Понятие ионизирующего излучения

Введение

   Как только были открыты ионизирующие излучения  и их вредное воздействие на живые  организмы, появилась необходимость  контролировать облучение этими  излучениями человека. Каждый человек  должен знать об опасности радиации и уметь защищаться от нее! 
     И радиоактивность, и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в Космосе до возникновения самой Земли. Ионизирующее излучение сопровождало Большой взрыв, с которого, как полагают, началось существование нашей Вселенной около 20 миллиардов лет назад. С того времени радиация постоянно наполняет космическое пространство. Радиоактивные элементы вошли в состав Земли с самого ее рождения. Человеческий организм тоже слегка радиоактивен, так как во всякой живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. 
     В 1896 году французский ученый Анри Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик стола, придавив их кусками минерала, содержащего уран. Когда он проявил пластинки, то, к своему удивлению, обнаружил на них следы каких-то излучений, которые он приписал урану. Вскоре этим явлением заинтересовалась Мария Кюри, молодой химик по образованию, которая и ввела в обиход слово «радиоактивность». В 1898 году она и ее муж Пьер Кюри обнаружили, что уран после излучения таинственным образом превращается в другие элементы. Один из этих элементов супруги назвали полонием в честь о родине Марии Кюри, а еще один — радием, поскольку по-латыни это слово означает «испускающий лучи». И открытие Беккереля, и исследования супругов Кюри были подготовлены более ранним, очень важным событием в научном мире — открытием в 1895 году рентгеновских лучей немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. 
     Одним из первых, кто столкнулся с самым неприятным свойством ионизирующего излучения — его воздействием на ткани живого организма, был Беккерель. Беккерель держал пробирку с радием в кармане костюма и получил в результате ожог кожи. Мария Кюри умерла, по всей видимости, тоже от последствий воздействия ионизирующего излучения — злокачественного заболевания крови, поскольку слишком часто и в больших дозах подвергалась облучению. По крайней мере, 336 человек, работавших с радиоактивными материалами в то время, умерли в результате облучения. 
 
 
 
 
 

1.Понятие ионизирующего излучения

    В результате исследований учеными атома  мы можем представить себе его  строение. Мы знаем, что атом похож  на Солнечную систему в миниатюре, в которой вокруг крошечного ядра движутся по орбитам «планеты» —  электроны. Размеры ядра в сто  тысяч раз меньше размеров самого атома, но плотность его очень  велика, поскольку масса ядра почти равна массе всего атома. Ядро, как правило, состоит из более мелких частиц, которые плотно сцеплены друг с другом.

     Некоторые из этих частиц имеют положительный заряд и называются протонами. Число протонов в ядре и определяет, к какому химическому элементу относится данный атом: ядро атома водорода содержит всего один протон, атом кислорода–8, урана–92. В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в ядре; каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по величине заряду протона, так что в целом атом нейтрален. 
     В ядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа, называемые нейтронами, поскольку они электрически нейтральны. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же химического элемента, называемым изотопами данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов; в уране-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона. Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу «нуклидов». Некоторые нуклиды стабильны, т.е. при отсутствии внешнего воздействия никогда не претерпевают никаких превращений. 
     Большинство же нуклидов нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды. В качестве примера возьмем хотя бы атом уран-238, в ядре которого протоны и нейтроны едва удерживаются вместе силами сцепления. Время от времени из него вырывается компактная группа из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов (a-частица). Уран превращается, таким образом, в торий-234, в ядре которого содержится 90 протонов и 144 нейтрона. Но торий-234 тоже нестабилен. Его превращение происходит, однако не так, как в предыдущем случае: один из его нейтронов превращается в протон, и торий-234 превращается в проактиний-234, в ядре которого содержатся 91 протон и 143 нейтрона. Эта метаморфоза, происшедшая в ядре, сказывается и на движущихся по своим орбитам электронах: один из них становится неспаренным и вылетает из атома. Протактиний очень нестабилен и ему требуется совсем немного времени на превращение. Далее следуют иные превращения, сопровождаемые излучениями, и вся эта цепочка в конце концов оканчивается стабильным нуклидом свинца. Разумеется, существует много таких цепочек самопроизвольных превращений (распадов) разных нуклидов по разным схемам превращений и их комбинациям. 
     При каждом таком акте распада высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде излучения. Можно сказать (хотя это и не совсем строго), что испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, — это a-излучение; испускание электрона, как в случае распада тория-234, — это b-излучение. Часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения; тогда он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую g-излучением. Как и в случае рентгеновских лучей (во многом подобных g-излучению), при этом не происходит испускания каких-либо частиц.

2.Единицы измерения радиации

     Весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид — радионуклидом. Но хотя все радионуклиды нестабильны, одни из них более нестабильны, чем другие. Например, протактиний-234 распадается почти моментально, а уран-238 — очень медленно. Половина всех атомов урана-238 превратится в торий-234 за четыре с половиной миллиарда лет. Время, за которое распадается в среднем половина всех радионуклидов данного типа в любом радиоактивном источнике, называется периодом полураспада соответствующего изотопа. Этот процесс продолжается непрерывно. За время, равное одному периоду полураспада, останутся неизменными каждые 50 атомов из 100, за следующий аналогичный промежуток времени 25 из них распадутся и так далее. Число распадов в секунду в радиоактивном образце называется его активностью. Единицу измерения активности (в системе СИ) назвали беккерелем (Бк) в честь первооткрывателя явления радиоактивности; один беккерель равен одному распаду в секунду. Внесистемной единицей измерения активности является кюри (Ки), 1 Ки = 3,700*1010 Бк. 
     Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество такой переданной организму энергии называется дозой. Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой и измеряется (в системе СИ) в грэях (Гр), 1 Гр = 1 Дж/кг. Внесистемной единицей измерения поглощенной дозы является рад, 1 рад = 0,01 Гр. 
     Большинство приборов оперативного радиационного контроля построено на измерении экспозиционной дозы Х — ионизации воздуха под воздействием излучения.

