КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Характеристика отдельных видов излучений
Масса. В зависимости от цели исследований исследуемая масса элементарной частицы может быть выражена 4–мя способами: 1) в килограммах; 2) в единицах массы электрона, (те); 3) в энергетических единицах, в качестве которых используется только МэВ; 4) в атомных единицах массы (а.е.м). Килограмм (кг) – системная единица, используемая при непосредственном определении массы частиц и в расчетах, требующих единиц в системе СИ.
При сравнительном анализе различных частиц, а также для упрощения расчетов массы всех элементарных частиц выражают в единицах те (массы электрона), приравняв массу электрона в кг к единице: 1 те = 9,1∙ 10–31 кг; mp = 1836,1 me ; mn = 1838,6 me ; mn > mp на 2,5 me. Мегаэлектронвольт (МэВ). В ядерной физике определяемой величиной обычно является энергия, поэтому массы частиц там принято выражать в энергетических единицах, в качестве которых во всех расчетах используют только МэВ. Выразим массу электрона (те) в энергетических единицах. Возможность выражать массу в единицах энергии дает соотношение Эйнштейна
E = mc2,
где m – масса, кг; с – скорость света.
Так как с2 – const, между массой и энергией существует прямая пропорциональность. По сути, масса в энергетических единицах – это собственная энергия частицы, выраженная в МэВ.
Собственная энергия электрона и позитрона в системных единицах определяется по формуле
Чтобы получить массу, необходимо перейти к МэВ, используя, соответственно, 1МэВ=1,6∙10–13Дж.
Собственная энергия и масса в энергетических единицах электрона и позитрона равна В ядерной физике и радиационной химии при написании уравнений ядерных реакций массы частиц выражают так же, как и массы ядер в атомных единицах массы (а.е.м).
1 а.е.м – это масса 1/12 части одного атома изотопа углерода 12С. Выразим 1 а.е.м в г., используя закон Авогадро:
где mc – масса одного атома углерода; Мс – молярная масса; na – число Авогадро. При решении задач масса вещества переводится в кг. Таким образом, величина 1 а.е.м не зависит от элемента, выбранного для ее определения. Следовательно, 1 а.е.м может быть выражена через соответствующую часть (обратно пропорциональную массовому числу) массы атома любого элемента. Значение 1 а.е.м от этого не изменится. Однако, чтобы элемент мог использоваться в качестве определяющего (эталонного) элемента для определения а.е.м, он должен удовлетворять следующим требованиям: – устойчивость ядра к радиоактивному распаду; – широкая распространенность в природе; – доступность в химически свободном состоянии; – технологичность, т.е. удобство для практического применения. Первоначально в качестве определяющего элемента использовался кислород– 16О. В 50-х годах прошлого века был разработан масс–спектрометрический метод анализа, который позволяет определять элементы по их атомным массам, и в качестве эталона используется углерод – 12С. В результате широкого распространения данного метода углерод стал технологичнее кислорода и в настоящее время является общепризнанным определяющим элементом. me ≈ 5,5 ∙ 10–4 а.е.м, mp = mn = 1 а.е.м. В уравнениях реакций массы элементарных частиц указываются в а.е.м. (атомных единицах массы) в округленном до целого виде слева вверху от символа частиц (0е, 1р, 1n). 4. Заряд элементарной частицы характеризует ее отношение к электромагнитному полю и способность потока частиц к непосредственной ионизации вещества. Заряд может быть выражен двумя способами: – в системных единицах — Кл (кулонах); – в несистемных единицах элементарного заряда (электрона) по модулю
q = = 1,6 ∙ 10–19Кл. Элементарным называется минимальный известный заряд. Заряды элементарных частиц приведены по следующей схеме:
В уравнениях реакций заряды элементарных частиц указываются в единицах элементарного заряда слева внизу от символа частицы , , . Одной из важных особенностей биологического воздействия ионизирующей радиации является невидимость, неощутимость. В этом и заключается их опасность, человек ни визуально, ни органолептически не может обнаружить воздействие излучений. В отличие от лучей оптического диапазона и даже радиоволн, которые вызывают в определенных дозах нагревание тканей и ощущение тепла, ионизирующие излучения даже в смертельных дозах нашими органами чувств не фиксируются. Правда, у космонавтов наблюдались косвенные проявления действия ионизирующей радиации — ощущение вспышек при закрытых глазах — за счет массивной ионизации в сетчатке глаза. Таким образом, ионизация и возбуждение – основные процессы, в которых тратится энергия излучений, поглощаемая в облучаемом объекте. Реакции с участием ионов и возбужденных атомов имеют важное значение. Они лежат в основе многих химических процессов, в том числе и биологически важных. С ходом этих реакций связываются отрицательные результаты воздействия радиации на организм человека.
