Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Слово «облучение» родилось и вошло в жизнь послевоенных поколений и до наших дней неразрывно связано с первым практическим применением внутриядерной энергии – атомными бомбардировками Хиросимы и Нагасаки.

При взрывах атомных бомб более ста тысяч японцев погибли практически мгновенно, поражённые световой и ударной волнами. Десятки тысяч, выживших в этот первый момент, подверглись действию проникающих излучений атомного взрыва и скончались в течение нескольких дней и недель от острой лучевой болезни, вызванной облучением и отягощённой травмами обширными ожогами кожи.

По данным профессора Джозефа Ротблата, английского специалиста по радиационной биологии, в Хиросиме за 5 лет после взрыва бомбы умерло втрое больше людей, чем при взрыве. Они погибли от совместного действия ожогов, травм и облучения. С тех пор появились и получили широкое распространение термины «облучение», «острая лучевая болезнь», «отдалённые последствия облучения», «радиация». Но с тех же пор, благодаря огромному труду учёных, их самоотверженным исследованиям, все нам известно успешное применение облучения в терапии опухолей, при стерилизации продуктов питания и медицинских препаратов, для предпосевной стимуляции семян и зерна, в криминалистике и искусствоведении, и в других областях человеческой деятельности.

Человек с помощью своих органов чувств не способен обнаружить не только слабые, т. е. практически безвредные ионизирующие излучения, но даже те, которые представляют смертельную опасность. Поэтому важной задачей является изучение свойств ядерных излучений, выяснение влияния их на человеческий организм, а также разработка приборов, способных наиболее точно регистрировать такого рода излучения.

Каким же образом происходит взаимодействие радиоактивного излучения с веществом?

В веществе быстрые заряженные частицы взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов. В результате чего электрон получает дополнительную энергию и переходит на более высокий энергетический уровень или совсем покидает атом. В первом случае происходит возбуждение, во втором – ионизация атома. При прохождении вблизи атомного ядра быстрая частица испытывает торможение его электрическим полем, в результате чего испускает квант рентгеновского (тормозного) излечения. Кроме этого, возможно просто упругое или неупругое столкновение частицы с ядром атома. Медленно движущиеся частицы, как правило, более массивные, взаимодействуя с атомами, быстрее растрачивают свою энергию.

Из известных сегодня видов излучений, альфа- и бета- излучения имеют небольшую проникающую способность.

От потока бета-частиц, полностью поглощаемых минимальной толщиной вещества, защищает слой алюминия толщиной 3,5мм. Альфа-частицы, обладающие большей массой, чем бета-частицы, при столкновениях с электронами атомных оболочек, испытывают небольшие отклонения от своего первоначального направления, но имеют ещё меньшую проникающую способность.

Благодаря небольшой проникающей способности, и альфа- и бета-частицы не представляют большой опасности при внешнем облучении. Даже плотная одежда может поглотить большую часть бета-частиц и совсем не пропускает альфа-излучение. Но при попадании внутрь организма с пищей, водой или загрязнённым воздухом, эти излучения представляют серьёзную опасность, т. к. способны вызывать различные заболевания.

Не имеющие заряда нейтроны не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. Но при столкновениях с атомными ядрами нейтроны выбивают из них заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды.

Гамма-кванты взаимодействуют с электронными оболочками атомов, передавая им часть своей энергии. Быстрые электроны в результате производят ионизацию атомов среды. Нейтроны и гамма -кванты имеют большую проникающую способность, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность.

Внутреннее облучение является наиболее опасным по сравнению с внешним по следующим причинам: а). Резко увеличивается время облучения тканей организма. В отличие от внешнего, когда доза определяется временем пребывания в зоне радиационного воздействия, при внутреннем время облучения совпадает со временем пребывания радиоактивного вещества в организме. Для наиболее опасных веществ, таких как Ra226 или Pu239, выведение из организма практически отсутствует, и облучение длится всю жизнь.

б). Доза внутреннего облучения резко возрастает из-за практически бесконечно малого расстояния до ионизируемой ткани.

в). Введение радиоактивных веществ в организм означает исключение поглощения ионизирующих α –частиц роговым слоем кожи и переводит α–активные вещества из почти безопасных при внешнем облучении в разряд наиболее опасных.

г). Радиоактивные вещества распределяются по тканям организма не равномерно, а избирательно концентрируются в отдельных органах, ещё более усиливая их локальное облучение.

д). В случае внутреннего облучения человек лишён возможности использовать те методы защиты, которые разработаны для внешнего облучения – экранирование, выход из зоны или сокращение времени пребывания в ней.

