2.8 Защита от ионизирующих излучений

2.8.1 Виды ионизирующих излучений

В связи с постоянно расширяющейся областью применения на флоте источников ионизирующих излучений необходимо хорошо знать как их физическую сущность, так и общие принципы защиты от опасного воздействия радиации. Рассмотрим виды ионизирующих излучений, основные единицы измерения, их биологическое воздействие на человека и методы защиты.

Ионизирующие излучения относятся к числу наиболее опасных для человека и обладают способностью проникать через любой вид живой или неживой материи. Проникая через различные вещества и взаимодействуя с ними, они образуют электрически заряженные атомы и молекулы, которые называются ионами. Число пар ионов, создаваемых ионизирующим излучением, определяется уровнем его энергии. В связи с тем, что ионизирующие излучения возникают в результате самопроизвольного распада радиоактивных веществ, они называются также радиоактивными. К ионизирующим (радиоактивным) относятся корпускулярные (альфа, бета, нейтронные) и электромагнитные (гамма, рентгеновские) излучения.

Радиоактивность — это самопроизвольное превращение атомных ядер химических элементов, сопровождающееся испусканием радиоактивных (ионизирующих) излучений.

Радиоактивными называются вещества, в состав которых входят природные или искусственные радиоактивные изотопы. Радиоактивные вещества невозможно нейтрализовать. На их активность не могут повлиять ни физические или химические средства, ни мощные электромагнитные поля, ни высокие температуры и давления. Опасность ионизирующих излучений увеличивается из-за того, что они не воспринимаются и не фиксируются непосредственно органами чувств. Эффект их воздействия на органы человека проявляется лишь в форме изменений химической структуры его тканей, т.е. в возникновении лучевой болезни. Рассмотрим основные виды ионизирующих излучений и особенности их распространения.

Известно, что ядро атома состоит из нескольких более мелких частиц, которые плотно сцеплены друг с другом.

Некоторые из них имеют положительный заряд и называются протонами. Число протонов в ядре и определяет, к какому химическому элементу относится данный атом: ядро водорода содержит всего один протон, атом кислорода – 8, урана – 92.

В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в ядре; каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по абсолютной величине заряду протона, так что, в целом, атом нейтрален. В ядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа, называемые нейтронами, поскольку они электрически нейтральны. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же химического элемента, называемого изотопом данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов. Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу «нуклидов». Большинство нуклидов нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды.

Существуют много цепочек самопроизвольных превращений (распадов) разных нуклидов. При каждом таком распаде высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде излучения. Можно предположительно сказать, что излучение ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов – это альфа-излучение. Часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения, тогда он выбрасывает порцию чистой энергии, называемой гамма-излучением (гамма квантом).

Альфа излучение представляет собой поток тяжелых, положительно заряженных частиц, состоящих из протона и нейтрона – ядер гелия, имеющий небольшую начальную скорость и сравнительно высокий уровень энергии (от 3 до 9 МэВ). Пробег альфа частиц, испускаемых преимущественно естественными элементами (радий, торий, уран, полоний и др.), сравнительно невелик. Так, в воздухе он составляет 10…11см, а в биологических тканях - всего несколько десятков микрометров (30…40 Мкм). Альфа частицы, имея сравнительно большую массу и низкую начальную скоростью, при взаимодействии с веществом быстро теряют свою энергию и поглощаются им. Вследствие этого они обладают наибольшей линейной плотностью ионизации, но низкой проникающей способностью.

Бета-излучение представляет собой поток отрицательно заряженных частиц - электронов или положительно заряженных частиц - позитронов и возникает при распаде естественных и искусственных радиоактивных элементов. Обладая высокой скоростью распространения, приближающейся к скорости света, бета частицы имеют больший пробег в среде, чем альфа частицы. Так, максимальный пробег в воздухе бета частиц достигает несколько метров, а в биологических средах –1…2 см. Значительно меньшая масса и уровень энергии (0,0005…3,5 МэВ) бета частиц определяют и более низкую их ионизирующую способность.

Они обладают большей, чем у альфа частиц, проникающей способностью, которая зависит от уровня энергии бета излучателя.

Гамма-излучение, рассматриваемое как поток гамма квантов и представляющее собой электромагнитные колебания с очень короткой длиной волны, возникает в процессе ядерных реакций и радиоактивного распада. Диапазон энергии гамма излучений лежит в пределах 0.01…3 МэВ. Оно обладает весьма высокой проникающей способностью и малым ионизирующим действием. Гамма-излучение глубоко проникает в биологические ткани, вызывая в них разрыв молекулярных связей.

Нейтронное излучение, представляющее собой поток элементарных частиц атомных ядер – нейтронов, обладает большой проникающей способностью, зависящей от энергии нейтронов и химической структуры облучаемого вещества. Нейтроны не имеют электрического заряда и обладают массой, близкой к массе протона. Взаимодействие нейтронов со средой сопровождается рассеянием (упругим или не упругим) нейтронов на ядрах атомов, которое является результатом упругих либо неупругих столкновений нейтронов с атомами облучаемого вещества. В результате упругих столкновений, сопровождающихся изменением траектории нейтронов и передачей атомным ядрам части кинетической энергии, происходит обычная ионизация вещества.

При неупругом рассеянии нейтронов их кинетическая энергия затрачивается, в основном, на радиоактивное возбуждение ядер среды, что может вызвать вторичное излучение, состоящее как из заряженных частиц, так из гамма квантов. Приобретение веществами, облучаемыми нейтронами, так называемой наведенной радиации, увеличивает возможность радиоактивного заражения и является важной особенностью нейтронного излучения.

Рентгеновское изучение представляет собой электромагнитное излучение, возникающее при облучении вещества потоком электронов при достаточно высоких напряжениях, достигающих сотни киловольт. По характеру действия рентгеновское излучение сходно с гамма-излучением. Оно обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения при облучении вещества. В зависимости от величины электрического напряжения в установке, энергия рентгеновского излучения может быть в пределах от 1 кэВ до 1 MэB.

Радиоактивные вещества самопроизвольно распадаются, с течением времени теряя свою активность. Скорость распада является одной из важных характеристик радиоактивных веществ.

Каждому изотопу присущ определенный период полураспада, т.е. время, за которое распадается половина ядер этого изотопа. Периоды полураспада бывают небольшими (радон-222, протактиний-234 и др.) и весьма большими (уран-238, радий, плутоний и др.).

При внедрении в организм радиоактивных элементов с коротким периодом полураспада вредное воздействие радиации и болезненные явления прекращаются довольно быстро.