Радиоактивность и ионизирующее излучение

Понимание радиационной гигиены невозможно без знания элементов ядерной физики. При этом важно понимать различия физических явлений, величин и единиц, которые их характеризуют. Объектами изучения радиационной гигиены являются два основных, связанных друг с другом физические явления — радиоактивность и ионизирующее излучение.

Радиоактивность — самопроизвольное превращение ядер одних элементов в другие, сопровождающееся испусканием ионизирующего излучения.

Процесс естественного, самопроизвольно происходящего радиоактивного превращения называется радиоактивным распадом (или просто распадом). Нуклид — вид атомов с данными числами протонов и нейтронов в ядре, характеризующийся массовым числом А (атомная масса) и атомным номером Z. Нуклиды могут быть стабильными и нестабильными.

Нестабильные нуклиды, испытывающие распад, называются радионуклидами. Исходное атомное ядро называется материнским, а ядро, образовавшееся в результате распада, — дочерним. Изотопы — это нуклиды, имеющие одинаковое число протонов (А = const), они различаются только числом нейтронов. Поэтому все изотопы принадлежат к одному и тому же химическому элементу. Например: ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁶U, ²³⁸U являются изотопами элемента урана (Z = 92). Только для трех изотопов водорода используется собственные названия и символы:

• 3Н - Н: протий (легкий водород);
• 2Н = D: дейтерий (тяжелый водород);
• 3Н = Т: тритий (радиоактивный водород).

Величинами, характеризующими радиоактивность объектов окружающей среды, являются активность, удельная активность, объемная активность.

Активность — это число ядерных превращений (распадов) в единицу времени. Единицы измерения активности — беккерель (Бк) и кюри (Ки). Бк — единица системы СИ, равная одному ядерному превращению в секунду. Ки — специальная внесистемная единица, равная 3,7 • 10¹⁰ ядерных превращений в секунду, т. е. 1 Ки = 3,7 • 10¹⁰Бк.

При контроле активности объектов окружающей среды ее обычно относят к массе или объему образца.

Удельная активность — это активность, приходящаяся на единицу массы вещества (активность, отнесенная к единице массы), единицы измерения — Бк/кг, Ки/кг.

Объемная активность — это активность, приходящаяся на единицу объема (активность, отнесенная к единице объема), единицы измерения — Бк/л, Ки/л, Бк/м³, Ки/м³.

Ионизирующее излучение — излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков.

По природе ионизирующие излучения делятся на два основных вида:

• 1) корпускулярные (ос — альфа, р — бета), нейтронное, протонное излучения, потоки легких ядер);
• 2) электромагнитные, или фотонные (у — гамма, рентгеновское, тормозное аннигиляционное излучения).

Корпускулярное излучение представляет собой ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля и имеющих кинетическую энергию, достаточную для ионизации при столкновении с атомами. Основные характеристики корпускулярных излучений — заряд, масса и энергия частицы. Они определяют особенности взаимодействия данных излучений с веществом и, соответственно, степень и вероятность их повреждающего действия.

Все виды электромагнитных излучений имеют единую физическую природу и состоят из фотонов. Они различаются по происхождению.

Для всех видов ионизирующих излучений характерны общие свойства, различающиеся по интенсивности:

• 1) ионизирующая способность, которая характеризуется линейной плотностью ионизации (удельной ионизацией) — это число пар ионов, образованных излучением на единицу длины пробега в веществе;
• 2) проникающая способность, которая характеризуется длиной пробега излучения в веществе;
• 3) способность вызывать люминесценцию определенных материалов;
• 4) фотохимическая (фотографическая) способность;
• 5) прямолинейность распространения в пространстве при отсутствии препятствий;
• 6) биологическое действие.

Альфа-излучение состоит из альфа-частиц, которые являются ядрами атомов гелия. Масса альфа-частицы равна четырем атомным единицам, или 6,644 • 10^-24г, а ее заряд — +2. Энергия альфа-частиц, испускаемых естественными радиоактивными элементами, лежит в пределах от 2 до 9 МэВ; такого же порядка энергия альфа-частиц, испускаемых в ядерных реакциях. Альфа-частицы — тяжелые частицы с малой проникающей способностью (2—4 см в воздухе и десятки микронов в биологических тканях) и большой ионизирующей способностью (десятки тысяч пар ионов на 1 см пробега в воздухе). Таким образом, лист бумаги, ткань халата являются надежной защитой от внешнего альфа-излучения. А при работе с ос-излучателями надо прежде всего предотвратить их поступление во внутреннюю среду организма, в основном путем защиты органов дыхания марлевой повязкой, респиратором, противогазом, изолирующим костюмом и другими средствами.

Бета-излучение может быть электронным и позитронным. В реальных условиях человек сталкивается только с бета-электронным излучением, которое состоит из электронов (масса 1/1840 атомной единицы, заряд -1). Энергия бета-частиц не превышает нескольких МэВ. Проникающая способность (3-частиц выше, чем ос-частиц, из-за меньших величин массы и заряда. Длина пробега в воздухе составляет до нескольких метров, а в мягких тканях человеческого тела — примерно 2—3 см. Ионизирующая способность, напротив, ниже, чем у ос-частиц, — от десятков до сотен пар ионов на 1 см пробега в воздухе. При защите от (3-излучения необходимо защитить от вешнего облучения кожу и видимые слизистые. Кроме того, нужно предотвратить поступление (3-излучателей внутрь организма прежде всего через органы дыхания. Наилучшими материалами для защиты от (3-излучения являются материалы с малым порядковым номером (алюминий, стекло, пластики). Так, для полного поглощения потока (3-частиц, обладающих максимальной энергией 2 МэВ, требуется защитный слой алюминия толщиной 3,5 мм.

Нейтронное излучение представляет собой поток ядерных частиц, не имеющих электрического заряда, — нейтронов (масса — 1 атомная единица, заряд — 0). В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1кэВ), промежуточные (с энергией от 1 до 500 кэВ), быстрые нейтроны (с энергией от 500 кэВ до 20 МэВ). Среди медленных нейтронов выделяют тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у ос- или (3-частиц. Длина пробега нейтронов промежуточных энергий составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов — соответственно 120 м и 10 см. Ионизирующая способность низкая, от нескольких до десятков пар ионов на 1 см пробега в воздухе. Наилучшими материалами для защиты от медленных нейтронов являются материалы, содержащие бор и кадмий (бораль, борная сталь, борный графит, сплав кадмия со свинцом). Для защиты от быстрых нейтронов используются экраны из нескольких слоев. Первый, для замедления, — из воды, парафина, пластмасс; второй, для поглощения — из материалов, содержащих бор и кадмий; и третий, для защиты от образующегося тормозного излучения из материалов, используемых для защиты от фотонных излучений.

Фотонные излучения. Гамма-излучение — фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер. Рентгеновское излучение — фотонное излучение, состоящее из тормозного и характеристического излучения. Характеристическое излучение — фотонное излучение с дискретным (прерывистым) энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Тормозное излучение — фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Аннигиляционное излучение — фотонное излучение, возникающее в результате аннигиляции частицы и античастицы (например, при взаимодействии бета-электрона и бета-позитрона).

Эти излучения обладают очень большой энергией и проникающей способностью. Длина пробега фотонов достигает сотен и более метров в воздухе. Ионизирующая способность очень низкая — несколько пар ионов на 1 см пробега в воздухе.

Для защиты от фотонных излучений наиболее эффективны и имеют наименьшую толщину экраны из материалов с большим порядковым номером, например из свинца.

Величинами, характеризующими ионизирующее излучение, являются доза и мощность дозы.

На практике используются несколько видов доз.

Поглощенная доза (Р) определяется как энергия излучения, поглощенная единицей массы облучаемого вещества. Единица поглощенной дозы в системе СИ — грей (Гр), названный в честь английского физика и радиобиолога Л. Грея: 1 Гр — это такая доза, при которой 1 кг облучаемого вещества поглощает в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения, 1 Гр = 1 Дж/кг. Внесистемная единица поглощенной дозы — рад: 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр.

Экспозиционная доза (X) — количественная характеристика фотонного излучения по эффекту ионизации, вызываемому в воздухе, которая определяется по заряду, возникающему в единице массы облучаемого воздуха. Единица экспозиционной дозы в системе СИ — кулон на 1 кг воздуха (Кл/кг). Внесистемная единица — рентген (Р): 1 Р = 2,58 • 10-⁴Кл/кг.

Поглощенная и экспозиционная дозы определяются по физическим показателям, характеризующим действие излучения. Однако при изучении биологического действия оказалось, что при одной и той же физической дозе излучения биологические эффекты отличались для различных видов излучения и зависели от того, какие органы подвергались облучению. Поэтому были введены понятия «эквивалентная доза» (Н) и «эффективная доза» (Е).

Эквивалентная доза (Н) — поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения (IV,.), отражающий способность излучения повреждать ткани организма.

Значения Иф приведены в нормативных документах. Так, IV,. для фотонных излучений равен 1, а для альфа-излучения — 20.

Единица эквивалентной дозы в системе СИ — зиверт (Зв): 1 Зв равен 1 Гр поглощенной дозы излучения, умноженному на взвешивающий коэффициент для данного вида излучения. Внесистемная единица — бэр (биологический эквивалент рентгена) — доза любого вида излучения, вызывающая тот же биологический эффект, что 1 Р (рентген) излучения: 1 Зв = 100 бэр.

Эффективная доза (Е) — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Единицы измерения этой дозы такие же, как эквивалентной.

При прочих равных условиях получаемая любым объектом доза зависит от времени обучения. Чем больше это время, тем больше полученная доза. Поэтому для оперативного контроля используют мощность дозы. Мощность дозы — это доза в единицу времени. Единицы мощности дозы могут быть различными, например Зв/с, Р/ч и т. д.