3. Меры воздействия излучения на вещество.

. В результате взаимодействия излучения с веществом в облучаемой среде возникает большое число быстро движущихся электронов, обладающих энергией, достаточной для ионизации атомов вещества. Энергия, поглощаемая при этом облучаемой средой, определяет радиационный эффект. В физике введены величины, характеризующие этот эффект.

Универсальной мерой воздействия любого вида излучения на вещество является поглощённая доза излучения, равная отношению энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, к массе вещества:

За единицу поглощённой дозы в СИ принят грей (Гр).

Используется внесистемная единица: 1рад=0,01Гр.

Отношение поглощённой дозы излучения ко времени облучения называется мощностью дозы излучения:

Количественной мерой действия 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:

В СИ единицей экспозиционной дозы является кулон на килограмм (Кл/кг). До сих пор употребляется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р):

1Р=2,58∙10-4Кл/кг

При экспозиционной дозе 1 Р в 1см3 сухого воздуха при нормальном давлении образуется около 2∙109 пар ионов. Такая доза накапливается за 1 час на расстоянии 1м от радиоактивного препарата радия массой 1г.

При облучении мягких тканей человеческого организма рентгеновским или гамма-излучением экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощённая доза 8,8мГр. Таким образом, 1 Р=8,8 ∙10-3Гр. 1гр=100Р.

Биологическое влияние различных видов излучения на организмы животных и растений не одинаково при одинаковой поглощённой дозе излучения. Поглощённая доза излучения 1 Гр от альфа-частиц оказывает на живой организм примерно такое биологическое действие, как поглощённая доза 20 Гр рентгеновского или гамма-излучения.

Различие биологического действия разных видов излучения характеризуется коэффициентом качества k.

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.

Поглощённая доза Д, умноженная на коэффициент качества k, характеризует биологическое действие поглощённой дозы и называется эквивалентной дозой Н:

Единицей эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв).

1Зв равен эквивалентной дозе, при которой поглощённая доза равна 1Гр и коэффициент качества равен единице.

4. Биологическое действие разного вида облучений.

В результате действия любого вида излучений на живые организмы происходит ионизация атомов и молекул в клетках. Смертельная доза гамма-излучения для человека равна 6 грей, при этом в организме выделяется энергия, равная:

Е=mD =6Гр ∙70кг=420Дж.

Такая энергия очень мала, т. к. она равна примерно энергии одной чайной ложке горячей воды. Поэтому тепловое воздействие излучения на организм не является причиной лучевой болезни и гибели человека.

Главной причиной трагических последствий являются химические процессы, происходящие в живых клетках после их облучения.

Организм млекопитающего примерно на 75% состоит из воды. При дозе в 6Гр в 1см3 ткани происходит ионизация около 1015 молекул воды. Процессы ионизации и химических взаимодействий продуктов ионизации происходят в клетке за миллионные дозы секунды, т. е. фактически начинаются сразу после облучения. Изменения в биологическом строении клеток приводят к образованию новых молекул, чуждых для нормальных клеток. Следствия таких биохимических изменений могут проявиться сразу после облучения, но некоторые длятся месяцы и годы, приводя клетки к гибели или перерождению в разного вида опухоли.

Одно из самых первых следствий действия облучения на клетку является нарушение её главной функции - деления. Именно поэтому в первую очередь нарушаются функции органов и тканей организма, в которых происходит деление и воспроизведение клеток.

Одним из наиболее чувствительных к облучению является костный мозг. Также часто поражаются щитовидная железа, кроветворные и органы дыхания.

Поражение внутренних органов происходит при вдыхании, с пищей, через повреждения кожного покрова.

Патологическое действие облучения на организм в значительной мере зависит от места локализации радиоактивного вещества. Например, главная опасность радия заключается в том, что он откладывается в костях и излучает альфа-частицы. Вызывая очень сильную ионизацию, альфа-частицы повреждают как кость, так и особенно чувствительные к излучению клетки кроветворных органов, вызывая тяжёлые заболевания крови и образование злокачественных опухолей. Пыль, содержащая радиоактивные частицы, приводит к образованию радиоактивных отложений в лёгких и способствует развитию рака.

По характеру распределения в организме человека радионуклиды разделяются на три группы: а) накапливающиеся в скелете – Sr90 , Y90, Ra226, Th228, U238, Ru239; б) накапливающиеся в кроветворных органах и лимфатической системе – Au198, Po239; в) равномерно распределяющиеся во всех органах и тканях – H3, C14, Zr95, Nb95, Ru103, Cs137.