Альфа–излучение – поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия – ), который движется со скоростью около 20000 км/с. Они образуются при радиоактивном распаде ядер элементов с большими порядковыми номерами и при ядерных реакциях, превращениях. Энергия их колеблется в пределах 4–9 (2–11) МэВ. Пробег α–частиц в веществе зависит от их энергии и от природы вещества, в котором они движутся. В среднем в воздухе пробег составляет 2–10 см, в биологической ткани – несколько микрон. Так как α–частицы массивны и обладают относительно большой энергией, путь их в веществе прямолинейный, они вызывают сильно выраженный эффект ионизации. Удельная ионизация составляет примерно 40000 пар ионов на 1 см пробега в воздухе (на всей длине пробега может создаваться до 250 тысяч пар ионов). В биологической ткани на пути в 1–2 микрона также создается до 40000 пар ионов. Вся энергия передается клеткам организма, нанося ему огромный вред.
Альфа–частицы задерживаются листом бумаги и практически не могут проникать через внешний (наружный) слой кожи, они поглощаются роговым слоем кожи. Поэтому α–излучение не представляет опасности до той поры, пока радиоактивные вещества, излучающие α–частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или вдыхаемым воздухом – тогда они становятся чрезвычайно опасными. Бета–излучение – поток β–частиц, состоящий из электронов (отрицательно заряженных частиц) и позитронов (положительно заряженных частиц), испускаемых атомными ядрами при их β–распаде. Масса β–частиц в абсолютном выражении равна 9,1∙10–28 г. β–частицы несут один элементарный электрический заряд и распространяются в среде со скоростью от 100 тыс. км/с до 300 тыс. км/с (т.е. до скорости света) в зависимости от энергии излучения. Энергия β–частиц колеблется в значительных пределах. Это объясняется тем, что при каждом β–распаде радиоактивных ядер образующаяся энергия распределяется между дочерним ядром, β–частицами и нейтрино в разных соотношениях, причем энергия β–частиц может колебаться от нуля до какого–то максимального значения. Максимальная энергия лежит в пределах от 0,015–0,05 МэВ (мягкое излучение) до 3–13,5 МэВ (жесткое излучение). Так как β–частицы имеют заряд, то под действием электрического и магнитного полей они отклоняются от прямолинейного направления. Обладая очень малой массой, β–частицы при столкновении с атомами и молекулами также легко отклоняются от своего первоначального направления (т.е. происходит сильное рассеяние их). Поэтому определить длину пути β–частиц очень трудно – этот путь слишком извилистый. Пробег β–частиц в связи с тем, что они обладают различным запасом энергии, также подвергается колебаниям. Длина пробега в воздухе может достигать 25 см, а иногда и нескольких метров. В биологических тканях пробег частиц составляет до 1 см. На путь пробега влияет также плотность среды.
Ионизирующая способность β–частиц значительно ниже, чем α–частиц. Степень ионизации зависит от скорости: меньше скорость — больше ионизация. На 1 см пути пробега в воздухе β–частица образует 50–100 пар ионов (1000–25000 пар ионов на всем пути в воздухе). β–частицы больших энергий, пролетая мимо ядра слишком быстро, не успевают вызвать такой же сильный ионизирующий эффект, как медленные β–частицы. При потере энергии электрон захватывается либо положительным ионом с образованием нейтрального атома, либо атомом с образованием отрицательного иона, Нейтронное излучение — излучение, состоящее из нейтронов, т.е. нейтральных частиц. Нейтроны образуются при ядерных реакциях (цепной реакции деления ядер тяжелых радиоактивных элементов, при реакциях синтеза более тяжелых элементов из ядер водорода). Нейтронное излучение является косвенно ионизируемым; образование ионов происходит не под действием самих нейтронов, а под действием вторичных тяжелых заряженных частиц и g–квантов, которым нейтроны передают свою энергию. Нейтронное излучение чрезвычайно опасно вследствие своей высокой проникающей способности (пробег в воздухе может достигать нескольких тысяч метров). Кроме того, нейтроны могут вызвать наведенную радиоактивность (в том числе и в живых организмах), превращая атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы. От нейтронного облучения хорошо защищают водородсодержащие материалы (графит, парафин, вода и т.д.). В зависимости от энергии различают следующие нейтроны: – сверхбыстрые нейтроны с энергией в 10–50 МэВ. Они образуются при ядерных взрывах и работе ядерных реакторов; – быстрые нейтроны, энергия их превышает 100 КэВ; – промежуточные нейтроны – энергия их от 100 КэВ до 1 КэВ; – медленные и тепловые нейтроны. Энергия медленных нейтронов не превышает 1 КэВ. Энергия тепловых нейтронов достигает 0,025 эВ. Нейтронное излучение используют для нейтронной терапии в медицине, определения содержания отдельных элементов и их изотопов в биологических средах и т.