Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиационный контроль на продовольственных рынках. Учебное пособие.pdf
Альфа-частицы (α-частицы) представляют собой ядра атомов гелия и состоят из двух протонов и двух нейтронов; они имеют двойной положительный заряд и относительно большую массу,
равную 4,003 а.е.м. Масса этих частиц превышает массу электрона
в 7300 раз; энергия их колеблется в пределах 2…11 МэВ. Для каждого данного изотопа энергия альфа-частиц постоянна. Пробег альфа-частиц в воздухе составляет в зависимости от энергии 2…10 см,
в биологических тканях – несколько десятков микрометров.
Так как альфа-частицы массивны и обладают сравнительно
большой энергией, путь их в веществе прямолинеен; они вызывают
сильно выраженные эффекты ионизации и флуоресценции. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует 100…250 тыс. пар ионов.
Поэтому альфа-излучатели при попадании в организм крайне опасны для человека и животных. Вся энергия альфа-частиц передается
клеткам организма, что наносит им вред.
Бета-частицы (β-частицы) представляют собой поток частиц
(электроны или позитроны) ядерного происхождения. Позитрон
(е+) – элементарная частица, подобная электрону, но с положительным знаком заряда. Физическая характеристика электронов ядерного
происхождения (масса, заряд) такая же, как и у электронов атомной
оболочки. Бета-частицы обозначаются символом β– или е–, β+ или е+.
В отличие от альфа-частиц одного и того же радиоактивного
элемента бета-частицы обладают различным запасом энергии (от
нуля до некоторого максимального значения). Это объясняется тем,
что при бета-распаде из атомного ядра вылетают одновременно
с бета-частицей нейтрино. Нейтрино – электронейтральная частица,
которая движется со скоростью света, имеет массу покоя и обладает
большой проникающей способностью: зарегистрировать ее очень
трудно. Частица, испускаемая вместе с позитроном (е+), названа нейтрино и обозначается (υ+), а испускаемая вместе с электроном (е–) –
антинейтрино (υ–).
Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между бета-частицей и нейтрино. Если бета-частица вылетает
из ядра с большим запасом энергии, то нейтрино испускается с малым уровнем энергии и наоборот. Поэтому энергетический спектр
бета-излучения сплошной или непрерывный. Средняя энергия бетачастиц в спектре равна примерно 1/з их максимальной энергии. Максимальную энергию обозначают Е
, среднюю Еср.
макс
41
Поскольку бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента имеют различный запас энергии, то величина их пробега в одной и той же среде будет неодинаковой. Путь бета-частиц в веществе
извилист, так как, имея крайне малую массу, они легко меняют направление движения под действием электрических полей встречных
атомов. Бета-излучение обладает меньшим эффектом ионизации,
чем альфа-излучение. Оно образует 50…100 пар ионов на 1 см пути
в воздухе и имеет «рассеянный тип ионизации».
Пробег бета-частиц в воздухе может составлять в зависимости
от энергии до 25 м, в биологических тканях – до 1 см. Скорость движения бета-частиц в вакууме равна 1·1010…2,9·1010 см/с (0,3…0,99
скорости света).
Различные радиоактивные изотопы значительно отличаются
друг от друга по уровню энергии бета-частиц. Максимальная энергия бета-частиц различных элементов имеет широкие пределы – от
0,015…0,05 МэВ (мягкое бета-излучение) до 3…12 МэВ (жесткое
бета-излучение).
Гамма-излучение (γ) представляет собой поток электромагнитных волн, так же, как радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, рентгеновское излучение.
Различные виды электромагнитного излучения отличаются условиями образования и определенными свойствами (длиной волны,
энергией).
Рентгеновское излучение возникает при торможении электронов в электрическом поле ядер атомов вещества (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек
атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновское излучение). При различных переходах атомов и молекул из возбужденного состояния в невозбужденное может
происходить испускание видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.
Гамма-кванты – это излучение ядерного происхождения. Они
испускаются ядрами атомов при альфа- и бета-распаде природных
и искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем
ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным
излучением (альфа- и бета-частицей). Это избыток мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов.
42
Гамма-кванты лишены массы покоя. Это значит, что фотоны
существуют только в движении. Они не имеют заряда и поэтому
в электрическом и магнитном полях не отклоняются. В веществе
и вакууме гамма-лучи распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Скорость распространения их
в вакууме равняется скорости света (3·1010 см/с).
