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, (т_е);

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 т_е (массы электрона), приравняв массу электрона в кг к единице:

1 т_е = 9,1∙ 10^–31 кг;

m_p = 1836,1 m_e ;

m_n = 1838,6 m_e ;

m_n > m_p на 2,5 m_e.

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 (т_е) 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 m_c – масса одного атома углерода;

Мс – молярная масса;

n_a – 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.

m_e ≈ 5,5 ∙ 10^–4 а.е.м,

m_p = m_n = 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:

Частицы	Kл	q
Электрона	–1,6∙10^–19	–1
Нейтрона
Протона	+1,6∙10^–19	+1

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