4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ

Для регистрации радиоактивности и мер защиты от ядерных излучений, необходимо знать за счет каких процессов теряется энергия излучения, проходя через вещество; какова ионизирующая способность различных видов излучения.

В основном заряженные частицы, проходя через вещество, теряют свою энергию за счет столкновений с атомами этого вещества. Так как масса ядра вещества на много больше по сравнению с массой электронов атома, то наблюдаются существенные различия между столкновениями "электронными" (падающая частица сталкивается с электроном) и "ядерными" столкновениями (падающая частица сталкивается с ядром атома). В первом случае происходит возбуждение или ионизация атома (неупругое столкновение), во втором — частица и атом приходят в движение как единая система (упругое столкновение). Ядерные столкновения происходят в веществе многократно, что приводит к рассеянию частиц. Если в результате взаимодействия появляются новые частицы или исчезают первоначальные, то этот процесс называют реакцией. В частности, если возникают при взаимодействии ядра с новыми свойствами, то реакция называется ядерной.

Процесс радиоактивного превращения элементов всегда сопровождаются выбросом элементарных частиц. Это могут быть заряженные частицы такие, как альфа-, бета-частицы, протоны и другие, нейтральные — нейтроны, нейтрино, так и гамма кванты различных энергий.

Пучки заряженных элементарных частиц, ядра лёгких элементов, ионов оказывают ионизирующее воздействие на вещество, через которые они проходят. Опосредствованное ионизирующее воздействие оказывают и нейтральные частицы, прежде всего нейтроны: в результате взаимодействия этих частиц с ядрами веществ испускаются ядром протон и гамма квант, которые и вызывают ионизацию среды.

Рассмотрим процессы, сопровождающие прохождение ионизирующего излучения через вещество.

4.1 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ АЛЬФА-ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ

История открытия и изучения альфа-частиц связана с именем Резерфорда. При помощи альфа-частиц Резерфорд проводил исследования большинства атомных ядер.

Альфа-частицы это атомы гелия, потерявшие два электрона, т.е. ядра атома гелия

Ядро гелия, состоящее из двух протонов и двух нейтронов устойчиво, частицы связаны в нем прочно.

В настоящее время известно более 200 альфа активных ядер, главным образом тяжёлых (А > 200, Z > 82 ), исключение составляют редкоземельные элементы (А=140-160). Примером альфа распада может служить распад изотопов урана:

Скорости, с которыми альфа-частицы ,, вылетают из распавшегося ядра, очень велики и колеблются для разных ядер в пределах от 1,4 х 107 до 2,0x10' м/с, что соответствует кинетическим энергиям этих частиц 4—8,8 МэВ. Альфа-частицы в состав ядра не входят, и, по современным представлениям, они образуются в момент радиоактивного распада при встрече движущихся внутри ядра 2-х протонов и 2-х нейтронов.

Пролетая через вещество, альфа-частицы постепенно теряют свою энергию, затрачивая ее на ионизацию газов. Причём в начале пути, когда энергия альфа-частиц велика, удельная ионизация меньше, чем в конце пути.

Под пробегом частицы в веществе понимается толщина слоя этого вещества, которую может пройти эта частица до полной остановки. Пробег частиц в основном определен для тяжелых частиц, т.к. их путь представляет прямую линию с наименьшим рассеянием. Пробег альфа-частиц зависит как от энергии частиц, так и от плотности вещества, в котором они движутся.

По пробегу альфа частицы можно определить ее энергию.

4.2 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БЕТА-ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ

Бета-распад происходит, когда замена в атомном ядре ( нейтрона на протон энергетически выгодна, и образующееся новое ядро имеет большую энергию связи. Бета-излучение состоит из бета-частиц (электронов или позитронов), которые испускаются при бета-распаде радиоактивных изотопов. Электроны не входят в состав ядра и не выбрасываются из оболочки атома, при электроном бета- распаде происходит превращение нейтрона в протон с одновременным образованием электрона и вылетом антинейтрино. При этом заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Электронный распад характерен для ядер с избыточным числом нейтронов. Примером электронного бета-распада может служить распад стронция:

При позитронном бета-распаде происходит превращение протона в нейтрон с образованием и выбросом из ядра позитрона. Заряд и порядковый номер ядра уменьшаются на единицу. Позитронный бета-распад наблюдается для неустойчивых ядер с избыточным числом протонов. Примером позитронного бета-распада может служить распад радионуклида натрия:

К бета-распаду относится также электронный захват (е-захват), т.е. захват атомным ядром одного из электронов своего атома. При этом один из протонов ядра превращается в нейтрон и испускается нейтрино. Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии.

Переходя в основное состояние оно испускает гамма-фотон. Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышестоящих слоев, в результате возникает рентгеновское излучение.

Примером электронного захвата может служить следующая реакция:

Бета-частицы, испускаемые при бета-распаде, имеют различную энергию, поэтому и пробег их в веществе не одинаков. Путь, проходимый бета-частицей в веществе, представляет собою не прямую линию, как у альфа-частиц, а ломаную. Взаимодействуя с веществом среды, бета-частицы проходят вблизи ядра. В поле положительно заряженного ядра отрицательно заряженная бета-частица резко тормозится и теряет при этом часть своей энергии. Эта энергия излучается в виде тормозного рентгеновского излучения. С увеличением энергии бета-частиц и атомного номера вещества интенсивность рентгеновского излучения возрастает.

Ионизирующая способность бета-частиц много меньше, а длина пробега много больше, чем у альфа-частиц.

4.3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

В литературе часто встречаются термины радиоактивных излучений: рентгеновские или гамма-лучи, или общее название — электромагнитные волны с короткими длинами волн, которые обладают большой проникающей способностью в веществе. Различные названия рентгеновские и гамма лучи — связаны не с различными физическими свойствами этих лучей, а со способом их получения. Наиболее часто употребляется гамма-излучение, которое не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает альфа- и бета- распады. Оно возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц и т.д.

Гамма-излучение испускается дочерним ядром. Дочернее ядро в момент своего образования оказывается возбуждённым, а затем за времяс оно переходит в основное состояние с испусканием гамма-излучения. Возвращаясь в основное состояние, ядро может пройти через ряд промежуточных состояний, поэтому гамма-излучение может содержать несколько групп гамма-квантов, отличающихся значениями энергии.

Гамма-кванты, обладая нулевой массой покоя, не могут замедляться в среде, они или поглощаются или рассеиваются. Гамма-излучение не имеет заряда и тем самым не испытывает влияния кулоновских сил. При прохождении пучка гамма-квантов через вещество их энергия не меняется, но уменьшается интенсивность, согласно закону(— интенсивности гамма-излучения на входе и выходе слоя поглощающего вещества толщиной X, — коэффициент поглощения); зависит от свойств вещества и энергии гамма-квантов.

Основными процессами, сопровождающими прохождение гамма-излучения через вещество является фотоэффект, компто-новское рассеяние и образование электронно-позитронных пар (рис. 1.3).

Фотоэффектом называется процесс, при котором атом полностью поглощает гамма квант с энергией hv и испускает электрон с кинетической энергией Ek , равной

где I — энергия ионизации соответствующей атомной оболочки. Если энергия hv достаточна для вырывания электрона из любой атомной оболочки (hv >), то наиболее вероятным будет испускание сильно связанных, т.е. глубинных атомных электронов. Увеличение порядкового номера z поглотителя приводит к увеличению вероятности фотоэффекта, поскольку ослабляется связь электронов с атомным остатком и возрастает число электронов в атоме. С ростом энергии hv вероятность фотоэффекта понижается.

Комптоновским рассеянием называется такой процесс, при котором гамма-квант, взаимодействуя со слабо связанным электроном, передает ему часть своей энергии hv и рассеивается под углом q к первоначальному направлению, а электрон покидает атом, обладая кинетической энергией.

Увеличение энергии гамма квантовприводит к монотонному убыванию вероятности Комптон-эффекта.

Рождение электронно-позитронной пары — процесс, при котором гамма-квант превращается в пару частиц — электрон и позитрон, в результате взаимодействия с электрическим полем ядра или электрона. Процесс рождения пары частиц в поле ядра возможен при энергиях гамма-квантов превышающих 1,02 МэВ. Для возникновения такого же процесса в поле электрона энергия гамма квантов должна достичь порогового значения 2,04 МэВ.

