Ионизирующее излучение

1.

Министерство образования
Белорусский государственный университет
Международный государственный экологический институт им. А.Д.
Сахарова
ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
для специальности 1-31 04 05 Медицинская
физика
Кафедра ядерной и радиационной
безопасности

2.

• –
Ионизирующее излучение
любое излучение, взаимодействие которого с веществом
приводит к образованию ионов разных знаков в этом
веществе.
• Ионизирующее излучение:
– Непосредственное ионизирующее излучение
– Косвенное ионизирующее излучение
• Непосредственное ионизирующее излучение состоит из
заряженных частиц (е, р, α-частицы). Их энергия должна быть
достаточна для ионизации при столкновении, чтобы выбить
орбитальные электроны из атомов при кулоновском
взаимодействии).
• Косвенное
ионизирующее
излучение
состоит
из
незаряженных частиц (γ-кванты, n), которые создают
непосредственно ИИ и (или) вызывают ядерные реакции. Т.е.,
энергия передается вначале заряженной частице (е, р), а
затем эти вторичные частицы производят ионизацию и(или)
вызывают ядерные реакции.

3.

ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
• Впервые термин ИИ введен в 1896г. Томсоном и Резерфордом
при описании рентгеновских лучей.
• Фотонное ИИ:
– γ-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния
атомных ядер, при ядерных превращениях или при аннигиляции
частиц
– Тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром,
возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных
частиц;
– Характеристическое излучение с дискретным энергетическим
спектром, возникающее при изменении энергетического состояния
электронов атома;
– Рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или)
характеристического излучений.
• Корпускулярное излучение – ИИ, состоящее из частиц с массой
отличной от 0, т.е. α, n, β, μ и др. Эти частицы называют
ионизирующими.

4.

ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
• Смешанное ИИ – состоит из частиц различного вида или
частиц и фотонов.
• ИИ: моноэнергетическое и немоноэнергетическое.
• Первичное ИИ – излучение, которое в рассматриваемом
процессе взаимодействия со средой является или
принимается за исходное.
• Вторичное ИИ возникает в результате взаимодействия
первичного ИИ с данной средой.
• ИИ подразделяют на 4 группы:
• 1 – тяжелые заряженные частицы (р, α-частицы, ...)
• 2 – легкие заряженные частицы: электроны и
позитроны.
• 3 – фотонное: рентгеновское и γ-излучение
• 4 – нейтронное

5.

Альфа-излучение
• В формировании положительно заряженных
альфа-частиц принимают участие 2 протона и
2 нейтрона, входящих в состав ядер гелия.
• Альфа-частицы образуются при распаде ядра
атома и могут иметь начальную кинетическую
энергию от 1,8 до 15 МэВ. Характерными
особенностями альфа-излучения являются:
– высокая ионизирующая и
– малая проникающая способности.
• При движении альфа-частицы очень быстро
теряют свою энергию, и это обуславливает тот
факт, что ее не хватает даже для преодоления
тонких пластмассовых поверхностей.

6.

Альфа-излучение
• В целом, внешнее облучение альфачастицами, если не брать в расчет
высокоэнергичные
альфа-частицы,
полученные с помощью ускорителя, не несет в
себе никакого вреда для человека, а вот
проникновение частиц внутрь организма
может быть опасно для здоровья.
• альфа-радионуклиды отличаются большим
периодом полураспада и обладают сильной
ионизацией.
• В случае попадания внутрь организма альфачастицы часто могут быть даже опаснее, чем
бета- и гамма-излучение.

7.

Бета-излучение
• Заряженные бета-частицы, скорость которых
близка к скорости света, образуются в
результате бета-распада.
• Бета-лучи обладают большей проникающей
способностью, чем альфа-лучи:
• – они могут вызывать химические реакции,
люминесценцию,
ионизировать
газы,
оказывать эффект на фотопластинки.
• В качестве защиты от потока заряженных бетачастиц (энергией не более 1МэВ) достаточно
будет использовать обычную алюминиевую
пластину толщиной 3-5 мм.

8.

Фотонное излучение: гамма-излучение
и рентгеновское излучение
• Фотонное излучение включает в себя два вида излучений:
• рентгеновское (может быть тормозным и характеристическим) и
• гамма-излучение.
• Наиболее распространенным видом фотонного излучения
являются обладающие очень высокой энергией при
ультракороткой
длине
волны
гамма-частицы,
которые
представляют собой поток высокоэнергичных, не обладающих
зарядом фотонов.
• В отличие от альфа- и бета-лучей гамма-частицы не отклоняются
магнитными и электрическими полями и обладают значительно
большей проникающей способностью.
• В
определенных
количествах
и
при
определенной
продолжительности воздействия гамма-излучение может вызвать
лучевую болезнь, привести к возникновению различных
онкологических заболеваний.
• Препятствовать распространению потока гамма-частиц могут
только такие тяжелые химические элементы, как, например,
свинец, обедненный уран и вольфрам.

9.

Нейтронное излучение
• Источником возникновения нейтронного излучения могут
быть ядерные взрывы, ядерные реакторы, лабораторные и
промышленные установки.
• Сами нейтроны представляют собой электрически
нейтральные,
нестабильные
(период
полураспада
свободного нейтрона составляет около 10 минут) частицы,
которые благодаря тому, что у них отсутствует заряд,
отличаются большой проникающей способностью при
слабой степени взаимодействия с веществом.
• Нейтронное излучение очень опасно, поэтому для защиты
от него используют ряд специальных, в основном
водородосодержащих,
материалов.
Лучше
всего
нейтронное излучение поглощается обычной водой,
полиэтиленом,
парафином,
а
также
растворами
гидроксидов тяжелых металлов.

10.

Как ионизирующие излучения
воздействуют на вещества?
• Все виды ионизирующих излучений в той или иной степени
оказывают воздействие на различные вещества, но сильнее
всего оно выражено у гамма-частиц и у нейтронов.
• Так, при длительном воздействии они могут существенно
изменить свойства различных материалов, изменить
химический состав веществ, ионизировать диэлектрики и
оказывать разрушительный эффект на биологические ткани.
• Естественный радиационный фон не принесет человеку
особого вреда, однако при обращении с искусственными
источниками ионизирующих излучений стоит быть очень
осторожными и предпринимать все необходимые меры,
чтобы до минимума снизить уровень воздействия излучения
на организм.

11.

Механизм потери энергии
• Механизм взаимодействия заряженных частиц:
– Частица, пролетая через вещество, «расталкивает»
электроны своим кулоновским полем, за счет чего теряет
свою энергию, ионизируя либо возбуждая атомы. Т.е.,
заряженная частица всегда теряет энергию при прохождении
через вещество. А γ-квант может пройти толстый защитный
экран без потери энергии.
Практический интерес: от нескольких кэВ до 10 МэВ.
Три механизма потери энергии:
1 - ионизация
2 - возбуждение
3 - торможение

12.

Ионизация атомов
• процесс превращения нейтральных атомов среды под действием
ИИ в заряженные частицы – электроны и ионы, т.е. образование пар
ионов.
• На образование пары тратится ~ 30 – 40 эВ. Это энергия образования
пары ионов
• Для образования пары ионов в воздухе γ-излучение тратит энергию
ε = 33,85 эВ.
• Полная ионизация Nn – это количество пар ионов, образованных
ИИ, на всем пути в среде:
Nn = Е / ε
Где Е – энергия ИИ, эВ
Линейная плотность ионизации NL - количество пар ионов,
образованных ИИ на единице пути:
NL = N / R = Е / s R
• N – полная ионизация пар ионов, R - линейный пробег.

13.

Возбуждение
•
механизм потери энергии, являющийся следствием
кулоновского взаимодействия между заряженной частицей и
электронами атома.
При ионизации электрон выбивается из атома путем удаления
его из орбиты
При
возбуждении
электрону
передается
энергия,
недостаточная для его выбивания, и он переходит на более
высокий энергетический уровень, оставаясь в атоме. При
возвращении его на прежний уровень испускается
характеристическое излучение, энергия которого зависит от
глубины перехода электрона.
На каждую пару ионов приходится около 2 – 3 возбужденных
атома.
Ионизационные потери – сумма потерь на ионизацию и
возбуждение.

14.

Торможение частиц в поле ядра
• Радиационные потери - это уменьшение энергии в
результате торможения частицы в поле ядра → тормозное
излучение
• Причина - кулоновское взаимодействие
• Тормозное излучение – те же фотоны с непрерывным
спектром
(входит
в
энергетический
диапазон
рентгеновского излучения)
• Тормозная способность –
• S = средняя энергия, теряемая заряженной частицей на
единице пути (кэВ/мкм).
• Свойство поглощающего вещества: чем выше S, тем
лучшим материалом является вещество для защиты
• S ~q1 q 2 /r2,

15.

Пробег заряженных частиц
• Линейный пробег R – путь, пройденный заряженной
частицей до полной потери кинетической энергии, или
минимальная толщина поглотителя, необходимая до
полного поглощения ИИ.
• Относится только к заряженным частицам. Для фотонного
излучения смысла не имеет.
• Пробег обратно пропорционален тормозной способности.
• Зависит от факторов Кулоновского взаимодействия:
– зарядов взаимодействующих частиц,
– плотности вещества-поглотителя и
– энергии заряженной частицы.
• Массовый пробег Rm – пробег заряженной частицы в
единицах массы, г/см2
• Rm = R ρ

16.

Линейная передача энергии
• Линейная
передача
энергии
заряженных
частиц
в
поглощающем веществе (L) – отношение средней энергии
dE, переданной поглощающему веществу заряженной
частицей вследствие столкновений при перемещении ее
на расстояние dl, к этому расстоянию (кэВ/мкм)
L = dE / dl

17.

Взаимодействие тяжелых заряженных частиц
с веществом
• Упругие: взаимодействующих частиц сумма кинетических
энергий до и после взаимодействия сохраняется неизменной
• Неупругие: часть кинетической энергии взаимодействующих
частиц передается образовавшимся частицам или фотонам,
другая часть кинетической энергии передается атому или
ядру на их возбуждение или перестройку.
– Неупругое рассеяние
– Ионизация и возбуждение
– Перестройка

18.

Альфа-частица
• Процессы: ионизация, возбуждение (ионизационные
потери)
• Для Е > 0,1 МэВ
• dEα /dx = 4 π е4 z2 Z n B / ( m0 V2)
• Eα - кинетическая энергия частицы
• е – заряд электрона
• Z – порядковый номер поглотителя,
• Z - заряд альфа-частицы
• В – коэффициент торможения
• m0 - масса покоя электрона
• V – скорость частицы

19.

Средний пробег моноэнергетических α-частиц
• Rα = а Е nα, см
• Еα - энергия, МэВ
• n – безразмерный коэффициент, установленный
эмпирическим путем.
• Длина пробега:
• Ф-ла Брегга Rα = ( А Е 3α)/ ρ, мкм
• Ф-ла Глессона Rα = А (Е 3α)/ 3 (Z2 ρ), мкм
• Чем больше энергия α-частицы, тем больше пробег и
больше образованных пар ионов.

20.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ
РАДИОНУКЛИДЫ
• Источником ионизирующих излучений могут служить
различные радионуклиды.
• Нуклид – это вид атомов с определенным числом
протонов и нейтронов в ядре. Если ядра атомов
нуклида
радиоактивны,
то
его
называют
радионуклидом.
• К числу радионуклидов в окружающей среде
принадлежат атомы таких тяжелых химических
элементов, как уран U и торий Th.
• Распадаются уран и торий очень медленно. Скорость
распада характеризуют периодом полураспада
• Т1/2 – время, за которое распадается половина из
имевшихся первоначально ядер радионуклида.

21.

Период полураспада Т1/2
• Для природных радионуклидов 238U, 235U и 232Th
значения Т1/2 равны соответственно 4,47 ⋅ 109 ; 7,04 ⋅
108 и 1,4 × 1010 лет. Возникающие при радиоактивном
распаде этих материнских ядер дочерние ядра,
например 210Ро, 226Ra, и 222Rn, обладают значительно
меньшими
значениями
Т1/2
(вплоть
до
десятитысячных долей секунды).
• Дочерние радионуклиды вместе с материнскими
образуют радиоактивные ряды, конечные продукты
которых – стабильные атомы свинца. Хотя значения
Т1/2 дочерних радионуклидов и невелики, они
постоянно образуются при распаде предшественников
и с постоянной скоростью распадаются, так что в
земной коре все они содержатся в неизменных,
правда в значительно меньших, чем материнские,
количествах.

22.

Период полураспада Т1/2
• Подвижность
многих
дочерних
радионуклидов (например, радона) в земной
коре значительно выше, чем материнских.
Поэтому эти радионуклиды оказываются
вездесущими и в рассеянном состоянии
присутствуют
практически
всюду.
Ионизирующее
излучение
дочерних
радионуклидов вносит заметный вклад в
радиационный фон (фон ионизирующего
излучения) Земли.
• Особенно велика роль в радиационном
воздействии на человека входящего в ряд
238U радионуклида 222Rn.

23.

