Физические основы действия ионизирующих излучений на организм

1. Лекция 12

Физические основы
действия ионизирующих
излучений на организм

2.

Строение атомного ядра
Ядро атома состоит из нуклонов: протонов и
нейтронов.
Заряды нуклонов:
Заряд протона:
Заряд нейтрона:
19
q p e 1,66 10 Кл
qn 0
Массы нуклонов равны
m p mn 1 а.е.м.
Число протонов Z в ядре равно числу электронов в
данном атоме, т.е. число протонов равно порядковому
номеру элемента периодической таблицы Менделеева.

3.

Общее число нуклонов определяется массовым
числом A. Массовое число равно атомному весу
элемента, округленному до целого числа.
Число нейтронов в ядре: N=A-Z.
Например, в ядре урана с массовым числом
A=238 и порядковым номером Z=92 число
нейтронов N=238-92=146.
A
Z
1
1
7
3
Ядро любого элемента обозначается: X : H , Li ,
238
92
Ядра, у которых одинаковые зарядовые числа Z, но
разные атомные массы называются изотопами:
1
2
3
239
238
235
1 H , 1 H , 1 H , 92U , 92U , 92U .
U.

4.

− 13
Размер ядра: диаметр d ≈ 10
меньше диаметра атома.
см т.е. В 10000 раз

5.

Ионизирующее излучение
- это потоки частиц и электромагнитных квантов,
взаимодействие которых со средой вызывает
ионизацию её атомов и молекул:
жесткое рентгеновское излучение,
γ -излучение,
потоки α -частиц, электронов,
протонов, позитронов, нейтронов.

6.

Радиоактивность
– свойства ядер некоторых элементов
самопроизвольно распадаться с образованием новых
ядер с испусканием излучения, которое называют
радиоактивным излучением.
Явление самопроизвольного распада ядер называется
радиоактивным распадом.
Радиоактивные вещества сначала были обнаружены в
природе U, Po, Ra Беккерелем в 1896г.
Радиоактивный распад природных элементов назвали
естественной радиоактивностью. Затем
радиоактивные вещества научились получать
искусственно, данную радиоактивность называют
искусственной радиоактивностью.

7.

В процессе изучения явления радиоактивности были
обнаружены 3 вида лучей: α-, β- и γ-лучей.
Позже было установлено, что α- и β-частицы продукты двух различных видов радиоактивного
распада, а γ-лучи являются побочным продуктом этих
процессов.
Свойства радиоактивных излучений:
невидимы для глаза;
• обнаруживаются только по их действию на
вещество: фотохимическое действие,
люминесценция, ионизация и др.

8.

α -излучение – поток α -частиц (ядер гелия) с
высокой кинетической энергией.
α -частица состоит из двух протонов и двух
нейтронов, обладает зарядовым числом Z=2 и
массовым числом A=4.
Получается α -излучение при α -распаде,
характерном для ядер тяжелых элементов и
протекающего по схеме:
A
A 4
4
Z X Z 2 Y 2
Материнское ядро
Например:
226
88 Ra
Дочернее ядро
222
86
Rn
4
2
.

9.

β -излучение – поток
β
частиц с высокой кинетической энергией, которые представляют собой
поток электронов (у большинства радиоактивных
элементов)
или
позитроны
(у
некоторых
искусственно получаемых элементов), возникает при
который
происходит
у
ядер
с
β-распаде,
неблагополучным соотношением числа нейтронов и
протонов.
Существует три вида распада.

10.

1.Электронный распад заключается в
превращении одного ядерного нейтрона в протон и
электрон.
В ядре:
1
0n
Протон
Схема:
1
1 p
0
1
~
,
Электрон
Антинейтрино
~.
3
3
0
~
1 H 2 He 1 .
A
Z
X
A
Z 1
Y
0
1

11.

2.Позитронный распад заключается в
превращении одного ядерного протона в нейтрон и
позитрон.
1
0
1
1p
В ядре:
0
n 1
,
Позитрон
Схема:
A
Z
X
A
Z 1
79
37 Rb
Y
79
36 Kr
0
1
Нейтрино
.
0
1
.

12.

Позитрон – это античастица для электрона. При
встрече позитрона с электроном происходит их
аннигиляция (взаимоуничтожение), в результате
которой рождаются два γ-кванта.

13.

3. Электронный или е-захват. При этом виде
радиоактивности один из внутренних электронов
атома захватывается своим собственным ядром,
внутри ядра:
1
1
Схема:
p
0
1
A
ZX
0
1
1
0 n
A
Z 1
.
Y .
7
0
7
4 Be 1 3 Li .
В зависимости от того, с какой орбиты ядро
захватывает электрон, е-захват называют K,L и т.д.захватом.
!!!Электронный захват сопровождается излучением
жесткого рентгеновского излучения.

14.

Гамма-излучение имеет электромагнитную природу и
представляет собой фотоны с длиной волны λ ≤ 1010 м.
• Гамма-излучение не является самостоятельным
видом радиоактивного распада. Излучение этого
типа почти всегда сопровождает не только αраспад и β-распад, но и более сложные ядерные
реакции.
• Оно не отклоняется электрическим и магнитным
полями.

15.

Основной закон радиоактивного распада
Радиоактивный распад – статистическое явление.
Нельзя заранее предсказать, когда распадется
нестабильное ядро, можно только для большой
совокупности ядер вывести некоторый статистический
закон.
Пусть за время dt распадается dN ядер:
dN Ndt
постоянная распада ( пропорциональна вероятности
распада ядра и для каждого вида ядер является
индивидуальной величиной).

16.

N N 0e
t
.
-уравнение является основным законом
радиоактивного распада и показывает, что число
нераспавшихся ядер убывает со временем по
экспоненциальному закону.
Число распавшихся ядер определяется как
N N 0 N N 0 1 e
t

17.

Скорость распада чаще всего характеризуется
величиной периода полураспада T -это время, в
течение которого распадается половина начального
числа ядер.
Запишем закон радиоактивного распада при t=T:
N0
T
N 0e ,
2
e
T
T
2; T ln e ln 2; T ln 2,
ln 2
0,693
.

18.

Активность радиоактивного распада А: общее число
распадов, происходящих в источнике в единицу
времени, она характеризует абсолютную скорость:
dN
ln 2
t
t
A
N 0e
N 0 e
N
N
dt
T
A A0e
t
.
рас
А 1
1 Бк Или внесистемной единицей
с
измерения:
рас
1Ки 3,7 10
.
с
10

19.

Проникающая и ионизирующая
способности радиоактивного излучения
α , β -частицы и γ -кванты, обладающие высокой
кинетической энергией, достаточно легко проникают
в вещество: при этом они ионизируют вещество;
радиоактивное излучение может возбудить атом,
который возвращаясь в стационарное состояние,
излучает видимый свет;
может активировать молекулы, в результате чего
возможны фотохимические реакции

20.

По мере продвижения радиоактивного излучения в
глубь вещества его энергия уменьшается, скорость их
снижается до тепловых скоростей - ионизирующее
действие прекращается.
Наибольшую глубину проникновения частиц в
вещество называют пробегом. Проникающую
способность частиц оценивают её пробегом в воздухе.

21.

Ионизирующая способность частиц
радиоактивного излучения
-пропорциональна их кинетической энергии и зависит
от квадрата их заряда - взаимодействие частиц с
электронами атома осуществляется посредством
электрического поля при сближении на достаточно
малые расстояния.
-определяется числом ионов, образуемых частицей на
протяжении пути пробега - чем больше
ионизирующая способность частицы, тем меньше
глубина проникновения её в вещество.

22.

α -частица, имеющая двойной элементарный заряд и
высокую кинетическую энергию, производит
интенсивную ионизацию и проникает в вещество
относительно неглубоко.
В воздухе пробег 2-8,5 см. В ткани организма она
проникает только на глубину 0,1 см.

