Все о радиации

Всё о радиации

1. Радиометрия

Радиометрия (в ядерной физике) — совокупность методов измерения активности радиоактивного источника. Кроме того, термин «радиометрия» иногда используется для обозначения процесса измерения активности. Радиометром называется прибор для проведения подобных измерений. В соответствии с видом измеряемого излучения различают гамма-, бетаи альфа-радиометры.

Как и всякое физическое явление, радиоактивное излучение имеет свои характеристики, которые разделяются на радиометрические и дозиметрические. К радиометрическим относится активность.

Активность — это число распадов ядер радиоактивного вещества в единицу времени. В международной системе единиц активность измеряется в Беккерелях (Бк). 1Бк — активность вещества, при которой в нем за одну секунду происходит один распад. Внесистемной единицей активности является Кюри (Ки). Соотношение между единицами активности 1Ки=3.710¹⁰ Бк.

Удельной активностью называется активность, отнесенная к единице массы, площади или объема. Удельная активность используется для описания уровня загрязнения продуктов питания и плотности загрязнения почвы. Например, если ваш продукт питания имеет величину удельной активности в 100 Бк/кг, то это означает, что в одном килограмме продукта за одну секунду распадается 100 ядер. Если вы проживаете на территории с плотностью загрязнения по цезию в 5 Ки/км² (1Ки/км²=37 000 Бк/м²), то это означает, что на одном квадратном метре территории в одну секунду распадается 185 000 ядер ¹³⁷Cs.

Активность вещества, А, убывает с течением времени по экспоненциальному закону:

здесь — постоянная распада. По истечении времени t, равном периоду полураспада t=T_½, активность будет равна A=A₀/2. В этом можно легко убедиться, поставив в последнюю формулу время t=T_½ и =ln2/T_½.

Если вы проживаете, например, на территории с уровнем загрязнения 10 Ки/км² по цезию-137, то спустя 31 год загрязненность территории уменьшится вдвое и будет равна 5 Ки/км² (поскольку период полураспада ¹³⁷Cs равен T_½=31 году). Спустя 62 года останется половина от половины, т. е. загрязненность территории будет равна 2.5 Ки/км².

2. Дозиметрия, виды доз и их единицы

Доза (dosis) — порция. Предмет дозиметрии — измерения и расчеты дозы в полях источников излучения. Доза излучения — мера действия излучения в среде. Существует несколько видов доз, которые могут дать количественную оценку возбуждаемому в веществе радиационному эффекту: экспозиционная доза, поглощенная доза, эквивалентная доза.

Экспозиционная доза является первым шагом по пути количественного определения воздействия радиации. Это непосредственно измеряемая физическая величина, которая определяет ионизационную способность гамма-излучения в воздухе.

Для измерения этой дозы достаточно определить суммарный заряд ионов, образовавшихся в облучаемой воздушной ионизационной камере. В международной системе единиц экспозиционная доза измеряется в кулонах на килограмм (Кл/кг). 1Кл/кг равен экспозиционной дозе, при которой заряженные частицы, образовавшиеся в 1 кг сухого атмосферного воздуха в результате ионизирующего воздействия гамма-излучения, несут заряд 1 Кл каждого знака.

Внесистемной единицей является рентген (Р). Рентген — единица экспозиционной дозы, при которой в одном кубическом сантиметре (1см³) сухого атмосферного воздуха образуется два миллиарда пар ионов (210⁹ пар). Соотношение между единицами экспозиционной дозы: 1Р=2.5810—⁴ Кл/кг, 1Кл/кг=3876 Р.

Зачастую пользуются понятием мощности дозы. Мощность дозы — доза за определенный промежуток времени. Например, миллионная доля рентгена в час — 1мкР/час. Природный, т. е. дочернобыльский, гамма-фон на территории Беларуси соответствует мощности экспозиционной в 10—20 мкР/час.

Экспозиционная доза показывает величину радиации. Воздействие же на объект оказывает только та часть излучения, которая поглотилась в нем самом. В связи с этим вводится поглощенная доза.

Поглощенная доза — энергия излучения, переданная единице массы вещества. Эта доза определена для всех радиоактивных излучений (альфа-, бета-, гамма-), а также их смеси. В международной системе единиц поглощённая доза измеряется в греях (Гр). Один грэй соответствует поглощению одного джоуля (Дж) энергии в 1 килограмме вещества: 1Гр=1Дж/1кг. Внесистемной (старой) единицей поглощенной дозы является рад. Соотношение между этими единицами: 1Гр=100рад.

Ожидаемый эффект облучения в биологической ткани зависит от того, каким видом ионизирующего излучения производилось разрушительное воздействие на органы и ткани организма. Говоря иначе, альфа-, бетаи гамма-излучения оказывают не одинаковое поражающее действие при одной и той же поглощенной дозе.

Для учёта этого явления вводят понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза находится как произведение поглощённой дозы на усредненный коэффициент качества k, который устанавливается опытным путем. Коэффициент качества учитывает различия в степени поражающего воздействия альфа-, бетаи гамма-излучений. Электроны икванты поражают биологическую ткань примерно одинаково, для них k=1. Альфа-излучение в 20 раз опаснее других, посколькучастицы обладают большой ионизирующей способностью. Для альфа-частиц коэффициент качества равен k=20.

В международной системе единиц эквивалентная доза измеряется в зивертах (Зв). Она больше эквивалентной дозы в k раз:

1Зв=k1Гр.

На практике часто используются производные от зиверта единицы: в тысячу раз меньшими — миллизивертами (мЗв), в миллион раз — микрозивертами (мкЗв).

Внесистемная (старая) единица эквивалентной дозы — бэр (бэр), т. е. биологический эквивалент рентгена. Соотношение между единицами эквивалентной дозы: 1Зв=100Бэр.

Для практических расчетов можно пользоваться соотношением 1Рент=1Рад=1Бэр.

Необходимо иметь в виду, что доза облучения накапливается в организме со временем. Доза, полученная за более длительный срок, менее вредна, чем полученная за короткий отрезок времени. Международная предельно допустимая норма эквивалентной дозы за год равняется 1мЗв (0.1бэр). Можно просто рассчитать предельную дозу для человека любого возраста. Для этого необходимо количество прожитых лет умножить на 1мЗв.

Различные органы человека имеют неодинаковую восприимчивость к радиоактивному повреждению. С этой целью для оценки воздействия на весь организм вводится понятие эффективной эквивалентной дозы облучения (H_E), которая определяется как произведение среднего значения эквивалентной дозы облучения в i-м органе и ткани человека на взвешивающий коэффициент (_i), равный отношению риска стохастического эффекта облучения данного органа (ткани) к суммарному риску стохастического эффекта при облучении всего тела. Они позволяют выровнять риск облучения вне зависимости от того, облучается все тело равномерно или неравномерно. Значения _i приведены в табл.1.1

Таблица 1.

Взвешивающие коэффициенты определяются эмпирически и устанавливаются таким образом, что их сумма для всего организма составляла единицу.

3. Природные источники радиации

Радиоактивность появилась на Земле со времени ее образования. Земля подвержена радиационному фону, источниками которого служат излучение Солнца, космическое излучение и излучение залегающих в Земле радиоактивных элементов. Эти источники радиоактивности называются природными.

К природным источникам радиации относятся естественные радионуклиды. Наибольший вклад в формирование дозы облучения вносит долгоживущий элемент калий-40 (⁴⁰К) и продукты распада урана и тория. К числу последних относится радиоактивный инертный газ радон-222 (²²²Rn). При внешнем облучении от естественных радионуклидов основной вклад вносит гамма-излучение — до 0.4 мЗв/год (0.04 бэр/год). На долю внутреннего облучения от усвоенных организмом естественных радионуклидов приходится 2/3 эффективной эквивалентной дозы, которую человек получает от природных источников радиации. Эти радионуклиды поступают в организм человека вместе с пищей и выводятся естественным образом. Организм человека слабо радиоактивен.

Наибольший вклад в дозу при внутреннем облучении вносит ²²²Rn, являющийся альфа-излучателем. ²²²Rn освобождается из химических соединений, в которых находился уран, и попадает в окружающую среду. Его среднемировая объемная активность в помещениях находится в пределах от 1 до 25 Бк/м³. В жилые помещения радон попадает вместе с водой и природным газом. В организм человека ²²²Rn попадает вместе с вдыхаемым воздухом и питьевой водой. В организме ²²²Rn облучает слизистую оболочку желудка и лёгочную ткань. В результате слизистая оболочка желудка может получить дозу 1 бэр/год. Радиоактивный инертный газ ²²²Rn хорошо растворим в воде и легко удаляется оттуда кипячением.

4. Искусственные источники радиации

В результате деятельности человека во внешней среде появились искусственные радионуклиды и источники излучения.

