Радиоактивность и ядерные излучения

       

     К бета-распаду относится также  электронный захват (е-захват), т.е. захват атомным ядром одного из электронов своего атома. При этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и испускается нейтрино. Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии.

     Переходя  в основное состояние оно испускает  гамма-фотон. Место в электронной  оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате возникает рентгеновское излучение.

     Примером  электронного захвата может служить  следующая реакция: 

       

     Бета-частицы, испускаемые при бета-распаде, имеют  различную энергию, поэтому и  пробег их в веществе не одинаков. Путь, проходимый бета-частицей в веществе, представляет собою не прямую линию, как у альфа-частиц, а ломаную. Взаимодействуя с веществом среды, бета-частицы проходят вблизи ядра. В поле положительно заряженного ядра отрицательно заряженная бета-частица резко тормозится и теряет при этом часть своей энергии. Эта энергия излучается в виде тормозного рентгеновского излучения. С увеличением энергии бета-частиц и атомного номера вещества интенсивность рентгеновского излучения возрастает.

     Ионизирующая способность бета-частиц много меньше, а длина пробега много больше, чем у альфа-частиц.

 

     

     4.3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ 

     В литературе часто встречаются термины  радиоактивных излучений: рентгеновские  или гамма-лучи, или общее название — электромагнитные волны с короткими длинами волн, которые обладают большой проникающей способностью в веществе. Различные названия рентгеновские и гамма лучи — связаны не с различными физическими свойствами этих лучей, а со способом их получения. Наиболее часто употребляется гамма-излучение, которое не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает альфа- и бета- распады. Оно возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц и т.д.

     Гамма-излучение  испускается дочерним ядром. Дочернее ядро в момент своего образования оказывается возбуждённым, а затем за время с оно переходит в основное состояние с испусканием гамма-излучения. Возвращаясь в основное состояние, ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому гамма-излучение может содержать несколько групп гамма-квантов, отличающихся значениями энергии.

     Гамма-кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, они  или поглощаются или рассеиваются. Гамма-излучение не имеет заряда и тем самым не испытывает влияния кулоновских сил. При прохождении пучка гамма-квантов через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность, согласно закону ( — интенсивности гамма-излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной X, — коэффициент поглощения); зависит от свойств вещества и энергии гамма-квантов.

     Основными процессами, сопровождающими прохождение  гамма-излучения через вещество является фотоэффект, компто-новское  рассеяние и образование электронно-позитронных пар (рис. 1.3).

     Фотоэффектом  называется процесс, при котором атом полностью поглощает гамма квант с энергией hv и испускает электрон с кинетической энергией E_k , равной 

       

     где I — энергия ионизации соответствующей атомной оболочки. Если энергия hv достаточна для вырывания электрона из любой атомной оболочки (hv > ), то наиболее вероятным будет испускание сильно связанных, т.е. глубинных атомных электронов. Увеличение порядкового номера z поглотителя приводит к увеличению вероятности фотоэффекта, поскольку ослабляется связь электронов с атомным остатком и возрастает число электронов в атоме. С ростом энергии hv вероятность фотоэффекта понижается.

     Комптоновским рассеянием называется такой процесс, при котором гамма-квант, взаимодействуя со слабо связанным электроном, передает ему часть своей энергии hv и рассеивается под углом q к первоначальному направлению, а электрон покидает атом, обладая кинетической энергией.

     Увеличение  энергии гамма квантов приводит к монотонному убыванию вероятности Комптон-эффекта.

     Рождение  электронно-позитронной  пары — процесс, при котором гамма-квант превращается в пару частиц — электрон и позитрон, в результате взаимодействия с электрическим полем ядра или электрона. Процесс рождения пары частиц в поле ядра возможен при энергиях гамма-квантов превышающих 1,02 МэВ. Для возникновения такого же процесса в поле электрона энергия гамма квантов должна достичь порогового значения 2,04 МэВ.

