несмотря на различное происхождение этих излучений, природа их одинакова, и поэтому рентгеновское и γ–излучение называют фотонным излучением.

Под действием фотонного излучения происходит облучение всего организма. Оно является основным поражающим фактором при воздействии на организм излучения от внешних источников.

Нейтронное излучение возникает при делении тяжелых ядер и в других ядерных реакциях. Источниками нейтронного излучения на АЭС являются ядерные реакторы, плотность потока нейтронов в которых составляет 10 10 –10 14 нейтронов/(см ·с); изотопные источники, содержащие естественные или искусственные радионуклиды, смешанные с веществом, испускающим нейтроны под влиянием бомбардировки его α -частицами или γ-квантами. Такие источники применяют для градуировки контрольно-измерительной аппаратуры. Они дают потоки порядка 10 7 –10 8 нейтронов/с.

В зависимости от энергии нейтроны подразделяют на следующие типы: медленные, или тепловые (со средней энергией ∼ 0,025 эВ); резонансные (с энергией до 0,5 кэВ); промежуточные (с энергией от 0,5 кэВ до 0,5 МэВ); быстрые (с энергией от 0,5 до 20 МэВ); сверхбыстрые (с энергией свыше 20 МэВ).

При взаимодействии нейтронов с веществом наблюдаются два типа процессов: рассеяние нейтронов и ядерные реакции, в том числе вынужденное деление тяжелых ядер. Именно с последним видом взаимодействий связано возникновение цепной реакции, происходящей при атомном взрыве (неуправляемая цепная реакция) и в ядерных реакторах (управляемая цепная реакция) и сопровождающейся выделением огромных количеств энергии.

Проникающая способность нейтронного излучения сравнима с γ-излучением. Тепловые нейтроны эффективно поглощаются материалами, содержащими бор, графит, свинец, литий, гадолиний и некоторые другие вещества; быстрые нейтроны эффективно замедляются парафином, водой, бетоном и др.

Основные понятия дозиметрии. Имея разную проникающую способность, ионизирующие излучения различных типов оказывают различное воздействие на ткани живого организма. При этом повреждений, вызываемых излучением, будет тем больше, чем большая энергия воздействует на биологический объект. Количество энергии, переданное организму при ионизирующем воздействии, называется дозой.

Физической основой дозы ионизирующего излучения является преобразование энергии излучения в процессе его взаимодействия с атомами или их ядрами, электронами и молекулами облучаемой среды, в результате которого часть этой энергии поглощается веществом. Поглощенная энергия является первопричиной процессов, приводящих к наблюдаемым радиационно-индуцированным эффектам, и потому дозиметрические величины оказываются связанными с поглощенной энергией излучения.

Дозу облучения можно получить от любого радионуклида или от их смеси независимо от того, находятся они вне организма или внутри него в результате попадания с пищей, водой или воздухом. Дозы рассчитываются по-разному с учетом того, каков размер облученного участка и где он расположен, один ли человек подвергся облучению или группа людей и в течение какого времени это происходило.

Количество энергии, поглощенное единицей массы облучаемого организма, называется поглощенной дозой и измеряется в системе СИ в греях (Гр). Размерность грея – джоуль, деленный на килограмм массы (Дж/кг). Однако величина поглощенной дозы не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе α-излучение и нейтронное излучение гораздо опаснее, чем β-излучение или γ -излучение. Поэтому для более точной оценки степени поражения организма величину поглощенной дозы надо увеличить на некоторый коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать биологические объекты. Такой коэффициент называется радиационным взвешивающим фактором. Его величина для β и γ -излучений принимается равной 1, для α-излучения – 20, для нейтронного излучения изменяется в диапазоне 5–20 в зависимости от энергии нейтронов.

Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой, которая в системе СИ измеряется в зивертах (Зв). Размерность зиверта такая же, как у грея – Дж/кг. Доза, полученная за единицу времени, классифицируется в системе СИ как мощность дозы и имеет размерность Гр/с или Зв/с. В системе СИ допустимо применение несистемных единиц измерения времени, таких как час, сутки, год, поэтому при расчете доз применяют такие размерности, как Зв/ч, Зв/сут, Зв/год.

До сих пор в геофизике, геологии и частично в радиоэкологии применяется несистемная единица дозы – рентген. Эта величина была введена в употребление еще на заре атомной эры (в 1928 г.) и использовалась для измерения величины экспозиционной дозы. Рентген равен такой дозе γ -излучения, которая создает в одном кубическом сантиметре сухого воздуха общий заряд ионов, равный одной единице электрического заряда. При измерении в воздухе экспозиционной дозы γ -излучения используются соотношения между рентгеном и греем: 1 Р = 8,77 мДж/кг или 8,77 мГр. Соответственно 1 Гр = 114 Р.

В дозиметрии сохранилась еще одна внесистемная единица – рад, равная поглощенной дозе облучения, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает энергию, равную 0,01 Дж. Соответственно I рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр. В настоящее время эта единица выходит из употребления.

Рис. 3.7. Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела

Рис. 3.7. Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела

При расчете доз, получаемых организмом, следует учитывать, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны к облучению, чем другие. В частности, при одинаковой эквивалентной дозе поражение легких более вероятно, чем, например, щитовидной железы. Междуна

родной комиссией по радиационной защите (МКРЗ) были разработаны пересчетные коэффициенты, которые рекомендуется использовать при оценке дозы облучения различных органов и биологических тканей человека (рис. 3.7).

После умножения величины эквивалентной дозы для данного органа на соответствующий коэффициент и суммирования ее по всем органам и тканям получают эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект от облучения на организм. Эта доза также измеряется в зивертах. Описанное понятие дозы характеризует лишь индивидуально получаемые дозы.

При необходимости изучения эффектов действия радиации на группу людей используется понятие коллективной эффективной эквивалентной дозы, которая равна сумме индивидуальных эффективных эквивалентных доз и измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв).

Поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и будут действовать на население в отдаленном будущем, коллективную эффективную эквивалентную дозу от подобных источников будут получать еще многие поколения людей, живущих на планете. Для оценки указанной дозы введено понятие ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозы, которая позволяет прогнозировать поражение группы людей от действия постоянных источников радиации. Для наглядности описанная выше система понятий проиллюстрирована на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Обобщенное представление системы понятий о дозах радиационного облучения населения

Рис. 3.8. Обобщенное представление системы понятий о дозах радиационного облучения населения

Читайте также: