Понятие радиоактивности. Виды распада

1. Понятие радиоактивности. Виды распада

АО «АТОМЭНЕРГОПРОМ»
Санкт-Петербургский филиал
негосударственного образовательного учреждения
дополнительного профессионального образования
«Центральный институт повышения квалификации
Госкорпорации «Росатом»
Понятие радиоактивности.
Виды распада
Санкт-Петербург
2015
www.rosatom-cipk.spb.ru

2. Содержание

Радиоактивность
Изотопы
Радиоактивные превращения
Радиоактивный распад
альфа-распад
бета-распад
нейтронный распад
Радиоактивные ряды (семейства),«цепочки» распада
Деление ядер атомов
Цепная реакция деления
Характеристики радиоактивных превращений
Единицы измерения в дозиметрии
экспозиционная доза
поглощённая доза
эквивалентная доза
эффективная эквивалентная доза
Источники поступления радионуклидов в окружающую среду
Области применения радионуклидных источников
Влияние излучения на организм человека. Эффекты радиации
www.rosatom-cipk.spb.ru
2

3. Радиоактивность

это способность ядер атомов различных химических
элементов разрушаться, видоизменяться с испусканием
атомных и субатомных частиц высоких энергий.
При радиоактивных превращениях, в подавляющем
большинстве случаев, ядра атомов (а значит, и сами
атомы) одних химических элементов превращаются в ядра
атомов (в атомы) других химических элементов, либо один
изотоп химического элемента превращается в другой
изотоп того же элемента.
Атомы, ядра которых подвержены радиоактивному
распаду или другим радиоактивным превращениям,
называются радиоактивными.
www.rosatom-cipk.spb.ru
3

4. Изотопы

(от греческих слов isos – «равный,
одинаковый» и topos – «место»)
это нуклиды одного химического элемента, т.е. разновидности
атомов определенного элемента, имеющие одинаковый
атомный номер, но разные массовые числа.
Изотопы обладают ядрами с одинаковым числом протонов и
различным числом нейтронов и занимают одно и то же место в
периодической системе химических элементов. Различают
стабильные изотопы, которые существуют в неизменном виде
неопределенно долго, и нестабильные (радиоизотопы), которые
со временем распадаются.
Известно 280 стабильных изотопов у 83 природных
элементов и более 2500 радиоактивных изотопов у 118
природных и искусственно полученных элементов.
Нуклид (от латинского nucleus – «ядро») - совокупность атомов с определенными
значениями заряда ядра и массового числа.
А
Условные обозначения нуклида: Z X , где X – буквенное обозначение элемента, Z – число
протонов (атомный номер), A – сумма числа протонов и нейтронов (массовое число).
www.rosatom-cipk.spb.ru
4

5.

Изотопы
Даже у самого первого в таблице Менделеева и самого лёгкого
атома - водорода, в ядре которого только один протон (а вокруг него
вращается один электрон), имеется три изотопа.
Первый - это обычный водород, или протий,
ядро которого состоит только из протона; его
атомный вес равен единице, химический
символ Н (или Н-1).
Второй - дейтерий, или тяжёлый водород,
ядро которого состоит из одного протона и
одного нейтрона; атомный вес - два, химический символ D (или Н-2).
И тритий, в ядре которого один протон и два
нейтрона; атомный вес - три, химический
символ Т (или Н-3). Первые два изотопа
стабильные, третий - тритий - радиоактивен.
www.rosatom-cipk.spb.ru
_
+
+n
_
_
+n
n
5

6.

Изотопы некоторых
химических элементов
Химический
элемент
Обозначение
Атомный
номер
Количество
нуклидов
Массовые
числа
Водород
H
1
6
1-6
Углерод
C
6
18
8 - 22
Кобальт
Co
27
28
50 -72
Стронций
Sr
38
33
73 - 102
Серебро
Ag
47
58
94 - 129
Индий
In
49
72
100 - 135
Цезий
Cs
55
53
112 - 143
Уран
U
92
27
217 - 242
Плутоний
Pu
94
25
228 - 247
www.rosatom-cipk.spb.ru
6

7.

Радиоактивные превращения
могут быть естественными, самопроизвольными (спонтанными) и
искусственными. Спонтанные радиоактивные превращения процесс случайный, статистический.
Все радиоактивные превращения сопровождаются, как правило,
выделением из ядра атома избытка энергии в виде
электромагнитного излучения.
Гамма-излучение - это поток гамма-квантов, обладающих большой
энергией и проникающей способностью.
Рентгеновское излучение - это так же поток фотонов - обычно с
меньшей энергией. Только «место рождения» рентгеновского
излучения не ядро, а электронные оболочки. Основной поток
рентгеновского излучения возникает в веществе при прохождении
через него «радиоактивных частиц» («радиоактивного излучения» или
«ионизирующего излучения»).
www.rosatom-cipk.spb.ru
7

8. Шкала электромагнитных волн

www.rosatom-cipk.spb.ru
8

9.

Основные разновидности
радиоактивных превращений
• радиоактивный
распад;
• деление ядер
атомов.
www.rosatom-cipk.spb.ru
9

10. Радиоактивный распад

это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер
атомов «элементарных» (атомных, субатомных) частиц, которые
принято называть радиоактивным (ионизирующим) излучением.
При распаде один изотоп данного химического элемента
превращается в другой изотоп того же элемента.
Для естественных (природных) радионуклидов основными
видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минусраспад.
Названия «альфа» и «бета» были даны Эрнестом Резерфордом
в 1900 году при изучении радиоактивных излучений.
Для искусственных (техногенных) радионуклидов, кроме этого,
характерны также нейтронный, протонный, позитронный (бетаплюс) и более редкие виды распада и ядерных превращений
(мезонный, К-захват, изомерный переход и др.).
www.rosatom-cipk.spb.ru
10

11. История открытия различных видов радиоактивности

Тип
радиоактивности
ядер
Вид обнаруженного
излучения
Год
открытия
Радиоактивность
атомных ядер
Излучение
1896
А. Беккерель
Альфа-распад
( Не)
1898
Э. Резерфорд
Бета-распад
e
1898
Э. Резерфорд
-квант
1900
П. Виллард
Два осколка
1940
Г.Н. Флеров,
К.А. Петржак
p
1982
З. Хофманидр.
Атомные ядра с
атомным весом от 14
14
до 34 (например, С)
1984
Х. Роуз, Г. Джонс;
Д.В. Александров и др.
4
Гамма-излучение
при распаде
Спонтанное
деление ядер
Протонный распад
Кластерный
распад
www.rosatom-cipk.spb.ru
Авторы открытия
11

12. Альфа-распад

это испускание из ядра атома альфа-частицы, которая состоит из 2
протонов и 2 нейтронов.
+n
n+
Альфа-частица имеет массу 4 единицы, заряд +2 и является ядром
γ - квант
атома гелия (4He).
n+
+n+
- частица
n n+
+ n ++ n ++
n +n
n +n + + +
+n
nn +
n+
n
+ n + n n++
+
n+
+nn + nnnn++
n+ n+
γ - квант
В результате испускания альфа-частицы образуется новый
элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки
левее, так как количество протонов в ядре, а значит, и заряд ядра, и
номер элемента стали на две единицы меньше. А масса
образовавшегося изотопа оказывается на 4 единицы меньше.
α
U-238
www.rosatom-cipk.spb.ru
Th-234
12

13.

Альфа-распад
- это характерный вид радиоактивного распада для естественных
радиоактивных элементов шестого и седьмого периодов таблицы
Д.И. Менделеева (уран, торий и продукты их распада до висмута
включительно) и особенно для искусственных - трансурановых элементов.
То есть этому виду распада подвержены отдельные изотопы всех
тяжёлых элементов, начиная с висмута.
Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий,
при альфа-распаде тория - радий, при распаде радия - радон, затем
полоний и свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238
образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т. д.
Скорость альфа-частицы при вылете из ядра - от 12 до 20 тыс. км/сек.
www.rosatom-cipk.spb.ru
13

14. Бета-распад

Бета - распад - наиболее распространённый вид радиоактивного
распада (и вообще радиоактивных превращений), особенно среди
искусственных радионуклидов.
У каждого химического элемента есть, по крайней мере, один
бета-активный, то есть подверженный бета-распаду изотоп.
Пример естественного бета-активного радионуклида - калий-40
(Т1/2=1,3×109 лет), в природной смеси изотопов калия его
содержится всего 0,0119%.
Кроме К-40, значимыми естественными бета-активными радионуклидами являются также и все продукты распада урана и тория, т.е.
все элементы от таллия до урана.
Бета-распад включает в себя такие виды радиоактивных
превращений, как:
- бета-минус распад;
- бета-плюс распад;
- К-захват (электронный захват).
www.rosatom-cipk.spb.ru
14

15.

Бета-распад
Бета-минус распад - это испускание из ядра бета-минус частицы электрона, который образовался в результате самопроизвольного
превращения одного из нейтронов в протон и электрон.
При этом бета-частица со скоростью до 270 тыс. км/сек (9/10
скорости света) вылетает из ядра. И так как протонов в ядре стало на
один больше, то ядро данного элемента превращается в ядро
соседнего элемента справа - с большим номером.
n++
+nn
+n +n+n +
_
β- частица
+ n + n +n
γ
квант
n+
+n+ n +
n +n +
К-40
Са-40
При бета-минус распаде радиоактивный калий-40 превращается в
стабильный кальций-40 (стоящий в соседней клетке справа). А радиоактивный
кальций-47 - в стоящий справа от него скандий-47 (тоже радиоактивный),
который, в свою очередь, также путём бета-минус распада превращается в
стабильный титан-47.
www.rosatom-cipk.spb.ru
15

16. Бета-распад

Бета-плюс распад - испускание из ядра бета-плюс частицы позитрона (положительно заряженного «электрона»), который
образовался в результате самопроизвольного превращения одного из
протонов в нейтрон и позитрон.
В результате этого (так как протонов стало меньше) данный элемент
превращается в соседний слева в таблице Менделеева.
n++
+nn
+n +n+n +
+ n + n +n
n+
+n+ n +
n +n +
Mg-23
γ - квант
+
p+- позитрон
Nа-23
Например, при бета-плюс распаде радиоактивный изотоп магния магний-23
превращается в стабильный изотоп натрия (стоящего слева) - натрий-23, а
радиоактивный изотоп европия – европий-150 превращается в стабильный
изотоп самария - самарий-150.
www.rosatom-cipk.spb.ru
16

17. Нейтронный распад

Нейтронный распад - испускание из ядра атома нейтрона.
Характерен для нуклидов искусственного происхождения.
При испускании нейтрона один изотоп данного химического
элемента превращается в другой, с меньшим весом.
Так, например, при нейтронном распаде радиоактивный изотоп
лития - литий-9 превращается в литий-8, радиоактивный гелий-5 - в
стабильный гелий-4.
Испускание нейтронов чаще связывается с
производством их в ядерных реакторах или
изготовленных нейтронных источниках.
искусственным
в специально
Нейтроны, образующиеся при реакции деления:
Мгновенные нейтроны – испускаются в момент реакции деления ядра.
Запаздывающие нейтроны - испускаются продуктами деления через
некоторое время (от нескольких миллисекунд до нескольких минут) после
реакции деления тяжёлых ядер.
www.rosatom-cipk.spb.ru
17

18. Нейтронный распад

В изотопных источниках нейтроны получаются:
• спонтанным делением (252Cf);
• в результате ядерных реакций (α,n) на легких ядрах,
например, 9Be(α,n)12C.
В качестве источников альфа-частиц используются альфаактивные изотопы 210Po, 226Ra, 239Pu, 241Am.
• изотопные источники монохроматических нейтронов
небольших энергий по реакции (γ, n).
Для этого используется реакции d(γ,n)p с монохроматическим
источником гамма-квантов на основе 208Tl (Eγ = 2,62 МэВ), энергия
нейтронов 200 кэВ и 9Be (γ, n) 24He (Q = -1,65 МэВ) с источником
гамма-квантов на основе 214Bi (Eγ ≈ 1,78 МэВ), энергия нейтронов 110
кэВ.
www.rosatom-cipk.spb.ru
18

19. Нейтронный распад

Искусственный нейтронный распад:
Если стабильный изотоп йода - йод-127 облучать гамма-квантами, то
он становится радиоактивным, выбрасывает нейтрон и превращается
в другой, тоже радиоактивный изотоп - йод-126.
γ - квант
γ - квант ++nnnn+n++n++
I-127
+ n + n +n
n+
+n+ n +
n +n +
www.rosatom-cipk.spb.ru
n
I-126
нейтрон
19

20. Радиоактивные ряды (семейства)

группы радионуклидов, в которых каждый последующий возникает в
результате α- или β-распада предыдущего. Каждый радиоактивный ряд
имеет родоначальника – радионуклид с наибольшим для данного ряда
периодом полураспада Т1/2.
Так как при испускании ядром α-частицы его массовое число
уменьшается на 4 единицы, а при испускании β-частицы остается
неизменным, в каждом радионуклидном ряду массовые числа
радионуклидов могут различаться на число, кратное 4.
Если значения массовых чисел членов данного радионуклидного ряда
делятся на 4 без остатка, то такие массовые числа можно выразить
общей формулой 4n (n = 58 или 59); в тех случаях, когда при делении
массового числа ядра на 4 в остатке будет 1, 2 или 3, общие формулы
для массовых чисел членов таких радионуклидных рядов можно записать
как 4n + 1, 4n + 2 или 4n + 3.
В соответствии с этими формулами различают 4 радионуклидных
ряда, родоначальниками которых являются 232Th (ряд 4n), 237Np (ряд 4n +
1), 238U (ряд 4n + 2) и 235U (ряд 4n + 3). Обычно их называют
соответственно рядами тория, нептуния, урана-238 и урана-235.
www.rosatom-cipk.spb.ru
20

