4.1. явление радиоактивности. закон радиоактивного распадаЯвление самопроизвольного (спонтанного) изменения структуры ядра атома одного элемента и превращение его в более устойчивое ядро атома другого элемента называется радиоактивностью, а само неустойчивое ядро – радиоактивным. Каждый отдельный акт самопроизвольного превращения ядер с испусканием элементарных частиц или их групп называется радиоак- тивным распадом. Возникающие при этих превращениях ядер атомов элементарные частицы или их группы являются ИИ. Закон радиоактивного распада для любых превращений ядер ус- танавливает, что за единицу времени распадается всегда одна и та же
постоянной распада и обозначают . В общем виде этот закон выра- жается экспоненциальной зависимостью
t , (1)
– постоянная распада. Для характеристики устойчивости ядер радиоактивного вещества используется понятие период полураспада, т. е. промежуток времени, в течение которого количество ядер данного вещества уменьшается в два раза:
Т1 / 2
ln 2
0,693 . (2)
1 Т1/ 2 0,693
. (3)
Период полураспада для различных радионуклидов имеет протя- женность от долей секунды до миллиардов лет. Соответственно и ра- диоактивные вещества разделяют на короткоживущие (часы, дни) и долгоживущие (многие годы). Например: 214
238 U имеет Т1/2 = 1,6 · 10–4с; 10 92 имеет Т1/2 = 4,47 · 10 лет. 4.1.1. Активность и единицы измерения. Активность – мера интенсивности распада радионуклида, определяется как количество распадов ядер атомов радиоактивного вещества в единицу времени, т. е. как скорость распада ядер.
ная распада , которая выражает долю распадающихся атомов в еди- ницу времени, то активность будет равна
Аn N 0 e dt N . (4)
Активность радионуклида выражается формулой
n
6,02 A
1023 T
m , (5)
где Аn – активность радионуклида, Бк; m – масса радионуклида, г; А – массовое число радионуклида; Т – период полураспада радионуклида, с. Чем меньше период полураспада, тем выше будет активность. Единицей измерения активности в Международной системе еди- ниц (СИ) является Беккерель (Бк), 1 Бк = 1 расп/с (табл. 2).
1 Ки = 3,7 1010 Бк. 1 Бк = 1 расп/с = 2,703 10–11 Ки, такой актив- ностью обладает 1 г радия.
Единицы измерения активности Таблица 2
К электромагнитным (фотонным) ИИ относят рентгеновское и гамма-излучения, представляющие собой поток электромагнитной энергии с преимущественно короткой длиной волны. Корпускулярное ИИ – поток элементарных частиц. К ним относятся: альфа-частицы (ядра атома гелия), бета-частицы (электроны и позитроны), нейтроны и протоны.
уменьшается на две единицы, мас- совое число A – на четыре единицы. Примером альфа-распада может служить радиоактивное превращение 239
с испусканием альфа- частиц энергий (5,11; 5,14; 5,16 МэВ) и гамма-квантов (0,02; 0,05 МэВ). Скорость перемещения альфа-частиц – около 20 000 км/с. Альфа- частицы обладают наиболее высокой ионизирующей способностью и наименьшей проникающей способностью. Их линейная плотность ио- низации изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздухе. Длина пробега этих частиц в воздухе при нормальных условиях – от 2,5 до 8,6 см; в биологических средах – не превышает 70 мкм. Кожа человека полностью задерживает альфа-частицы. Однако при попадании альфа-частиц внутрь организма (с воздухом, пищей, водой или через открытую рану) из-за сильной ионизирующей спо- собности они становятся опасными и вызывают в местах контакта не- обратимые повреждения биологической ткани. В числе природных наиболее значимых альфа-излучателей встре- чаются изотопы урана 235
238
220 Ra , 232 Th , 218 Po , 222 Ru . В ре-
тели: изотопы плутония 238 Pu , 239 Pu , 240 Pu , 241 Pu .
