Изучение свойств радиоактивных излучений

1. В чем состоит явление радиоактивности?

В 1896 г. французский физик Анри Беккерель случайно положил кусок урановой руды на стопку не проявленных фотографических пластинок, завернутых в черную бумагу. Проявив пластинки, он удивился, обнаружив на них черные пятна. Какое-то неизвестное излучение испускалось урановой рудой и оставляло на пластинках изображение, имеющее форму куска руды. Это излучение было названо радиоактивным.

Таким образом, радиоактивностью называется свойство ядер спонтанно (т.е. без каких либо внешних воздействий) распадаться с образованием новых элементов и испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным излучением.

2. Какова природа альфа-, бета- и гамма-излучений?

Резерфорд обнаружил, что излучение радиоактивных веществ разделяется магнитным полем на слабо отклоняемый пучок положительно заряженных частиц (α - частицы) и сильно отклоняемый пучок отрицательно заряженных частиц (β – частицы). Впоследствии Пауль Виллард открыл еще одну компоненту излучения – γ лучи, которые испускаются радиоактивными источниками и не отклоняются магнитным полем.

Альфа-лучи представляют собой поток ядер атомов гелия . Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и соответственно имеет атомный номер, равный 2 и массовое число 4. Это было доказано прямыми опытами Резерфорда и Содди. Так, газ радон , испуская α- лучи, создает в закрытом сосуде атомы гелия, что обнаруживается по спектру излучения.

Начальная скорость альфа-частиц имеет порядок (1,5 - 2,0)·10⁷ м/с.

Бета-лучи представляют собой поток электронов или позитронов. Это вытекает, в частности, из того, что они оказывают такое же действие как и катодные лучи и имеют равный с ними удельный заряд (e/m), измеряемый при их движении в электрическом и магнитном полях.

Гамма-лучи являютсякоротковолновым электромагнитным излучением с длиной волны, не превышающей 10^-2 нм и, следовательно, характеризуются высочайшей энергией фотонов Е > 0,1 МэВ.

Гамма-излучение не является самостоятельным типом радиоактивности. Оно сопровождает процессы α- и β-распадов и не вызывает изменения заряда и массового числа ядер. Установлено, что γ-лучи испускаются дочерними ядрами, которые в момент своего образования оказываются возбужденными и «сбрасывают» свою энергию за время 10^-13 – 10^-14с.

3. Каков состав ядра атома? Как, пользуясь периодической таблицей Д.И. Менделеева, можно определить состав атомного ядра того или иного химического элемента?

4. Какова физика процессов, происходящих при альфа- и бета-распадах ядер?

При α - радиоактивности заряд ядра уменьшается на 2 единицы (в единицах заряда протона) и массовое число - на 4 единицы. Продукт распада помещается в таблице Менделеева на две клеточки левее исходного элемента. При b^--распаде массовое число не меняется, а зарядовое число увеличивается на единицу – происходит сдвиг элемента в таблице Менделеева на одну клетку вправо.

5. Каков механизм воздействия радиоактивных излучений на вещество?

По мере проникновения частиц радиоактивного излучения в глубь вещества в результате ряда последующих соударений энергия частиц постепенно уменьшается и, наконец, когда она достигает уровня теплового движения, ионизация прекращается. При этом α-частица присоединяет два электрона (из свободных электронов, имеющихся во всяком веществе) и превращается в атом гелия. Отрицательная β-частица (электрон) остается в свободном состоянии или присоединяется к какому-либо атому или иону вещества. Гамма-фотон поглощается электроном, с которым он имел последнее соударение.

6. В чем состоит вредное действие радиоактивных излучений на биологические объекты?

Вредное влияние ядерных излучений связано с ионизацией и возбуждением атомов живых клеток организма вследствие эффекта Комптона, тормозного излучения, фотоэффекта и некоторых других эффектов. Отдельные составные части живой клетки изменяются или разрушаются от этой ионизации, и продукты разложения начинают действовать как яды. Примерами разрушений в организме являются разрушение хромосом, распухание ядер клеток и самих клеток, изменения в проницаемости клеточных мембран и т.д. Наиболее чувствительные клетки – клетки костного мозга, лимфатических желез, полости рта и кишечника, половых органов, фолликул волос и кожи.

Чем больше ионизирующая способность частиц, тем меньше их проникающая способность. Так, α-частица при пробеге в воздухе производит до 40 тысяч пар ионов на пути в 1 см. Бета-частица на том же расстоянии образует 40 – 50 пар ионов, а γ-фотоны – от 10 до 250 пар ионов. В соответствии с этим защитой от α-частиц может служить тонкий слой любого вещества, например, бумажный экран. Защитой от β-излучения может служить оргстекло, или алюминиевый экран толщиной в несколько миллиметров. Для защиты от γ-излучения применяют толстые слои земли, бетона или тяжелые металлы, например, свинцовый экран толщиной в несколько сантиметров.