21. «Цепочки» распада

В результате радиоактивных превращений могут образовываться
изотопы
другихторий-234,
химических
элементов или того же элемента,
Например,
образующийся
которые
могут бытьурана-238
радиоактивными
элементами.
присами
альфа-распаде
преТ.е. вращается
распад некоего
исходного радиоактивного
изотопа может
в протактиний-234,
который вксвою
очередь
в уран, но последовательных радиоЗаканчиваются
же всеснова
эти
альфа
привести
некоторому
количеству
впревращений
другой изотоп
- уран-234.
иуже
бета-минус
переходы
образо- изотопов разных химических
активных
различных
ваниемобразуя
стабильного
элементов,
т. н. свинца-206.
«цепочки распада».
А уран-234 альфа-распадом опять в торий (торий-230). Далее
торий-230 путём альфа-распада в радий-226, радий - в радон.
www.rosatom-cipk.spb.ru
21

22.

Радиоактивные ряды
(семейства)
В природе существуют ряды тория, урана-238 и урана-235 (так
называемые естественные радионуклидные ряды). Это связано с
тем, что периоды полураспада 232Th (1,405·1010 лет), 238U (4,468·109
лет) и 235U (7,038·108 лет) соизмеримы с возрастом Земли
(примерно 1,5·108 лет).
Заканчиваются
естественные
радионуклидные
ряды
стабильными нуклидами 208Рb, 206Рb и 207Рb, содержание которых
в земной коре медленно возрастает.
Для 237Np T1/2 = 2,14·106 лет, поэтому членов его
радионуклидного ряда в природе нет - все они полностью
распались.
В 40-50-х гг. 20 в. получены искусственно члены этого
радионуклидного ряда. Завершает радионуклидный ряд нептуния
стабильный нуклид 209Bi.
www.rosatom-cipk.spb.ru
22

23.

Радиоактивные ряды (семейства)
www.rosatom-cipk.spb.ru
23

24.

Радиоактивные ряды (семейства)
www.rosatom-cipk.spb.ru
24

25. Деление ядер атомов

это самопроизвольное, или под действием нейтронов, раскалывание
ядра атома на 2 примерно равные части, на два «осколка».
При делении вылетают 2-3 лишних нейтрона и выделяется избыток
энергии в виде гамма-квантов, гораздо больший, чем при
радиоактивном распаде.
Если на один акт радиоактивного распада обычно приходится один
гамма-квант, то на 1 акт деления приходится 8 -10 гамма-квантов!
Кроме того, разлетающиеся осколки обладают большой кинетической
энергией (скоростью), которая переходит в тепловую.
Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление двух-трёх
аналогичных ядер, если те окажутся поблизости и если нейтроны
попадут в них.
Таким
образом,
появляется
возможность
осуществления
разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер
атомов с выделением огромного количества энергии.
www.rosatom-cipk.spb.ru
25

26. Цепная реакция деления

Если позволить цепной реакции развиваться бесконтрольно, то
произойдёт атомный (ядерный) взрыв.
Инициирующее
U-235
нейтронное
излучение
Образуются
«осколки
деления»
U-235
U-235
U-235
U-235
U-235
U-235
U-235
U-235
U-235
Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием,
не давать ускоряться и постоянно отводить выделяющуюся
энергию (тепло), то эту энергию («атомную энергию») можно
использовать для получения электроэнергии. Это осуществляется в
атомных реакторах, на атомных электростанциях.
www.rosatom-cipk.spb.ru
26

27.

Деление ядер атомов
Процесс спонтанного деления тяжелых ядер (А>240) по сравнению с остальными
видами распада явление довольно редкое.
Известно небольшое число изотопов у которых спонтанное деление является
преобладающим видом распада. Примеры - Кюрий-250, Калифорний-254, Фермий256.
Для Урана-238 спонтанное деление происходит в два миллиона раз реже,
чем -распад.
Ядро
Период
полураспада,
лет
Вероятность
спонтанного
деления
Выход
нейтронов на
1 деление
Поток
нейтронов,
г−1·с−1
235U
7,04·108
2,0·10−9
1,86
3,0·10−4
238U
4,47·109
5,4·10−7
2,07
0,0136
239Pu
2,41·104
4,4·10−12
2,16
2,2·10−2
240Pu
6569
5,0·10−8
2,21
920
8300
0,80
3,3
2,1·1010
2,638
3,09·10−2
3,73
2,3·1012
250Cm
Кюрий
252Cf
www.rosatom-cipk.spb.ru
27