Отдельно отмечен йод как вещество, чрезвычайно активно отлагающееся в щитовидной железе. После попадания I131 в человеческий организм радиоактивность щитовидной железы может превысить радиоактивность всех остальных тканей более чем в 200 раз.

Радиоактивные изотопы йода требуют более подробного рассмотрения ещё и по следующим причинам. Одна из них состоит в том, что при делении ядер урана возникает не только долгоживущий I131 с периодом полураспада 8 сут. , но и другие, более короткоживущие изотопы I135 (7ч) и I133 (20ч). При длительной работе реактора они накапливаются в уране его тепловыделяющих элементов почти в равных количествах. После распада короткоживущих элементов в смеси остаётся только йод-131. Эта закономерность была прослежена и в пробах, отобранных в районе аварии ЧАЭС: сначала в них доминировали короткоживущие радионуклиды йода, через несколько дней –йод-131, а к концу первого месяца после аварии почти полностью распался и этот β-γ-излучатель.

Следующее важное отличие йода от других элементов – его высокая радиационная опасность для грудных детей, щитовидная железа которых по массе в 20 раз меньше, чем у взрослых (2 и 40 г соответственно). Поэтому при одной и той же концентрации радионуклидов йода во вдыхаемом воздухе или в потребляемом молоке доза облучения ребёнка в 20 раз больше, чем у взрослого.

5. Естественная радиоактивность.

Как только экспериментальная физика овладела наиболее точными методами измерения энергии, стало ясно, что ионизирующие излучения присутствуют вокруг нас всегда, оно является неотъемлемой частью биосферы. Мы живём в мире естественной радиоактивности, каждый из нас ежесекундно подвергается ионизирующему воздействию космического излучения, в любом месте на поверхности Земли, под землёй, в воде, в атмосферном воздухе существует ионизирующая радиация разного происхождения.

Существование естественного фона радиации обусловлено внешним облучением, создаваемым гамма-излучением естественных радиоактивных изотопов земной коры – урана, тория, калия, рубидия. В результате присутствия этих элементов за каждую минуту в 1 кг вещества земной коры распадается в среднем 60 тысяч ядер калия-40, 15 тысяч ядер рубидия-87, 2400 ядер тория-232, 2200 ядер урана-238. Естественный радиоактивный изотоп калий-40 и дочерние продукты распада радия и тория являются основными γ-излучателями, создающие ионизацию над поверхностью Земли.

Второй источник естественного излучения – вторичное космическое, которое представляет поток гамма-квантов и быстрых заряженных частиц- электронов и мюонов, возникающих в атмосфере под действием первичного космического излучения, которое состоит в основном из протонов, прилетающих из космоса.

Значительный вклад в естественную радиоактивность вносит радон и продукты его распада. Радон постоянно образуется в почве повсеместно на Земле. Это инертный газ, поэтому в почве он не задерживается и постепенно выходит в атмосферу. Концентрация радона повышается в закрытых непроветриваемых помещениях, самая высокая она в подвальных помещениях, в нижних этажах зданий, близких к почве.

Ядерные взрывы, производимые в атмосфере и под водой, привели к загрязнению атмосферы Земли и земной поверхности радиоактивными продуктами деления ядер урана. Среди продуктов деления ядер урана главную роль в длительном облучении играют радиоактивные изотопы стронция-90 и цезия-137 с периодами полураспада около 30 лет.

Естественные радиоактивные вещества рассеяны по всей окружающей среде – в почве, воде, воздухе, растительных и животных организмах. По этим причинам и ткани человеческого организме также должны содержать радиоактивные вещества. Сейчас достоверно установлено, что основными источниками внутреннего фонового облучения человеческого организма являются следующие радионуклиды:

1) долгоживущий естественный изотоп углерода С14, содержащийся во всех тканях человеческого организма;

2) долгоживущий изотоп калия К40, содержащийся в мягких тканях;

3) долгоживущий изотоп радия Ra226 и его короткоживущий изотоп Ra224, отлагающийся в костях;

4) короткоживущие родон, торон и дочерние продукты их распада, вдыхаемые с воздухом и отлагающиеся в дыхательных органах человека.

Человечество, непрерывно прогрессируя, всегда развивалось в условиях хронического радиационного воздействия естественного облучения. Но в результате длительного отбора человечество приспособилось к такому облучению, поэтому естественная радиация является, скорее всего, безопасной.