Перераспределение естественных радионуклидов в результате деятельности человека приводит к локальному увеличению их концентрации в некоторых веществах или материалах. Например, локальное увеличение концентрации естественных радионуклидов имеет место при изготовлении строительных материалов (гранит, пемза, глиноземы, фосфогипс) или минеральных удобрений (фосфаты). Проживание в каменных или бетонных зданиях повышает дозовую нагрузку на 0.5—1.5 мЗв/год.

Использование каменного угля как топлива для тепловых электростанций ведет к повышению уровня облучения населения. В 1 кг угля содержится 530 Бк ²³⁸U, 300 Бк тория, 70 Бк ⁴⁰K и других радиоактивных элементов. В результате сжигания эти радионуклиды попадают в атмосферу, а затем осаждаются на почве и становятся источником облучения. В угольных шлаках содержится большое количество естественных радионуклидов, поэтому их не следует использовать в строительных целях как наполнители к цементам и бетонам.

Еще одним источником повышенного естественного радиационного фона являются фосфатные удобрения. Эти удобрения в сравнительно больших концентрациях содержат продукты распада ²³⁸U. Применение фосфатных удобрений в сельском хозяйстве ведет к попаданию естественных радионуклидов по корневым путям в растения. Сара Шеннон в своей книге «Питание в атомном веке» приводит следующий факт. При выкуривании 1 сигареты лёгкие курильщиков получают дозу, равную 10 флюорографическим обследованиям грудной клетки. Это происходит по причине попадания в легкие радионуклидов полония-210, радия-226, калия-40, свинца-210. Эти радиоактивные вещества содержатся в фосфатных удобрениях, применяемых на табачных плантациях. Кроме того, табачные смолы вызывают слипание тонких ресничек мерцательного эпителия, которые расположены в дыхательных путях. Колебательные движения этих ресничек у некурящих помогают отторгать загрязняющие вещества.

К искусственным источникам радиации относится излучение в медицине, которое применяется для диагностики и лечения заболеваний.

Принцип получения рентгеновского изображения основан на различной поглощаемости рентгеновских лучей различными веществами. Более плотные вещества, содержащие большое число электронов на оболочках атомов, в большей степени задерживают рентгеновские лучи. Вещества, у которых зарядовое число Z невелико (Z равно числу электронов на электронной оболочке атома), в меньшей степени задерживают рентгеновское излучение. Кости представляют собой барьер проходящим сквозь организм рентгеновским лучам, поскольку они не только плотнее, но и содержат кальций, у которого Z велико. Сквозь мягкие ткани организма рентгеновские лучи проходят легче. Почернение фотопленки будет больше там, где лучи проходят через мягкие и тонкие ткани. Светлые участки на фотопленке соответствуют костным тканям.

Радиоактивные излучения применяются также для лечения рака. Лучевая терапия основана на способности гамма-излучения угнетать способность клеток к делению. Опухоль представляет собой скопление клеток, которые делятся неконтролируемым образом. Ионизирующее излучение является наиболее эффективным фактором, сдерживающим деление раковых клеток.

5. Виды излучений

Препарат радия 2 помещали на дно узкого канала в куске свинца 1. Напротив канала находилась фотопластинка. На выходе из канала на излучение действовало сильное магнитное поле, линии которого были перпендикулярны лучу. Вся установка помещалась в вакуум.

В магнитном поле пучок распался на две части. Две составляющие отклонились в разные стороны, третья магнитным полем не отклонялась. Положительный компонент получил названиелучей, отрицательный —-лучей и нейтральный —-лучей.

Альфа — лучи. Решить задачу о природечастиц удалось Резерфорду. Он определил, что зарядчастицы равен двум элементарным зарядам, а масса равна 4 а.е.м. Такие заряд и массу имеет ядро гелия. Это подтвердил опыт Резерфорда. Он собиралчастицы внутри специального резервуара на протяжении нескольких дней. Затем спектральный анализ дал результат — в сосуде накапливается гелий.

— лучи обладают наименьшей проникающей способностью. Слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен.

Бета — лучи. -лучи — отрицательная компонента, более всего отклоняются в магнитном поле. Было установлено, что они представляют собой не что иное, как электроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. Существенно, что скоростичастиц неодинаковы. Встречаются частицы с самыми разными скоростями. Это приводит к расширению пучкачастиц в магнитном поле. Проникающая способностьлучей меньше, чем. Алюминиевая пластинка толщиной 1,5 мм полностью задерживаетчастицы.

