Физика Примеры решения задач Астрономия Физика атома Цепная ядерная реакция деления Проблемы развития атомной энергетики Закон Ампера Магнитные моменты атомов Намагниченность вещества

Свойства и характеристики радиоактивных излучений.

Частицы, возникающие при радиоактивном распаде, попадая в вещество, сталкиваются с электронами атомов. В результате такого взаимодействия атом получает дополнительную энергию, при этом электрон переходит на один из удаленных от ядра энергетических уровней или совсем покидает атом. В первом случае происходит возбуждение атома и дальнейшее излучение рентгеновского излучения, во втором – ионизация атома. За счет этого энергия частицы уменьшается, она тормозится в веществе и останавливается.  Длина пробега частицы зависит от ее заряда, массы, начальной энергии, а также от свойств среды, в которой частица движется. Пробег увеличивается с возрастанием начальной энергии, медленно движущиеся частицы взаимодействуют с атомами более эффективно и быстрее растрачивают имеющуюся у них энергию.

Проникающую способность частиц обычно характеризуют минимальной толщиной слоя вещества, полностью их останавливающего. Например, от потока бета частиц с энергией 2МэВ, полностью защищает слой алюминия толщиной 3,5 мм. Альфа – частицы обладают большими размерами, чем бета – частицы, поэтому они чаще сталкиваются с атомами и быстрее теряют свою энергию, пробеги альфа – частиц в веществе очень малы. Например, у альфа‑частицы с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе примерно 2,5см, в воде или в мягких тканях животных и человека – сотые доли миллиметра. Благодаря небольшой проникающей способности альфа- и бета-излучения обычно не представляют большой опасности при внешнем облучении. Плотная одежда может поглотить значительную часть бета – частиц и совсем не пропускает альфа – частицы. Однако при попадании радиоактивных веществ внутрь человеческого организма с пищей, водой и воздухом, альфа- и бета-излучения могут причинить человеку серьезный вред.

Кроме альфа- и бета-излучения, сильное воздействие оказывают нейтроны, которые, вследствие отсутствия у них электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и проникают глубоко в вещество. При прямом столкновении нейтронов с ядрами атомов они могут выбивать заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды.

Гамма–кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам, в результате чего наблюдаются явление фотоэффекта, эффект Комптона. Возникающие быстрые электроны производят ионизацию атомов среды. Пути пробега гамма–квантов и нейтронов в воздухе измеряются сотнями метров, в твердом веществе – десятками сантиметров и даже метрами. Потоки гамма–квантов и нейтронов – наиболее проникающие виды ионизирующих излучений, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность.

Проникающая способность радиоактивного излучения увеличивается с ростом энергии и уменьшается с увеличением плотности вещества. В таблице приведены в качестве примера значения толщины слоев воды, бетона и свинца, ослабляющих потоки гамма – излучения различной энергии в десять раз.

Таблица проникающей способности гамма – излучения

Энергия гамма – квантов, МэВ

Толщина слоя вещества, ослабляющего поток гамма – излучения в десять раз, см

Вода

Бетон

Свинец

0,5

5,0

24

76

12

36

1,3

4,7

 

Универсальной мерой воздействия любого вида излучения на вещество является поглощенная доза излучения, равная отношению энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества D=E/m. За единицу поглощенной дозы в Си принят грей (Гр). 1Гр равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1кг передается энергия ионизирующего излучения 1Дж: 1Гр=1Дж/1кг.

Физические воздействие любого ионизирующего излучения на вещество связано прежде всего с ионизацией атомов и молекул. Количественной мерой воздействия ионизирующего излучения служит экспозиционная доза, которая характеризует ионизирующее действие излучения на воздух. Экспозиционная доза равна отношению электрического заряда ионов одного знака, возникающих в сухом воздухе при его облучении фотонами, к массе воздуха X=q/M. В Си единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). Часто употребляется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р): 1Р=2,58·10-4 Кл/кг.

