Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

12

30P 30Si + e+ + + E

Позитрон, при вильоті з ядра, взаємодіє з електроном (вільним або вирваним з найдальшої від ядра орбіти) з утворенням пари “позитрон-електрон”, яка перетворюється у 2 гамма-кванти в результаті реакції анігіляції. Таким чином, при позитронному розпаді завжди утворюються гамма-кванти.

У зв’язку з тим, що при -розпаді одночасно з -частинкою випромінюється ще і нейтрино, то енергія, яка звільнюється при кожному акті розпаду розподіляється між цими частинками. Якщо -частинка вилітає з ядра з великою енергією, близькою до максимально можливої для даного радіонукліду, то нейтрино – з малою і навпаки. Тому енергетичний спектр (розподілення частинок за енергією) -частинок неперервний (рис. 1.2). Максимальна енергія -частинок різних радіонуклідів коливається в широких межах – 0,015 – 12Мев.

Гамма-розпад ( -розпад) – це такий тип перетворення ядер атомів хімічних елементів, коли випромінюються -промені ( -кванти, фотони). Вони становлять собою електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі менше 0,01 нм. Цей тип випромінювання, що виникає при переході збудженого ядра в основний, не супроводжується зміною масового числа та атомного номеру. Як вже відмічалося, цей тип випромінювання може супроводжувати - і -розпади. У більшості випадків при-розпаді випромінюється декілька груп -квантів з різними енергіями, але для кожного радіоізотопу енергетичний спектр -випромінювання постійний. В той же час існують радіоізотопи, у яких -випромінювання моноенергетичне, тобто однієї енергії.

Внутрішня конверсія – це таке перетворення ядер, внаслідок якого при переході зі збудженого стану в основний вони передають свою енергію одному з електронів внутрішніх орбіт (K, L чи навіть М) електронної оболонки, яка випромінюється за межі атому. Такі електрони отримали назву електронів внутрішньої конверсії. Їх випромінювання зумовлене безпосередньою електромагнітною взаємодією ядра з електронами оболонки атому. Електрони внутрішньої конверсії мають лінійний енергетичний спектр на відміну від -розпаду, для яких характерний неперервний спектр.

13

N

Рис.1.2. Розподіл -частинок за енергією

Примітка: N (E) – кількість -частинок з енергією Е, Еmax – максимальна енергія, Еср – середня енергія -частинок.

Якщо енергія збудження ядра, яка передається орбітальним електронам, більша ніж 1,022МеВ, то перехід ядра в основний стан може супроводжуватися випромінюванням пари “позитрон-електрон” з наступною їх анігіляцією. Наслідком цього явища є утворення двох -квантів, кожний з яких має енергію 0,511МеВ, що дорівнює енергетичному еквіваленту маси спокою позитрона і електрона:

Е = mec2 = 0,511МеВ

де me – маса спокою електрона (9,1 10-28г), с - швидкість світла у вакуумі (приблизно 3 1010см/с).

Електронне захоплення – це такий тип ядерного перетворення, коли один з протонів ядра захоплює електрон однієї з найближчої до нього К-орбіти або, майже в 100 разів рідше, з L-орбіти і перетворюється в нейтрон. Такий процес називається К-

або L-захопленням.

Внаслідок процесу захоплення орбітального електрону ядром атомний номер утвореного ядра стає на одиницю меншим. У загальному вигляді цей процес може бути представлений наступним чином:

де Х - символ вихідного ядра, Y – символ ядра продукту перетворення (дочірнього),

~

е- - електрон, - антинейтрино, Е – вивільнений надлишок енергії.

Місце, яке звільнилося в К- або L – орбіті після захоплення електрону з цих орбіт ядром, заповнюється електроном з більш віддалених від ядра орбіт. Цей процес супроводжується електромагнітним випромінюванням (рентгенівським).

Спонтанний поділ ядер спостерігається у радіонуклідів з великим атомним номером. До таких радіонуклідів належать, зокрема 235U і 239Pu. При захопленні ними “теплових” нейтронів (величина енергії знаходиться в межах 0,0025 – 0,05 еВ) вони

14

діляться на два осколки, які становлять собою ядра нових елементів. Цей поділ супроводжується випромінюванням “швидких” нейтронів (енергія понад 200 КеВ). При спонтанному поділі одних і тих же ядер утворюються різні пари осколків, оскільки в цьому процесі здатна випромінюватися не однакова кількість нейтронів. Прикладом процесу спонтанного поділу ядер може бути перетворення ядра 235U в ядра-осколки 90Kr та 140Ba:

235 U 01nтеп. 90 Kr 140 Ba 501nшвид.

де 01nтеп. нейтрони “теплової” енергії 0,025 – 0,5МеВ; 01nшвид. – нейтрони “швидкої” енергії (0,5 – 20 МеВ).

Уран 238U здатний захоплювати нейтрони з енергією понад 200 КеВ, але при цьому він практично не зазнає ділення. Якщо “теплові” нейтрони захоплюються ядром 238U,

Ядра радіоізотопу 239Pu, як і 235U теж можуть спонтанно ділитися при поглинанні “теплових” нейтронів.

Таким чином, у процесі спонтанного поділу ядер нейтрони не тільки поглинаються, але і виділяються. Тому це може бути джерелом нейтронів, що і обумовлює використання для подібних цілей ядерних реакторів. Кожне з ядеросколків при спонтанному поділі ядер є радіоактивне і здатне до радіоактивного перетворення.

1.3. Типи іонізуючих випромінювань

Іонізуючі випромінювання - це випромінювання, які викликають при взаємодії із речовиною іонізацію та збудження його атомів та молекул. Саме тому радіоактивне випромінювання називають іонізуючим випромінюванням. Слід відмітити, що іонізацію можуть викликати випромінювання, які не пов’язані безпосередньо з перетворенням ядер хімічних елементів, зокрема ультрафіолетове та рентгенівське. Ці види випромінювань обумовлені переходами електронів між орбітами електронної оболонки.

Енергію випромінювання звичайно виражають в електрон-вольтах (еВ). Один електрон-вольт – це енергія, яку набуває частинка з одиничним зарядом (зарядом електрона), що переміщується в прискорювальному електричному полі між двома точками з різницею електричних потенціалів у один вольт (1В), та похідні одиниці - 103 еВ (КеВ), 106 еВ (МеВ) та ін. Згідно системи СІ (Міжнародна система одиниць вимірювання) одиницею виміру енергії є джоуль (Дж), причому 1 еВ 1,60219 10-19 Дж.

Розрізняють два типи іонізуючих випромінювань – електромагнітне (гаммата рентгенівське випромінювання) і корпускулярне ( електрони, позитрони (β-частинки),-частинки, нейтрони, протони, мезони тощо).

Електромагнітне випромінювання – це сукупність змінних взаємноіндукуючих один одного електричного і магнітного полів, які поширюються в просторі у вигляді електромагнітних хвиль.

15

Електромагнітне випромінювання має дискретний характер – його енергія випромінювання кратна величині (Е), яка називається квантом енергії:

E = h = hc/ ,

де – частота випромінювання, с – швидкість розповсюдження електромагнітної хвилі у вакуумі (приблизно 3 108 м/с), h – постійна Планка (6,62 10-34 Дж/с), – довжина хвилі.

Електромагнітному випромінюванню притаманний широкий діапазон хвиль – від 105 м (і, навіть, більше) до 10-12 м і менше. За довжиною хвиль поділяють наступні області: довгохвильова (складають радіохвилі), інфрачервона, видима, ультрафіолетова, рентгенівська і -випромінювання.

На зовнішніх орбітах електронної оболонки енергія зв’язку електронів дорівнює 1 – 2 еВ. Тому явища іонізації здатні викликати ті види електромагнітного випромінювання, енергія квантів якого більше енергії зв’язку електронів на зовнішніх оболонках. Такими випромінюваннями є ультрафіолетове ( в межах 400 – 10 нм, енергія 4 – 120 еВ), рентгенівське ( в межах 10 – 0,01 нм, енергія до 500 кеВ) і – випромінювання ( 0,01нм, енергія від десятків кеВ до 10 МеВ).

Ультрафіолетове випромінювання обумовлене випромінюванням атомів при зміні їх енергетичного стану. Область ультрафіолетового випромінювання умовно поділяють на ближню (200 – 400 нм) та дальню або вакуумну (10 – 200 нм). Остання назва обумовлена тим, що цей діапазон випромінювання поглинається повітрям і його визначення можливо лише в вакуумі. Більш поширеним є розподілення ультрафіолетової області на три діапазони: А (довжина хвилі 320 – 400 нм), В (280 – 320 нм), і С (100 – 280 нм).

Природними джерелами ультрафіолетового випромінювання є Сонце, зірки та інші космічні об’єкти. Земної поверхні досягає лише довгохвильова частина – з довжиною хвилі більше 290нм. Більш короткохвильове ультрафіолетове випромінювання поглинається атмосферою (озоновим шаром). Широко вживаними штучними джерелами цього випромінювання є газорозрядні лампи (дейтерієві, ртутно-кварцеві та ін.).

Рентгенівське випромінювання становить собою сукупність гальмівного і характеристичного. Рентгенівським названо в честь Вильгельма Конрада Рентгена, який їх відкрив у 1895 р. (Х-промені).

Гальмівне випромінювання виникає під час гальмування заряджених частинок в електричному полі орбітальних електронів атомів і зумовлене індукованими енергетичними переходами внутрішніх електронів атомів після їх збудження. Гальмівне випромінювання є різночастотним, тому йому притаманний результуючий, безперервний спектр залежності інтенсивності випромінювання від довжини хвилі.

При поглинанні енергії “швидких” електронів або фотонів рентгенівського гальмівного випромінювання може виникати відрив електронів з внутрішніх орбіт, на місце яких переходять електрони більш віддалених від ядра орбіт. Це супроводжується випромінюванням фотонів. Таке випромінювання має назву характеристичне, оскільки має характеристичні (лінійні) спектри, в яких кожна лінія відповідає певним переходам внутрішніх електронів орбіталей електронної оболонки атома.

16

Таким чином, спектри рентгенівського випромінювання становлять собою комбінацію безперервного спектру гальмівного випромінювання і лінійного характеристичного.

Гамма-випромінювання ( -випромінювання) – це електромагнітне випромінювання, яке виникає при переході ядер атомів зі збудженого стану, що утворився внаслідок радіоактивного розпаду, в основний стан. Цей же тип випромінювання виникає при анігаляції пари „електрон – позитрон”, а також внаслідок розпаду деяких елементарних частинок, зокрема 0-мезонів. Енергетичний спектр (залежність інтенсивності випромінювання від довжини хвилі) - випромінювання лінійний (представлений окремими піками).

Корпускулярне випромінювання – це потік частинок, у яких значення маси спокою відмінне від нуля і які здатні передати орбітальним електронам атомів достатню для іонізації енергію. До таких частинок належать елементарні частинки (електрони, протони, нейтрони, мезони та ін.), ядра різних елементів ( гелію та ін.). Характерною особливістю корпускулярного випромінювання є їх здатність з великою швидкістю переміщатись у просторі та, володіючи великим запасом кінетичної енергії, викликати збудження та іонізацію атомів.

Бета-випромінювання ( -випромінювання) – це потік електронів (е-) або позитронів

(е+), що виникає при радіоактивному розпаді, яким притаманний -розпад (див. розділ 1.2.). Як вже відмічалося, енергетичний спектр -випромінювання (розподіл випромінених електронів за енергіями) безперервний (рис. 1.2).

Оже-електронне випромінювання утворюється внаслідок перерозподілу енергії орбітальних електронів. Перехід електрону із зовнішньої оболонки на найближчу до ядра (К- або навіть L-оболонку) супроводжується випроомінюванням електрону з однієї із оболонок. Цей електрон (Оже-електрон) через відносно малу енергію здатний іонізувати тільки сусідні атоми.

Протонне випромінювання – це потік ядер атомів водню 11H або 11P , які мають

одиничний позитивний заряд як позитрони, але масу у 1836,13 разів більшу. Джерелом протонів є космічне випромінювання, ядерні реакції, прискорювачі заряджених частинок (синхрофазотрони тощо).

Явище іонізації викликають також потоки ядер ізотопів гідрогену: дейтерію ( 21D )

та тритію ( 31T ).

