Основные виды ионизирующих излучений

Существуют различные виды ионизирующего излучения, которые отличаются по своей природе, энергией, глубиной проникновения в вещество и степени воздействия на живые организмы. Выделяют две группы ионизирующих излучений: корпускулярные и электромагнитные (фотонные).

Корпускулярное излучения (альфа-, бета-, протонное, нейтронное и т.д.) является собой поток частиц, быстро движущихся объектов. Электромагнитное (фотонное) излучения (рентгеновское, гамма-излучение) — это разновидность электромагнитных волн. Все виды электромагнитных волн излучаемых и переносят энергию в пространстве строго определенными порциями — квантами или фотонами.

Альфа-излучение (α) — это поток положительно заряженных частиц. Каждая альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, которые прочно связано между собой. Фактически, альфа-частицы представляют собой ядра атомов гелия 4. Альфа-частицы образуются при ядерном распаде тяжелых радиоактивных элементов. Примером может служить распад ядер радия — 226Ra:

22688R a ->22286 R n +42 H e

В результате альфа-распада заряд ядра уменьшается на 2 относительные единицы, а его масса — на 4 атомные единицы массы, то есть положение полученного в результате распада атома смещается в Периодической системе элементов на 2 позиции влево.

При попадании в вещество альфа-излучения свободные, положительно заряженных ни альфа-частицы отдают свою энергию преимущественно электронам атомов. Получая избыточную энергию электрон теряет связь с ядром и оставляет атом, который превращается в положительно заряженный ион. Как свободная доля электрон может существовать в проводниках, некоторое время — в газах; обычно он вскоре присоединится к другому атому или молекулы, ведет к образованию отрицательно заряженных ионов. Только в редких случаях альфа-частицы при столкновении могут проникать в ядра атомов и вызвать ядерные преобразования. Из-за относительно большой размер и электрический заряд, альфа-частицы взаимодействуют со всеми атомами, которые встречаются на пути их движения. Поэтому в любом веществе альфа-излучения быстро теряет свою энергию и проникает в него неглубоко.

В биологические ткани альфа-излучение проникает на глубину менее 0,7мм. Поэтому при внешнем облучении организма альфа-излучения, в основ-ному, поглощается наружным слоем кожи и практически не представляет опасностей, за исключением тех случаев, когда альфа-лучи попадают на слизистую оболочку глаз. Альфа-излучающие радионуклиды могут проникать внутрь организма через открытую рану, с пищей, с воздухом. Облучая внутренние органы человека, альфа-частицы могут вызвать серьезные нарушения в клетках биологических тканей.

Специалисты в области радиационной безопасности считают, что при одинаковой энергии альфа излучения примерно в 20 раз превосходит бета- и гамма-излучения по способности вызывать нарушения в биологических тканях человека.

Бета-излучение (β) — это поток свободных электронов, которые быстро двигаются. По размерам и массе они значительно уступают альфа-частицам. Так, масса электрона в 7344 раза меньше массы альфа-частицы. Заряд электрона в абсолютной величине вдвое меньше заряда альфа-частицы.

Бета-частицы выпускаются, например, в результате распада радионуклидов с чрезмерным содержанием нейтронов в ядре:

23993N p — >23994 R n + β¯

В основе бета-распада лежит то, что происходит в ядре атома, преобразования нейтрона в протон (упрощенно):

1n ->1 p + β¯1,2

В результате бета-распада заряд ядра атома увеличивается на единицу, а его масса остается практически без изменений. Положение атома, полученного в результате такого распада, смещается в Периодической системе элементов на одну позицию вправо. Энергия бета-частиц, испускаемых радионуклидами, находится в пределах от 0,02 до 14 МэВ, а скорость может достигать 0,99 скорости света.

При этом природные радионуклиды излучают бета-частицы с энергией до 3,5 МэВ.

При прохождении через вещество бета-частицы теряют свою энергию. Они передают ее вещество при взаимодействии с ядрами и электронами атомов. Поведение бета-частиц в веществе зависит от их энергии. Бета-частицы, обладающие относительно низкими энергиями (менее 0,5 МэВ), при взаимодействии с ядрами и электронами атомов под действием кулоновский сил изменяют направление своего движения. Происходить так называемое упругое рассеяние бета-частиц на ядрах и электронах атомов, причем, в основном — на ядрах. Бета-частицы с более высокими значениями энергии способны выбивать электроны из атомов, то есть ионизировать вещество.

Если энергия бета-частиц выше 1 МэВ, их взаимодействие с электронами и ядрамы атомов приводит к замедлению движения бета-частиц и возникновения электромагнитного излучения. Этот процесс называют радиационным торможением, а возникающее электромагнитное излучение — тормозным излучением.

В результате радиационного торможения бета-частицы теряют значительное количество энергии. Через маленькую массу и небольшой заряд электрона бета-частицы ионизируют вещество в меньшей степени, чем альфа-частицы такой же энергии. Поэтому энергия бета-частицы расходуется на большем расстоянии, чем энергия альфа-частицы. В результате, при одинаковой энергии пробег бета-частиц в веществе значительно превышает пробег альфа-частиц. При этом траектория движения бета-частицы собой ломаную линию, поэтому суммарная длина пути бета-частицы значительно превышает расстояние, на которое излучение проникает в вещество.