Энергия гамма-кванта Еγ пропорциональна частоте колебаний
и определяется по формуле:
Eγ = hυ,
где h – универсальная постоянная Планка, или энергетический экви-
валент (6,62·10
–27
эрг/с, или 4,13·10
–21
МэВ/с);
υ – частота колебаний, с–1.
Частота колебаний гамма-квантов связана с длиной их волны.
Чем больше длина волны, тем меньше частота колебаний, и наоборот, т.е. частота колебаний обратно пропорциональна длине волны.
Чем меньше длина волны и больше частота колебаний излучения,
тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма-излучения естественных радиоактивных элементов колеблется от нескольких килоэлектронвольт до 2…3 МэВ
и редко достигает 5…6 МэВ.
Гамма-излучатели редко имеют однозначную энергию квантов
(моноэнергетический или монохроматический спектр). В состав потока гамма-излучения чаще входят кванты различной энергии. Однако «набор» их для каждого изотопа постоянен и образует линейчатый спектр излучения. Примером моноэнергетического гамма-излучателя может служить
137
ядра
Ва высвечиваются кванты с энергией 0,661 МэВ. Линейчатый
спектр излучения наблюдается при распаде изотопа йода (
137
Cs. При изомерном переходе его дочернего
131
I), когда
высвечиваются пять групп квантов с энергиями 0,08; 0,163; 0,364;
0,637 и 0,722 МэВ.
Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое
ионизирующее действие, но обладают большой проникающей способностью. Путь пробега в воздухе достигает 100…150 м.
43
2.2 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Единицы радиоактивности
Радиоактивность – процесс перехода ядра из нестабильного
состояния в стабильное с выделением радиации и образованием дочерних элементов. Распадающееся ядро называется материнским,
а новое образующееся – дочерним.
Дочерние элементы могут быть стабильными или нестабильными в зависимости от эффекта насыщения. Распад идет до образования стабильных изотопов.
Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, то такие
ядра не устойчивы и претерпевают самопроизвольные превращения,
в результате которых изменяется состав ядра, и, следовательно, ядро
атома одного элемента превращается в ядро другого элемента. При
этом процессе ядра испускают радиоактивные излучения.
Существуют следующие виды ядерных превращений: альфараспад, бета-распад (электронный и позитронный), электронный захват, внутренняя конверсия.
Альфа-распад – состоит в самопроизвольном превращении
ядра с испусканием α-частицы.
Бета-распад – заключается во внутриядерном взаимном превращении нейтрона и протона. Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный распад, при котором один из
нейтронов превращается в протон, а ядро испускается электрон
и антинейтрино.
При этом распаде заряд ядра и соответственно атомный номер
элемента увеличивается на единицу.
→ + βе– + υ–, (1)
где υ– – антинейтрино;
β – электрон.
При позитронном распаде ядро испускает частицу такой же
массы, как и электрон, но имеющую заряд +1, и нейтрино, а один из
протонов превращается в нейтрон:
→ + βе+ + υ, (2)
44
где υ – нейтрино;
β+ – позитрон.
Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует со свободным электроном, образую пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частицы
(e+ + e–). Процесс превращения пары «электрон-позитрон» в два
гамма-кванта получил название аннигиляции. Т.о. при позитронном распаде в конечном итоге за пределы ядра вылетают не две частицы, а два гамма-кванта, каждый из которых обладает энергией,
равной 0,511 МэВ.
Электронный захват – один из протонов ядра забирает электрон с одной из оболочек атома, чаще всего с ближайшего к нему
слоя и превращается в нейтрон.
Схема электронного захвата:
р+ + βе– → n0 + υ. (3)
Освободившееся место заполняется электроном из более отдаленных от ядра слоев оболочки атома. Избыток энергии испускается
атомом в виде характеристического рентгеновского излучения.
В зависимости от того, с какой внутренней оболочки захватывается электрон, иногда различают K-захват, L-захват и т.д.
Внутренняя конверсия – переход возбужденного ядра в состояние с меньшей энергией может происходить путем внутренней
конверсии, или конверсии с образованием электронно-позитронных
пар. Ядро передает энергию возбуждения одному из электронов
внутренних слоев, который в результате этого удаляется за пределы
атома. Такие электроны получили название электронов внутренней
конверсии.
Радиоактивный распад является статическим явлением. Особенностью является то, что ядра одного и того же элемента распадаются постепенно. Заранее невозможно указать вероятность распада
одного ядра за единицу времени. Эта вероятность характеризуется
коэффициентом – постоянной распада λ, которая показывает, какая доля ядер распадается в единицу времени. Размерность λ: с–1,
мин–1, ч–1 и т.д.
45
Величина, обратная постоянной распада, называется средней
продолжительностью жизни ядра.
τ = 1/λ. (4)
Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Скорость распада определяется строением ядра, и поэтому нельзя повлиять на этот процесс никакими обычными физическими или химическими способами, не изменив состояния атомного ядра. Для каждого
радиоактивного изотопа средняя скорость распада его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Постоян-
ная радиоактивного распада λ, для определенного изотопа показывает, какая доля ядер распадается в единицу времени. Постоян-
ную распада выражают в обратных единицах времени: с–1, мин–1, ч–1
и т. д., чтобы показать, что количество радиоактивных ядер не растет,
а убывает. Величину, обратную постоянной распада (τ = 1/λ), называют средней продолжительностью жизни ядра. Основной закон радиоактивного распада устанавливает, что за единицу времени распадается
всегда одна и та же доля имеющихся в наличии ядер. Математически
закон радиоактивного распада выражается уравнением:
Nt = N0e
–λt
,
где Nt – число радиоактивных ядер, оставшихся по прошествии времени t;
N0 – исходное число радиоактивных ядер в момент времени t = 0
(N0 > Nt);
е – основание натуральных логарифмов (е = 2,72);
λ – постоянная радиоактивного распада;
t – время.
По этой формуле можно рассчитать число нераспавшихся радиоактивных атомов в данный момент времени.
Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов в практике пользуются вместо постоянной распада периодом полураспада.
Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Он обо-
46
значается буквой Т½ и выражается в единицах времени. Для различ-
0,6930t
T
t
N Ne
⋅
=
ных радиоактивных изотопов период полураспада имеет значения от
долей секунды до миллиардов лет. Причем у одного и того же элемента могут быть изотопы с различными периодами полураспада.
Соответственно и радиоактивные элементы разделяются на корот-
коживущие (часы, дни) и долгоживущие (годы).
Связь между периодом полураспада и постоянной распада легко выводится из уравнения закона радиоактивного распада
Nt = N0e
чим N0/2 = N0e
–λt
; если в это выражение подставить t = Т и Nt = N0/2, то полу-
–λt
. Сократив N0 и взяв натуральный логарифм, полу-
чим: λТ = ln2, т.е. λТ = 0,693, откуда
λ = 0,693/Т; Т = 0,693/λ.
Это соотношение показывает, что между постоянной распада
и периодом полураспада имеется обратная зависимость, т. е. чем
больше значение λ, тем меньше значение Т, и наоборот. Заменив λ
в формуле ее значением, получим:
.
Таким образом, число ядер радиоактивного изотопа уменьшается со временем по экспоненциальному закону. Графически закон радиоактивного распада выражается экспоненциальной кривой
(рис. 6).
Рис. 6. Кривая радиоактивного распада
47
Как видно из рисунка 6, с увеличением числа периодов полураспада число нераспавшихся атомов убывает, постепенно приближаясь к нулю.
Особенность радиоактивного распада в том, что ядра одного
и того же элемента распадаются не все сразу, а постепенно, в различное время. Момент распада каждого ядра не может быть предсказан заранее. Поэтому распад любого радиоактивного элемента
подчиняется статистическим закономерностям, носит вероятностный характер и может быть математически определен для большого количества радиоактивных атомов. Иными словами, распад
ядер происходит неравномерно – то большими, то меньшими порциями. Из этого следует практический вывод, что при одном и том
же времени измерения числа импульсов от радиоактивного препарата мы можем получить разные значения. Следовательно, для
получения верных данных необходимо измерения одной и той же
пробы проводить не один, а несколько раз, и чем больше, тем точнее будут результаты. Однако при определении радиоактивности
короткоживущих препаратов будут наслаиваться другие ошибки.
Во избежание этого необходимо правильно выбрать время счета
(таблица Бэлла и др.).