Нейтронне випромінювання – це потік електронейтральних часток, маса яких близька до маси протонів (1838 маси електрону). Нейтрони ( 01 n ), не маючи

електричного заряду, спричиняють іонізацію атомів і молекул непрямими шляхом за рахунок пружного і непружного розсіювання. За першого сума кінетичних енергій взаємодіючих частинок залишається постійною. Нейтрон передає енергію атомним ядрам, з якими відбувається співударяння. Оскільки маси нейтрона і протона майже однакові та між ними відсутня електростатична взаємодія, нейтрони саме найчастіше співударяються з протонами. Енергія нейтрона передається протону, який набуває відповідну кінетичну енергію і здатний викликати іонізацію. Кінетична енергія ядер зростає після пружного співударяння з нейтронами і вони також здатні викликати іонізацію. Такі ядра отримали назву ядер віддачі. За непружного

17

розсіювання нейтрони втрачають частину своєї енергії на збудження ядра зустрічного атому. При переході такого збудженого ядра в основний стан випромінюються -кванти, які здатні іонізувати зустрічні атоми.

За низької енергії (швидкостей) нейтронів можливий ефект радіаційного захоплення нейтронів зустрічним ядром. Наслідком цього є утворення збудженого ядра, яке при переході в стабільний стан може випромінювати -кванти, протони, - частинки.

Джерелами нейтронів є спеціальні генератори на основі ядерних реакцій, певні ізотопи трансуранових елементів.

Альфа-випромінювання – це потік -частинок (ядер атому гелію, 42 Не2+), основним

джерелом яких є важкі радіоактивні елементи (див. розділ 1.2.). Вони можуть утворюватися також в ядерних реакціях.

У порівнянні з іншими частинками (електронами, протонами) -частинки важкі, мають електричний заряд вдвічі більший. Саме тому їм притаманна значно сильніша іонізуюча здатність.

Мезони – це нестабільні елементарні частинки, маса яких менша за масу протона. Серед них є як заряджені, так і електронейтральні. Піони ( -мезони) бувають позитивно ( + -мезони) і негативно ( - -мезони) заряджені, а також електронейтральні ( 0 -мезони). Ці частинки є квантами ядерних сил (див. розділ 1.1.).

Існують також каони (К-мезони). Вони бувають позитивно та негативно зарядженими. Внаслідок розпаду +-, К+- і К--мезонів утворюються мюони ( -мезони). Вони присутні в космічних променях, утворюються з піонів при бомбардуванні швидкими протонами мішеней в прискорювачах.

Швидкі ядра хімічних елементів (від дейтерію до трансуранових елементів) утворюються в прискорювачах різних типів. Їм притаманна надзвичайно висока іонізуюча здатність.

1.4 Закон радіоактивного розпаду та одиниці виміру радіоактивності

Внаслідок радіоактивного розпаду кількість будь-якого радіонукліду з часом зменшується. Швидкість розпаду визначається будовою ядра атому і, тому, без зміни стану ядра на цей процес впливати неможливо. Для кожного радіонукліду швидкість розпаду його ядра величина постійна і характерна тільки для нього.

Експериментально визначено, що швидкість розпаду ядер радіонукліду (dN/dt) пропорційна наявній кількості ядер цього радіонукліду (N):

dN/dt= - N,

де - коефіцієнт пропорційності, знак – „мінус” свідчить про те, що кількість ядер радіонукліду зменшується.

Коефіцієнт пропорційності називається постійною радіоактивного розпаду. Вона характеризує вірогідність розпаду. Для певного радіонукліду (у числовому значенні) дорівнює частці ядер, які розпадаються за одиницю часу. Величина, зворотна постійній радіоактивного розпаду ( =1/ ), називається середньою тривалістю життя ядер радіонукліду. Таким чином, у процесі радіоактивного розпаду за одиницю часу розпадається завжди одна і та ж частка наявних ядер радіонукліду.

Основний закон радіоактивності має вигляд:

18

Nt=N0e- t

де Nt – кількість ядер радіоізотопу, які залишаються після часу t, за який відбувається розпад ядер радіоізотопу; N0 – вихідна кількість ядер радіоізотопу в момент часу t=0 (N0 Nt); e - основа натурального логарифму; - постійна радіоактивного розпаду; t – проміжок часу, за який відбувається розпад ядер радіоізотопу.

Для характеристики швидкості розпаду ядер радіонукліду замість постійної розпаду ( ) широко використовують період напіврозпаду.

