1.2. Виды и основные характеристики ионизирующего излучения

Ионизирующее излучение - это излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образова­нию ионов разных знаков. Различают непосредственно ионизирующее и косвенно ионизирующее, фотонное и корпускулярное излучения.

Непосредственно ионизирующее излучение - это ионизирующее излучение, состоящее из заряженных частиц с кинетической энергией, дос­таточной для создания ионизации при столкновении.

Косвенно ионизирующее излучение - это ионизирующее излуче­ние, состоящее из квантов и незаряженных частиц, взаимодействие кото­рых со средой приводит к образованию непосредственно ионизирующего излучения.

Фотонным излучением называется электромагнитное косвенно ионизирующее излучение. К фотонному излучению относятся: гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, а также при аннигиляции частиц или ядерных превращениях; рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений. Тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром возникает при уменьшении кинетической энергии зараженных частиц. Характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром возникает при изменении энергетического состояния атомов (переходе электронов с внешних уровней на внутренние).

Корпускулярное излучение - ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля. К корпускулярному ионизи­рующему излучению относятся альфа-излучение, бета-излучение, протон­ное, нейтронное излучения.

Альфа-излучение - корпускулярное излучение, состоящее из ядер атомов гелия.

Бета-излучение - излучение, состоящее из электронов или позитро­нов.

р-излучение — излучение, состоящее из протонов.

n-излучение - излучение, состоящее из нейтронов.

Рис. 1.1. Формирование фотонных излучений.

Альфа-излучение

Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтро­нов (то есть представляет собой ядро атома гелия), имеет массовое число 4 и заряд +2. Радионуклид, претерпеваю­щий альфа-распад, называют альфа-активным нуклидом. В результате альфа-рас­пада исходное ядро (назовем его X), имеющее зарядовое число 2 и массовое число А, превращается в другое ядро (назовем его Y), имеющее зарядовое число (Z-2) и массо­вое число (А-4). Этот процесс выражают уравнением аль­фа-распада:

Аналогичной является запись:

Например, при альфа-распаде радона-222 образуется полоний-218:

Ядро, претерпевающее распад, называют материнским (в наших примерах — это X и ²²²Rn). Ядро, образующееся в результате распада, называют дочерним (Y, ²¹⁸Ро). Дочер­нее ядро, в свою очередь, может быть как стабильным, так и нестабильным (претерпевать дальнейшее превращение).

В результате альфа-распада выделяется большое коли­чество энергии. Эта энергия превращается в кинетическую энер­гию образующихся частиц - дочернего ядра и альфа-час­тицы - и распределяется между ними в соответствии с за­коном сохранения импульса. Альфа-частицы, получившие импульс (то есть энергию) и движущиеся с огромной ско­ростью, представляют собой ионизирующее излучение – альфа-излучение. Все альфа-частицы, образованные при распаде одного альфа-активного нуклида, имеют одинако­вую энергию. Другими словами, энергетический спектр альфа-излучения дискретный (рис 1.2 а.) Энергия альфа-частиц - это отличительная характеристика данного нуклида и его альфа-излучения.

Таблица 1.1

Энергетические характеристики распространенных альфа-активных нуклидов

Символ	Период полураспада Т½	Название	Дочерний нуклид	Энергия альфа-частиц, МэВ
210Po	138 сут.	Полоний -210	206Pb	5,31
222 Rn	4 сут.	Радон - 222	218Po	5,49
226 Ra	1,6 тыс. лет	Радий - 226	222 Rn	4,78
238 U	14 млрд.лет	Уран - 234	234 Th	4,15 4,20

Энергию ионизирующих частиц (в том числе альфа-частиц) принято измерять в электрон-вольтах (эВ) и кратных единицах - килоэлектрон-вольтах (кэВ) и мегаэлектрон­вольтах (МэВ). Соответственно,

1 кэВ = 1000 эВ = 10³ эВ

1 МэВ = 1 000 000 эВ = 10⁶ эВ.

Электрон-вольт соотносится с джоулем (единицей энер­гии в СИ) следующим образом:

1эВ= 1,6021· 10^-19 Дж.

Альфа-частицы разных нуклидов обычно обладают энер­гией от 2 до 6 МэВ. Для сравнения: молекулы азота, совершающие в воздухе тепловое движение при температуре 20°С, обладают энергией всего 0,038 эВ, двигаясь при этом со скоростью около 500 м/с; энергия, необходимая для ионизации большинства ато­мов и молекул, составляет величину порядка 10-500 эВ.

Одной из основных характеристик ионизирующего из­лучения, наряду с его энергией, является проникающая способность. Альфа-частицы относительно тяжелые и име­ют сравнительно большой заряд, поэтому они интенсив­но взаимодействуют со средой, быстро тратят энергию, вследствие чего имеют малую проникающую способность. Эта способность характеризуется длиной свободного про­бега. R - длина траектории альфа-частицы в данной сре­де. R можно рассматривать как минимальную толщину материала, которая полностью поглощает альфа-излуче­ние данной энергии. Чем выше энергия альфа-частиц, тем больше R.

