Виды ионизирующего излучения и его взаимодействие с веществом

Ионизирующими излучениями называются такие виды лучистой энергии, которые, попадая в определенные среды или проникая через них, производят в них ионизацию. Такими свойствами обладают радиоактивные излучения, излучения высоких энергий, рентгеновские лучи и др.

В природе ионизирующее излучение обычно генерируется в результате спонтанного радиоактивного распада радионуклидов, ядерных реакций (синтез и индуцированное деление ядер, захват протонов, нейтронов, альфа-частиц и др.), а также при ускорении заряженных частиц в космосе. Искусственными источниками ионизирующего излучения являются искусственные радионуклиды, ядерные реакторы, радионуклидные нейтронные источники, ускорители элементарных частиц, рентгеновские аппараты (Ионизирующие излучения применяются в различных отраслях тяжёлой (интроскопия) и пищевой (стерилизация инструментов, расходных материалов и продуктов питания) промышленности, а также в медицине (лучевая терапия, ПЭТ-томография).

Все ионизирующие излучения делятся на фотонные и корпускулярные.

К фотонному ионизирующему излучению относятся:

а) Гамма-излучение - вид электромагнитного излучения с чрезвычайно маленькой длиной волны — < 5×10−3 нм. Гамма-квантами являются фотоны высокой энергии.

Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер, при ядерных реакциях, а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях Гамма-лучи в отличие от α-лучей и β-лучей не отклоняются электрическими и магнитными полями и характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях. Гамма-кванты вызывают ионизацию атомов вещества.

Гамма-кванты, как и любые другие фотоны, могут быть поляризованы.

Облучение гамма-квантами, в зависимости от дозы и продолжительности, может вызвать хроническую и острую лучевую болезнь. Стохастические эффекты облучения включают различные виды онкологических заболеваний. В то же время гамма-облучение подавляет рост раковых и других быстро делящихся клеток. Гамма-излучение является мутагенным и тератогенным фактором.

б) рентгеновское излучение (тормозное и характеристическое)

Тормозное (с непрерывным энергетическим спектром) излучение появляется в результате торможения (рассеяния) заряженных частиц в кулоновском поле ядра атома. Характеристическое излучение (с прерывистым, или дискретным, энергетическим спектром) возникает при изменении энергетического состояния электронов атома.

Корпускулярное ионизирующее излучение состоит из потока заряженных частиц (альфа-,бета-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят:

а) нейтроны - единственные незаряженные частицы, образующиеся при некоторых реакциях деления ядер атомов урана или плутония. Поскольку эти частицы электронейтральны, они глубоко проникают во всякое вещество, включая живые ткани. Отличительной особенностью нейтронного излучения является его способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, т.е. создавать наведённую радиацию, что резко повышает опасность нейтронного излучения. Проникающая способность нейтронов сравнима с Y- излучением.

б) бета частицы - заряженная частица, испускаемая в результате бета-распада. Поток бета-частиц называется бета-лучи или бета-излучение.

Отрицательно заряженные бета-частицы являются электронами (β-), положительно заряженные — позитронами (β+).

Бета-лучи под действием электрического и магнитного полей отклоняются от прямолинейного направления. Скорость частиц в бета-лучах близка к скорости света. Бета-лучи способны ионизировать газы, вызывать химические реакции, люминесценцию, действовать на фотопластинки.

Значительные дозы внешнего бета-излучения могут вызвать лучевые ожоги кожи и привести к лучевой болезни. Ещё более опасно внутреннее облучение от бета-активных радионуклидов, попавших внутрь организма.. Слой любого вещества с поверхностной плотностью порядка 1 г/см2 (например, несколько миллиметров алюминия или несколько метров воздуха) практически полностью поглощает бета-частицы с энергией около 1 МэВ.

в) альфа частицы

Альфа излучение – поток положительно заряженных частиц, образованный 2 протонами и 2 нейтронами. Частица идентична ядру атома гелия-4 (4He2+). Образуется при альфа-распаде ядер.

Источником альфа-излучения являются радиоактивные элементы. В отличие от других видов ионизирующего излучения альфа-излучение является наиболее безобидным. Оно опасно лишь при попадании в организм такого вещества (вдыхание, съедание, выпивание, втирание и т.д.), так как пробег альфа частицы, например с энергией 5 МэВ, в воздухе составляет 3,7 см, а в биологической ткани 0,05 мм. Проникающая способность А.-и. невелика т.к. задерживается листом бумаги.

В зависимости от способа взаимодействия со средой различают непосредственно ионизирующие и косвенно ионизирующие излучения. Непосредственно ионизирующими являются излучения заряженных частиц (альфа-частицы, электроны, протоны и др.), имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов и молекул среды. Косвенные И. и. (рентгеновское, у-излучение, нейтронное излучение) сами ионизации не вызывают. При попадании в среду они взаимодействуют с атомным ядром или электронами его оболочки, передают им свою энергию и при этом могут создавать непосредственно И. и. и (или) вызывать ядерные превращения. Под взаимодействием излучений с веществом понимают те химические и физические процессы, которые возникают в веществе при прохождении через него излучения.

Любое излучение, взаимодействуя с веществом, теряет свою энергию. Это может происходить 2 способами:
• Ионизационная потеря – энергия излучения растрачивается на ионизацию встречных атомов и молекул
• Радиационные потери (тормозные) – процесс потери энергии на резкое торможение при встрече молекул и атомов.

Взаимодействие альфа-частиц с веществом. Альфа-частицы проходя через вещество главным образом теряет свою энергию через ионизационное взаимодействие. Траектория движения альфа-частиц в веществе напоминает прямую линию.

Взаимодействие бета-лучей с веществом. Бета-лучи с маленькой энергией растрачивают энергию на тормозные потери. Бета-лучи с большим запасом энергии через тормозные потери траектория движения напоминает ломаную линию.

Взаимодействие гамма-лучей с веществом. Выделяют 3 варианта взаимодействия:
1) фотоэффект – такой процесс взаимодействия гамма-лучей с веществом при котором вся энергия гама-луча передается одному из электронов встречного атома.
2) Комптоновский эффект - процесс при котором не вся энергия гамма-луча передается электрону встречного атома. После такого взаимодействия гамма-луч продолжает движение, но с меньшим запасом энергии.
3) Эффект образования электронно-позитронных пар. В этом случае гамма-лучи действуют не на электрон, а на ядро атома. В результате такого взаимодействия гамма-луч преобразовывается в пару частиц электрон+позитрон.

7 Биологическое действие ионизирующего излучения.

При изучении действия радиации на живой организм были определены следующие особенности:

· Действие ионизирующих излучений на организм не ощутимо человеком. У людей отсутствует орган чувств, который воспринимал бы ионизирующие излучения. Существует так называемый период мнимого благополучия — инкубационный период проявления действия ионизирующего излучения. Продолжительность его сокращается при облучении в больших дозах.

· Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться.

· Излучение действует не только на данный живой организм, но и на его потомство — это так называемый генетический эффект.

· Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0,002-0,005 Гр уже наступают изменения в крови.

· Не каждый организм в целом одинаково воспринимает облучение.

· Облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционированное.