2. Ионизирующие излучения: определение, классификация, свойства и биологическая эффективность различных видов излучений. Количественная оценка ионизирующих излучений. Основы дозиметрии.

Ионизирующие излучения - это излучения, вызывающие при взаимодействии с веществом ионизацию и возбуждение его атомов и молекул. Все ионизирующие излучения подразделяются на электромагнитные и корпускулярные излучения. К электромагнитным излучениям относятся рентгеновское и гамма-излучение, обладающие высокой энергией. Электроны и позитроны, протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра дейтерия), альфа-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы (ядра других элементов) имеют корпускулярную природу. Кроме того, к корпускулярным излучениям относят не имеющие заряда нейтроны и отрицательно заряженные мезоны, в частности пи-мезоны, имеющие значительную перспективу использования в радиационной онкологии. Отличительной особенностью корпускулярного излучения является то, что частицы обладают большим запасом кинетической энергии, и способны с высокой скоростью перемещаться в пространстве, вызывая возбуждение и ионизацию атомов.

В зависимости от источника получения электромагнитные излучения высоких энергий подразделяют на тормозное, характеристическое и возникающее при перестройке ядер атомов радиоактивных элементов.

Нейтроны, обладающие значительной кинетической энергией, образуются, главным образом, при делении ядер тяжелых элементов или при бомбардировке ядра соответствующей заряженной частицей или фотоном высокой энергии. Нейтроны не несут электрического заряда и, поэтому, могут беспрепятственно проникать вглубь атомов. При столкновении с ядрами атомов нейтроны либо отталкиваются от них, либо поглощаются.

Упругое - при этом теряет часть своей энергии и замедляется, а потерянная нейтронами в процессе упругого рассеяния энергия передается протонам или другим ядрам отдачи

Неупругое - после столкновения с ядром часть энергии нейтрона расходуется на возбуждение ядра атома отдачи. Возвращаясь практически мгновенно в основное состояние, ядро испускает гамма-квант. Нейтрон же теряет часть своей энергии, и замедляется, как и при упругом рассеянии.

Радиационный захват с испусканием гамма-кванта, при котором нейтрон захватывается ядром атома и входит в его состав. При этом ядро переходит в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в основное состояние, испускает гамма-квант. В результате этого процесса возникает изотоп того же элемента, но с атомной массой на единицу больше.

Ускоренная заряженная частица (электрон, протон и др.) с точки зрения объяснения характера ее взаимодействия с веществом представляет собой перемещающийся в пространстве источник электрического поля, оказывающий возмущающее влияние на электронные оболочки атомов, поблизости от которых он оказывается. Отдельные ускоренные заряженные частицы могут проникать в ядра атомов и вызывать там те или иные ядерные реакции. Однако подавляющее число частиц взаимодействует только с электронными оболочками атомов.

Упругое рассеяние - изменение траектории заряженной частицы в результате притяжения ядер без потери энергии.

Неупругое торможение (или неупругое рассеяние) наблюдается при прохождении электронов очень высокой энергии (выше 1 МэВ) вблизи ядра атома. Электрон при этом теряет скорость, и часть его энергии испускается в виде фотонов тормозного излучения, летящих в том же направлении, что и электрон. Следовательно, при прохождении электронов высокой энергии через вещество происходит образование вторичного электромагнитного излучения. В связи с этим даже чистые бета-излучатели требуют при хранении и перевозке достаточно серьезной защиты (например, свинцовой оболочки).

Аннигиляция, которая происходит в веществах с позитронной (бета-плюс) активностью. Сущность этого процесса заключается в том, что при столкновении позитронов с электронами атомной оболочки частицы превращаются в два гамма-кванта с энергией. Поэтому все позитронно-активные изотопы являются одновременно источниками вторичного гамма-излучения.

Ионизация и возбуждение атомов, которая происходит в результате непосредственного взаимодействия заряженной частицы с электронами оболочек атомов. Для ускоренных заряженных частиц это основной путь потери энергии в веществе. При этом процессе ускоренная заряженная частица теряет свою энергию на выбивание с атомных оболочек электронов, переходящих либо в состояние с более высокой энергией (возбуждение), либо полностью отрывающихся от ядра (ионизация). Затем атом возвращается в нормальное состояние, испуская при этом фотоны видимого или ультрафиолетового излучения (если электрон был выбит с внешней оболочки) или характеристического рентгеновского излучения (если электрон был выбит с внутренних оболочек атома). Результатом действия ускоренной заряженной частицы на атом является его переход в возбужденное или ионизированное состояние.

При облучении в равных дозах (то есть при одном и том же количестве поглощенной единицей массы вещества энергии) возникают количественно разные биологические эффекты, что связано с различным микропространственным распределением энергии в облучаемом объеме, то есть с линейной передачей энергии - ЛПЭ. Редкоионизирующие виды излучений отличаются сравнительно высокой проникающей способностью, а плотноионизирующие (за исключением нейтронов) проникают в ткани на небольшую глубину.

Если источник ионизирующего излучения находится вне организма, и облучает его снаружи, говорят о внешнем облучении. Если же источник ионизирующего излучения оказывается внутри организма (попадая туда с воздухом, пищей или водой), то он создает внутреннее облучение. В связи с этим, для количественной характеристики уровня воздействия ионизирующего излучения используют физические величины: доза, мощность дозы, активность.

Экспозиционная доза - суммарный заряд частиц с электрическим зарядом одного знака, образовавшихся в единичном объеме воздуха вследствие его ионизации излучением (кл\кг, Р). Доза в 1 Р накапливается за 1 ч на расстоянии 1 м от источника, содержащего 1 г радия.

Поглощенная доза - количество энергии, переданной излучением единичной массе вещества (Дж\кг, Гр, рад). Если поглощенная доза распределяется в каком-то одном участке тела, говорят о локальном облучении, а если облучению подвергается все тело или большая его часть - о тотальном облучении. Вариантами тотального облучения являются равномерное (неравномерность по дозе на отдельные части тела не превышает 10 %) и неравномерное облучение.

Эквивалентная доза - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения (Зиверт, бэр).

Доза эффективная - это величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности (Зв). Для оценки опасности ионизирующих излучений для группы людей или для популяции в целом следует пользоваться понятием коллективная эффективная доза. Она рассчитывается как сумма индивидуальных эффективных доз, полученных группой людей, и измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв). Доза эффективная коллективная - это мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения, равная сумме индивидуальных эффективных доз.

Мощность дозы понимают как дозу (экспозиционную, поглощенную или эквивалентную), регистрируемую за единицу времени.

Кратковременным облучением считается импульсное воздействие гамма-нейтронного излучения ядерного взрыва, а также облучение с мощностью дозы свыше 0,02 Гр/мин. Непрерывное радиационное воздействие в течение нескольких месяцев или лет называют хроническим, а промежуточное положение между кратковременным и хроническим, занимает пролонгированное облучение. Временные границы между кратковременным, пролонгированным и хроническим облучением являются весьма условными. Если не менее 80 % всей дозы организм человека получает не более чем за 4 суток, и перерывов в облучении нет или они очень непродолжительны (измеряются минутами, часами), то такое облучение называют однократным или острым. Острое облучение в больших дозах возможно при действии проникающей радиации ядерного взрыва, при преодолении зоны радиоактивного заражения местности, при нахождении вблизи разрушенного реактора. Если получаемая доза ионизирующего излучения разделена на части (фракции), чередующиеся с длительными промежутками времени, в течение которых облучение не происходит, то такое облучение называют фракционированным.