Радиоактивность, ионизирующие излучения

Как известно, под радиоактивностью понимают самопроизвольное превращение ядер атомов химических элементов, сопровождающееся изменением их физических и химических свойств и испусканием радиоактивных излучений.

При работе с источниками радиоактивных излучений, например, при применении радиоактивных веществ, при работе ускорителей заряженных частиц и в других случаях могут иметь место ионизирующие излучения корпускулярного (α-частицы, β-частицы, нейтроны) и электромагнитного (ү-лучи, рентгеновые лучи) характера.

α-Частицы являются ядрами атомов гелия, несущими положительный заряд (равный 2 зарядам электрона) и имеющими массу, равную 4 атомным единицам массы.

Наблюдается α-излучение преимущественно от естественных радиоактивных элементов (радий, торий, уран и др.); α-частицы вылетают из ядер со скоростью 14 000—20 000 км)час и обладают энергией порядка 2—9 Мэв *.

α-Частицы имеют незначительный пробег в различных средах. В зависимости от энергии α-частицы величина пробега ее в воздухе составляет от 2 до 9 см, в воде и биологических тканях — от 0,02 до
0,06 мм; α-частицы полностью поглощаются слоем воздуха толщиной —10 см, листком папиросной бумаги или тонкой алюминиевой фольгой.

Важнейшим свойством α-излучения является высокая плотность ионизации (число пар ионов на единицу длины пути частицы в веществе). При одной и той же энергии (2 Мэв) плотность ионизации для α-частиц в 1000 раз больше, чем для β-частиц, и в 60 000 раз больше, чем для ү-кванта. В конце пробега α-частицы плотность ионизации примерно в 2 раза больше, чем в начале его.

Из всего изложенного следует, что α-излучающие вещества не представляют опасности при внешнем облучении, так как α-частицы легко поглощаются, как указано, даже листком папиросной бумаги. Основную опасность α-излучатели представляют при попадании их внутрь организма, т. е. при внутреннем облучении, когда создаются условия непосредственного действия α-частиц на клетки и ткани.

Подобным же образом действуют другие тяжелые частицы — протоны, дейтроны и др.

β-Частицы представляют собой электроны, испускаемые при ядерных распадах. Для ядер, содержащих избыточное число нейтронов, типичен p-распад; при этом происходит превращение одного из нейтронов ядра в протон; p-распад обычно сопровождается ү-излучением. При превращении одного из протонов атомного ядра в нейтрон также возникает p-распад (позитронный распад).

При том и другом типе распада радиоактивные ядра одновременно испускают частицы, называемые нейтрино. Вследствие ничтожной их массы и отсутствия заряда нейтрино практически не вступают во взаимодействие с веществом.

Максимальная энергия β-частиц колеблется в пределах 0,01 — 10 Мэв; в большинстве случаев β-частицы имеют энергию в пределах 3 Мэв. В зависимости от энергии проникающая способность β-частиц в разных средах различна и колеблется от нескольких метров в воздухе до нескольких миллиметров в воде и тканях организма. Пробег β-частиц с энергией 3 Мэв составляет в воздухе 14,5 м, в воде— 12,5 мм и в алюминии — 4,9 мм.

β-Частицы при прохождении через вещество теряют свою энергию вследствие возникающих при этом различных процессов взаимодействия с ядрами и электронами (возбуждения и ионизации атомов); для β-частиц высоких энергий характерными являются столкновения, сопровождающиеся возбуждением атомов и ионизацией, а для β-частиц малых энергий — ионизация.

Одна β-частица с энергией 1 Мэв на своем пути в воздухе может образовать 30 000 пар ионов. Плотность ионизации атомов среды β-частицами, как указано выше, больше, чем при ионизации ү-квантами той же энергии, но значительно меньше, чем при ионизации α-частицами.

Воздействие β-частиц на организм возможно путем как внешнего облучения, так и внутреннего — при попадании в организм β-излучателей.

Позитроны (β+-частицы) образуются при распаде некоторых искусственных радиоактивных изотопов. Продолжительность жизни позитрона незначительна, в среднем 1,5·10—7 секунды. При взаимодействии с веществом позитрон соединяется с электроном; при этом излучаются два ү-кванта. Электроны и позитроны отличаются только знаком заряда, в остальном их свойства идентичны.

Нейтроны в зависимости от их кинетической энергии могут быть разделены на быстрые — с энергией 0,5—10 Мэв, сверхбыстрые — с энергией 500 Мэв и более, промежуточные — с энергией 5 кэв — 0,5 Мэв медленные — с энергией 0,1—5 кэв и тепловые — с энергией около 0,025 Мэв.

Так как нейтроны не обладают электрическим зарядом, ионизация атомов среды, через которую они проходят, осуществляется за счет вторичных процессов.

При соударении быстрых нейтронов с ядрами атомов образуются так называемые ядра отдачи, которые, как и все заряженные частицы, расходуют свою энергию на ионизацию.

.Быстрые нейтроны при взаимодействии с ядрами атомов теряют свою энергию тем быстрее, чем легче ядро, и превращаются в медленные нейтроны. Медленные и тепловые нейтроны при соударении с ядрами атомов вступают с ними в ядерные реакции, при этом образуются радиоактивные изотопы (так называемая наведенная радиоактивность).

И в организме при воздействии медленных нейтронов возможна реакция превращения входящих в состав тканей стабильных изотопов в радиоактивные.

К таким изотопам относятся натрий, хлор, азот, углерод, сера, фосфор, кислород и др. В основном эта наведенная радиоактивность обусловлена натрием и фосфором. Ядра радиоактивного натрия испускают ү-кванты. При взаимодействии нейтронов с ядрами элементов могут возникнуть α- или β-частицы.

Основными источниками нейтронов являются атомные реакторы, ускорители. При работе с источниками нейтронов возможно внешнее облучение обслуживающего персонала. Учитывая высокопроникающую способность нейтронов, применяют такую защиту, которая обеспечивает их поглощение. Материалами для защиты от быстрых нейтронов служат вода, парафин, специальный бетон; тепловые нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием.

ү-Лучи — электромагнитное излучение с длиной волны в пределах 0,001—0,1 А. В зависимости от энергии различают мягкие ү-лучи — до 0,2 Мэв, лучи средней жесткости — от 0,2 до 1 Мэв, жесткие лучи — от 1 до 10 Мэв и сверхжесткие лучи — выше 10 Мэв.

ү-Лучи обладают высокой проникающей способностью и могут проникать через толстые пластины свинца, бетонные стены большой толщины. Возникающая ионизация от воздействия ү-лучей главным образом обусловлена электронами, которые выбиваются ү-квантами из атомов при прохождении через вещество.

В связи с тем что ү-лучи обладают высокой проникающей способностью, внешнее облучение ими представляет для человека большую опасность. Для защиты от облучения применяют материалы значительной плотности. Большое значение для защиты имеет расстояние человека от излучателя, так как интенсивность облучения ү-лучами снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.

Рентгеновы лучи, как и ү-лучи, относятся к электромагнитному излучению с длиной волны от 0,06 до 20А. Они возникают вне ядра атома вследствие потери энергии электронами; это наблюдается в рентгеновских трубках, а также при работе бетатронов, циклотронов, в электронных микроскопах, мощных генераторных и выпрямительных лампах, некоторых электроннолучевых трубках.

Рентгеновы лучи обладают высокой проникающей способностью. Ионизирующее действие этих лучей обусловлено преимущественно вторичным действием образованных фотоэлектронов и электронов отдачи. Рентгеновы лучи представляют большую опасность для человека при внешнем облучении. Интенсивность их, так же как и ү-лучей, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника излучения.

* Энергия в ядерной физике измеряется электрон-вольтами (эв). За 1 эв принимается энергия, которой обладает электрон, прошедший разность потенциалов в 1 в. Производные эв: кэв — 1000 эв, Мэв — 1 000 000 эв.