WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 24 | 25 || 27 | 28 |   ...   | 33 |

Фотонное излучение — поток электромагнитных колебаний, которые распространяются в вакууме с постоянной скоростью км/с. К нему относятся -излучение, характеристическое, тормозное и рентгеновское излучение.

Обладая одной и той же природой, эти виды электромагнитных излучений различаются условиями образования, а также свойствами:

длиной волны и энергией.

Так -излучевие испускается при ядерных превращениях или при аннигиляции частиц.

Характеристическое излучение — фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атома, обусловленного перестройкой внутренних электронных оболочек.

Тормозное излучение — связано с изменением кинетической энергии заряженных частиц, имеет непрерывный спектр и возникает в среде, окружающей источник -излучения, в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и т.п.

Рентгеновское излучение — совокупность тормозного и характеристического излучений, диапазон энергии фотонов которых составляет 1 кэВ - 1 МэВ.

Излучения характеризуются по их ионизирующей и проникающей способности.

Ионизирующая способность излучения определяется удельной ионизацией, т. е. числом пар ионов, создаваемых частицей в единице объема массы среды или на единице длины пути. Излучения различных видов обладают различной ионизирующей способностью.

Проникающая способность излучений определяется величиной пробега. Пробегом называется путь, пройденный частицей в веществе до ее полной остановки, обусловленной тем или иным видом взаимодействия.

-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью и наименьшей проникающей способностью. Их удельная ионизация изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1 см пути в воздухе. Длина пробега этих частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а в мягкой биологической ткани — несколько десятков микрон.

-излучение имеет существенно меньшую ионизирующую способность и большую проникающую способность. Средняя величина удельной ионизации в воздухе составляет около 100 пар ионов на 1 см пути, а максимальный пробег достигает нескольких метров при больших энергиях.

Наименьшей ионизирующей способностью и наибольшей проникающей способностью обладают фотонные излучения.

Во всех процессах взаимодействия электромагнитного излучения со средой часть энергии преобразуется в кинетическую энергию вторичных электронов, которые, проходя через вещество, производят ионизацию. Прохождений фотонного излучения через вещество вообще не может быть охарактеризовано понятием пробега. Ослабление потока электромагнитного излучения в веществе подчиняется экспоненциальному закону охарактеризуется коэффициентом ослабления, который зависит от энергии излучения и свойств вещества.

Особенность экспоненциальных кривых состоит в том, что они не пересекаются с осью абсцисс. Это значит, что какой бы ни была толщина слоя вещества, нельзя полностью поглотить поток фотонного излучения, а можно только ослабить его интенсивность в любое число раз.

В этом существенное отличие характера ослабления фотонного излучения от ослабления заряженных частиц, для которых существует минимальная толщина слоя вещества-поглотителя (пробег), где происходит полное поглощение потока заряженных частиц.

Открытие ионизирующего излучения связано с именем французского ученого А. Беккереля. В 1896 г. он обнаружил следы какихто излучений, оставленных минералом, содержащим уран, на фотографических пластинках. В 1898 г. Мария Кюри и ее муж Пьер Кюри установили, что после излучений уран самопроизвольно последовательно превращается в другие элементы (рис. 41). Этот процесс превращения одних элементов в другие, сопровождающийся ионизирующим излучением, Мария Кюри назвала радиоактивностью. Так была открыта естественная радиоактивность, которой обладают элементы с нестабильными ядрами; В 1934 г И. и Ф.

Жолио-Кюри показали, что, воздейтсвуя нейтронами на ядра стабильных элементов, можно получить изотопы с искусственной радиоактивностью.

Таким образом, различают природные и технические источники ионизирующего излучения. К природным относятся космические, а также земные источники, создающие природное облучение (естественный фон).

К техническим относятся источники, специально созданные для полезного применения излучения или являющиеся побочным продуктом деятельности.

5.1. Физика радиоактивности Природа излучений хорошо изучена. Чтобы понять, как возникают излучения, необходимо вспомнить некоторые сведения из атомной физики.

Согласно планетарной модели атома, предложенной в 1911 г.

английским физиком Э. Резерфордом, ядро атома состоит из положительных протонов и нейтральных нейтронов. Вокруг ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны. Заряд ядра равен суммарному заряду электронов, т.е. атом электрически нейтрален.

Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одинаковое число протонов, но количество нейтронов в них может быть разным.

Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разновидностям одного и того же химического элемента и называются изотопами. Чтобы отличать их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 238-92=146 нейтронов; в уране-235 тоже 92 протона, но 23592=143 нейтрона. Протоны и нейтроны имеют общее название «нуклоны».

Полное число нуклонов называется массовым числом А и является мерой стабильности ядра. Чем ближе расположен элемент к концу таблицы Менделеева, тем больше А, тем больше нейтронов в ядре и тем менее устойчивы эти ядра.



Ядра всех изотопов образуют группу «нуклидов».

Некоторые нуклиды стабильны, т.е. при отсутствии внешнего воздействия не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды.

Электроны располагаются на орбитах в строгой последовательности, на ближайшей к ядру орбите может находиться не более 2 электронов, на следующей не более 8, на третьей — 18, далее — 32.

Эти условия постулировал в 1913 г. датский физик Н. Бор. Затем они были подтверждены экспериментами. Энергия атома дискретна. Переход из одного состояния в другое происходит скачкообразно с излучением или поглощением строго фиксированной порции энергии — кванта. Этот термин ввел основоположник квантовой теории М. Планк.

Электроны могут переходить с одной орбиты на другую и покидать атом. Сложные процессы, происходящие внутри атома, сопровождаются высвобождением энергии в виде излучения.

Если нестабильный нуклид оказывается перевозбужденным, он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую гамма-излучением (гамма-квантом). Как и в случае ренгеновских лучей (во многом подобных гамма-излучению), при этом не происходит испускания какихлибо частиц.

Процесс самопроизвольного распада нуклида называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид — радионуклидом.

Уровень нестабильности радионуклидов неодинаков: одни распадаются очень быстро, другие — очень медленно.

Время, в. течение которого распадается половина всех радионуклидов данного типа, называется периодом полураспада.

Например, период полураспада урана-238 равен 4,47 млрд. лет, а протактиния-234 — всего чуть больше одной минуты.

5.2. Влияние ионизирующего излучения Изонизируюшее излучение — это электромагнитное излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы различных знаков.

Взаимодействие с веществом заряженных частиц, гамма-квантов и рентгеновских лучей. Корпускулярные частицы ядерного происхождения (-частицы, -частицы, нейтроны, протоны и т.д.), а также фотонное излучение (-кванты и рентгеновское и тормозное излучение) обладают значительной кинетической энергией. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию в основном в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами (как это происходит при взаимодействии бильярдных шаров), отдавая им всю или часть своей энергии на возбуждение атомов (т.е. перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту), а также на ионизацию атомов или молекул среды (т.е. отрыв одного или более электронов от атомов).

Упругое взаимодействие характерно для нейтральных частиц (нейтронов) и фотонов, не имеющих заряда. При этом нейтрон, взаимодействуя с атомами, может в соответствии с законами классической механики передавать часть энергии, пропорциональную массам соударяющихся частиц. Если это тяжелый атом, то передается только часть энергии. Если это атом водорода, равный массе нейтрона, то передается вся энергия. При этом нейтрон замедляется до тепловых энергий порядка долей электровольта и далее вступает в ядерные реакции.

Ударяя в атом, нейтрон может передать ему такое количество энергии, которое достаточно, чтобы ядро «выскочило» из электронной оболочки. В этом случае образуется заряженная частица, обладающая значительной скоростью, которая способна осуществлять ионизацию среды.

Аналогично взаимодействие с веществом и фотона. Он самостоятельно не способен ионизировать среду, но выбивает электроны из атома, которые и производят ионизацию среды. Нейтроны и фотонное излучение относятся к косвенно ионизирующим излучениям.

Заряженные частицы (- и -частицы), протоны и другие способны ионизировать среду за счет взаимодействия с электрическим полем атома и электрическим полем ядра. При этом заряженные частицы тормозятся и отклоняются от направления своего движения, испуская при этом тормозное излучение, одно из разновидностей фотонного излучения.

Заряженные частицы могут за счет неупругих взаимодействий передавать атомам среды количество энергии, недостаточное для ионизации. В этом случае образуются атомы в возбужденном состоянии, которые передают эту энергию другим атомам, либо испускают кванты характеристического излучения, либо, соударяясь с другими возбужденными атомами, могут получить энергию, достаточную для ионизации атомов.

Как правило, при взаимодействии излучений с веществами происходят все три вида последствий этого взаимодействия: упругое соударение, возбуждение и ионизация.

Таблица Относительная доля энергии, теряемая электронами в результате различных процессов взаимодействия, % Энергия, Упругое Возбуждение Ионизация эВ взаимодействие атомов среды 103 8,7 54,8 36,104 4,1 63,4 32,105 1,8 68,0 30,Процесс ионизации является наиболее важным эффектом, на котором построены почти все методы дозиметрии ядерных излучений, особенно косвенно ионизирующих излучений.

В процессе ионизации образуются две заряженные частицы:

положительный ион (или атом, потерявший электрон с внешней оболочки) и свободный электрон. При каждом акте взаимодействия могут быть оторваны один или несколько электронов.