28. Массовые распределения осколков деления урана-235

www.rosatom-cipk.spb.ru
28

29. Характеристики некоторых радионуклидов - продуктов деления урана-235

Характеристики некоторых радионуклидов продуктов деления урана-235
Активность
в реакторе
мощностью
3400 МВт,
работавшего
три года, млн.
Кюри
Период
полурас
пада, сут
Выход
при
делении,
%
иод-131
8,04
2,88
87
иод-132
0,095
4,30
130
иод-133
0,866
6,70
180
иод-135
0,276
6,55
170
криптон-85
3,95
1,30
0,66
криптон-85м
0,187
1,30
32
криптон-87
0,053
2,56
57
криптон-88
0,119
3,64
77
ксенон-133
5,25
6,7
180
ксенон-135
0,378
6,55
38
цезий-134
753
7,81
13
цезий-137
11000
6,23
6,5
Другие осколки
деления
стронций-90
10300
5,94
Имя нуклида
Изотопы иода
Инертные газы
Изотопы цезия
www.rosatom-cipk.spb.ru
29

30.

Примеры: изотопы йода и цезия – осколки
деления ядра урана
www.rosatom-cipk.spb.ru
30

31. Источники поступления радионуклидов в окружающую среду

1. Естественные радионуклиды, которые сохранились до нашего
времени с момента их образования (возможно, со времени образования
солнечной системы или Вселенной), так как у них велики периоды
полураспада, а значит, велико время жизни.
2. Радионуклиды осколочного происхождения, которые образуются
в результате деления ядер атомов. Образуются в ядерных реакторах, в
которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при
испытаниях ядерного оружия (неуправляемая цепная реакция).
3. Радионуклиды активационного происхождения образуются из
обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при
попадании в ядро стабильного атома субатомной частицы (чаще –
нейтрона), в результате чего стабильный атом становится
радиоактивным. Получают активацией стабильных изотопов, помещая
их в активную зону реактора, либо бомбардировкой стабильного
изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и
т.п.
www.rosatom-cipk.spb.ru
31

32.

Характеристики радиоактивных
превращений
Активность - это количество актов распада (в общем случае актов
радиоактивных, ядерных превращений) в единицу времени (как
правило, в секунду). Единицами измерения активности являются
беккерель и кюри.
Беккерель (Бк) - это один акт распада в секунду (1 расп./сек).
Кюри (Ки) - 3,7×1010 Бк
(расп./сек).
Единица возникла исторически: такой активностью обладает 1
грамм радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада.
Именно с радием-226 долгие годы работали лауреаты Нобелевской
премии французские учёные супруги Пьер Кюри и Мария
Склодовская-Кюри.
www.rosatom-cipk.spb.ru
32

33.

Характеристики радиоактивных
превращений
Период полураспада (T1/2) - время, в течение которого половина
радиоактивных атомов распадается и их количество в среднем
уменьшается в 2 раза.
Периоды полураспада у всех радионуклидов разные - от долей
секунды (короткоживущие радионуклиды) до миллиардов лет
(долгоживущие).
Закон радиоактивного распада
Изменение активности нуклида в источнике с течением времени
зависит
от
периода
полураспада
данного
нуклида
по
0, 693 t
экспоненциальному закону:
T
Аи (t ) Аи (0) e
1/ 2
где Aи (0) – исходная активность нуклида;
Aи (t) – активность спустя время t;
T1/2 – период полураспада нуклида.
Открыт Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом, каждый из которых впоследствии был
награжден Нобелевской премией. Опубликован в 1903 году
www.rosatom-cipk.spb.ru
33

34.

Характеристики радиоактивных
превращений
Закон радиоактивного распада (графическое представление):
Наглядная демонстрация
закона распада
Падение активности до ниже МЗУА происходит примерно после 8 -10 Т1/2
www.rosatom-cipk.spb.ru
34

35. Характеристики радиоактивных превращений

Зависимость между массой радионуклида (без
учета массы неактивного изотопа) и его активностью
выражается следующим соотношением:
Аи 4,17 10
23
mи
,
А Т1/ 2
где mи – масса радионуклида, г;
T1/2 – период полураспада радионуклида, с;
Aи – активность радионуклида, Бк;
А – атомная масса радионуклида.
www.rosatom-cipk.spb.ru
35