     Механизм  поглощения гамма-излучения зависит  от его энергии. Если энергия кванта меньше 100-200 кэВ, то наиболее вероятным  механизмом поглощения является фотоэффект. Образовавшийся при фотоэффекте электрон способен вызвать ионизацию среды в которой он движется. При энергиях, больших 200 кэВ и вплоть до 100 МэВ, основным механизмом поглощения энергии гамма квантов является Комптон-эффект. Начиная с энергии гамма кванта 1,02 МэВ появляется вероятность образования электронно-позитронных пар. Энергия кванта, равная 1,02 МэВ, расходуется на образование пары, а избыток энергии кванта переходит в кинетическую энергию образующихся частиц, которые теряют эту энергию при столкновении с электронами. Наряду с процессом образования пар происходит их аннигиляция с образованием двух гамма квантов 

     4.4 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ  С ВЕЩЕСТВОМ 

     Нейтроны, имеющие нулевой заряд, не взаимодействуют  с электронной оболочкой встреченных атомов, а поэтому могут проникать вглубь их. Проникающая способность нейтронов весьма велика. При этом нейтроны могут либо поглощаться ядрами, либо рассеиваться на них. При упругом рассеивании на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтроны теряют лишь 10-15% энергии, а при столкновении с почти равными с ними по массе ядрами водорода — протонами — энергия нейтрона уменьшается в среднем вдвое. Поэтому, с одной стороны, вещества, содержащие большое количество атомов водорода (вода, парафин), используют для замедления нейтронов. С другой стороны, процесс упругого соударения нейтронов с протонами используется для регистрации быстрых нейтронов. В самом деле при упругом ударе нейтрона с неподвижным протоном последнему передаётся большая часть кинетической энергии нейтрона — нейтрон практически останавливается, а протон начинает двигаться в том направлении, в котором двигался нейтрон. Движущийся протон на своём пути производит интенсивную ионизацию, которая регистрируется счётчиком или камерой Вильсона.

     Испытавшие  столкновение нейтроны совершают хаотическое  движение с тепловыми скоростями. Такие тепловые нейтроны могут быть зарегистрированы с помощью ядерных реакций, при которых нейтрон, проникая в ядро, способствует вылету из него высокоэнергетической альфа-частицы. По количеству ионизации, производимых этими альфа-частицами, можно судить о прохождении через камеру медленных нейтронов.

     Кроме упругих взаимодействий нейтронов  с ядрами, возможны и неупругие  взаимодействия. При таком взаимодействии нейтрон поглощается ядром. В результате этого поглощения (радиационного захвата) образуется нестабильный тяжёлый изотоп, который испытывает бета-распад, сопровождающийся гамма-излучением. Процесс радиационного захвата нейтронов используется в технике для получения искусственных радиоактивных нуклидов, например, кобальта  (радиоактивный распад сопровождается испусканием бета-частиц с максимальной энергией 1,33 МэВ).

     

     

     Представляет  интерес реакция протекающая  в атмосфере постоянно под  действием нейтронов, содержащихся в космическом излучении. Возникающий при этом углерод радиоактивен, его период полураспада составляет 5730 лет. Радиоуглерод усваивается растениями в результате фотосинтеза и участвует в круговороте веществ в природе. Установлено, что равновесная концентрация в различных местах земного шара одинакова и соответствует примерно 14 распадам в минуту на каждый грамм углерода. Когда организм умирает, процесс усвоения углерода прекращается и концентрация в организме начинает убывать по закону радиоактивного распада. Таким образом, измерив концентрацию в останках организмов, тканей и т.д. можно определить их возраст.

     Захватом  нейтрона сопровождается также одна из важнейших реакций — реакция  деления, в результате которой ядро делится на две примерно равные по массе части. При делении ядра образуются новые вторичные нейтроны: два-три на каждый акт деления, которые могут, в свою очередь, вызвать деление других ядер вещества, что в соответствующих условиях может вызвать цепную реакцию.

     Реакции деления атомных ядер будут рассмотрены  более подробно ниже.

     В заключение заметим, что при попадании  нейтронов на тело человека, так  же как гамма квантов или альфа, бета-частиц, их воздействие сводится, в конечном счете, к ионизации  биологической ткани. Напомним кратко свойства трех видов излучений.

     Альфа излучение — проникающая способность невелика, задерживается листом бумаги, одеждой, неповрежденной кожей; оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества не попадут внутрь организма с пищей или вдыхаемым воздухом. При попадании внутрь организма альфа-излучение приводит к серьезному повреждению близлежащих клеток.

