Ионизирующее излучение презентация

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.

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.

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

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.

Альфа-излучение
В целом, внешнее облучение альфа-частицами, 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 альфа-частицы часто могут быть даже опаснее, чем бета- и гамма-излучение.

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 бета-частиц (энергией не более 1МэВ) достаточно будет использовать обычную алюминиевую пластину толщиной 3-5 мм.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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,

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

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

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

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

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.

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.

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.

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.

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.

Удельные активности по 40К воды, почвы и некоторых продуктов питания, Бк/л или Бк/кг

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).

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.

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

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.

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.

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 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.

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.

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 β-излучение).
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.

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.

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.

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-, γ- или рентгеновского излучения.
Для характеристики различий воздействия на организм ионизирующего излучения разных типов используют понятие эффективной дозы Дэфф.

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).