36. Проникающая способность радиоактивного излучения

Пробег альфа-частиц зависит от начальной энергии и обычно
колеблется в пределах от 3-х до 7 (редко до 13) см в воздухе, а в
плотных средах составляет сотые доли мм (в стекле - 0,04 мм).
Альфа-излучение не пробивает лист бумаги и кожу человека. Из-за
своей массы и заряда альфа-частицы обладают наибольшей
ионизирующей способностью, они разрушают всё на своём пути,
поэтому
альфа-активные
радионуклиды
являются
наиболее
опасными для человека и животных при попадании внутрь.
Пробег бета-частиц в веществе из-за малой массы (~ в 7000 раз
меньше массы альфа-частицы), заряда и размеров значительно
больше. При этом путь бета-частицы в веществе не является
прямолинейным. Проникающая способность также зависит от энергии.
Проникающая способность бета-частиц, образовавшихся при
радиоактивном распаде, в воздухе достигает 2÷3 м, в воде и других
жидкостях измеряется сантиметрами, в твёрдых телах - долями см.
В ткани организма бета-излучение проникает на глубину 1÷2 см.
www.rosatom-cipk.spb.ru
36

37. Проникающая способность радиоактивного излучения

www.rosatom-cipk.spb.ru
37

38. Характеристики радиоактивных превращений

Кратность ослабления гамма-излучения.
Наиболее
проникающими
видами
излучения
являются
нейтронное и гамма-излучение. Их пробег в воздухе может
достигать десятков и сотен метров (также в зависимости от
энергии), но при меньшей ионизирующей способности.
В качестве защиты от гамма-излучения применяют толстые слои
из свинца, стали, бетона (материалы с большим атомным номером)
и т. п. и речь ведут уже о кратности ослабления.
По отношению к изотопу кобальта-60 (Е = 1,17 и 1,33 Мэв) для 10кратного ослабления гамма-излучения требуется защита из:
• свинца толщиной порядка 5 см;
• бетона около 33 см;
• воды - 70 см.
Для 100-кратного ослабления гамма-излучения требуется
защита из свинца толщиной 9,5 см; бетона - 55 см; воды - 115 см.
www.rosatom-cipk.spb.ru
38

39.

Характеристики радиоактивных
превращений
Кратность ослабления нейтронного излучения
Наиболее
эффективно
ослабление
нейтронного
потока
производится защитой из материалов:
• легкие водородсодержащие материалы (водород, вода,
полиэтилен и др.) - эффективные замедлители нейтронов;
• легкие материалы, не содержащие водорода (углерод, карбид
бора и др.) - используются при наличии ограничений на
использование водородсодержащих материалов;
• материалы, состоящие из химических элементов со «средним»
атомным номером (бетон, различные породы и минералы);
• тяжелые материалы (железо, свинец, вольфрам и др.),
применяющиеся для защиты от фотонного излучения и
улучшающие свойства защиты от быстрых нейтронов из-за
высоких сечений неупругого рассеяния;
• металловодородосодержащие среды.
www.rosatom-cipk.spb.ru
39

40.

Характеристики радиоактивных
превращений
Кратность ослабления нейтронного излучения (продолжение)
В отличие от легких веществ, интенсивно ослабляющих
нейтронные потоки и незначительно Ɣ - кванты, в тяжелых
веществах заметное ослабление нейтронов не наблюдается, а Ɣ излучение ослабляется значительно. В результате, коэффициент
k Ɣ,n не сильно изменяется по толщине защиты.
Для снижения выхода вторичного Ɣ - излучения используются:
1. Гомогенный ввод в тяжелую защитную среду или гетерогенный ввод
(в виде прослоек ~1см между тяжелой и водородсодержащей защитными средами)
материалов, характеризующихся, значительным сечением поглощения
нейтронов и незначительным сечением возникновения захватного Ɣ –
излучения - 10В или карбид бора (применяется в ЯЭУ).
2. Гетерогенное введение свинца между слоем стали и воды блокировка стали свинцом, (малое у свинца сечение радиационного
захвата
нейтронов,
наличие
диффузного
сопротивления
низкоэнергетическим нейтронам, падающим на сталь из воды, а также
эффективное поглощение вторичных фотонов). Оптимальная толщина
свинцовых слоев - около 5 см.
www.rosatom-cipk.spb.ru
40

41.

Единицы измерения в дозиметрии.
Экспозиционная доза
Доза (от греческого – «доля, порция») облучения.
Экспозиционная доза (для рентгеновского и гамма-излучения) определяется по ионизации воздуха.
Единица измерения в системе СИ - «кулон на кг» (Кл/кг) – это такая
экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при
создании которой в 1 кг сухого воздуха образуется заряд ионов одного
знака, равный 1 Кл.
Внесистемной единицей измерения является «рентген».
1 Р = 2,58×10-4 Кл/кг.
По определению 1 рентген (1Р) - это такая экспозиционная доза
при поглощении которой в 1 см3 сухого воздуха образуется
2,08×109 пар ионов.
Связь между двумя этими единицами следующая:
1 Кл/кг = 3,68 ·103 Р.
Экспозиционной дозе 1Р соответствует поглощенная доза в
воздухе ~ 0,88 рад.
www.rosatom-cipk.spb.ru
41