Пробег альфа-частиц R_α в воздухе определяется по эмпирической формуле:

R_α = 0,32 · Е ^3/2 , см ( 1.6 )

где Е – энергия альфа-частиц, Мэв.

Пробеги альфа-частиц в воздухе составляют всего несколько сантиметров, а в мягкой биологической ткани- десятки микрон (порядка 0,01-0,05 мм). Таким образом, для защиты от альфа- излучения достаточен тончайший слой твердого вещества (фольга, лист бумаги, ткань и т.п.) или 2-10 см воздуха.

Рис. 1.2. Схемы энергетических спектров ионизирующих частиц:

а - дискретный (альфа- и гамма-излучение), б - непрерывный (бета-излучение)

Бета- излучение

Бета-излучение - излучение, состоящее из электронов или позитро­нов, которые возникают при бета-минус распаде, бета-плюс распаде и электрон­ном захвате.

Бета-минус распад (β -распад) является наиболее рас­пространенным видом распада, и в дальнейшем слово «ми­нус» мы будем опускать, понимая под «бета-распадом» именно «бета-минус распад». Он представляет собой са­мопроизвольный распад ядер, сопровождающийся испус­канием электрона.

Этот процесс сводится к тому, что нейтрон n в составе ядра претерпевает превращение, образуя протон р, элект­рон е^- и антинейтрино υ:

Электрон е^-, образованный в результате бета-распада, называется бета-частицей (точнее — бета-минус-частицей) и обозначается символом β^-. Таким образом, бета-части­ца обладает элементарным отрицательным зарядом (-1) и примерно в 7000 раз легче альфа-частицы.

Радионуклид, претерпевающий бета-распад, называют бета-активным нуклидом. В резуль­тате бета-распада материнское ядро X, имеющее зарядовое число Z, и массовое число А, превращается в дочернее яд­ро У, имеющее зарядовое число Z+1 (число протонов уве­личилось на один) и массовое число А (число нуклонов не изменилось), уравнение распада:

Аналогичной является запись:

Например, при бета-распаде стронция-90 образуется иттрий-90:

⁹⁰ ₃₈Sr → ⁹⁰ ₃₉Y + β + υ

При бета-распаде, как и при альфа-распаде, выделяет­ся большое количество энергии, которое так же распреде­ляется между образующимися частицами в соответствии с законом сохранения импульса. Однако в отличие от аль­фа-распада в этом случае образуются две частицы, поэто­му бета-частицы одного и того же радионуклида в отличие от альфа-частиц могут обладать любой энергией от нуля до некоторого максимального значения. Другими слова­ми, бета-излучение имеет непрерывный энергетический спектр – рис.1.2б. Для описания энергии бета-излуче­ния используются две взаимозависимые величины - мак­симальная энергия бета-частиц – Е _max и средняя энергия бета-частиц Е_ср .

Средняя энергия бета-частиц разных нуклидов обычно имеет значение от 0,1 до 1 МэВ, хотя встречаются радио­нуклиды как с более жестким, так и со значительно более мягким спектром – таблица 1.2.

Таблица № 1.2

Энергетические характеристики основных бета-активных нуклидов

Символ	Название	Период полураспада Т½	Дочерний нуклид	Ср. и (max) энергия бета-частиц, МэВ
Т	Тритий	12,3 года	3 Не	000,5 (0,018)
14 С	Углерод- 14	5700 лет	14 N	0,05 (0,16)
90 Sr	Стронций - 90	28 лет	90 Y	0,2 (0,5)
90 Y	Иттрий -90	64 часа	90 Zr	0,9 (2,2)
131 I	Иод - 131	8 сут.	131 Xe	0,18 (0,81)
137 Cs	Цезий -137	30 лет	137 Ba	0,2 (1,2)
147 Pm	Прометий -147	2,6 года	147 Sm	0,06 (0,23)

Поскольку альфа-частица почти на четыре порядка тя­желее электрона, то она, взаимодействуя с электронами среды, практически не отклоняется от прямолинейной тра­ектории. Бета-частица при таком взаимодействии сталки­вается с «равными себе», и при этом она может многократ­но отклоняться от первоначального направления движения (говорят «рассеиваться»), в результате чего ее траектория представляет собой ломаную линию.

Проникающая способность бета-частиц характеризует­ся максимальной длиной пробега – R _max — это минимальная толщина поглотителя, при которой полностью задерживаются бета-частицы данного радионуклида.

Таблица № 1.3.

Максимальный пробег бета-частиц в воздухе и некоторых веществах

Еmax, МэВ	Воздух, м	Вода, мм	Алюминий, мм	Железо, мм	Свинец, мм
0,5	1,2	1,7	0,6	0,2	0,2
1	3	4,3	1,5	0,5	0,5
2	7	10	3,5	1,2	1,0
2,5	9	13	4,5	1,6	1,3

Бета-плюс распад (р+-распад) представляет собой вид радиоактивного распада, при котором протон р в составе ядра претерпевает превращение, образуя нейтрон n, по­зитрон е+ и нейтрино υ:

Позитрон - это античастица по отношению к электро­ну, то есть позитрон обладает такими же свойствами, как электрон, но противоположным зарядом (+1). Позитрон е+, образованный в результате бета-плюс-распада, на­зывается бета-плюс частицей и обозначается симво­лом β⁺.

