Радиобиология
2. Физические основы радиобиологии
Основная цель лекции: разобраться с возможностями появления радиоактивных излучений в окружающей среде и вариантами передачи энергии ионизирующих излучений окружающему пространству.
Учебные вопросы:
● Физическая характеристика атома и входящих в его состав элементарных частиц.
● Происхождение и свойства ядерных излучений.
● Закон радиоактивного распада.
● Единицы измерения радиоактивности.
● Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом.
● Тест.
Физическая характеристика атома и входящих в него частиц
Человечество уже давно знало, что все в природе состоит из атомов, но как устроен сам атом, оно не знало. Э. Резерфорд зимой 1911 г. предложил планетарную модель атома.
Она явилась основой для дальнейших исследований, которые показали, что всё не так просто, как казалось Резерфорду. Есть много противоречий в данной теории. Эти существенные противоречия частично разрешил выдающийся датский физик Нильс Бор (1885-1962), разработавший в 1913 г. теорию водородного атома, в основу которой он положил особые постулаты, связав их, с одной стороны, с законами классической механики, с другой - с квантовой теорией излучения энергии немецкого физика Макса Планка (1858–1947).
Дальнейшее открытие элементарных частиц и сложных, загадочных, непредсказуемых процессов их взаимодействия привело к более глубокому пониманию мироздания – познание атома также неисчерпаемо, как бесконечно познание окружающего нас мира и вселенной.
Для того чтобы понять процессы, происходящие в живых организмах при воздействии на них ионизирующих излучений, природу самих радиоактивных излучений, порядок передачи ими энергии окружающему пространству, необходимо знать строение атома, характеристику элементарных частиц, природу радиоактивных превращений.
Атом состоит из ядра и электронных оболочек
Атом любого вещества можно разбить на элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, мезоны, нейтрино и ряд др.), каждая из которых также многообразна, как атом. Нас интересуют только относительно стабильные (долгоживущие по меркам микромира) частицы, входящие в состав ядра (протоны и нейтроны) и электроны.
Чтобы составить представление о размерах атома и незаполненности занимаемого им пространства, рассмотрим атомы, составляющие каплю воды диаметром 1 мм. Если мысленно увеличить эту каплю до размеров Земли, то атомы водорода и кислорода, входящие в молекулу воды, будут иметь в поперечнике 1-2 м. Основная же часть массы каждого атома сосредоточена в его ядре, поперечник которого при этом составил бы всего 0,01 мм.
Из современных представлений об атоме – элементарной структуре любого стабильного химического элемента - научно обоснованными следует считать следующие положения:
1. Атом химического элемента состоит из протонов и нейтронов (в общем случае), образующих стационарную часть - ядро, а также из постоянно движущихся по орбитам электронов.
2. Электрические заряды электрона и протона по величине одинаковы.
3. Атом химического элемента электронейтрален. Алгебраическая сумма зарядов равна нулю.
4. Взаимодействие между всеми указанными элементарными частицами центрально-потенциальное.
Ядро атома состоит из протонов – положительно заряженных и нейтронов – нейтральных частиц. Оба нуклона, протон и нейтрон, имеют массу приблизительно в 2000 раз большую, чем электрон. Между нейтроном и протоном действуют ядерные силы притяжения. Число протонов в ядре равно числу электронов в атоме, так что он в целом электрически нейтрален.
Любое ядро с заданным количеством протонов и нейтронов называется нуклоном. Протоны и нейтроны могут взаимопревращаться. Количество протонов в ядре каждого элемента строго определенно, что определяет физические и химические свойства атома. Число протонов называют зарядовым числом, или атомным номером. Протон несет один положительный заряд, равный по энергии заряду электрона.
Нейтрон обладает примерно такой же массой, как и протон, но не имеет заряда, что делает его частицей с большой проникающей способностью.
Расположение протонов и нейтронов в атоме.
Количество нейтронов у одного и того же химического элемента может быть различным. Изотопами называются разновидности элементов, ядра атомов которых содержат различное число нейтронов, но одинаковое число протонов. Химическая природа элемента обусловлена числом протонов в атомном ядре, которому равно и число электронов в оболочке атома. Изменение же числа нейтронов (при неизменном числе протонов) не сказывается на химических свойствах атома. В настоящее время известно около 300 стабильных изотопов и около 1500 радиоактивных.
Большинство природных элементов представляют собой смесь изотопов.
Электронная оболочка состоит из одного или нескольких энергетических слоев. Число электронов в каждом слое строго определенное. Электрон – это стабильная элементарная частица, обладающая электрическим зарядом (–) – это наименьшее количество электричества, встречающееся в природе. Поэтому в ЯФ заряд электрона принят за единицу. Суммарное количество электронов в атоме всегда равно количеству протонов в ядре, вследствие чего атом всегда нейтрален.
Для того чтобы понять механизм возникновения энергии при перемещениях электрона, необходимо познакомиться с постулатами Бора.
Постулаты Бора заключаются в следующем.
Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенным условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых, стационарных или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает электромагнитной энергии. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения.
Как было уже сказано раньше, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное заполняющее или как бы насыщающее его число электронов.
Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя.
Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся положительно заряженными, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот, атомы, присоединившие электроны, становятся отрицательно заряженными. Образующиеся таким путем заряженные частицы, качественно отличные от соответствующих атомов, называются ионами. Многие ионы, в свою очередь, могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом или в электронейтральные атомы, или в новые ионы с другим зарядом.
Под воздействием дополнительной внешней энергии (ионизирующего излучения) электроны могут переходить из одного слоя в другой или покидать пределы атома. Так если внешнее воздействие будет слабее энергии связи электрона с ядром, то электрон лишь перейдет с одного уровня на другой. Атом останется нейтральным, но будет обладать избытком энергии. Такие атомы называются возбужденными, а переход электронов на другой слой, более отдаленный от ядра, процессом возбуждения. Поскольку в природе все стремится к равновесию, то атом из возбужденного состояния возвращается в первичное, при этом выделяется энергия в виде рентгеновского электромагнитного излучения с длиной волны, зависящей от того, с какого уровня перешел электрон. Так, при переходе электрона во внешних слоях мы будем наблюдать выделение энергии в оптическом спектре (фотоэффект). Переходы электронов на ближайшую к ядру орбиталь (К) сопровождаются так называемым характеристическим рентгеновским излучением, при этом чем выше энергия связи «выбитого» электрона с ядром, тем более жестким будет характеристическое рентгеновское излучение.
При сильных внешних воздействиях атом теряет или присоединяет электрон, при этом образуется пара ионов. В радиобиологии отрицательный ион - это почти всегда электрон. Процесс образования пар ионов называют ионизацией. Как правило, атом покидает один из электронов внешнего внутреннего слоя. На его место перемещаются электроны с внешних энергетических слоев.
В таком состоянии атом существует недолго. Ионы очень активны, и поэтому живут не дольше 10-10 с, не успевают непосредственно оказывать повреждающее действие на атомы и молекулы, на взаимодействие с которыми нужно минимум 10-8 с. Ионы взаимодействуют преимущественно с ионами противоположного заряда. Так, свободное место на орбите положительного иона заполняется электроном, и атом вновь становится нейтральной системой. Этот процесс называется рекомбинацией ионов (деионизацией), при этом происходит выделение энергии, примерно равное количеству энергии, затраченному на процесс ионизации.
Явление радиоактивности
Протоны и нейтроны в ядре связывают ядерные силы, которые в миллион раз сильнее, чем силы, связывающие ядро с электроном. Однако ядерным силам свойственно короткодействие (они резко ослабевают на расстояниях, превышающих диаметр нуклона) и насыщение (каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов). Поэтому с увеличением числа нуклонов ядра становятся менее стабильными. Энергия связи ядер соразмерно возрастает с увеличением числа нейтронов.
Если в ядре атома силы сцепления между протонами и нейтронами слабые (нестабильный химический элемент), то протон может «вылететь» из ядра или нейтрон превратится в протон (при нейтронной перегрузке ядра, когда нейтронов значительно больше протонов), в этом случае образуется новый нуклид. При этом при потере протона с орбиты срывается электрон.
Явление самопроизвольного распада нестабильного изотопа и превращение его в новый нуклид, сопровождаемое выделением частиц или квантов высокой энергии (радиоактивным излучением), называется радиоактивностью. Нестабильные изотопы химических элементов, способные к самопроизвольному распаду и осуществившие его, носят название радиоизотопов и радионуклидов. На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают влияние внешние факторы, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние. В СИ единицей радиоактивности является беккерель.
Радиоактивный распад, происходящий в природе, называют естественной радиоактивностью, аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных радиоизотопах – искусственной радиоактивностью.
При распаде РВ его активность уменьшается по экспоненциальному закону. Время, по истечении которого активность изотопа уменьшается в 2 раза, называется периодом полураспада. Период полураспада есть величина постоянная для каждого изотопа.
Радиоактивные ряды
Если радиоактивное излучение сопровождается превращением ядер атомов в другие ядра, то естественно возникает вопрос – почему же до сих пор существуют радиоактивные вещества? Если, например, радий (порядковый номер 88), испускающий альфа-частицы, превращается в элемент с номером 86, то почему он не исчез с лица Земли? Наверное, потому, что он сам есть продукт распада какого-то другого элемента, превращающегося в радий.
Раз радиоактивные элементы до сих пор существуют на Земле, значит есть по крайней мере один радиоактивный элемент, который распадается настолько медленно, что за время существования Земли он не успел исчезнуть. Он-то, этот элемент, и «виноват» в том, что существуют и он сам, и тот элемент, в который он превращается (дочерний), и тот элемент, в который может превратиться этот дочерний радионуклид и так до появления стабильного изотопа.
Физики выяснили, что такие очень медленно распадающиеся изотопы действительно существуют. Их называют примордиальными (лат. первоначальными) радионуклидами. В эту группу включены 23 изотопа. Один из них – уран с порядковым номером 92 и относительной атомной массой 238. Он служит родоначальником одного из рядов (семейств) радиоактивных элементов (рисунок). Над линиями в этом ряду, обозначающими превращения, указаны испускаемые частицы, а под ними – периоды полураспада, то есть промежутки времени, в течение которых распадаются половина первоначального числа радиоактивных ядер. В результате 14 последовательных распадов уран превращается, в конце концов, в свинец с относительной атомной массой 206. Это стабильный (не радиоактивный) изотоп свинца, в отличие от изотопов свинца с массами 214 и 210.
Три основных радиоактивных ряда, наблюдающихся в природе, обычно называются рядом тория, рядом радия и рядом актиния. Каждый из этих рядов заканчивается образованием различных стабильных изотопов свинца (приложение).
Происхождение и свойства ядерных излучений
В начале века, исследуя природу радиоактивных излучений радия-226, ученые пропускали их в магнитном поле. Было обнаружено, что излучение делится на три пучка. Лучи, отклоняющиеся к положительно заряженной пластине, назвали бета-лучами, к отрицательно заряженной – альфа-лучами, не отклоняющиеся – гамма-лучами. Был сделан вывод, что только гамма-лучи являются действительно лучами, а остальная часть излучений - потоком положительно и отрицательно заряженных частиц.
Альфа-частицы представляют собой ядра гелия, состоят из двух протонов и двух нейтронов, имеют двойной положительный заряд +). Образуются при альфа-распаде ядер. Масса их превышает массу электрона в 7300раз, энергия колеблется в пределах 2–11 МэВ, при этом энергия для каждого изотопа постоянна. Пробег альфа-частиц в воздухе составляет 2–10 см, а в тканях – доли миллиметров.
Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию. При движении альфа-частицы в веществе она создаёт сильную ионизацию и в результате очень быстро теряет энергию. В воздухе на 1 см пробега они образуют 100–250 тыс. пар ионов. Энергии альфа-частиц, возникающих в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует. Однако проникновение альфа-активных радионуклидов внутрь тела, когда облучению подвергаются непосредственно ткани организма, весьма опасно для здоровья.
Бета-частицы представляют собой поток частиц ядерного происхождения, состоящий из электронов или позитронов. Физическая характеристика у них такая же, как и у электронов атомной оболочки. В отличие от альфа-частиц бета-частицы у одного и того же изотопа могут иметь различный запас энергии от 0 до Емакс. Это связано с тем, что при распаде вместе с бета-частицей из ядра вылетает нейтрино, и запас энергия может распределяться между ними неравномерно.
В связи с различным запасом энергии путь пробега в одинаковых тканях у бета-частиц неодинаков, кроме того, он не прямолинеен. Бета-частица на 1см пути в воздухе образует 50-100 пар ионов и имеет «рассеянный тип ионизации». Длина пробега бета-частицы в воздухе может доходить до 25 м, в биологических тканях до 1см. Поток бета-частиц называется «бета-лучи» или «бета-излучение».
Отрицательно заряженные бета-частицы являются электронами (β-), положительно заряженные - позитронами (β+).
Гамма-излучение представляет поток электромагнитных волн. Оно возникает в результате торможения электронов в электрическом поле ядер атомов (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек при актах возбуждения и ионизации атомов (характеристическое рентгеновское излучение).
Гамма-кванты – это излучения ядерного характера, они испускаются ядрами при альфа- и бета-распаде при условии наличия избытка энергии, этот избыток мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов.
Также гамма-кванты могут возникать при аннигиляции электрона и позитрона.
Энергия гамма-квантов пропорциональна частоте колебания: чем меньше длина волны и больше частота колебания, тем больше энергия и больше проникающая способность. Средняя энергия гамма-излучений около 2–3 МэВ.
Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизирующее действие и имеют высокую проникающую способность, путь пробега в воздухе достигает 100–150 м.
Типы ядерных превращений
У тяжелых ядер радиоактивных изотопов наблюдается несбалансированность количества протонов и нейтронов (обычно нейтронная перегрузка), они неустойчивы и претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате ядро атома одного элемента превращается в ядро атома другого элемента. При этом происходит выброс радиоактивных излучений высоких энергий, которые называют ионизирующими.
Существуют следующие типы ядерных превращений, или видов радиоактивного распада: альфа-распад, бета-распад (электронный, позитронный), электронный захват, внутренняя конверсия.
Альфа-распад. Сопровождается испусканием из ядра альфа-частицы и энергии, характерен для тяжелых ядер. В них образуются обособленные альфа-частицы, которые имеют повышенную способность отталкивания от протонов ядра и вместе с этим испытывают меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра. Образовавшаяся альфа - частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, но с большой вероятностью может вылететь за пределы ядра.
Бета-распад. Ряд естественных и искусственных изотопов распадается с испусканием электронов или протонов из ядра, так называемые бета-активные ядра.
Если в ядре избыток нейтронов, то происходит электронный бета-распад, при котором нейтрон превращается в протон с испусканием электрона («бета-минус» (β − ), и антинейтрино.
При избытке в ядре протонов (только у искусственных радиоизотопов) происходит позитронный бета-распад, при этом ядро испускает позитрон («бета-плюс» (β +) и нейтрино, а один из протонов превращается в нейтрон.
Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон и образует пару «протон-электрон», которая мгновенно превращается в два гамма-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц (е+ и е-) – 0,511 МэВ. Этот процесс называется аннигиляцией, а излучение аннигиляционным.
Кроме β − и β + - распадов, к бета-распадам относят также электронный захват.
Электронный захват. Позитронный бета-распад всегда сопровождается конкурирующим процессом – электронным захватом. При электронном захвате ядро захватывает электрон из слоя К или L и испускает нейтрино, один из протонов превращается в нейтрон. На место захваченного электрона перемещается электрон из более отдаленного слоя, при этом избыток энергии испускается в виде характеристического рентгеновского излучения. Позитронный бета-распад и электронный захват характерны для искусственных изотопов.
Внутренняя конверсия. Тип ядерного превращения характерен для возбужденных ядер. Возбужденное в результате ядерного превращения ядро имеет избыток энергии. В нормальное состояние ядро может перейти не только путем излучения гамма-кванта или выброса частицы, но и путем внутренней конверсии. При этом ядро передает электрону электронного слоя (К, L, М) энергию возбуждения, в результате чего он вырывается за пределы атома. Такие электроны получили название электронов внутренней конверсии, спектр их излучения отличается от спектра электронов бета-распада линейчатым спектром.
Если энергия возбуждения велика (более 1,022МэВ), то переход ядра в нормальное состояние может сопровождаться излучением пары «электрон – позитрон» с последующей аннигиляцией.
После акта внутренней конверсии в электронной оболочке появляется «дырка». Один из электронов с более высокоэнергетического уровня (внешнего) осуществляет квантовый переход с испусканием характеристического рентгеновского излучения.
Гамма - распад (изомерный переход). Почти все ядра имеют кроме основного квантового состояния и целый набор дискретных возбужденных состояний с большим запасом энергии. Возбуждение ядра снимается посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки или за счет альфа- и бета- распадов. При этом излучается один или несколько гамма - квантов.
|
|
Закон радиоактивного распада сформулирован британскими учеными: физиком Эрнестом Резерфордом и радиохимиком Фредериком Содди в 1903 г. он показывает, что за единицу времени распадается одна и та же доля имеющихся в наличии ядер.
Опытным путем Э. Резерфорд установил, что активность радиоактивного распада убывает с течением времени. Для каждого радиоактивного вещества существует интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза, т.е. период полураспада (Т) данного вещества.
Закон радиоактивного распада–экспоненциальная зависимость, выражающая долю распавшихся радиоактивных изотопов с течением времени. Для каждого радиоактивного изотопа, характеризующегося своим периодом полураспада, закон радиоактивного распада связывает:
- период наблюдения Δt = t – t0;
- число радиоактивных атомов в начальный(t0) момент наблюдения N0;
- число радиоактивных атомов в конечный (t) момент наблюдения Nt.
,
или 
Особенность радиоактивного распада состоит в том, что ядра одного и того же изотопа элемента распадаются не все сразу, а постепенно, в различное время. Это значит, что распад ядер может происходить с различной скоростью то большими, то малыми порциями. Поэтому для большей достоверности анализов необходимо правильно выбирать время счета, в течение которого определяется количество распавшихся ядер.
Единицы измерения радиоактивности
Количество РВ обычно определяют не единицей массы, а активностью, которая равна количеству распадов за единицу времени.
Активность – число самопроизвольных ядерных превращений, происходящих в радиоактивном излучателе в единицу времени. Единица активности в системе СИ – беккерель (Бк). Один беккерель равен активности такого вещества, в котором за одну секунду происходит один распад. На практике часто используют внесистемную единицу активности – Кюри (Ки), 1 Ки = 3,7×1010 Бк, хотя НРБ – 99 с 2000 г. запрещают использование внесистемных радиометрческих и дозиметрических единиц.
Для характеристики гамма-активности в СССР была введена единица – эквивалент 1мг радия (мг-экв.радия), это активность любого радиоактивного препарата, гамма-излучение которого создает такую же мощность экспозиционной дозы, как гамма-излучение 1мг радия (8,4 Р/ч). Эта величина называется гамма-постоянной радия (Кg ) и является эталоном. С ней сравнивают гамма-постоянные (Кg) всех других гамма излучателей.
Гамма-эквивалент (М) изотопа связан с его активностью А (мКи) через Кg соотношениями:
которые позволяют перейти от активности в мг-экв. радия к активности, выраженной в мКи, и наоборот.
Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом
При рассмотрении данного вопроса необходимо понять главное: как происходит передача энергии от потока α, β- частиц и γ- излучения окружающему пространству, в том числе живым тканям.
При прохождении ионизирующей частицы через вещество она может испытать рассеяние на ядрах и орбитальных электронах (изменение направления движения), поглощение (захват), деление или пройти вещество без взаимодействия. Вероятность элементарных актов взаимодействия зависит от вида частиц, их энергии и физико-химических свойств вещества.
Различают упругое и неупругое взаимодействие.
При упругом взаимодействии (аналогичном столкновению бильярдных шаров) природа частиц не изменяется и их суммарная энергия до и после взаимодействия остается постоянной, происходит только перераспределение энергии между взаимодействующими частицами. Возможен и такой случай упругого взаимодействия, когда энергия каждой их взаимодействующих частиц не изменяется, а изменяется только направление их движения.
При неупругом взаимодействии природа частиц также не изменяется, но их суммарная кинетическая энергия после взаимодействия оказывается меньше. Часть энергии затрачивается на производство какой-либо работы (нагревание среды, возбуждение или ионизация атомов, возбуждение ядер или тормозное излучение).
В процессе взаимодействия возможно и изменение природы частиц в результате протекания ядерных реакций, рождения и аннигиляции частиц и т.п.
Альфа-частицам присущи оба вида взаимодействия: неупругое с электронами и упругое с атомными ядрами. Следствие неупругого взаимодействия с орбитальными электронами – ионизация и возбуждение атомов. Упругое – рассеяние альфа-частиц на атомных ядрах. Альфа-частицы с высокой энергией преодолевают кулоновскую силу и проникают в ядро, при этом образуется промежуточное ядро, которое распадается с испусканием заряженных частиц, нейтронов или гамма-квантов(неупругое).
Бета-частицы при взаимодействии с веществом тоже имеют оба вида взаимодействия. Следствие неупругого взаимодействия с орбитальными электронами – ионизация и возбуждение атомов и молекул. Бета-частица при этом постепенно теряет свою энергию и способность к ионизации. При электрическом взаимодействии (упругое взаимодействие) бета-частицы отталкиваются от одноименно заряженных электронов и меняют направление своего движения.
Неупругое рассеяние бета-частиц на атомных ядрах наблюдается у бета-частиц с высокой энергией, а поглотителем служит материал большой плотности. При этом бета-частица тормозится в электрическом поле ядра и теряет часть своей энергии, вследствие чего возникает тормозное излучение.
Упругое взаимодействие бета-частиц с ядром возникает в случае притяжения их к положительно заряженным ядрам, и они изменяют направления своего движения.
Путь бета-частицы сильно извилист, и реальная длина пути в веществе в 1,5–4 раза больше их пробега.
Нейтроны обладают высокой проникающей способностью и теряют свою энергию только при столкновении с ядрами атомов, при этом возможно упругое и неупругое рассеяние нейтронов на ядрах. Нейтронное излучение очень опасно для живых тканей из-за высокой проникающей способности и возможности вызывать наведенную радиацию.
Энергетические характеристики взаимодействия
Величиной, определяющей энергетическую сторону процесса ионизации, служит работа (потенциал) ионизации – т.е. средняя работа, затрачиваемая на образование одной пары ионов(35эВ для a, 34эВ для b частиц).
Одинаково заряженные частицы, различные по природе, образуют практически одинаковое количество пар ионов. Однако плотность ионизации (удельная ионизация), т.е. количество пар ионов на единицу пути, будет различна. Она возрастает с увеличением заряда частицы и уменьшением скорости.
Наибольшая удельная ионизация у альфа-частиц.
Проходя через вещество, заряженные частицы постепенно теряют скорость, и поэтому плотность ионизации в конце пути возрастает. В конце пробега альфа-частица присоединяет к себе два электрона и превращается в атом гелия, бета-частица может включиться в состав атома среды или на какое-то время остаться свободным электроном.
Альфа-частицы в веществе продвигаются прямолинейно и только при соударении с ядрами могут изменять направление движения. Бета-частицы, претерпевая многократное рассеяние, могут двигаться в обратном направлении (обратное рассеяние).
Кривые поглощения параллельного пучка альфа и бета-частиц в веществе
Гамма-кванты, проходя через вещество, теряют энергию в результате трех эффектов: фотоэлектрического поглощения (фотоэффект), комптоновского рассеяния, образования электронно-позитронных пар.
Фотоэффект связан с передачей энергии гамма-кванта прочно связанному электрону слоя К, при этом гамма-квант исчезает, а электрон покидает пределы атома, атом ионизируется, на освободившееся место переходит электрон со слоя L, а на его со слоя М и т.д. (данный процесс сопровождается выделением энергии в виде характеристического рентгеновского излучения).
Фотоэлектрический эффект возможен, если энергия электрона до 0,05 МэВ, а поглотитель – вещество с большим атомным весом. В воздухе, воде, биологических тканях фотоэффект составляет 50% при энергии гамма-квантов порядка 60 кэВ, при повышении энергии доля фотоэффекта приближается к нулю.
Комптонэффект состоит в том, что гамма-кванты взаимодействуют с электронами внешней оболочки, передают им часть энергии, а сами изменяют направление, т.е. рассеиваются. Электроны (электроны отдачи), получившие заряд энергии, расходуют ее на ионизацию (вторичная ионизация). Отличием от фотоэффекта является то, что при комптонэффекте взаимодействие происходит с электронами внешних энергетических слоев. Таким образом, в результате комптонэффекта интенсивность гамма-излучения ослабляется вследствие рассеяния пучка и передачи части энергии электронам.
Образование электронно-позитронных пар. Гамма-кванты с энергией не менее 1,022 МэВ, проходя вблизи ядра, под воздействием электрического поля превращаются в пару электрон-позитрон. При этом происходит превращение одного вида материи – гамма-излучения в другую – частицу вещества. В дальнейшем эта пара аннигилирует и превращается в два вторичных гамма-кванта, способных вызывать комтонэффект и фотоэффект. Такой вид взаимодействия практически не ослабляет излучений в веществе.
Закон ослабления гамма-излучения веществом в корне отличается от закона поглощения альфа- и бета-частиц. Пучок гамма-излучения поглощается непрерывно с увеличением толщины слоя поглотителя, но его интенсивность ни при какой толщине слоя поглотителя не превратиться в нуль.
Для альфа- и бета-частиц всегда можно подобрать такую толщину слоя, которая полностью их поглотит. Для гамма-излучения можно лишь подобрать такую толщину, которая ослабляет его в заданное количество раз. Обычно толщину слоя поглотителя выражают не в единицах длины, а в г/см2 или мг/см2, т.е. указывается масса поглотителя на 1см2 его поверхности.
Толщина поглотителя, после прохождения которого интенсивность излучения ослабляется вдвое, называется слоем половинного ослабления (Δ1/2)
В зависимости от энергии гамма-квантов для всех излучателей подобрана величина, ослабляющая интенсивность излучения в 2 раза.
а – фотоэффект; б – комптонэффект; в – образование электронно-позитронных пар
Контрольные вопросы
1. Современные представления о строении атома.
2. Явления, связанные с перемещением электрона в атоме.
3. Строение ядра и свойства нуклонов.
4. Характеристика потока α-, β - частиц, γ - излучения.
5. Типы ядерных превращений.
6. Закон радиоактивного распада, период полураспада.
7. Единицы измерения радиоактивности.
8. Понятия: активность, доза, мощность дозы.
9. Передача энергии радиоактивных излучений веществу.
10. От чего зависит толщина слоя половинного ослабления?