Существует три вида бета-распада: бета-электронный, бета-позит- ронный распад и К-захват (электронный захват). Бета-распад – про- цесс изобарный, при котором массовое число атома остается без из- менения, а зарядовое число изменяется на единицу. В результате бета-электронного распада исходное ядро превра- щается в новое ядро, заряд увеличивается на единицу, при этом появ- ляется частица – антинейтрино. Бета-позитронный распад приводит к образованию ядра с уменьшенным заряда на единицу, при этом образуется нейтрино. При электронном захвате (К-захвате) ядро притягивает к себе один из электронов, расположенных на внутренних орбитах атома. Место захваченного электрона сразу же заполняется электроном с бо- лее высокого уровня, при этом испускается рентгеновское излучение. Средняя величина удельной ионизации – линейная плотность ио- низации – в воздухе зависит от энергии бета-частиц и составляет 100– 300 пар ионов на 1 см пути, а максимальный пробег в воздухе дости- гает нескольких метров, в биологической ткани – сантиметры, в ме- таллах – десятки мкм. Скорость движения бета-частиц в воздухе близ- ка к скорости света (250 000–270 000 км/с). Для защиты от бета-излучения используются: стекло, алюминий, плексиглас, полимеры – материалы, состоящие из элементов с малым порядковым номером. Гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение, испускаемое возбужденными атомными ядрами. Гамма-излучение на- блюдается при радиоактивном распаде атомных ядер и реакциях де- ления тяжелых ядер. Гамма-кванты не обладают ни зарядом, ни мас- сой покоя. Среди процессов взаимодействия гамма-квантов с веществом наибольшую вероятность имеют: фотоэффект, комптоновское рассея- ние и образование пары электрон-позитрон. 4.1.3. Дозиметрические величины и единицы их измерения. Действие ИИ на вещество проявляется в ионизации и возбуждении атомов и молекул, входящих в состав вещества. Количественной ме- рой воздействия излучений на вещество является доза излучения. До- за излучения – это количество энергии ИИ, поглощенного единицей массы облучаемой среды. Различают поглощенную, экспозиционую и эквивалентную дозы излучения. Поглощенной дозой излучения (D) называется количество энергии любого вида, поглощенное единицей массы любого вещества. За еди- ницу измерения поглощенной дозы принят грей (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг. На практике применяется внесистемная единица – рад. Доза в 1 рад означает, что в каждом грамме вещества, подвергшегося облу- чению, поглощено 100 эрг энергии. 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = = 0,01 Гр, т. е. 1 Гр = 100 рад (1 эрг = 10 Дж). Для характеристики рентгеновского и гамма-излучений по эффек- ту ионизации используют экспозиционную дозу. Экспозиционной дозой (Х) называется количественная характери- стика излучений, основанная на их ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе и выраженная отношением суммарного элек- трического заряда ионов одного знака, образованных излучением, по- глощенным в некоторой массе воздуха, к этой массе. За единицу экспозиционной дозы рентгеновского и гамма- излучений принят кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р). 1 Кл/кг = 3876 Р.
Эквивалентная доза (Н) служит для характеристики биологиче- ского действия различных видов ИИ. Альфа-, бета- и гамма-излучения при одинаковой поглощенной дозе оказывают разное поражающее действие из-за различной ионизирующей способности. Различие в ве- личине радиационного воздействия можно учесть, приписав каждому виду излучений свой коэффициент качества (табл. 3), характери- зующий степень разрушительного действия на биологический объект и показывает, во сколько раз данный вид излучения по биологической эффективности больше, чем рентгеновское излучение при одинаковой поглощенной дозе. Таблица 3 Значения взвешивающих коэффициентов для различных видов излучений
В качестве системной единицы эквивалентной дозы использует- ся зиверт (Зв). Зиверт – единица эквивалентной дозы в биологиче- ской ткани, которая создает такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения. Вне- системная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический экви- валент рада). 1 бэр = 0,01 Зв; 1 3в = 100 бэр. Бэр – доза любого вида ионизирующего излучения, производящая такое же биологическое действие, как и доза рентгеновских или гам- ма-лучей в 1 рад. Эквивалентная доза рассчитывается для средней ткани человече- ского тела. Органы и биологические ткани имеют разную радиочувст- вительность. В первую очередь поражаются красный костный мозг, половые железы. Учет радиочувствительности производят с помощью взвешивающих коэффициентов для тканей и органов (табл. 4).
всего организма в целом т = 1, то каждый орган имеет свой взвеши- вающий коэффициент. Умножив эквивалентную дозу на соответствующие взвешиваю- щие коэффициенты и просуммировав по всему организму, органу или группе органов, получим эффективную эквивалентную дозу, отра- жающую суммарный эффект облучения. Таблица 4 Взвешивающие коэффициенты для отдельных органов и тканей
|
| Оглавление| |