     Бета  излучение —  быстрые, движущиеся с огромной скоростью электроны, проходит в ткани организма на глубину 1-2 см, однако от него можно защититься тонким слоем металла — 1,25 см, слоем дерева или плотной одеждой.

     Гамма излучение и рентгеновское  излучение — электромагнитное излучение, обладает очень большой энергией и проникающей способностью, оно проходит сквозь биологические ткани человека и его можно задержать лишь свинцовыми или бетонными плитами.

     Основную  дозовую нагрузку на организм человека в результате Чернобыльской катастрофы на территории Гомельской и Могилевской областей определяют следующие радионуклиды и виды излучений:

     цезий-137 — 90%- гамма-частиц, 10% бета-частиц,

     стронций-90 — 100% альфа-частиц,

     плутоний  — 100% альфа-частиц,

     калий-40 — (естественный радионуклид) 10% — гамма-частиц, 90% — бета-частиц.

     Кроме вышеперечисленных радионуклидов  в почвах и растениях гамма-излучения  определяют также цезий-134, церий-144, рутений-106.

     При прохождении ионизирующего излучения  через вещество происходит потеря энергии  излучения. Среднюю энергию частицы, теряемую на единице длины её пути в веществе называют линейной передачей энергии (ЛПЭ). Понятие ЛПЭ было введено в 1954 году. За единицу ЛПЭ принимают 1 кэВ на 1 км пути: 1 кэВ/мкм = 62 Дж/м. Все ионизирующие излучения в зависимости от значения ЛПЭ делятся на редко- и плотно ионизирующие. К редко ионизирующим излучениям принято относить все виды излучения, для которых ЛПЭ = 10 кэВ/мкм, а к плотно ионизирующим — те, для которых ЛПЭ > 10 кэВ/мкм. Для заряженных частиц ЛПЭ возрастает с уменьшением их скорости.

 

      5. ДОЗИМЕТРИЯ 

     Повреждения, вызванные в живом организме  излучением, будут тем больше, чем  больше энергии излучения передается тканям. Количество такой переданной организму энергии называется дозой. Измеряемые физические величины связанные с радиационным эффектом называют дозиметрическими. Задачей дозиметрии является измерение некоторых физических величин для предсказания или оценки радиационного эффекта, в частности радиобиологического. Распространенными дозиметрическими величинами являются поглощенная доза, экспозиционная доза, эквивалентная доза, эффективная эквивалентная доза, ожидаемая доза и коллективная доза. Как определить эти дозы? Если человек подвергается воздействию ионизирующего излучения, то необходимо знать распределение интенсивности излучения в пространстве. Кроме того, поглощающая способность тканей различна. Поэтому для характеристики энергии ионизирующего излучения используют экспозиционную дозу.

     Экспозиционная  доза — мера ионизационного действия фотонного излучения, определяемая по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия, т.е. если поглощенная энергия излучения в некотором объеме среды равна суммарной кинетической энергии ионизирующих частиц (электронов, протонов).

     Экспозиционная  доза является непосредственно измеряемой физической величиной.

     В СИ единицей экспозиционной дозы является один Кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген 

      Кл/кг, а 1Кл/кг= 3,876 х 10³ Р. 

     Рентген — единица экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучения, при прохождении которого через 0,001239 г воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов, вызванных этим излучением, образуется 2,08х10⁹ пар ионов. Отметим, что 0,001293 г — масса 1 см³ сухого атмосферного воздуха при нормальных условиях. Экспозиционная доза характеризует радиационную обстановку независимо от свойств облучаемых объектов.

     Поглощающая способность объекта может сильно меняться в зависимости от энергии  излучения, её вида и интенсивности, а также от свойств самого поглощающего объекта. Для характеристики поглощенной энергии ионизирующего излучения вводят понятие поглощенной дозы, определяемой как энергия поглощения в единице массы облучаемого вещества. Единица поглощенной дозы выражается в греях (Гр), 1Гр = 1Дж/кг. Единица названа по имени Луи Гарольда Грея — лауреата премии имени Рентгена, радиобиолога. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад: 1 рад — 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг; 1Гр = 1Дж/кг = 100 рад.