Истинная работа ионизации атома составляет 10...17 эВ, т.е.

столько энергии требуется для отрыва электрона от атома.

Экспериментально установлено, что энергия, передаваемая на образование одной пары ионов в воздухе, в среднем 35 эВ для -частиц и 34 эВ для электронов, а для вещества биологической ткани примерно эВ. Разница определяется следующим. Среднюю энергию, идущую на образование одной пары ионов, определяют экспериментально как отношение энергии первичной частицы к среднему числу пар ионов, образованной одной частицей на всем ее пути. Так как заряженные частицы тратят свою энергию на процессы возбуждения и ионизации, то в экспериментальную величину энергии ионизации входят все виды энергетических потерь, отнесенные к образованию одной пары ионов.

Экспериментальным подтверждением сказанному является табл. 3.14.

Дозы излучения. Когда ионизирующее излучение проходит через вещество, то на него оказывает воздействие только та часть энергии излучения, которая передается веществу, поглощается им. Порция энергии, переданная излучением веществу, называется дозой.

Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения с веществом является поглощенная доза. Поглощенная доза Д (Дж/кг) — это отношение средней энергии de, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к единице массы dm вещества в этом объеме de D.

dm В системе СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр), названной в честь английского физика и радиобиолога Л. Грея. 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг. 1 Гр = 1 Дж•кг-1.

Доза эквивалентная Н — поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного излучения, WR HT,R WR DT,R где DT,R — средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, WR — взвешивающий коэффициент для излучения R. Если поле излучения состоит из нескольких излучений с различными величинами WR, то эквивалентная доза определяется в виде:

H DT,R m WR R Единицей измерения эквивалентной дозы является Дж•кг-1, имеющий специальное название зиверт (Зв).

Доза эффективная Е — величина, используемая как мера возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе H на T соответствующий коэффициент для данного органа или ткани:

E H WT T T где H — эквивалентная доза в ткани T за время, а WT — T взвешивающий коэффициент для ткани Т. Единица измерения эффективной дозы — Дж• кг-1, которая имеет специальное название — зиверт (Зв).

Доза эффективная коллективная 3 — величина, определяющая полное воздействие излучения на группу людей, определяется в виде:

S Ni Ei где Еi — средняя эффективная доза i-й подгруппы группы людей, Ni — число людей в подгруппе.

Единица измерения эффективной коллективной дозы — человекозиверт (чел-Зв).

Механизм биологического действия ионизирующих излучений.

Биологическое действие радиации на живой организм начинается на клеточном уровне. Живой организм состоит из клеток. Клетка животного состоит из клеточной оболочки, окружающей студенистую массу — цитоплазму, в которой заключено более плотное ядро. Цитоплазма состоит из органических соединений белкового характера, образующих пространственную решетку, ячейки которой заполняют вода, растворенные в ней соли и относительно малые молекулы липидов — веществ, по свойствам подобным жирам. Ядро считается наиболее чувствительной жизненно важной частью клетки, а основными его структурными элементами являются хромосомы. В основе строения хромосом находится молекула диоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которой заключена наследственная информация организма. Отдельные участки ДНК, ответственные за формирование определенного элементарного признака, называются генами или «кирпичиками наследственности». Гены расположены в хромосомах в строго определенном порядке и каждому организму соответствует определенный набор хромосом в каждой клетке. У человека каждая клетка содержит пары хромосом. При делении клетки (митозе) хромосомы удваиваются и в определенном порядке располагаются в дочерних клетках.

Ионизирующее излучение вызывает поломку хромосом (хромосомные аберрации), за которыми происходит соединение разорванных концов в новые сочетания. Это и приводит к изменению генного аппарата и образованию дочерних клеток, неодинаковых с исходными. Если стойкие хромосомные аберрации происходят в половых клетках, то это ведет к мутациям, т.е. появлению у облученных особей потомства с другими признаками. Мутации полезны, если они приводят к повышению жизнестойкости организма, и вредны, если проявляются в виде различных врожденных пороков. Практика показывает, что при действии ионизирующих излучений вероятность возникновения полезных мутаций мала.

Однако в любой клетке обнаружены непрерывно действующие процессы исправления химических повреждений в молекулах ДНК.

Оказалось также, что ДНК достаточна, устойчива по отношению разрывам, вызываемым радиацией. Необходимо произвести семь разрушений структуры ДНК, чтобы она уже не могла восстановиться, т.е.

только в этом случае происходит мутация. При меньшем числе разрывов ДНК восстанавливается в прежнем виде. Это указывает на высокую прочность генов по отношению к внешним воздействиям, в том числе и ионизирующим излучениям.

Pages:     | 1 |   ...   | 24 | 25 || 27 | 28 |   ...   | 33 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.