42. Единицы измерения в дозиметрии. Поглощенная доза

Поглощённая доза - энергия ионизирующего излучения,
поглощенная единичной массой вещества.
Под энергией излучения, переданной веществу, понимается
разность между суммарной кинетической энергией всех частиц и
фотонов, попавших в рассматриваемый объем вещества, и
суммарной кинетической энергией всех частиц и фотонов,
покидающих этот объем. Следовательно, поглощенная доза
учитывает всю энергию ионизирующего излучения, оставленную в
пределах этого объема, независимо от того, на что эта энергия
потрачена.
Единицы измерения поглощенной дозы:
Грэй (Гр) - единица поглощённой дозы в системе единиц СИ.
Соответствует энергии излучения в 1 Дж, поглощённой 1 кг вещества.
Рад - внесистемная единица поглощённой дозы. Соответствует
энергии излучения 100 эрг, поглощённой веществом массой 1 грамм.
1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр.
www.rosatom-cipk.spb.ru
42

43.

Единицы измерения в дозиметрии.
Поглощенная доза
Биологический эффект при одинаковой поглощенной
оказывается различным для разных видов излучения.
дозе
Например, при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение
оказывается гораздо опаснее, чем фотонное или бета-излучение.
Это связано с тем, что альфа-частицы создают на пути своего
пробега в биологической ткани более плотную ионизацию,
концентрируя таким образом вредное воздействие на организм в
определенном органе. При этом весь организм испытывает на себе
значительно большее угнетающее действие излучения.
Следовательно, для создания одинакового биологического
эффекта при облучении тяжелыми заряженными частицами
необходима меньшая поглощенная доза, чем при облучении легкими
частицами или фотонами.
www.rosatom-cipk.spb.ru
43

44.

Единицы измерения в дозиметрии.
Эквивалентная доза
Эквивалентная доза - произведение поглощенной дозы на на
соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида
излучения.
Единицы измерения эквивалентной дозы:
Зиверт (Зв) – это единица измерения эквивалентной дозы, любого
вида излучения, которое создает такой же биологический эффект,
как и поглощенная доза в 1 Гр рентгеновского или гамма-излучения.
Следовательно, 1 Зв = 1 Дж/кг.
Бэр (внесистемная единица) – это такое количество энергии
ионизирующего излучения, поглощенное 1 кг биологической ткани,
при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при
поглощенной дозе 1 рад рентгеновского или гамма-излучения.
1 бэр = 0,01 Зв = 100 эрг/г.
Наименование
«бэр»
образовано
по
первым
буквам
словосочетания «биологический эквивалент до 1963 г. – рентгена,
после 1963 г. - рада» .
www.rosatom-cipk.spb.ru
44

45.

Единицы измерения в дозиметрии.
Эквивалентная доза
До 1996 г. при расчёте эквивалентной дозы использовались
«коэффициенты качества излучения» (К) – поправочные
коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические
объекты (различную способность повреждать ткани организма)
разных излучений при одной и той же поглощённой дозе.
Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности
(НРБ-99/2009) назвали – «взвешивающие коэффициенты для
отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной
дозы (WR)».
Их значения составляют соответственно:
• рентгеновское, гамма, бета-излучение, электроны и позитроны - 1;
• протоны с Е более 2 Мэв – 5;
• нейтроны с Е менее 10 кэв) – 5;
• нейтроны с Е от 10 кэв до 100 кэв - 10;
• альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра - 20 и т. д.
www.rosatom-cipk.spb.ru
45

46.

Единицы измерения в дозиметрии.
Эффективная эквивалентная доза
Эффективная эквивалентная доза - эквивалентная доза,
рассчитанная с учётом разной чувствительности различных тканей
организма к облучению; равна эквивалентной дозе, полученной
конкретным органом, тканью (с учётом их веса), умноженной на
соответствующий «коэффициент радиационного риска» (старое
определение).
Эти коэффициенты учитывают различную чувствительность разных
органов и тканей в возникновению стохастических эффектов от
воздействия излучения.
В
НРБ-99/2009
их
называют
«взвешивающими
коэффициентами для тканей и органов при расчёте
эффективной дозы (WT)» .
Для организма в целом этот коэффициент принят равным 1, а
для некоторых органов имеет следующие значения:
• костный мозг (красный) - 0,12; гонады (яичники, семенники) - 0,20;
• щитовидная железа - 0,05;
кожа - 0,01 и т. д.
• лёгкие, желудок, толстый кишечник - 0,12;
www.rosatom-cipk.spb.ru
46

47.