7. Что Вы можете рассказать о распространенности радиоактивных изотопов в природе?

В заключение отметим, что радиоактивные изотопы широко используются в медицине для лечебных, диагностических и исследовательских целей. Например, радиоактивный кобальт используется для лечения злокачественных опухолей в качестве γ-излучателя. Радиоактивные изотопы фосфора , излучающие β-частицы, применяют для лечения болезней крови, радиоактивный йод () – для лечения щитовидной железы.

8. Дайте понятия экспозиционной и поглощенной доз излучения, а также их мощностей. В каких единицах они измеряются?

Мощность дозы (интенсивность облучения) — приращение соответствующей дозы под воздействием данного излучения за единицу времени. Имеет размерность соответствующей дозы (поглощенной, экспозиционной и т. п.), делённую на единицу времени. Допускается использование различных специальных единиц (например, Зв/час, бэр/мин, мЗв/год и др.).

До́за излуче́ния — в физике и радиобиологии — величина, используемая для оценки воздействия ионизирующего излучения на любые вещества, ткани и живые организмы.

Экспозиционная доза

Основная характеристика для взаимодействия ионизирующего излучения и среды — это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационной дозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень ионизации воздуха рентгеновских трубок или аппаратов. Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза.

Экспозиционная доза определяет ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей и выражает энергию излучения, преобразованную в кинетическую энергию заряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза — это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объёме воздуха к массе воздуха в этом объёме.

В системе СИ единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица — рентген (Р). 1 Кл/кг = 3876 Р.

Поглощенная доза

При расширении круга известных видов ионизирующего излучения и сфер его приложения, оказалось, что мера воздействия ионизирующего излучения на вещество не поддается простому определению из-за сложности и многообразности протекающих при этом процессов. Важным из них, дающим начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определенному радиационному эффекту, является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом. В результате этого возникло понятие поглощенная доза. Поглощенная доза показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы любого облучаемого вещества и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения на массу вещества.

За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грэй (Гр). 1 Гр — это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр=100 рад.

Эквивалентная доза (биологическая доза)

Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент — коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества.

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр (до 1963 года - биологический эквивалент рентгена, после 1963 года - биологический эквивалент рада - Энциклопедический словарь). 1 Зв = 100 бэр.

Эффективная доза

Эффективная доза (E) — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты.

Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем тканям и органам, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект для организма.

Взвешенные коэффициенты устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы. Она также измеряется в зивертах или бэрах.

Эффективная и эквивалентная дозы — это нормируемые величины, то есть, величины, являющиеся мерой ущерба (вреда) от воздействия ионизирующего излучения на человека и его потомков[источник не указан 361 день]. К сожалению, они не могут быть непосредственно измерены. Поэтому в практику введены операционные дозиметрические величины, однозначно определяемые через физические характеристики поля излучения в точке, максимально возможно приближенные к нормируемым. Основной операционной величиной является амбиентный эквивалент дозы (синонимы — эквивалент амбиентной дозы, амбиентная доза).

Амбиентный эквивалент дозы Н*(d) — эквивалент дозы, который был создан в шаровом фантоме МКРЕ (международной комиссии по радиационным единицам) на глубине d (мм) от поверхности по диаметру, параллельному направлению излучения, в поле излучения, идентичном рассматриваемому по составу, флюенсу и энергетическому распределению, но мононаправленном и однородном, то есть амбиентный эквивалент дозы Н*(d) — это доза, которую получил бы человек, если бы он находился на месте, где проводится измерение. Единица амбиентного эквивалента дозы — зиверт (Зв).

9. Охарактеризуйте действие ионизирующего излучения на воздух при нормальных условиях, если мощность экспозиционной дозы равна 1 Р/с.

10. Каковы меры защиты от радиоактивных излучений?

Чем меньшим по времени будет контакт вашего организма с радиоактивными веществами, тем лучше для вас и вашего здоровья. Если такой возможности пока нет, принимаем следующие меры: не выходим из помещений, 2-3 раза в день делаем влажную (именно влажную!) уборку;

· как можно чаще принимаем душ (особенно после выхода на улицу), стираем вещи. Регулярное промывание физраствором слизистых носа, глаз и глотки не столь важно, поскольку при дыхании поступает значительно большее количество радионуклидов;

· чтобы оградить организм от радиоактивного йода-131, достаточно смазать небольшой участок кожи медицинским йодом. По мнению врачей, эта нехитрый способ защиты действует месяц;

· если Вам приходится выходить на улицу, лучше надевать светлую одежду, желательно хлопчатобумажную и влажную. На голову рекомендуют надевать капюшон и бейсболку одновременно;

· в первые несколько дней нужно опасаться радиоактивных осадков, то есть «затаиться и отсидеться».

Дата добавления: 2015-06-04