Пробег бета-частиц в веществе зависит от энергии бета-частиц, химического состава и плотности вещества. В воздухе пробег бета-частиц, выпускаются радионуклидами, может достигать 1-2 м. Если человек одет в легкую одежду, он задерживает часть бета-частиц. Остальные бета-частицы могут проникать через кожу на глубину в несколько миллиметров. При облучении обнаженных участков тела бета-частицы могут проникать на глубину 1-2 см, вызывая незначительные повреждения биологических тканей. Таким образом, при внешнем облучении бета излучения радионуклидов не представляет значительную опасность для человека.

Гамма-излучение (γ) и рентгеновское излучения относятся к электромагнитным (фотонным) излучениям. Они характеризуются короткими длинами волн (большими частотами) и, как любое электромагнитное излучения, выпускаются строго определенными порциями (квантами, или фотонами). Оба вида излучения отличаются высокой энергией фотонов.

Гамма-излучение (γ) и рентгеновское излучения имеют одинаковую природу, их кванты (фотоны) не несут электрического заряда. Оба вида излучения представляют собой электромагнитные волны, которые, как и все виды электромагнитных волн, распространяющихся в вакууме со скоростью света (300000 км / с). Отличающийся эти разновидности электромагнитного излучения по длине волны и энергии фотонов. Рентгеновское излучение имеет длины волн от 10 до 100 нм.

Гамма-излучение — это электромагнитные волны с длиной волны менее 0,2 нм. В спектре электромагнитного излучения эти лучи занимают крайнее положение и охватывают область наиболее коротких длин волн. Четкой границы между гамма излучением и рентгеновским излучением нет. Энергия фотонов гамма-излучения обычно больше, чем энергия фотонов рентгеновского излучения. Однако в переходной области от одного выда излучения к другому энергия фотонов рентгеновского излучения может оказаться выше энергии фотонов гамма-излучения. Отличаются эти виды излучения и по способам получения. Рентгеновское излучение можно получить искусственно в рентгеновской трубке.

Гамма-кванты излучаются в тех случаях, когда после радиоактивного распада (альфа- и бета-) ядро оказывается в возбужденном состоянии. Подобно возбужденном атома, такое ядро переходит в основное состояние (с минимальной энергией), выпуская фотон. При распаде радионуклидов обычно излучаются гамма-кванты с энергией от 10 до 5000 килоэлектрон-вольт (кэВ).

Рентгеновское излучение образуется при торможении заряженных частичек, которые бомбардируют мишень в электрическом поле, и при взаимодействии заряженных частиц высоких энергий с электронами внутренних электронных оболочек атома. Такие частицы способны выбивать электроны из внутренних оболочек атома. Атомами с незаполненными местами во внутренних электронных оболочках чрезвычайно неустойчивы. Освободившиеся места могут заполнять электроны с внешних электронних оболочек. При этом атомы переходят в более устойчивое состояние, а избыточная энергия испускается в виде квантов рентгеновского излучения.

Как альфа- и бета-частицы, гамма-кванты ионизируют вещество, однако ионизация вещества гамма-излучением имеет свои особенности. При прохождении через вещество гамма-кванты могут передавать свою энергию электронам атомов. Если энергия электрона после взаимодействия с гамма-квантом превышает энергию его связи с ядром, то электрон, получив дополнительную энергию, оставляет атом. Образованные таким способом свободные электроны называют фотоэлектронами. Появление в веществе свободных электронов под действием электромагнитного излучения называют фотоэффектом. Фотоэффект наблюдается при энергиях гамма квантов от 0,01 до 1 МэВ. В этом случае именно фотоэлектроны, в основном, и приводят к ионизации среды при прохождении гамма-излучения через вещество. Поэтому такой способ ионизации вещества называют косвенным.

Гамма-излучение обладает высокой проникающей способностью. Из-за высокой проницательной способности защититься от гамма-излучения можно только толстым слоем плотного материала (например, свинца или бетона) Толщина слоя материала, необходимого, чтобы уменьшить интенсивность излучения в 2 раза, называют слоем половинного ослабления. Слой половинного ослабления гамма излучения с энергией гамма-квантов 1 МэВ для различных веществ составляет:

• свинец — 13 см,

• железо — 3,3 см,

• бетон — 26 см,

• вода — 26 см.

При одинаковой энергии гамма-квантов и альфа-частиц гамма-излучения радионуклидов, попавших внутрь организма, обычно вызывает менее тяжелые повреждения, чем альфа-излучения радионуклидов. Эти повреждения чаще не приводят к гибели клеток (если только содержание радионуклидов в органе или биологической ткани не чрезмерно велика). Из вышеизложенного видно, что пронительно способность ионизирующего излучения и его влияние на вещество существенно зависят от вида излучения. Каждый вид ионизирующего излучения имеет свои физические характеристики.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*