Гамма — лучи. По своим свойствамлучи напоминают рентгеновские, но обладают большей проникающей способностью. При прохождении через слой свинца толщиной в 1 см их интенсивность убывает лишь вдвое. Это наводит на мысль, чтолучи — электромагнитная волна. Все сомнения отпали, когда была обнаружена дифракциялучей на кристаллах и измерена длина волны. =10^-8 — 10^-11 см.

На шкале электромагнитных волнлучи занимают место непосредственно за рентгеновскими. Скорость распространениялучей такая же, как у всех электромагнитных волн, — 310⁸ м/с, Е до 20 МэВ. -излучение не является самостоятельным видом. Возникает излучение в результате деления тяжелых ядер.

6. Биологическое действие радиации

Большие дозы радиации могут привести к гибели человека или к ряду сложных патологических изменений, в первую очередь, онкологических заболеваний. Человек, получивший ту или иную дозу радиации, не обязательно должен заболеть, однако риск заболеваний у него намного больше. Величина дозы, определяющая тяжесть поражения, определяется временем нахождения организма под облучением и колеблется для различных тканей и органов от 100 до 0,1 Грей. Наиболее уязвимы для радиации красный кровяной мозг, репродуктивные органы, хрусталик глаза. По характеру действия ядерных излучений различают внутреннее и внешнее облучения.

Внутреннее облучение происходит тогда, когда радиоактивные вещества попадают во внутренние органы при вдыхании загрязненного воздуха, с пищей, при курении и через кожу, в случае ее повреждения. Воздействие излучения на организм зависит от многих факторов. Опасность действия возрастает с увеличением активности попавшего в организм вещества и его периода полураспада. При попадании радионуклидов внутрь организма с пищей, воздухом создается ионизирующее излучение, состоящее из -, — ичастиц, которые пронизывают биологическую ткань. Эти частицы имеют достаточно большую энергию и, при взаимодействии с атомами, отрывают электрон (процесс ионизации). В результате из нейтрального атома образуется положительный ион и отрицательный электрон, который может ионизировать другие атомы.

Ионизированные атомы и электроны участвуют в последующих реакциях с образованием новых молекул, среди которых выделяются «свободные радикалы», обладающие высокой химической активностью, изменяющие биохимические свойства клеток и разрушающие их. Если число свободных радикалов не велико, то в организме наблюдается равновесие и контроль их. Радиационные воздействия стимулируют реакцию образования свободных радикалов, и их число растет, приводя к серьезным последствиям. Нарушается синтез белков и, как следствие, поражается иммунная система, что способствует размножению вирусов, микробов, раковых клеток. Химическая природа вещества влияет на скорость выведения его из организма. Такие вещества, как хлор, водород, кислород, натрий и др. имеют быстрый оборот в организме, и поэтому менее опасны. Большую опасность представляют радиоактивные вещества, которые имеют сродство с жизненно важным органом. В этом случае активное вещество скапливается в определенном органе и вызывает его избирательное разрушение. Наиболее опасны вещества, которые откладываются в костях (стронций, радий и др.) и очень медленно выходят из организма. Кроме того, некоторые вещества (например, плутоний) обладают ядовитыми свойствами. Наиболее чувствительны к поражению кровь и кроветворные клетки. Поэтому признаком лучевого поражения является изменение состава крови.

Вид излучения имеет существенное значение при поражении. Так, если при внешнем облученииизлучение, благодаря своей небольшой проникающей способности, мало опасно, то при попадании внутрь организма оно оказывает губительное действие из-за большой плотности ионизации. Особую опасность представляет облучение медленными и тепловыми нейтронами ввиду того, что они создают искусственную радиоактивность в тканях организма.

Литература

Мухин К. Н. Экспериментальная ядерная физика. — М., «Энергоатомиздат», 1983 г., т.1.

Абрамов А.И., Казанский Ю. А., Матусевич Е. С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. — М., «Энергоатомиздат», 1985 г.

Горн Л.С., Хазанов Б. И. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. — М., «Энергоатомиздат», 1989 г.

Головейко А.Г., Кужир П. Г., Сатиков И. А., Трофименко Е. Е. Методические материалы по вопросам преподавания радиационной безопасности в высшей школе. Под редакцией Стражева В. И. — Минск, 1991 г.

Ибрагимов М. Х. Атомная энергетика. Физические основы. — М., «Высшая школа», 1987 г.

Широков В.М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М., «Наука», 1980 г.

Холл Э. Дж. Радиация и жизнь. — М., «Медицина», 1989 г.

Люцко А. М. Радиационная безопасность. — Минск, «Народная асвета», 1994 г.