Так как масса протона меньше массы нейтрона, то его превращение в нейтрон происходит не с выделением энер­гии, а, наоборот, с поглощением. Поэтому такое превращение возможно только внутри ядра, которое и предоставля­ет энергию. Из-за этих энергетических «трудностей» бета-плюс распад встречается редко. Для некоторых атомов возможен третий вид бета-распа­да - электронный захват. В этом случае один из протонов ядра превращается в нейтрон путем захвата электрона из внутренней электронной оболочки своего атома:

Гамма-излучение

Гамма-излучение - это электромагнитное излучение вы­сокой энергии, которое образуется в результате перехода ядра из возбужденного состояния в менее возбужденное или основное (невозбужденное) состояние. В возбужден­ном состоянии ядро может оказаться в результате радиоак­тивного распада (альфа-распада или бета-распада). Данную ситуацию иллюстрирует схема распада, представленная на риc. 1.3.

При распаде материнского ядра X существует опре­деленная вероятность образования дочернего ядра как в основном состоянии (обозначим его Y), так и в возбуж­денном состоянии (обозначим его Y*). Альфа- или бета-частицы, соответствующие переходу X → Y, будут иметь более высокую энергию, чем частицы, образующиеся при переходе X → Y*. Переход дочернего ядра из возбужден­ного в нормальное состояние Y* → Y сопровождается об­разованием гамма-кванта. То есть энергия возбужденного состояния ядра превращается в квант электромагнитно­го излучения (фотон), называемый «гамма-квант». Поток гамма-квантов - это гамма-излучение.

Представленная на рис.1.3 схема имеет простейший вид. Реальные радиоактивные распады радионуклидов могут приводить к образованию нескольких возбужден­ных состояний, отличающихся энергией. В результате гамма-излучение радионуклида состоит из гамма-квантов нескольких определенных энергий, образуя дискретный спектр гамма-излучения. Энергия гамма-квантов (поло­жение пиков дискретного спектра) является однозначной характеристикой данного радионуклида.

Гамма-излучение имеет, по сравнению с альфа- и бета-излучением, значительно более высокую проникающую способность. Это обусловлено другой природой гамма-квантов, отсутствием заряда и массы покоя. Для описания проникающей способности в этом случае не применимы такие понятия, как «траектория» и «длина пробега», а говорят о «кратности ослабления» данным слоем материала и «слое половинного ослабления данного материала».

Наличие или отсутствие у конкретного радионуклида : гамма-излучения, его энергия и относительная интенсивность (так же, как и характеристики других видов излучения) приводятся в различных справочниках, например:

1. Моисеев А. А., Иванов В. И. Справочник по дозиметрии и радиационной гигиене. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

2. Схемы распада радионуклидов. Энергия и интенсивность излучения: Публикация 38 МКРЗ. - М.: Энергоатомиздат, 1987.

Таблица № 1.4.

Характеристики некоторых гамма-излучателей

Символ	Период полураспада Т½	Название	Дочерний нуклид	Энергия гамма-квантов, МэВ
60 Со	5,3 года	Кобальт- 60	β-, 60 Ni	1,25
137 Cs	30 лет	Цезий -137	β-, 137 Ba	0,66
131 I	8 сут	Иод - 131	β-, 131 Xe	0,37

Рис. 1.3. Энергетическая схема распада ядра с образованием

возбужденного состояния дочернего ядра

Вследствие радиоактивных распадов ядер образуются и другие виды электромагнитного и электронного излуче­ния, связанные с перестройкой электронной оболочки ато­ма. Их энергия и вклад малы по сравнению с основным излучением (альфа-, бета-, гамма-), но они играют важную роль при идентификации радионуклидов в научных (в том числе радиоэкологических) исследованиях. Механизмы об­разования этих видов излучения рассматриваются в рам­ках ядерной физики.

Нейтронное излучение

Нейтронное излучение является корпускулярным излучением, возникающим в процессе деления или синтеза ядер.

Нейтронное излучение, не имея электрического заряда легко проникают в ядра атомов облучаемого вещества. Достигая ядер атомов, нейтроны либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них, теряя значительную часть энергии и скорость. Особенно большое количество энергии (до 50%) нейтроны теряют при столкновении с почти равными им по весу ядрами атомов элементов. Поэтому вещества, имеющие минимальное количество электронов вокруг ядра (вода, графит, азот), широко используются как для защиты от нейтронного излучения, так и для замедления движения нейтронов.

Нейтронный поток так же, как и гамма-излучение, обладает большой проникающей способностью через различные вещества и преграды, в том числе и через тело человека. При этом в результате облучения нейтронами атомных ядер химических элементов окружающей среды возникает наведенная радиация, когда последние сами становятся источниками ионизирующих излучений.