Період напіврозпаду (t1/2) – це час, протягом якого розпадається половина вихідної кількості ядер радіонукліду. Для різних радіонуклідів значення t1/2 коливаються в широких межах. Так, наприклад, для свинцю 204Pb t1/2=1019 років, а для полонію 212Po – 3 10-7с.

Радіонукліди за значенням t1/2 розподіляються на короткоіснуючі (t1/2 дорівнює долям секунди, секундам, годинам, добам) та довгоіснуючі (t1/2 дорівнює рокам). Зі збільшенням числа періодів напіврозпаду кількість ядер радіонукліду, які не розпалися, зменшується за експоненційним законом (рис.1.3.).

Особливість радіоактивного розпаду полягає в тому, що ядра певного радіонукліду розпадаються не всі відразу, а поступово і незалежно одне від одного. Розпад будьякого радіонукліду описується розподілом Пуассона:

pN (n) nn en , n

де PN(n) – вірогідність радіоактивного розпаду n ядер із загальної їх кількості N; n - середнє число розпадів за час спостереження; e – основа натурального логарифму.

Кількість радіоактивної речовини прийнято визначати не одиницями маси, а

активністю. Інтенсивність радіоактивного розпаду (радіоактивність) характеризує

19

його швидкість – число розпадів ядер радіонуклідів за одиницю часу. Цю величину ще називають активністю радіонукліду (А) (знак „мінус” свідчить про те, що кількість ядер внаслідок розпаду зменшується).

A dNdt

Активність радіоактивної речовини тим вища, чим більша кількість ядер радіонукліду та чим менший період напіврозпаду. Активність радіоактивної речовини зменшується по експоненті.

Одиницею активності радіонуклідів в СІ є беккерель (Бк). Це така активність радіонукліда, при якій в ньому за 1с розпадається 1 ядро радіонукліду:

1Бк = 1 розпад/с Позасистемна одиниця активності радіонуклідів – Кюрі (Кі), що дорівнює кількості

розпадів за секунду в 1г радія 226R, який знаходиться у стані радіоактивної рівноваги з продуктом розпаду родоном 222Rn, а саме 3,7 1010:

1Кі = 3,7 1010 розпадів/с = 3,7 1010Бк Для характеристики активності одиниці маси (об’єму) радіоактивної речовини

використовують поняття питомої масової активності та об’ємної активності –

активності на одиницю маси (об’єму). Одиницею виміру питомої масової активності є беккерель на кілограм (Бк/кг) чи кюрі на кілограм (Кі/кг), а також кратні величини (кБк/кг, мКі/т та ін.). Об’ємна активність вимірюється в беккерелях на літр (Бк/л), а в позасистемній системі одиниць – кюрі на літр (Кі/л). Використовуються також кратні величини (кБк/мл, нКі/см3 та ін.).

Для оцінки радіоактивного забруднення поверхні (щільності радіоактивного забруднення) використовують поняття – поверхнева активність чи щільність поверхневого забруднення (величина радіоактивності віднесена до одиниці площі - кБк/м2, Кі/км2 та ін.).

Для характеристики активності -випромінюючих радінуклідів введена одиниця – міліграм-еквівалент радію (мг-екв. радію) – це активність будь-якого радіонукліду, - випромінювання якого за ідентичних умов виміру створює таку ж потужність експозиційної дози, як -випромінювання 1мг радію 226Ra, який знаходиться у радіоактивній рівновазі з продуктом розпаду родоном 222Rn при платиновому фільтрі 0,5мм на відстані 1см.

1.5. Взаємодія іонізуючих випромінювань з речовиною

За взаємодії іонізуючого випромінювання з речовиною його енергія передається атомам і молекулам цієї речовини, що викликає їх збудження та іонізацію. Кожний тип випромінювання має свої особливості у цьому процесі.

Проникаюча властивість іонізуючого випромінювання характеризує швидкість втрати ним енергії при взаємодії з речовиною. Глибина на яку проникає іонізуюче випромінювання залежить як від складу та густини речовини, так і від природи та властивостей випромінювання.

За взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною зменшується його інтенсивність внаслідок вибування з потоку -квантів. Встановлено, що число цих - квантів (dI) пропорційне числу тих, які падають на поверхню речовини (I), товщині шару речовини (dx):