    Экспозиционная  доза измеряется в рентгенах (Р). Упрощенно, 1 рентген g-излучения производит в 1 см3 воздуха 2,08 * 109 пар ионов и, в то же время, 1 рентген соответствует дозе в 1 рад, поглощенной в биологической ткани (1 Р~1 рад). 
     При одинаковой поглощенной дозе воздействие разных видов излучения может сильно отличаться. Чтобы учесть этот факт, значение поглощенной дозы умножают на коэффициент, так называемый коэффициент качества излучения, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма. По этому качествуa-излучение, например, в двадцать раз опаснее g-излучения. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой. Ее измеряют в системе СИ в единицах, называемых зивертами (Зв), 1 Зв = 1 Дж/кг для Y -и b-излучения и 0,05 Дж/кг для a-излучений. 
     Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны к ИИИ, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу или эффективную дозу.

    Примечание: Рубрика «Остальное» состоит из надпочечников, головного мозга, верхнего отдела толстого кишечника (слепая кишка, восходящая и поперечная часть ободочной кишки), тонкого кишечника, почек, мышечной ткани, поджелудочной железы, селезенки, вилочковой железы и матки. 

3.Виды источников излучения

    Основную  часть облучения человек получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что  избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории  существования Земли разные виды излучения попадают на поверхность  Земли из космоса и поступают  от радиоактивных веществ, находящихся  в земной коре. 
     Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи; в этом случае говорят о внешнем облучении. Или же они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним.

Естественные  источники ионизирующего  излучения

    Облучению от естественных источников радиации подвергаются все жители Земли, при  этом, одни из них получают большие  дозы, чем другие. В зависимости, в частности, от местожительства. Так  уровень радиации в некоторых  местах земного шара, там, где особенно залегают радиоактивные породы, оказывается  значительно выше среднего, в других местах — соответственно, ниже. Доза облучения зависит также от образа жизни людей. Применение некоторых  строительных материалов, использование газа для приготовления пищи, открытых угольных жаровень, герметичность помещений и даже полеты на самолетах — все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников радиации. 
     Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. Остальную часть радиации вносят космические лучи. 
     Космические лучи, в основном, приходят к нам из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время солнечных вспышек. Космические лучи могут достигать поверхности Земли или взаимодействовать с ее атмосферой, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов.

    Нет такого места на Земле, куда бы не падал этот невидимый космический поток. Но одни участки земной поверхности более подвержены его действию, чем другие. Например, Северный и Южный полюсы получают больше радиации, чем экваториальные области, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы (из которых, в основном, и состоят космические лучи). 
     Существенно также то, что уровень облучения растет с высотой над поверхностью земли, поскольку при этом над нами остается все меньше воздуха, играющего роль защитного экрана. Это важно знать людям, часто летающих на самолетах. 
     Основные радионуклиды, встречающиеся в горных породах Земли, — это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало от урана-238 и тория-232, включившихся в состав Земли с самого ее рождения. 
     Как уже отмечалось, уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры. В местах проживания основной массы населения они примерно одного порядка. Но есть, однако, такие места, где уровни земной радиации намного выше. Так, неподалеку от города Посус-ди-Калдас в Бразилии, расположенного в 200 км к северу от Сан-Паулу, есть небольшая возвышенность. Здесь уровень радиации в 800 раз превосходит средний. В Иране, в районе города Рамсер, где бьют ключи, богатые радием, зарегистрированы уровни радиации, превышающие средние в 1300 раз. Известны и другие места на земном шаре с высоким уровнем радиации, например, в Индии, Франции, Нигерии, на Мадагаскаре. 
     В среднем примерно 70% эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом. 
     Совсем небольшие дозы приходится на радиоактивные изотопы типа углерода-14 и трития, которые образуются под воздействием космической радиации. Все остальное поступает от источников земного происхождения. Достаточно большую долю радиации человек получает от калия-40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Но большую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда урана-238 и в меньшей степени от радионуклидов ряда тория-232. Некоторые из них, например, нуклиды свинца-210 и полония-210, поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе и моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, могут получить относительно высокие дозы облучения. 
     Относительно недавно ученые поняли, что наиболее весомым из всех естественных источников радиации является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (в 7,5 раза тяжелее воздуха) радон. Радон вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада ответствен примерно за 75% годовой эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой человеком от земных источников радиации. Большую часть этой дозы человек получает от радионуклидов, попадающих в его организм вместе с вдыхаемым воздухом, особенно в непроветриваемых помещениях. 
     Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в наружном воздухе существенно отличается для разных точек земного шара. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. 
     Радон концентрируется в воздухе внутри помещений лишь тогда, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Поступая внутрь помещения тем или иным путем (просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, реже, высвобождаясь из материалов, использованных в конструкции дома), радон накапливается в нем. В результате в помещении могут возникать довольно высокие уровни радиации, особенно, если дом стоит на грунте с относительно повышенным содержанием радионуклидов или если при его постройке использовали материалы с повышенной радиоактивностью.