Единицы измерения в дозиметрии.
Эффективная эквивалентная доза
Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной
человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех
органов.
Для измерения эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в
системе СИ используется та же единица - зиверт (Зв).
1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение вели-чины
поглощённой дозы в Грэях (в биологической ткани) на взвешивающие
коэффициенты будет равно 1 Дж/кг.
Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг
вещества выделяется энергия в 1 Дж.
Внесистемная единица – бэр.
Взаимосвязь между единицами измерения:
1 Зв = 1 Гр * WR = 1 Дж/кг * WR = 100 рад * WR = 100 бэр
При WR=1 (для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и
позитронов) 1 Зв соответствует поглощённой дозе в 1 Гр:
1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 бэр.
www.rosatom-cipk.spb.ru
47

48.

Единицы измерения в дозиметрии.
Эффективная эквивалентная доза
Фиксированная эффективная эквивалентная доза (CEDE - the
committed effective dose equivalent) – доза, полученная в результате
поступления
РВ
в
организм.
Величина
учитывает
радиочувствительность различных органов и время, в течение
которого вещество остается в организме (вплоть до всей жизни).
СЕDЕ измеряется в зивертах (Зв). В зависимости от ситуации, СЕDЕ
может также иметь отношение к дозе излучения определенного органа, а не
всего тела.
Эффективная и эквивалентная дозы - это нормируемые
величины, т.е.величины, являющиеся мерой ущерба (вреда) от
воздействия ИИ на человека и его потомков. К сожалению, они не
могут быть непосредственно измерены.
На практике используются операционные дозиметрические
велины,
однозначно
определяемые
через
физические
характеристики поля излучения в точке, максимально возможно
приближенные к нормируемым.
www.rosatom-cipk.spb.ru
48

49.

Единицы измерения в дозиметрии.
Амбиентный эквивалент дозы
Основной операционной величиной является амбиентный
эквивалент дозы (синонимы - эквивалент амбиентной дозы,
амбиентная доза) (англ. ambient - окружающий, обволакивающий).
Амбиентный эквивалент дозы Н*(d) - эквивалент дозы,
который
был
создан
в
шаровом
фантоме
МКРЕ
(Международной комиссии по радиационным единицам) на
глубине d (мм) от поверхности по диаметру, параллельному
направлению излучения, в поле излучения, идентичном
рассматриваемому по составу, флюенсу и энергетическому
распределению, но мононаправленном и однородном.
Т.е. амбиентный эквивалент дозы Н*(d) - это доза, которую
получил бы человек, если бы он находился на месте, где
проводится измерение.
Единица амбиентного эквивалента дозы - зиверт (Зв).
www.rosatom-cipk.spb.ru
49

50.

Единицы измерения в дозиметрии.
Соотношение единиц
Ещё в 50-х годах было установлено, что если при
экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает
приблизительно столько же энергии, что и биологическая
ткань.
Поэтому оказывается, что при оперативной оценке доз
можно считать (с минимальной погрешностью), что
экспозиционная доза в 1 рентген для биологической
ткани соответствует (эквивалентна) поглощённой дозе
в 1 рад и эквивалентной дозе в 1 бэр (при К=1), то есть,
грубо говоря, что 1 Р, 1 рад и 1 бэр - это одно и то же.
При экспозиционной дозе 12 мкР/час за год получаем
дозу 1 мЗв.
www.rosatom-cipk.spb.ru
50

51.

Единицы измерения в дозиметрии.
Мощность дозы
Мощность дозы – доза за единицу времени (секунду, минуту, час) .
Имеет размерность соответствующей дозы (поглощенной, экспозиционной и т. п.),
делённую на единицу времени (например, Зв/час, бэр/мин и др.).
Используется для:
-
-
прогнозирования дозы облучения при необходимости пребывания
персонала (выполнения работ) в условиях воздействия ионизирующего
излучения в течение определенного времени;
прогнозирования
допустимого времени пребывания персонала
(выполнения работ) при условии получения не более заданной дозы
(допустимых значений).
Радиационный фон - мощность дозы ионизирующего излучения в
данном месте.
Естественный
радиационный
фон
мощность
дозы
ионизирующего
излучения,
создаваемая
всеми
природными
источниками ИИ в данном месте.
В среднем составляет 0,09 ÷ 0,15 мкЗв/час или (на старых табло)
9÷15 мкР/час .
www.rosatom-cipk.spb.ru
51

52.

Благодарю за внимание !
Готов ответить на Ваши вопросы.
Бомбин Роман Николаевич
[email protected]
тел. (812) 394-34-08, факс (812) 394-61-17
www.atomprof.spb.ru
52