Активность радиоактивного элемента и единицы активности. Количество радиоактивного вещества обычно определяют
не единицами массы (грамм, миллиграмм и т. п.), а активностью
данного вещества, которая равна числу распадов в единицу времени. Чем больше радиоактивных превращений испытывают атомы данного препарата в секунду, тем больше его активность. Как
следует из закона радиоактивного распада, активность радионуклида пропорциональна числу радиоактивных атомов, т. е. возрастает с увеличением количества данного вещества. Поскольку скорость распада радиоактивных изотопов различна, то одинаковые
по массе количества различных радионуклидов имеют разную активность. Так, если взять радионуклиды 238U, 32P и 8Li одинаковой массы, но с различными периодами полураспада (4,5·109 лет;
14,3 дня и 0,89 с соответственно), то самая высокая активность будет
у лития и фосфора и очень малая у урана, так как наибольшее число
распадов в 1 с будет у первых двух изотопов.
48
Единицей активности в системе единиц (СИ) служит распад
t
мКи.
в секунду (расп/с). Этой единице присвоено наименование беккерель (Бк); 1 Бк = 1 с – 1.
Наиболее употребительная внесистемная международная единица – кюри (Кu). Кюри – это такое количество любого радиоактивного вещества, в котором число радиоактивных распадов в секунду
равно 3,7·1016. Единица кюри соответствует радиоактивности 1 г
радия. Кюри очень большая величина, поэтому обычно употребляют дробные производные единицы, милликюри (1 мКu = 10–3 Кu =
= 3,7∙107 расп/с); микрокюри (1 мкКu = Кu – 6 Ки = 3,7·104 расп/с);
нанокюри (1 нКu = 109 Кu = 3,7·101 расп/с); пикокюри (1 пКu =
= 10–12 Кu = 0,037 расп/с).
На практике часто пользуются числом распадов в минуту. Тогда единица радиоактивности кюри и дробные – производные от
нее принимают следующие значения: 1 Кu = 2,22·1012 расп/мин;
1 мКu = 2,22·109 расп/мин; 1 мкКu = 2,22·106 расп/мин; 1 нКu =
= 2,22·103 расп/мин; 1 пКu = 2,22 расп/мин.
Активность любого радиоактивного препарата по истечении
времени t определяют по формуле, соответствующей основному закону радиоактивного распада:
0,6930t
⋅
А Аe
=
T
,
где Аt – активность препарата через время t;
А0 – исходная активность препарата;
Т – период полураспада, значения Т и t должны иметь одинако-
вую размерность (минуты, часы, сутки и т.д.).
Пример. Активность А0 радиоактивного элемента 32Р на опре-
деленный день равна 5 мКи. Определить активность этого элемента
через неделю. Период полураспада Т элемента 32Р составляет 14,3 дня.
Активность 32Р через 7 сут.
0,693 7
14,3
5 2, 72
А⋅⋅= =⋅=
t
0,34
5 2,72 3,55
49
2.3 Понятие о дозиметрии, дозе, мощности дозы,
единицы измерения. Расчет доз при внешнем
и внутреннем облучении
Дозиметрия (от греч. dosis – доза, порция; metro – измерять) –
измерение рассеяния и поглощения энергии ионизирующего излучения в определенном материале. Доза излучения строго зависит от
энергии и вида падающего излучения, а также от природы поглощающего материала.
Доза ионизирующего излучения – количество энергии ионизирующей радиации, поглощенной единицей массы любой облучаемой среды.
Мощность дозы – доза излучения в единицу времени.
Основная задача дозиметрии – определение дозы излучения
в различных средах и в тканях живого организма.
Значение дозиметрии:
– необходима для количественной и качественной оценки биологического эффекта доз ионизирующих излучений при внешнем
и внутреннем облучении организма;
– необходима для обеспечения радиационной безопасности
при работе с радиоактивными веществами;
– с ее помощью можно обнаружить источник излучения, определить его вид, количество энергии, а также степень воздействия излучения на облучаемый объект.
Расчет доз при внешнем облучении. Единицы измерения.
Биологическое действие рентгеновского и ядерных излучений на организм обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул
биологической среды. На процесс ионизации излучения расходуют
свою энергию. В результате взаимодействия излучений с биологической средой живому организму передается определенное количество
энергии. Часть поступающего в организм излучения, которое пронизывает облучаемый объект (без поглощения), действия на него не
оказывает. Поэтому основная физическая величина, характеризующая действие излучения на организм, находится в прямой зависимости от количества поглощенной энергии. Для измерения количества
поглощенной энергии введено такое понятие, как доза излучения.
Это величина энергии, поглощенной в единице объема (массы)
облучаемого вещества.
50