23.

β -частицы обладают меньшей кинетической
энергией, чем α -частицы, имеют один элементарный
заряд: они производят меньшую ионизацию, чем α
-частицы, и проникают в вещество на большую
глубину.
В воздухе пробег от десятков сантиметров до десятков
метров.
В ткани организма они проникают на глубину до
нескольких сантиметров.

24.

γ -фотоны отличаются высокой проникающей
способностью, т.к. не имеют заряда.
В воздухе пробег составляет десятки и сотни метров.
Основными
процессами,
отвечающими
за
поглощение γ-излучения, являются фотоэффект и
комптоновское рассеяние. При этом образуется
относительно небольшое количество свободных
электронов (первичная ионизация), которые обладают
очень высокой энергией, вызывая процессы вторичной
ионизации, которая несравненно выше первичной.

25.

Характеристики ионизирующего
излучения
1. Поглощенная доза излучения:
Wп
D п=
,
m
-это энергия излучения, поглощенная единицей массы
вещества за время облучения.
Дж
[ D п ]= 1
= 1Грей
В системе СИ:
кг
-это означает, что 1 кг вещества передана энергия в
1 Дж.
Внесистемная единица:
Дж
[ D п ]= 0,01
= 1рад
кг
т.е. 1 кг вещества передана энергия в 0,01 Дж.

26.

!!!Приборами определить поглощенную дозу облучения в
тканях организма непросто.
2. Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему
действию излучения в воздухе
Q
D 0= ,
m
Q-заряд ионов каждого знака, образовавшийся при
ионизации рентгеновским и гамма излучениями массы m
сухого воздуха (учитывается полная и первичная, и
вторичная, и т.д. ионизация).
В системе СИ
Кл
[ D 0 ]= 1
кг
:это доза рентгеновского и гамма излучений, при которой в
результате полной ионизации 1 кг сухого воздуха образуются
ионы, несущие заряд в 1 Кл электричества каждого знака.

27.

Внесистемная единица
[ D 0 ]= 1P( Рентген)
- это доза рентгеновского и гамма излучений, при которой в
результате полной ионизации1 см3чистого сухого воздуха при
и нормальном давлении образуется (два миллиона) пар ионов.
o
0 C
−4
1P= 2,58⋅ 10
Ткани
Кл
кг
Поглощенная доза Экспозиционная
доза
Для воды и мягких 1 рад
тканей
1Р
Для костной ткани 1 рад
2-5Р

28.

!!!Различные виды излучения даже при одной и той
же поглощенной дозе оказывают различное
биологическое действие.
В дозиметрии принять сравнивать биологические
эффекты различных видов излучений с
соответствующими эффектами рентгеновского и
гамма излучений:
3. Биологическая (эквивалентная) доза излучения:
Dб= η Dп
- относительная биологическая эффективность
(коэффициент качества).
[ D б ]= 1бэр - биологический эквивалент Рентгена –
это энергия любого вида излучения, которое по
своему биологическому действию эквивалентно
действию рентгеновского или гамма излучений.

29.

Значения коэффициента качества для некоторых
видов излучений:
Виды излучений
η
Рентгеновское, β ,γ
1
Медленные нейтроны
Быстрые
нейтроны,
протоны
5
10
α -частицы
20

30.

Действие излучения на ткани организма зависит не только от
общей дозы излучения, но и от скорости нарастания дозы, т.е. от
мощности дозы
ΔD
P= . .
Δt
Единица измерения мощности поглощенной дозы
Вт
[ P п ]= 1
кг
Внесистемная единица:
рад
[ P п ]= 1
кг
Единица измерения мощности экспозиционной дозы
А
[ P 0 ]= 1
кг
Внесистемная единица
Р мкР
[ P 0 ]= 1 ,1
с
с

31.

Защита от ионизирующего излучения
Защита:
расстоянием,
временем;
веществом (изучить самостоятельно)

32.

Спасибо за внимание!!!