При экспозиционной дозе 1Р в 1см3 сухого воздуха при нормальном давлении образуется около 2·109 пар ионов. Такая доза накапливается за 1м от радиоактивного препарата радия массой 1г. При облучении мягких тканей человеческого организма рентгеновским или гамма–излучением, экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощенная доза 8,8 мГр.

 

Биологическое действие ионизирующих излучений.

Основа физического воздействия ядерных излучений на живые организмы – ионизация атомов и молекул в клетках. Заряженные  ионы, возникающие из нейтральных атомов и молекул, меняют химические процессы, происходящие в биологических клетках. Это приводит к неправильному функционированию клеток, в результате чего биологические системы могут начать развиваться не нормальным образом и даже погибнуть.

Многократно повторенные опыты показали, что небольшие дозы излучения, сравнимые с уровнем естественного фона, безвредны и даже стимулируют развитие растений. Сходные результаты получены и в опытах на животных. Безвредность малых доз облучения для человеческого организма подтверждается исследованием средней продолжительности жизни людей в зависимости от уровня естественного фона ионизирующей радиации. При облучении повышенными дозами могут возникнуть мутации клеток и биологические объекты приобретают новые свойства, это используется для выведения новых растений и животных. В медицине действие локального излучения используют для уничтожения больных клеток, например раковых клеток. Воздействие не локальных и больших доз излучения ведет к необратимым изменениям и гибели клеток, это соответствует таким болезням как лейкемия, рак и др.

Люди некоторых профессий подвергаются дополнительному радиоактивному облучению. Это врачи – рентгенологи, работники атомных электростанций, ученые и технический персонал, работающие в области ядерной физики и физики элементарных частиц, космонавты. Полностью устранить дополнительное действие ионизирующей радиации на их рабочих местах оказывается невозможным. Поэтому нужно знать допустимую границу дополнительной дозы облучения.

Биологическое влияние различных видов излучения на организмы животных и растений неодинаково.  При одинаковой поглощенной дозе излучения 1Гр от альфа – частиц оказывается на живой организм примерно такое биологическое действие, как поглощенная доза 20 Гр рентгеновского или гамма – излучения. Различие биологического действия разных видов излучения характеризуются коэффициентом относительной биологической эффективности (ОБЭ), или коэффициентом качества k. Относительно биологическая активность для разных видов излучения принимает значения от 1 до 20. Для рентгеновского и гамма – излучения k=1, для тепловых нейтронов k=3, для нейтронов с кинетической энергией 0,5 МэВ k=10, с энергией 5 МэВ k=7.

Поглощенная доза D, умноженная на коэффициент качества k, характеризует биологическое действие поглощенной дозы и называется эквивалентной дозы и называется эквивалентной дозой H: Н=Dk. Единицей эквивалентной дозы в Си является зиверт (Зв). 1Зв равен эквивалентной дозе, при которой поглощенная доза равна 1Гр и коэффициент качества равен единице.

Предельно допустимой дозой (ПДД) облучения для лиц, профессионально связанных с использованием источником ионизирующей радиации, является 50 мЗв за год. Этот уровень облучения был принят за допустимый на том основании, что он близок к уровню естественного радиационного фона в некоторых местах на Земле и никаких отрицательных последствий для человека при действии таких доз не обнаружено. Санитарными нормами установлен допустимый уровень разового аварийного облучения для населения – 0,1 Зв. Это примерно равно дозе фонового облучения человека за всю жизнь. В качестве предельно допустимой дозы систематического облучения населения установлена эквивалентная доза облучения 5 мзв за год, т.е. 0,1 ПДД. За все время жизни человека (70 лет) допустимая доза облучения для населения составляет 5мЗв/год·70лет=350 мЗв=0,35Зв.

КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ИЗЛУЧЕНИЯ Тепловое излучение. Абсолютно черное тело. Закон Кирхгофа. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Квантовая гипотеза и формула Планка. Закон Стефана-Больцмана. Законы Вина. Оптическая пирометрия. Внешний фотоэффект и его законы. Фотоны. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Многофотонный фотоэффект.
Основные положения квантовой механики