д. В медицинской радиологии используются, главным образом, быстрые и тепловые нейтроны, в основном используют ка–лифорний–252, распадающийся с выбросом нейтронов со средней энергией в 2,3 МэВ. Электромагнитные излучения различаются по своему происхождению, энергии, а также по длине волны. К электромагнитным излучениям относятся рентгеновское излучение, g–излучение радиоактивных элементов и тормозное излучение, возникающее при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц. Видимый свет и радиоволны – тоже электромагнитные излучения, но они не ионизируют вещество, ибо характеризуются большой длинной волны (меньшей жесткостью). Энергия электромагнитного поля излучается не непрерывно, а отдельными порциями – квантами (фотонами). Поэтому электромагнитные излучения – это поток квантов или фотонов. Рентгеновские изучения – это квантовые электромагнитные излучения с длиной волн 0,001–10 нм. Излучение с длиной волны, превышающей 0,2 нм, условно называют «мягким» рентгеновским излучением, а до 0,2 нм — «жестким». Длина волны –расстояние, на которое излучение распространяется за один период колебания. Рентгеновское излучение, как и всякое электромагнитное излучение, распространяется со скоростью света – 300000 км/с. Энергия рентгеновского излучения обычно не превышает 500 КэВ. Различают тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Тормозное излучение возникает при торможении быстрых электронов в электростатическом поле ядра атомов (т.е. при взаимодействии электронов с ядрами атомов). При прохождении электрона больших энергий вблизи ядра наблюдается рассеяние (торможение) электрона. Скорость электрона снижается, и часть его энергии испускается в виде фотона тормозного рентгеновского излучения. Характеристическое рентгеновское излучение возникает, когда быстрые электроны проникают в глубь атома и выбивают электрон из внутренних уровней (К, L и даже М). Атом возбуждается, а затем возвращается в основное состояние. При этом электроны из внешних уровней заполняют освободившиеся места во внутренних уровнях, и при этом излучаются фотоны характеристического излучения с энергией, равной разности энергии атома в возбужденном и основном состоянии (не превышающем 250 КэВ). Характеристическое излучение возникает при перестроении электронных оболочек атомов. При различных переходах атомов из возбужденного состояния в невозбужденное избыток энергии может также испускаться в виде видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Так как рентгеновские лучи обладают малой длиной волн и меньше поглощаются в веществе, то они обладают большей проникающей способностью. Гамма–излучение – это излучение ядерного происхождения. Оно испускается ядрами атомов при α– и β распаде природных искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением α– и β–частицей. Этот избыток энергии мгновенно высвечивается в виде g–квантов. Гамма–излучение – это поток электромагнитных волн (квантов), который излучается в процессе радиоактивного распада при изменении энергетического состояния ядер. Кроме того, g–кванты образуются при аннигиляции позитрона и электрона. По свойствам g–излучение близко к рентгеновскому излучению, но обладает большей скоростью и энергией. Скорость распространения в вакууме равняется скорости света – 300000 км/с. Так как g–лучи не имеют заряда, то в электрическом и магнитном полях не отклоняются, распространяясь прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Энергия g–излучения колеблется от десятков тысяч до миллионов электрон–вольт (2–3 МэВ), редко достигает 5–6 МэВ (так средняя энергия g–лучей, образующихся при распаде кобальта–60, равна 1,25 МэВ). В состав потока g–излучений входят кванты различных энергий. При распаде J высвечивается пять групп квантов с различными энергиями, а 82Вr излучает 11 групп g–квантов. Примером моноэнергетического g–излучения служит 137Cs. При его распаде высвечивается один квант с энергией в 0,661 МэВ. Путь пробега g–лучей в воздухе превышает 100 м, т.е. они обладают большой проникающей способностью и свободно проходят через тело человека. Чтобы снизить в 2 раза g–излучение радиоактивного кобальта (), наиболее часто используемого в медицине для лучевой терапии, необходимо применять защитный слой свинца в 1,6 см или слой бетона в 10 см. Ионизирующая способность g–излучения значительно меньше, чем у α– и β–частиц.
Дата добавления: 2014-11-29; Просмотров: 698; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |