Что представляет собой альфа и бета излучение. Тестирование онлайн. Расчет характеристик α-частицы

Введение.

Радиационная медицина ‑ наука, изучающая действие ионизирующих излучений (ИИ) на организм человека, принципы лечения лучевых повреждений и профилактики возможных последствий облучения.

Среда обитания человека ‑ мир излучений, которые представляют собой перенос энергии через пространство в виде электромагнитных волн или субатомных частиц . Спектр электромагнитных излучений чрезвычайно широк. К ним относятся и свет, и звук. Они составная часть жизни. Человек адаптирован к излучениям в определенном диапазоне.

Излучения с длиной волны 10 ‑14 ‑10 ‑9 м представляют собой рентгеновское и гамма-излучения, с длиной около 10 ‑8 ‑10 ‑7 м (10–400 нм) – ультрафиолетовый свет, около 10 ‑6 м (400‑700 нм) ‑ видимый свет, около 10 ‑6 ‑10 ‑3 м (0,740‑1000 мкм) ‑ инфракрасный свет, 10 ‑3 ‑10 4 м ‑ радиоволны, 10 5 ‑10 8 м ‑ излучения, сопровождающие электричество. Электромагнитные волны нашли широкое применение в жизни общества ‑ промышленной рентгенографии и лучевой терапии (10 ‑14 ‑10 ‑13 м), медицинской рентгенографии (10 ‑12 ‑10 ‑10 м), фотографии (видимый и инфракрасный свет), радарах (10 ‑3 ‑10 ‑2 м), телевидении (10 ‑1 ‑10 0 м), радио (10 1 ‑10 4 м) и т.д.

Все виды излучений подразделяют на:

Ионизирующие излучения – альфа-, бета-, гамма-, рентгеновское излучения, коротковолновая часть ультрафиолетового света.

Неионизирующие излучения – длинноволновая часть ультрафиолетового света, видимый, инфракрасный свет, радиоволны.

Ионизирующие излучения обладают свойством ионизировать атомы. Излучение отрывает электроны и переносит их на оболочки других атомов. Например:

Н 2 О + hν → Н 2 О + + е –

Ионизированные атомы существуют доли секунд, т.к. электроны под действием электростатических сил возвращаются назад. В эти доли секунд ионизированные атомы запускают ряд патологических реакций, которые могут привести даже к гибели организма. Различие между ионизирующим излучением и неионизирующим в энергии. Если энергия излучения равна или больше 34 электрон-вольт (эВ), ‑ это ионизирующее излучение.

Электрон-вольт – единица, применяемая в ядерной физике для измерения энергии элементарных частиц и электромагнитных излучений. 1 эВ соответствует кинетической энергии, которую приобретет частица с зарядом равным заряду электрона (элементарный электрический заряд), проходя через электрическое поле с разностью потенциалов 1 В.

1эВ = 1,6∙10 ‑19 Дж.

Классификация ионизирующих излучений.

Различают два вида ИИ:

- Корпускулярные .

- Электромагнитные волны (квантовое или фотонное излучение).

Корпускулярные ИИ представляют собой поток частиц: электронов, протонов, нейтронов и т.д. Частицы могут быть нейтральными (нейтроны) и заряженными (альфа-частицы, бета-частицы, протоны). Существуют еще такие частицы как нейтрино, мезоны и другие, но как они действуют на организм человека изучено недостаточно.

К ИИ в виде электромагнитных волн относятся гамма- и рентгеновское излучения, коротковолновая часть ультрафиолетового света.

Краткая характеристика отдельных видов ионизирующих излучений (источники, энергия, проникающая способность, биологические эффекты, защита).

Альфа-излучение.

Альфа-частица представляет собой ядро атома гелия, которое состоит из 2 протонов и 2 нейтронов, заряд ядра +2, масса 4. Источником α-частиц всегда является распад радиоактивных веществ (РВ), но не все РВ являются α-излучателями. Естественный распад является способом самоуничтожения РВ. Нерадиоактивные вещества не распадаются. РВ при распаде дают дочерние продукты, очень часто радиоактивные благородные газы, последние являются короткоживущими, существуют всего несколько часов.

Существуют естественные (природные) и искусственные источники альфа-излучения . Например, к естественным источникам относятся радиоизотопы урановой группы. Родоначальник – уран-238 (238 U), который появился с момента образования планеты. Скорость его распада очень мала, он дожил до наших дней и присутствует везде ‑ в почве, воде, продуктах, теле человека. В крови, моче он доступен для количественного определения. Продукты распада 238 Uдают цепочку из 18 наименований, последнее вещество, свинец, является стабильным.

Искусственные α-излучателиобразуются в ядерных реакторах, в которых происходит синтез изотопов, часто не существующих в природе. Примером может быть плутоний-239 (239 Pu), используемый как ядерная взрывчатка. В природе в естественных условиях он не существует, имеет период полураспада 40000 лет, дороже золота.

Каждый радионуклид характеризуется энергией излучения. По энергии излучения радионуклиды можно идентифицировать с помощью спектрометра. Например, у 239 Puэнергия α-излучения равна 3,8 мегаэлектрон-вольт (МэВ). У большинства радионуклидов α-излучателей энергия α-излучения находится в диапазоне от 3 до 5 МэВ. Одна α-частица может ионизировать много атомов, число которых можно рассчитать. Например, α-частица с энергией 3,8 МэВ образует более 100 тысяч пар ионов (3,8 МэВ: 34 эВ).

Проникающая способность α-частиц низкая. Эта крупная, заряженная частица не может преодолеть даже лист бумаги. Пробег α-частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, в жидкостях и биологических тканях ‑ от 10 до 100 мкм. Например, проникающая способность в биологическом материале α-излучения 226 Racэнергией 4,8 МэВ близка к 40 мкм. Любые материалы, включая биологические ткани, полностью поглощают α-частицы. Эпидермис кожи поглощает α-излучение своими ороговевшими чешуйками, и живые клетки обычно не повреждаются. Ожогов кожи α-излучением не бывает. Даже слизь роговицы, слизистых оболочек защищает от воздействия α-частиц. Не описано случаев отравления 239 Puу рабочих атомной промышленности. При приеме внутрь он практически не всасывается при неповрежденной слизистой желудочно-кишечного тракта, выделяется с калом и не облучает в значительной степени слизистую.

Альфа-излучатели опасны при вдыхании, так как альвеолы не имеют защитного слоя. Если происходит их диффузия в кровь, возможно развитие острой лучевой болезни, вследствие высокой ионизирующей способности с образованием нескольких десятков тысяч пар ионов на одну частицу (от 20000 в начале пробега до 80000 в конце).

Принципы защиты. При работе с α-излучателями надо предотвратить их поступление во внутреннюю среду организма, в основном, путем защиты органов дыхания марлевой повязкой, респиратором, противогазом, изолирующим костюмом и другими средствами.

Бета-излучение.

Существует 2 разновидности бета-частиц: электроны (е -) и позитроны (е +). Они различаются зарядом, в остальном их свойства схожи.

Источники:

1. Радиоактивные вещества ‑ бета-излучатели (более 100). При естественном распаде излучают электроны или позитроны.

2. Бетатроны. Приборы, которые излучают электроны.

Существуют естественные и искусственные радионуклиды ‑ бета-излучатели . Главные из естественных:

Калий-40, присутствует в большом количестве в земной коре, особенно много его в минеральных удобрениях. Калий-40 ‑ смешанный излучатель (бета и гамма), поэтому возможна его регистрация портативными приборами. С помощью спектрометра излучения человека (СИЧ) можно определить количество калия-40 в организме. Так как соотношение между калием-40 и стабильным калием постоянное, можно определить общее содержание калия в организме.

Углерод-14 присутствует в организме человека. По содержанию в ископаемом объекте можно определить его возраст, для чего сравнивают с содержанием в живом объекте.

Искусственные бета-излучатели попали в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия в воздухе. Наиболее значимыми из них являются йод-125, стронций-90, цезий-137. Сейчас испытания ядерного оружия в воздухе запрещены и проводятся только под землей. Подземные взрывы вызывают землетрясения. На поверхность могут диффундировать только радиоактивные газы, которые быстро распадаются. Самая мощная бомба в 50 мегатонн (американцы назвали ее "большой Иван") была взорвана в 1962 г. Мощность атомной бомбы взорванной в Хиросиме – 4 килотонны.

Энергия бета-излучения меньше чем у альфа-излучения и составляет 10-100 килоэлектрон-вольт (кэВ). Бета-излучение обладает меньшей ионизирующей способностью при сравнении с альфа-излучением (несколько десятков пар ионов на микрометр пробега). При торможении электронов в веществе возникает тормозное рентгеновское излучение.

Проникающая способность бета-частиц больше, чем у альфа-частиц, а заряд и масса меньше. По воздуху бета-частицы распространяются до нескольких метров, в биологических тканях до нескольких сантиметров. Проникающая способность в биологическом материале β-излучения с энергией 2-5 МэВ равна 1-2,5 см. Бета-частицы имеют малую массу и при столкновении с другими элементарными частицами отклоняются, их путь извилист. Любые ткани поглощают бета-частицы. У пострадавших в результате чернобыльской аварии не было выявлено ожогов стоп, так как обувь эффективно поглощает бета- излучение. Без защиты бета-частицы могут проникать до росткового слоя кожи и поражать его. Ожоги, как правило, поверхностные, 1-2 степени. При внешнем облучении костный мозг не повреждается, и депрессии кроветворения, как правило, не наблюдается.

Бетатроны. Есть медицинские бетатроны, которые дают пучок электронов, направляемый на больной орган (опухоль). При контакте с пучком происходит локальное повреждение органов. У бетатрона энергия пучка может быть до 50 МэВ. Пучок электронов с энергией до 25 МэВ создает в тканях ионизацию с максимумом ее на глубине 1-3 см, затем доза быстро падает и на глубине 10 см практически близка к нулю. При уменьшении энергии электронов до 5-6 МэВ максимум дозы сдвигается ближе к поверхности тела. Костная ткань более значительно уменьшает пробег электронов.

Принципы защиты от бета-излучения. Основная задача защитить от поверхностного облучения кожу и видимые слизистые. Должно быть меньше открытых частей тела. Сухие хлопчатобумажные ткани защищают кожу не хуже, чем резина, мокрые пропускают бета-излучение. Необходимо защитить органы дыхания. Сложенный вчетверо носовой платок защищает в 8 раз, респиратор – в 100 раз.

Протоны (р) имеют массу, равную 1 а.е.м., заряд +1. Протоны являются составной частью космического излучения, однако, в основном, поглощаются атмосферой. Протоны образуются также на ускорителях тяжелых заряженных частиц промышленного и медицинского назначения типа синхроциклотрона. Ускоритель протонов представляет собой сложное инженерное сооружение. Двигаясь по спирали в однородном магнитном поле, протоны достигают больших энергий. Их пробег в воздухе достигает десятков метров. Длину пробега протонов и место их остановки в тканях пациента регулируют с помощью выбора толщины тормозящего фильтра, который изменяет энергию пучка. Это позволяет формировать пучок протонов с необходимыми лечебными свойствами.

Протоны постепенно теряют свою энергию при столкновении с ядрами атомов и внешними электронами. Так как масса протонов, как и масса альфа-частиц, значительно превышает массу электронов атомов, с которыми они соударяются, их траектория почти прямолинейна до конца пробега. Пробег протонов сэнергией 120 и 140 МэВ в тканях составляет соответственно 11 и 14 см. Ионизирующая способность пучка протонов резко возрастает в конце пробега (пик Брегга). Это позволяет подвести высокую дозу к облучаемой опухоли (до 100-200 Гр) без существенного облучения здоровых тканей. Ускорители протонов позволяют облучать строго ограниченные объемы тканей от 1 см 3 и более. На ускорителях протонов работает ограниченное число людей. Описаны несчастные случаи с непреднамеренным попаданием протонного пучка в голову. При этом наблюдается эффект воздействия как от укола иглой. Исход зависел от того, что было повреждено.

Нейтроны.

Нейтроны (n) имеют массу, равную 1 а.е.м., заряд 0. Источник нейтронного потока ‑ цепные ядерные реакции (ЦЯР). Эти реакции идут на солнце и дают солнечную энергию. Нейтроны доходят от солнца до верхних слоев атмосферы земли и поглощаются парами и воздухом. В обычных условиях человек не подвергается воздействию нейтронов. Нейтроны возникают при ядерном взрыве, вызывают тяжелое поражение, хотя действие длится секунды. Нейтроны поддерживают ЦЯР в ядерных реакторах, где их удерживают отражателями, чтобы они не выходили из активной зоны.

Энергия нейтронов колеблется в очень широком диапазоне от 0,025 эВ до 300 и более МэВ. По энергии различают медленные и быстрые нейтроны , между которыми граница находится в области 1 МэВ. К медленным относятся нейтроны с небольшой энергией, которые получили название тепловых нейтронов . Нейтроны с энергией в сотни и тысячи эВ называются промежуточными . Нейтроны с энергией более 1МэВ – быстрые . Нейтроны с энергией более 20 Мэв – сверхбыстрые .

В ускорителях нейтронов – пучковые потоки. Пучки нейтронов с энергией 10-15 МэВ имеют максимум ионизации непосредственно на поверхности тела. Энергия определяет проникающую способность . Нейтроны не имеют заряда, проникают вглубь атома и взаимодействуют непосредственно с ядрами. Теоретически нейтроны распространяются до бесконечности, но препятствиями поглощаются. Проникающая способность в биологическом материале нейтронов с энергией 14 МэВ составляет 10 см. Содержащие водород соединения хорошо поглощают нейтроны (вода, парафин, пластмассы). Нейтрон имеет массу, равную массе протона, при столкновении с водородом наблюдается эффект равных шаров (упругое рассеяние ). Нейтрон передает протону половину энергии, последний (протон отдачи ) начинает двигаться и ионизировать другие атомы. При столкновении нейтрона с крупными ядрами эффектотражения (неупругое рассеяние ) . При этом часть энергии нейтрона возбуждает ядро отдачи , которое переходит в стабильное состояние, излучая гамма-квант.

При определенных условиях нейтроны могут поглощаться ядрами (радиационный захват ), переводя их в возбужденное состояние, и вызывать ЦЯР (деление или синтез ядер). Нейтроны способны вызывать наведенную активность , превращая нерадиоактивные в радиоактивные атомы. Нейтроны могут образовывать радиоактивные золото, железо и др. Наводиться могут все металлы (золотые зубы, кольца, расчески). Описан ожог языка от прилегающей коронки зуба после облучения нейтронами. По степени наведенной активности физики могут определить дозу облучения. Нейтронная бомба была создана как противотанковое оружие, так как наводит радиоактивность. Это самая дорогая бомба, сейчас ее производство прекращено.

Биологические эффекты нейтронов . Воздействие кратковременно. Так как нейтроны проникают везде, характерно повреждение кроветворной ткани. Отмечается односторонность повреждения. Большую дозу получает часть тела, повернутая к источнику, и на стороне поражения будет краснота кожи. В случае неравномерного поражения прогноз по кроветворению благоприятный, так как костный мозг сам себя пересадит в пораженные участки, и трансплантация костного мозга не требуется.

Для защиты используют экраны из воды, парафина, пластмасс. У свинца – меньшая защитная эффективность от нейтронов.

Рентгеновское излучение.

Различают характеристическое рентгеновское излучение и тормозное. Характеристическое излучение возникает при изменении энергетического состояния электрона в атоме с переходом его на более энергетически выгодную орбиталь. Тормозное рентгеновское излучение образуется при столкновении заряженных частиц (электронов) с частицами вещества, через которое они проходят. Этот принцип возникновения рентгеновского излучения при торможении электронов на аноде используется в рентгеновских трубках.

Рентгеновское излучение имеет длину волны 10 ‑14 ‑10 ‑9 м. Чем меньше длина волны, тем выше энергия излучения и больше проникающая способность . При прохождении через ткани рентгеновское излучение быстро поглощается, и доза, полученная тканями и органами, зависит от расстояния до источника. Повреждающее действие рентгеновского излучения на ткани сходно с описанным ниже действием гамма-излучения. К защитным материалам относятся тяжелые металлы (свинец), бетон, грунт.

Гамма-излучение.

Источники гамма-излучения разные. Образуется при ядерных превращениях, имеет длину волны 10 ‑14 ‑10 ‑10 м. Гамма-излучение сопровождает бета-излучение (b+g). Отдельные альфа-излучатели также могут быть источниками гамма-излучения (a+g). Гамма-излучение может сопровождать и ЦЯР с нейтронным излучением. Гамма-фон за счет космического и земного излучения существует с момента зарождения планеты и уменьшается со временем. Гамма-излучение обладает повреждающим действием, которое особенно биологически значимо для хромосомного аппарата. Человек в определенной степени адаптирован к гамма-фону. Более того, некоторые считают, что, повышая изменчивость, гамма-фон способствовал возникновению жизни и ускорению эволюции.

На земле гамма-фон находится в пределах от 5 до 50 мкР/час. Уровень гамма-фона местности зависит от высоты над уровнем моря, присутствия горных пород. В Бразилии, Индии есть территории, где наблюдается еще более высокий гамма-фон, но там живет мало людей. Важно знать гамма-фон своей местности. В Витебске гамма-фон составляет 10-15 мкР/час. В горах гамма-фон выше, так как поверхность земли ближе к солнцу и разреженная атмосфера меньше поглощает космическое гамма-излучение. Там, где есть гранитные породы, гамма-фон также выше.

Гамма-излучение обладает высокой проникающей способностью. Длина пробега в воздухе составляет несколько сот метров. При прохождении тела человека γ-излучение теряет половину энергии. Ослабление гамма-излучения осуществляется путем фотоэффекта, эффекта Комптона и путем образования пары электрон-позитрон.

При фотоэффекте энергия фотона полностью поглощается и расходуется на отрыв электрона и придание ему кинетической энергии. Электрон, вырванный из поля атома, производит ионизацию ткани. Место выбитого электрона занимает электрон с более высокой орбитали с испусканием характеристического рентгеновского излучения. Чем ближе электрон к ядру, тем большая энергия его связи с ядром. Фотоэффект характерен для мягкого гамма-излучения с энергией до 0,5 МэВ.

При энергии от 0,5 до 1 МэВ фотон передает выбитому электрону только часть своей энергии, меняя направление своего движения, что получило название комптоновского рассеяния . Фотон с энергией более 1 МэВ, взаимодействуя с ядром, преобразуется в его поле в пару электрон и позитрон , которые производят ионизацию других ядер. Позитрон, встречаясь с электроном, превращается в два фотона (аннигиляция ), которые поглощаются средой.

Эффекты . Характерно повреждение кроветворной ткани (костного мозга, лимфоидной ткани, периферической крови), репродуктивных органов и эпителиальной ткани. Другие органы и ткани менее чувствительны.

Защита. Существует 3 принципа защиты. Защита расстоянием . По мере удаления от источника доза уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Надо отойти на максимально возможное расстояние от источника излучения. Иногда в защите жизни решающим оказывается один шаг. При аварии на ЧАЭС так и не было аварийного сигнала. Люди находились на рабочих местах и облучались с 1 20 до 8 00 , до конца рабочей смены. Если бы была сирена, люди бы ушли в убежище. Защита временем . Доза облучения пропорциональна времени контакта. Чтобы уменьшить дозу вдвое, надо сократить время контакта вдвое. Защита экраном . Используются свинцовые, бетонные, грунтовые экраны. Для всех материалов есть свой процент (коэффициент) ослабления.

Основные понятия и единицы измерения в радиационной медицине.

Активность (А) характеризует количество атомов, распадающихся единицу времени. Скорость радиоактивного распада – величина постоянная для каждого радионуклида. Радиоактивный распад до полного самоуничтожения описывается уравнением:

N t = N 0 ×e - 0,693 × t/T ,

где N 0 – исходное количество активных атомов, N t – количество активных атомов через время t, и Т – период полураспада вещества.

Существует 2 основные единицы активности.

Первоначально, за единицу Кюри (Ки) была принята активность 1 г радия-226. 1 кюри = 3,7×10 10 распадов в секунду. Кюри – крупная единица, поэтому на практике часто используют дольные производные.

Понятие «излучение» включает в себя весь диапазон электромагнитных волн, а также электрический ток, радиоволны, ионизирующее излучение. При последнем изменяется физическое состояние атомов и их ядер, превращая их в заряженные ионы или продукты ядерных реакций. Мельчайшие частицы обладают энергией, которая постепенно теряется при взаимодействии со структурными единицами. В результате движения вещество, через которое проникают элементы, ионизируется. Глубина проникновения различна для каждой частицы. Из-за способности изменять вещества радиоактивный свет наносит вред организму. Какие виды излучений существуют?

Корпускулярное испускание. Альфа-частицы

Данный вид представляет собой поток радиоактивных элементов, чья масса отлична от нуля. Примером является альфа и бета-излучение, а также электронное, нейтронное, протонное и мезонное. Альфа-частицы - это ядра атомов, которые испускаются при распаде некоторых радиоактивных атомов. Они состоят их двух нейтронов и двух протонов. Альфа-излучение - это ядра атомов гелия, которые положительно заряжены. Естественное испускание характерно для неустойчивых радионуклидов рядов тория, урана. Альфа-частицы выходят из ядра со скоростью до 20 тысяч км/сек. По пути движения они образуют сильную ионизацию среды, отрывая электроны из орбит атомов. Ионизация лучами приводит к химическим изменениям в веществе, а также к нарушению ее кристаллической структуры.

Характеристика альфа-излучения

Лучи такого вида представляют собой альфа-частицы массой 4,0015 атомных единиц. Магнитный момент и спин равны нулю, а заряд частиц - удвоенному элементарному заряду. Энергия альфа-лучей находится в пределах 4-9 МэВ. Ионизирующее альфа-излучение проявляется при потере атома своего электрона и превращении его в ион. Выбивание электрона происходит за счет большого веса альфа-частиц, которые больше его практически в семь тысяч раз. При прохождении через атом и отрыве каждого отрицательно заряженного элемента частицы теряют свою энергию и скорость. Способность ионизировать материю теряется, когда вся энергия потрачена и альфа-частица преобразуется в атом гелия.

Бета-излучение

Это процесс, при котором электроны и позитроны образуются при бета-распаде элементов от самых легких до самых тяжелых. Бета-частицы сотрудничают с электронами атомных оболочек, передают им часть энергии и вырывают их с орбит. В этом случае образуется положительный ион и свободный электрон. Альфа и бета - излучение обладают разной скоростью движения. Так, для второго вида лучей она приближается к скорости света. Поглотить бета-частицы можно с помощью слоя алюминия толщиной в 1 мм.

Гамма-лучи

Образуются при разложении радиоактивных ядер, а также элементарных частиц. Это коротковолновый тип электромагнитного излучения. Оно образуется при переходе ядра из более возбужденного энергетического состояния в менее возбужденное. Имеет короткую длину волны, поэтому обладает высокой проникающей способностью, что может нанести серьезный вред здоровью человека.

Свойства

Частицы, которые образуются при распаде ядер элементов, могут по-разному взаимодействовать с окружающей средой. Такая связь находится в зависимости от массы, заряда, энергии частиц. К свойствам радиоактивного излучения можно отнести следующие параметры:

1. Проникающую способность.

2. Ионизацию среды.

3. Экзотермическую реакцию.

4. Воздействие на фотоэмульсию.

5. Возможность вызвать свечение люминесцирующих веществ.

6. При длительном воздействии возможны химические реакции и распад молекул. Например, изменяется цвет предмета.

Перечисленные свойства используются при обнаружении излучений по причине неспособности человека улавливать их своими чувствами.

Источники излучений

Существуют несколько причин испусканий частиц. Это могут быть земные или космические объекты, которые содержат радиоактивные вещества, технические устройства, выделяющие ионизирующие излучение. Также причинами появления радиоактивных частиц могут быть ядерно-технические установки, контрольно-измерительные устройства, медицинские препараты, разрушение хранилищ радиационных отходов. Опасные источники делятся на две группы:

1. Закрытые. При работе с ними излучение не проникает в окружающую среду. Примером будет являться радиационная техника на АЭС, а также аппаратура в рентген-кабинете.
2. Открытые. В этом случае облучению подвергается окружающая среда. Источниками могут быть газы, аэрозоли, радиоактивные отходы.

Элементы ряда урана, актиния и тория являются естественными радиоактивными элементами. При их распаде происходит излучение альфа-, бета-частиц. Источниками альфа-лучей является полоний с атомной массой 214 и 218. Последний представляет собой продукт распада радона. Это ядовитый в больших количествах газ, который проникает из почвы и накапливается в подвалах домов.

Источники альфа-излучения высоких энергий представляют собой разнообразные ускорители заряженных частиц. Одним из таких устройств является фазотрон. Он представляет собой циклический резонансный ускоритель с постоянным управляющим магнитным полем. Частота ускоряющего электрического поля будет медленно изменяться с периодом. Частицы движутся по раскручивающийся спирали и ускоряются до энергии, равной 1 ГэВ.

Способность проникать через вещества

Альфа-, бета-, гамма-излучения обладают определенным пробегом. Так, движение альфа-частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, когда бета-частицы способны пройти несколько метров, а гамма-лучи - до сотни метров. Если человек испытал внешнее альфа-излучение, проникающая способность которого равна поверхностному слою кожи, то он будет в опасности только в случае открытых ран на теле. Сильный вред наносит употребление пищи, облученной данными элементами.

Бета-частицы могут внедриться в организм только на глубину не больше 2 см, а вот гамма-частицы способны вызвать облучение всего тела. Лучи последних частиц могут задержать только бетонные или свинцовые плиты.

Альфа-излучение. Влияние на человека

Энергии этих частиц, образующихся при радиоактивном распаде, не хватит на преодоление начального слоя кожи, поэтому внешнее облучение не несет вреда организму. Но если источником образования альфа-частиц служит ускоритель и их энергия достигает выше десятков МэВ, то угроза нормальному функционированию организма присутствует. Огромный вред наносит непосредственное проникновение внутрь тела радиоактивного вещества. Например, через вдыхание отравленного воздуха или через пищеварительный тракт. Альфа-излучение способно в минимальных дозах вызвать у человека развитие лучевой болезни, которая часто заканчивается смертью пострадавшего.

Альфа-лучи нельзя обнаружить с помощью дозиметра. Попав в организм, они начинают облучать близлежащие клетки. Организм вынуждает клетки делиться быстрее, чтобы возобновить пробел, но заново рожденные опять подвергаются вредному воздействию. Это приводит к потере генетической информации, мутациям, образованию злокачественных опухолей.

Допустимые пределы облучения

Норма ионизирующего излучения в России регулируется «Нормами радиационной безопасности» и «Основными санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений». Согласно данным документам, пределы облучения разработаны для следующих категорий:

1. «А». К ней относятся сотрудники, которые работают с источником излучений на постоянной основе или временно. Допустимый предел рассчитывается как индивидуальная эквивалентная доза внешнего и внутреннего излучения за год. Это так называемая предельно допустимая доза.

2. «Б». Категория включает часть населения, которая может подвергаться воздействию источников облучения, так как проживает или работает рядом с ними. В этом случае также рассчитывается допустимая доза за год, при которой в течение 70 лет не будут происходить нарушения здоровья.

3. «В». К типу относится население области, края или страны, попавшее под излучение. Ограничение облучения происходит с помощью введения норм и контроля радиоактивности объектов в окружающей среде, вредных выбросов с АЭС, учитывая дозовые пределы для предыдущих категорий. Влияние излучений на население не подлежит регламенту, так как уровни облучения очень низки. В случаях радиационной аварии в регионах применяются все необходимые меры безопасности.

Меры безопасности

Защита от альфа-излучения не представляет собой проблемы. Радиационные лучи полностью задерживаются плотным листом бумаги и даже человеческой одеждой. Опасность возникает только при внутреннем облучении. Чтобы избежать его, используются средства индивидуальной защиты. К ним относятся спецодежда (комбинезоны, шлемы из молескина), пластиковые фартуки, нарукавники, резиновые перчатки, специальная обувь. Для защиты глаз применяются щитки из оргстекла, также используются дерматологические средства (пасты, мази, кремы), респираторы. На предприятиях прибегают к мерам коллективной защиты. Что касается защиты от газа радона, способного накапливаться в подвалах, ванных комнатах, то в этом случае необходимо часто проветривать помещения, а подвалы изнутри изолировать.

Характеристика альфа-излучения приводит нас к выводу о том, что данный вид имеет низкую пропускную способность и не требует серьезных мер защиты при внешнем облучении. Большой вред наносят эти радиоактивные частицы при проникновении внутрь организма. Элементы данного вида распространяются на минимальные расстояния. Альфа-, бета-, гамма-излучения отличаются друг от друга своими свойствами, проникающей способностью, влиянием на окружающую среду.

Альфа-излучение (альфа-лучи) - это один из видов ионизирующих излучений; представляет собой поток быстро движущихся, обладающих значительной энергией, положительно заряженных частиц (альфа-частиц).

Основным источником альфа-излучения служат альфа-излучатели - , испускающие альфа-частицы в процессе распада. Особенностью альфа-излучений является его малая проникающая способность. Пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким (сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5-8 см в воздухе).

Однако вдоль короткого пути альфа-частицы создают большое число ионов, то есть обусловливают большую линейную плотность ионизации. Это обеспечивает выраженную относительную биологическую эффективность, в 10 раз большую, чем при воздействии рентгеновского и . При внешнем облучении тела альфачастицы могут (при достаточно большой поглощенной дозе излучения) вызывать сильные, хотя и поверхностные (короткий пробег) ожоги; при попадании через долгоживущие альфа-излучатели разносятся по телу током крови и депонируются в органах и др., вызывая внутреннее облучение организма. Альфа-излучение применяют для лечения некоторых заболеваний. См. также , Излучения ионизирующие.

Альфа-излучение - поток положительно заряженных α-частиц (ядер атомов гелия).

Основным источником альфа-излучения являются естественные радиоактивные изотопы, многие из которых испускают при распаде альфа-частицы с энергией от 3,98 до 8,78 Мэв. Благодаря большой энергии, двукратному (по сравнению с электроном) заряду и относительно небольшой (по сравнению с другими видами ионизирующих излучений) скорости движения (от 1,4·10 9 до 2,0·10 9 см/сек) альфа-частицы создают очень большое число ионов, густо расположенных по их пути (до 254 тыс. пар ионов). При этом они быстро расходуют свою энергию, превращаясь в обычные атомы гелия. Пробеги альфа-частиц в воздухе при нормальных условиях - от 2,50 до 8,17 см; в биологических средах - сотые доли миллиметра.

Линейная плотность ионизации, создаваемой альфа-частицами, достигает нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях.

Ионизация, производимая альфа-излучением, обусловливает ряд особенностей в тех химических реакциях, которые протекают в веществе, в частности в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.). Эти радиохимические реакции, протекающие в биологических тканях под воздействием альфа-излучения, в свою очередь вызывают особую, большую, чем у других видов ионизирующих излучений, биологическую эффективность альфа-излучения. По сравнению с рентгеновским, бета- и гамма-излучением относительная биологическая эффективность альфа-излучения (ОБЭ) принимается равной 10, хотя в различных случаях она может меняться в широких пределах. Как и другие виды ионизирующих излучений, альфа-излучение применяется для лечения больных с различными заболеваниями. Этот раздел лучевой терапии называется альфа-терапией (см.).

См. также Излучения ионизирующие, Радиоактивность.

Корпускулярные излучения - ионизирующие излучения, состоящие из частиц с массой, отличной от нуля.

Альфа-излучение - поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия - 24Не), который движется со скоростью около 20000 км/с. Альфа-лучи образуются при радиоактивном распаде ядер элементов с большими порядковыми номерами и при ядерных реакциях, превращениях. Энергия их колеблется в пределах 4-9 (2-11) МэВ. Пробег a-частиц в веществе зависит от их энергии и от природы вещества, в котором они движутся. В среднем в воздухе пробег составляет 2-10 см, в биологической ткани - несколько микрон. Так как a-частицы массивны и обладают относительно большой энергией, путь их в веществе прямолинейный , они вызывают сильно выраженный эффект ионизации. Удельная ионизация составляет примерно 40000 пар ионов на 1 см пробега в воздухе (на всей длине пробега может создаваться до 250 тысяч пар ионов). В биологической ткани на пути в 1-2 микрона также создается до 40000 пар ионов. Вся энергия передается клеткам организма, нанося ему огромный вред.

Альфа-частицы задерживаются листом бумаги и практически не могут проникать через внешний (наружный) слой кожи, они поглощаются роговым слоем кожи. Поэтому a-излучение не представляет опасности до той поры, пока радиоактивные вещества, излучающие a-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или вдыхаемым воздухом - тогда они становятся чрезвычайно опасными .

Бета-излучение - поток b-частиц, состоящий из электронов (отрицательно заряженных частиц) и позитронов (положительно заряженных частиц), испускаемых атомными ядрами при их b-распаде. Масса β-частиц в абсолютном выражении равна 9,1х10-28 г. Бета-частицы несут один элементарный электрический заряд и распространяются в среде со скоростью от 100 тыс. км/с до 300 тыс. км/с (т.е. до скорости света) в зависимости от энергии излучения. Энергия b-частиц колеблется в значительных пределах. Это объясняется тем, что при каждом b-распаде радиоактивных ядер образующаяся энергия распределяется между дочерним ядром, b-частицами и нейтрино в разных соотношениях, причем энергия b -частиц может колебаться от нуля до какого-то максимального значения. Максимальная энергия лежит в пределах от 0,015-0,05 МэВ (мягкое излучение) до 3-13,5 МэВ (жесткое излучение).

Так как b-частицы имеют заряд, то под действием электрического и магнитного полей они отклоняются от прямолинейного направления. Обладая очень малой массой, b-частицы при столкновении с атомами и молекулами также легко отклоняются от своего первоначального направления (т.е. происходит сильное рассеяние их). Поэтому определить длину пути бета-частиц очень трудно - этот путь слишком извилистый. Пробег
b-частиц в связи с тем, что они обладают различным запасом энергии также подвергается колебаниям. Длина пробега в воздухе может достигать
25 см, а иногда и нескольких метров. В биологических тканях пробег частиц составляет до 1 см. На путь пробега влияет также плотность среды.

Ионизирующая способность бета-частиц значительно ниже, чем альфа-частиц. Степень ионизации зависит от скорости: меньше скорость - больше ионизация. На 1 см пути пробега в воздухе b-частица образует
50-100 пар ионов (1000-25 тыс. пар ионов на всем пути в воздухе). Бета-частицы больших энергий, пролетая мимо ядра слишком быстро, не успевают вызвать такой же сильный ионизирующий эффект, как медленные бета-частицы. При потере энергии захватывается либо положительным ионом с образованием нейтрального атома, либо атомом с образованием отрицательного иона.

Нейтронное излучение - излучение, состоящее из нейтронов, т.е. нейтральных частиц. Нейтроны образуются при ядерных реакциях (цепной реакции деления ядер тяжелых радиоактивных элементов, при реакциях синтеза более тяжелых элементов из ядер водорода). Нейтронное излучение является косвенно ионизируемым; образование ионов происходит не под действием самих нейтронов, а под действием вторичных тяжелых заряженных частиц и гамма-квантов, которым нейтроны передают свою энергию. Нейтронное излучение чрезвычайно опасно вследствие своей высокой проникающей способности (пробег в воздухе может достигать несколько тысяч метров). Кроме того нейтроны могут вызвать наведенную (в том числе и в живых организмах), превращая атомы стабильных элементов в их радиоактивные . От нейтронного облучения хорошо защищают водородсодержащие материалы (графит, парафин, вода и т.д.).

В зависимости от энергии различают следующие нейтроны:

1. Сверхбыстрые нейтроны с энергией в 10-50 МэВ. Они образуются при ядерных взрывах и работе ядерных реакторов.

2. Быстрые нейтроны, энергия их превышает 100 кэВ.

3. Промежуточные нейтроны - энергия их от 100 кэВ до 1 кэВ.

4. Медленные и тепловые нейтроны. Энергия медленных нейтронов не превышает 1 кэВ. Энергия тепловых нейтронов достигает 0,025 эВ.

Нейтронное излучение используют для нейтронной терапии в медицине, определения содержания отдельных элементов и их изотопов в биологических средах и т.д. В медицинской радиологии используются главным образом быстрые и тепловые нейтроны, в основном используют калифорний-252, распадающийся с выбросом нейтронов со средней энергией в 2,3 МэВ.

Электромагнитные излучения различаются по своему происхождению, энергии, а также по длине волны. К электромагнитным излучениям относятся рентгеновское излучение, гамма-излучение радиоактивных элементов и тормозное излучение, возникающее при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц. Видимый свет и радиоволны - тоже электромагнитные излучения, но они не ионизируют вещество, ибо характеризуются большой длинной волны (меньшей жесткостью). Энергия электромагнитного поля излучается не непрерывно, а отдельными порциями - квантами (фотонами). Поэтому электромагнитные излучения - это поток квантов или фотонов.

Рентгеновские излучения. Рентгеновские лучи были открыты Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 г. Рентгеновское излучение - это квантовое электромагнитное излучение с длинной волны 0,001-10 нм. Излучение с длинной волны, превышающей 0,2 нм условно называют «мягким» рентгеновским излучением, а до 0,2 нм - «жестким». Длина волны - расстояние, на которое излучение распространяется за один период колебания. Рентгеновское излучение, как и всякое электромагнитное излучение, распространяется со скоростью света - 300000 км/с. Энергия рентгеновского излучения обычно не превышает 500 кэВ.

Различают тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Тормозное излучение возникает при торможении быстрых электронов в электростатическом поле ядра атомов (т.е. при взаимодействие электронов с ядрами атомов). При прохождении электрона больших энергий вблизи ядра наблюдается рассеяние (торможение) электрона. Скорость электрона снижается, и часть его энергии испускается в виде фотона тормозного рентгеновского излучения.

Характеристические рентгеновские излучения возникают, когда быстрые электроны проникают вглубь атома и выбивают из внутренних уровней (К, L и даже М). Атом возбуждается, а затем возвращается в основное состояние. При этом электроны из внешних уровней заполняют освободившиеся места во внутренних уровнях и при этом излучаются фотоны характеристического излучения с энергией, равной разности энергии атома в возбужденном и основном состоянии (не превышающем 250 кэВ). Т.е. характеристическое излучение возникает при перестроении электронных оболочек атомов. При различных переходах атомов из возбужденного состояния в невозбужденное, избыток энергии может также испускаться в виде видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Так как рентгеновские лучи обладают малой длиной волн и меньше поглощаются в веществе, то они обладают большей проникающей способностью.

Гамма-излучение - это излучение ядерного происхождения. Оно испускается ядрами атомов при альфа и бета распаде природных искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- и бета-частицей). Этот избыток энергии мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов. Т.е. гамма-излучения - это поток электромагнитных волн (квантов), который излучается в процессе радиоактивного распада при изменении энергетического состояния ядер. Кроме того, гамма-кванты образуются при антигиляции позитрона и электрона. По свойствам гамма-излучение близко к рентгеновскому излучению, но обладает большей скоростью и энергией. Скорость распространения в вакууме равняется скорости света - 300000 км/с. Так как гамма-лучи не имеют заряда, то в электрическом и магнитном полях не отклоняются, распространяясь прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Энергия гамма-излучения колеблется от десятков тысяч до миллионов электрон-вольт (2-3 МэВ), редко достигает 5-6 МэВ (так средняя энергия гамма-лучей, образующихся при распаде кобальта-60 равна 1,25 МэВ). В состав потока гамма-излучений входят кванты различных энергий. При распаде 131

альфа, бета- (группа корпускулярных излучений), гамма-излучения- (группа волновых).

Корпускулярные представляют собой потоки невидимых элементарных частиц, имеющих массу и диаметр. Волновые излучения имеют квантовую природу. Это электромагнитные волны в сверхкоротковолновом диапазоне.

Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, распространяющихся с начальной скоростью около 20 тыс. км/с. Их ионизирующая способность огромна, а так как на каждый акт ионизации тратится определенная энергия, то их проникающая способность незначительна: длина пробега в воздухе составляет 3-11 см, а в жидких и твердых средах - сотые доли миллиметра. Лист плотной бумаги полностью задерживает их. Надежной защитой от альфа-частиц является также одежда человека.Поскольку альфа-излучение имеет наибольшую ионизирующую, но наименьшую проникающую способность, внешнее облучение альфа-частицами практически безвредно, но попадание их внутрь организма весьма опасно.

Бета-излучение - поток бета-частиц, которые в зависимости от энергии излучения могут распространяться со скоростью, близкой к скорости света (300 тыс. км/с). Заряд бета-частиц меньше, а скорость больше, чем у альфа-частиц, поэтому они имеют меньшую ионизирующую, но большую проникающую способность. Длина пробега бета-частиц с высокой энергией составляет в воздухе до 20 м, воде и живых тканях - до 3 см, металле - до 1 см. На практике бета-частицы почти полностью поглощают оконные или автомобильные стекла и металлические экраны толщиной в несколько миллиметров. Одежда поглощает до 50 % бета-частиц.При внешнем облучении организма на глубину около 1 мм проникает 20-25 % бета-частиц. Поэтому внешнее бета-облучение представляет серьезную опасность лишь при попадании радиоактивных веществ непосредственно на кожу (особенно на глаза) или же внутрь организма.

Гамма-излучение - это электромагнитное излучение, испускаемое ядрами атомов при радиоактивных превращениях. Оно, как правило, сопровождает бета-распад, реже альфа-распад. По своей природе гамма-излучение представляет собой электромагнитное поле с длиной волны 10~8-10~и см. Оно испускается отдельными порциями (квантами) и распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность его значительно меньше, чем у бета-частиц и тем более у альфа-частиц.Зато гамма-излучение имеет наибольшую проникающую способность и в воздухе может распространяться на сотни метров. Для ослабления его энергии в два раза необходим слой вещества (слой половинного ослабления) толщиной: воды - 23 см, стали - около 3, бетона - 10, дерева - 30 см.Из-за наибольшей проникающей способности гамма-излучение является важнейшим фактором поражающего действия радиоактивных излучений при внешнем облучении.Хорошей защитой от гамма-излучений являются тяжелые металлы, например свинец, который для этих целей используется наиболее часто.

100.Действие радиации на человека

По сравнению с другими повреждающими факторами ионизирующее излучение (радиация) изучено лучше всего. Как радиация действует на клетки? При делении атомных ядер высвобождается большая энергия, способная отрывать электроны от атомов окружающего вещества. Этот процесс называется ионизаций, а несущее энергию электромагнитное излучение – ионизирующим. Ионизированный атом меняет свои физические и химические свойства. Следовательно, изменяются свойства молекулы, в которую он входит. Чем выше уровень радиации, тем больше число актов ионизации, тем больше будет поврежденных клеток. Погибшие клетки организм замещает новыми в течение дней или недель, а клетки-мутанты эффективно выбраковывает. Этим занимается иммунная система. Но иногда защитные системы дают сбой. Результатом в отдаленном времени может быть рак или генетические изменения у потомков, в зависимости от типа поврежденной клетки (обычная или половая клетка). Ни тот, ни другой исход не предопределен заранее, но оба имеют некоторую вероятность. Самопроизвольные случаи рака называют спонтанными. Если установлена ответственность того или иного агента за возникновение рака, говорят, что рак был индуцированным.

Если доза облучения превышает природный фон в сотни раз, это становится заметным для организма. Важно не то, что это радиация, а то, что защитным системам организма труднее справляться с возросшим числом повреждений. Из-за участившихся сбоев возникает дополнительные «радиационные» раки. Их количество может составлять несколько процентов от числа спонтанных раков.

Очень большие дозы, это - в тысячи раз выше фона. При таких дозах основные трудности организма связаны не с измененными клетками, а с быстрой гибелью важных для организма тканей. Организм не справляется с восстановлением нормального функционирования самых уязвимых органов, в первую очередь, красного костного мозга, который относится к системе кроветворения. Появляются признаки острого недомогания - острая лучевая болезнь. Если радиация не убьет сразу все клетки костного мозга, организм со временем восстановится. Выздоровление после лучевой болезни занимает не один месяц, но дальше человек живет нормальной жизнью.Вылечившись после лучевой болезни, люди несколько чаще, чем их необлученные сверстники болеют раком.На несколько процентов.Это следует из наблюдений за пациентами в разных странах мира, прошедшими курс радиотерапии и получившими достаточно большие дозы облучения, за сотрудниками первых ядерных предприятий, на которых еще не было надежных систем радиационной защиты, а также за пережившими атомную бомбардировку японцами, и чернобыльскими ликвидаторами. Среди перечисленных групп самые высокие дозы были у жителей Хиросимы и Нагасаки. За 60 лет наблюдений у 86,5 тысяч человек с дозами в 100 и более раз выше природного фона было на 420 случаев смертельного рака больше, чем в контрольной группе (увеличение примерно на 10 %). В отличие от симптомов острой лучевой болезни, которые проявляются через часы или дни, рак возникает не сразу, может быть, через 5, 10 или 20 лет. Для разных локализаций рака скрытый период разный. Быстрее всего, в первые пять лет, развивается лейкоз (рак крови). Именно это заболевание считается индикатором радиационного воздействия при дозах облучения в сотни и тысячи раз выше фона.

	Результат воздействия
	Доза от естественных источников в год
	Предельно допустимая доза профессионального облучения в год
	Уровень удвоения вероятности генных мутаций
	Однократная доза оправданного риска в чрезвычайных обстоятельствах
	Доза возникновения острой лучевой болезни
	Без лечения 50% облученных умирает в течение 1-2 месяцев вследствие нарушения деятельности клеток костного мозга
	Смерть наступает через 1-2 недели вследствие поражений главным образом желудочно кишечного тракта
	Смерть наступает через несколько часов или дней вследствие повреждения центральной нервной системы