Период полураспада Т1/2
• Наряду с радионуклидами тяжелых элементов в природе
существуют и радионуклиды некоторых элементов середины
Периодической системы Д.И. Менделеева.
• Наибольшее значение среди них имеет 40К (Т1/2 = 1,29 ⋅ 109
лет), входящий в смесь природных изотопов калия. На долю
40К в ней приходится 0,012%.
• Калий – один из самых распространенных элементов земной
коры. Растения усваивают необходимый для их питания калий
(и, следовательно, 40К) из почвы. Далее по пищевым цепям 40К
попадает в организмы животных и человека.
• Содержание радионуклида в объекте характеризуют через его
активность.
• Единица активности – 1 беккерель (1 Бк), 1 Бк отвечает
одному распаду в 1 с.

24.

Удельные активности по 40К воды, почвы и
некоторых продуктов питания, Бк/л или Бк/кг
Вода питьевая
0,1 – 0,3
Морская вода
6 - 12
Почвы Нечерноземья
350 - 450
Пшеница
90 - 110
Молоко
35 - 45
Корнеплоды и клубни картофеля
100–150
Фрукты
50 - 100
Овощи
40 - 240
Мясо
80 - 120
Рыба
90 - 110

25.

Период полураспада Т1/2
• Ранее единицей активности было 1 кюри (1 Ки)
• 1 Ки = 3,7 × 1010 Бк.
• Естественные радиоактивные изотопы обнаружены не только
у калия, но и у таких элементов, как рубидий (87Rb), индий
(115In), лантан (138La), у некоторых лантаноидов, у гафния
(174Hf), тантала (180Ta) и платины ( 190Pt).
• Значения Т1/2 этих радионуклидов, как правило, велики и
составляют 1012 – 1014 лет.
• Поэтому радиоактивность веществ, содержащих эти
элементы, очень низкая, и их ионизирующее излучение
практически не влияет на живые организмы.
• Можно не беспокоиться, например, о вреде для здоровья
платинового ювелирного изделия, всегда содержащего
радионуклид 190Pt. Указанные естественные радионуклиды
имеют земное происхождение (их называют терригенными).

26.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
РАДИОНУКЛИДОВ С ЖИВЫМИ ОРГАНИЗМАМИ
• Установлено, что различные виды ионизирующего
излучения воздействуют на организмы по-разному.
• Характер воздействия в значительной степени
зависит от того, находится ли радионуклид внутри
организма (то есть организм подвергается
внутреннему облучению) или он расположен вне
организма (внешнее облучение).
• Рассмотрим сначала, в чем состоит воздействие на
организм α-частиц. α-частицы (ядра) из-за своего
сравнительно большого заряда (+2) и большой
массы испытывают частые столкновения с
молекулами и атомами среды и растрачивают всю
энергию на небольшом пути.

27.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
РАДИОНУКЛИДОВ С ЖИВЫМИ ОРГАНИЗМАМИ
• Поэтому длина пробега α-частиц в воздухе не
превышает 10 см, а путь, который они
проходят в тканях человека, составляет
десятые доли миллиметра.
• Понятно, что если источник α-частиц
расположен, например, на расстоянии 1 м от
человека, то до него они просто не долетят,
как бы ни была велика активность источника.
• Поэтому роль α-радиоактивных нуклидов во
внешнем облучении организма ничтожна

28.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
РАДИОНУКЛИДОВ С ЖИВЫМИ ОРГАНИЗМАМИ
• Если такой радионуклид попал внутрь организма
воздухом, водой или пищей), то вся энергия α-частиц
будет израсходована на небольшом отрезке, причем
встретившиеся на их пути молекулы будут разрушены
(превратятся в ионы или нейтральные химически
очень активные частицы, свободные радикалы).
• Свободные радикалы вступают в новые химические
реакции с молекулами, составляющими организм. Эти
реакции носят цепной характер.
• В результате в организме накапливаются заметные
количества чужеродных, часто сильно ядовитых
веществ. Конечно, прохождение через организм одной
или даже десяти α-частиц вреда не принесет –
слишком мало число образовавшихся при этом
свободных радикалов и ионов.

29.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
РАДИОНУКЛИДОВ С ЖИВЫМИ ОРГАНИЗМАМИ
• Но если число попавших в организм ядер αрадионуклида велико, может наступить его
серьезное поражение – лучевая болезнь.
Важное значение имеет и то, что при
прохождении
α-частиц
через
клетки
организма (впрочем, похожее воздействие
оказывают β-частицы и γ-лучи) в них могут
происходить
нежелательные
нарушения
(мутации) наследственных структур.
• Эти нарушения могут стать причиной
онкологических
и
наследственных
заболеваний.

