1.2.4. Закон радиоактивного распада

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 , которая показывает, какая доля ядер распадается в единицу времени. Размерность λ: с^–1, мин^–1, ч^–1 и т.д.

Величина, обратная постоянной распада, называется средней продолжительностью жизни ядра.

τ = 1/λ (1.8)

Закон радиоактивного распада: за единицу времени распадается всегда одна и та же доля наличных (т.е. не распавшихся) ядер данного элемента

N = N₀  e^–λt (1.9)

На практике вместо  чаще используют другую характеристику – период полураспада (Т) – это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер (см. рис. 9).

Рис. 9. Зависимость количества ядер от времени.

Под линейной плотностью ионизации i понимают отношение числа dn ионов одного знака, образованных заряженной ионизирующей частицей на элементарном пути dl к этому пути. В воздухе при нормальном атмосферном давлении р=760ммртст. (1,01^–3∙10⁵ Па) i = (2–8)·10⁶ пар ионов/м. Линейная тормозная способность вещества S – отношение энергии dE, теряемой заряженной ионизирующей частицей при прохождении элементарного пути dl в веществе, к длине этого пути:

S = (1.10)

Значения линейной тормозной способности воздуха S лежат в интервале (70–270) МэВ/м(112∙10^–13–432·10^–13Дж/м).

Средним линейным пробегом заряженной ионизирующей частицы R является среднее значение расстояния между началом и концом заряженной ионизирующей частицы в данном веществе.

1.2.5. Активность радиоактивного элемента

Активность излучателя (А) определяется числом атомных ядер, распадающихся за единицу времени. Единицы А. Единицей активности в абсолютной системе координат служит распад в секунду – беккерель.

1 Бк = 1 расп/сек (1.11)

Внесистемной единицей является кюри (Кu) – такое количество любого радиоактивного вещества, в котором число радиоактивных распадов в секунду равно 3,7∙10¹⁰.

Для измерения количества поглощённой энергии введено понятие «доза излучения» – величина энергии поглощённой в единице объёма (массы) облучаемого вещества.

Экспозиционная доза (X) является мерой ионизационного воздействия излучения на воздух. Единицы X: кулон на килограмм (Кл/кг) (Си), внесистемной единицей является рентген (С), 1 С = 2,58∙10^–4 Кл/кг.

Поглощенная доза (Д) определяется средним количеством энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества. Единицы Д: грэй (Гр) – такая поглощённая доза любого вида ИИ, при которой в 1 кг массы облучаемого вещества поглощается 1 Дж энергии излучения.

1 Гр = 1 Дж/кг (1.12)

Внесистемной единицей является рад (рад) – доза, при которой в 1 г массы вещества поглощается энергия равная 100 эрг (10^–2 Дж/кг).

1 рад = 0,01 Гр (1.13)

Для оценки биологического действия излучения введён биологический эквивалент рентгена (бэр) В практике используют системную единицу зиверт (Зв) (Си):

1 бэр = 0,01 Зв (1.14)

Рис. 10. Связь понятий «поле», «доза» и «эффект».

Схематично взаимосвязь основных понятий радиоактивности отражена на рис 10.

Коэффициент радиационного риска – это эквивалентная доза облучения всего организма в зивертах, которая приводит к тем же последствиям, что и облучение данного органа эквивалентной дозой в 1 Зв. Если для организма в целом к =1, то для красного костного мозга он равен 0,12, для половых желез – 0,25, для молочных желез – 0,15, для легких – 0,12, для щитовидной железы – 0,03 и т.д.

Умножив эквивалентную дозу на соответствующие коэффициенты радиационного риска и просуммировав по всему организму, органу или группе органов, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения:

Н_эфф = , (1.15)

где – коэффициент радиационного риска i-того органа; Н_i – эквивалентная доза излучения, поглощенного этим органом. Она также измеряется в зивертах.

Просуммировав индивидуальные эффективные дозы, полученные группой людей, будем иметь коллективную эффективную эквивалентную дозу, которая измеряется в человекозивертах. По величине коллективной дозы можно оценить масштаб радиационного поражения.

Для обеспечения прогноза радиоактивных воздействий введено понятие мощность дозы. Это чрезвычайно важное понятие применяется и для экспозиционной, и для поглощенной, и для эквивалентной доз. В каждом случае, соответствующая мощность дозы равна дозе, получаемой тем или иным веществом за единицу времени (за секунду или, в бытовых условиях чаще, за час). Мощность эквивалентной дозы принято обозначать МЭД. Зная эту величину, можно наперёд вычислить ожидаемое значение получаемой дозы за любой, наперед заданный, период времени, умножив МЭД на это время. Поглощенную и экспозиционную дозу излучений, отнесенные к единице времени, называют мощностью поглощенной и экспозиционной доз. Мощность экспозиционной дозы можно определить, если известна ионизационная -постоянная, характеризующая данный радионуклид.

Различают дифференциальные и полные -постоянные. Дифференциальная γ-постоянная относится к определенной моноэнергетической линии γ-спектра изотопа. Полная γ-постоянная равна сумме дифференциальных γ-постоянных.

Полная ионизационная γ-постоянная данного изотопа определяется как мощность экспозиционной дозы в рентгенах за час, которая создается точечным изотопным γ-источником активностью в 3,7•10⁷ Бк на расстоянии 1 см (10^–2 м) без начальной фильтрации.

В обобщённом виде типичные физические величины, которые применяются в радиобиологии, обозначения соотношения приведены в табл. 1.

Таблица 1