30.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ С
ЖИВЫМИ ОРГАНИЗМАМИ
• Но если число попавших в организм ядер α-радионуклида
велико, может наступить его серьезное поражение –
лучевая болезнь. Важное значение имеет и то, что при
прохождении α-частиц через клетки организма (впрочем,
похожее воздействие оказывают β-частицы и γ-лучи) в них
могут происходить нежелательные нарушения (мутации)
наследственных структур. Эти нарушения могут стать
причиной
онкологических
и
наследственных
заболеваний.
• Важное значение имеет и то, что при прохождении αчастиц через клетки организма (впрочем, похожее
воздействие оказывают β-частицы и γ-лучи) в них могут
происходить нежелательные нарушения (мутации)
наследственных структур. Эти нарушения могут стать

31.

β-частицы
• Вредное воздействие на организм β-частицы
могут оказать как при внутреннем, так и при
внешнем облучении (когда радионуклид
находится вне организма).
• Длина пробега β-частиц в тканях организма
значительно больше, чем α-частиц.
• При
этом
разрушенные
молекулы
располагаются не так близко друг к другу, как в
случае воздействия α-частиц, и поэтому при
одинаковом числе прошедших через организм
частиц обоих видов и их равной исходной
энергии вред от воздействия β-частиц меньше.

32.

γ-лучи
• γ-лучи обладают намного более высокой проникающей
способностью. Они проходят через ткани тела на
значительно большие расстояния, чем α- или β-частицы.
• Поэтому, если γ-излучатель находится внутри
организма, испускаемое им γ-излучение поглощается в
организме обычно только частично (производя в нем
при поглощении те же разрушения, что и α- или βизлучение).
• Частично же γ-излучение покидает организм.
Разумеется, эта его часть вредного воздействия на
организм не оказывает.
• Вред от γ-излучения в большой степени может
проявиться при внешнем облучении, даже тогда, когда
источник γ-излучения расположен от организма на
большом расстоянии и находится, например, за
бетонной стеной.

33.

Вредное воздействие ИИ
• Вредное воздействие ионизирующего излучения
вызвано тем, что его энергия передается организму.
А если излучение проходит через организм, не
оставляя в нем своей энергии, то никакого вредного
воздействия оно не оказывает.
• Так ведут себя нейтрино ν и их аналоги –
антинейтрино , возникающие при превращениях
нейтронов в протоны.
• По современным представлениям каждого из нас
постоянно пронзают мощные потоки нейтрино и
антинейтрино, но абсолютно никакого воздействия
на живые организмы они не оказывают.

34.

ДОЗА ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ
• Для
того
чтобы
охарактеризовать
воздействие
ионизирующего излучения на организм, используют понятие
дозы. Доза ионизирующего излучения – это энергия, которую
излучение передает тому телу, через которое оно проходит.
• Единица поглощенной дозы 1 грей (1 Гр), 1 Гр отвечает
поглощению 1 Дж в 1 кг вещества.
• Парадокс состоит в том, что энергия, отвечающая
поглощению организмом человека, например, дозы в 1 Гр,
сама по себе очень мала, а вот вредное воздействие она
оказывает значительное (возможно даже появление лучевой
болезни). Между тем с точки зрения поглощенной энергии
доза в 1 Гр отвечает, например, тому, что человек выпил
чайную ложку воды с температурой около 55°С. Понятно, что
температура тела при этом практически не изменится и
никакого вреда человеку не принесет.

35.

Вредное воздействие ИИ
• В случае воздействия на организм даже небольших
доз возможны тяжелые последствия:
• все дело в образующихся под действием излучения
ионах, и особенно свободных радикалах.
• Вредное воздействие поглощенного ионизирующего
излучения зависит от того, каким типом излучения
обусловлена доза. Вредный эффект поглощенной
дозы в 0,1 Гр от α-радионуклида значительно сильнее,
чем от такой же дозы, связанной с поглощением β-, γили рентгеновского излучения.
• Для характеристики различий воздействия на
организм ионизирующего излучения разных типов
используют понятие эффективной дозы Дэфф.

36.

Вредное воздействие ИИ
• Дэфф = WR ⋅ Дпогл
• где
коэффициент
WR
отражает
эффективность биологического воздействия
излучения.
• Значение WR для β- и γ-излучения равно 1,
• а для α-излучения – 20.
• Единица эффективной дозы – 1 зиверт (1 Зв).