Механизм поглощения гамма-излучения зависит от его энергии. Если энергия кванта меньше 100-200 кэВ, то наиболее вероятным механизмом поглощения является фотоэффект. Образовавшийся при фотоэффекте электрон способен вызвать ионизацию среды в которой он движется. При энергиях, больших 200 кэВ и вплоть до 100 МэВ, основным механизмом поглощения энергии гамма квантов является Комптон-эффект. Начиная с энергии гамма кванта 1,02 МэВ появляется вероятность образования электронно-позитронных пар. Энергия кванта, равная 1,02 МэВ, расходуется на образование пары, а избыток энергии кванта переходит в кинетическую энергию образующихся частиц, которые теряют эту энергию при столкновении с электронами. Наряду с процессом образования пар происходит их аннигиляция с образованием двух гамма квантов

4.4 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С ВЕЩЕСТВОМ

Нейтроны, имеющие нулевой заряд, не взаимодействуют с электронной оболочкой встреченных атомов, а поэтому могут проникать вглубь их. Проникающая способность нейтронов весьма велика. При этом нейтроны могут либо поглощаться ядрами, либо рассеиваться на них. При упругом рассеивании на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтроны теряют лишь 10-15% энергии, а при столкновении с почти равными с ними по массе ядрами водорода — протонами — энергия нейтрона уменьшается в среднем вдвое. Поэтому, с одной стороны, вещества, содержащие большое количество атомов водорода (вода, парафин), используют для замедления нейтронов. С другой стороны, процесс упругого соударения нейтронов с протонами используется для регистрации быстрых нейтронов. В самом деле при упругом ударе нейтрона с неподвижным протоном последнему передаётся большая часть кинетической энергии нейтрона — нейтрон практически останавливается, а протон начинает двигаться в том направлении, в котором двигался нейтрон. Движущийся протон на своём пути производит интенсивную ионизацию, которая регистрируется счётчиком или камерой Вильсона.

Испытавшие столкновение нейтроны совершают хаотическое движение с тепловыми скоростями. Такие тепловые нейтроны могут быть зарегистрированы с помощью ядерных реакций, при которых нейтрон, проникая в ядро, способствует вылету из него высокоэнергетической альфа-частицы. По количеству ионизации, производимых этими альфа-частицами, можно судить о прохождении через камеру медленных нейтронов.

Кроме упругих взаимодействий нейтронов с ядрами, возможны и неупругие взаимодействия. При таком взаимодействии нейтрон поглощается ядром. В результате этого поглощения (радиационного захвата) образуется нестабильный тяжёлый изотоп, который испытывает бета-распад, сопровождающийся гамма-излучением. Процесс радиационного захвата нейтронов используется в технике для получения искусственных радиоактивных нуклидов, например, кобальта       (радиоактивный распадсопровождается испусканием бета-частиц с максимальной энергией 1,33 МэВ).

Представляет интерес реакция протекающая в атмосфере постоянно под действием нейтронов, содержащихся в космическом излучении. Возникающий при этом углеродрадиоактивен, его период полураспада составляет 5730 лет. Радиоуглерод усваивается растениями в результате фотосинтеза и участвует в круговороте веществ в природе. Установлено, что равновесная концентрация в различных местах земного шара одинакова и соответствует примерно 14 распадам в минуту на каждый грамм углерода. Когда организм умирает, процесс усвоения углерода прекращается и концентрация в организме начинает убывать по закону радиоактивного распада. Таким образом, измерив концентрацию  в останках организмов, тканей и т.д. можно определить их возраст.

Захватом нейтрона сопровождается также одна из важнейших реакций — реакция деления, в результате которой ядро делится на две примерно равные по массе части. При делении ядра образуются новые вторичные нейтроны: два-три на каждый акт деления, которые могут, в свою очередь, вызвать деление других ядер вещества, что в соответствующих условиях может вызвать цепную реакцию.

Реакции деления атомных ядер будут рассмотрены более подробно ниже.

В заключение заметим, что при попадании нейтронов на тело человека, так же как гамма квантов или альфа, бета-частиц, их воздействие сводится, в конечном счете, к ионизации биологической ткани. Напомним кратко свойства трех видов излучений.

Альфа излучение — проникающая способность невелика, задерживается листом бумаги, одеждой, неповрежденной кожей; оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества не попадут внутрь организма с пищей или вдыхаемым воздухом. При попадании внутрь организма альфа-излучение приводит к серьезному повреждению близлежащих клеток.

Бета излучение — быстрые, движущиеся с огромной скоростью электроны, проходит в ткани организма на глубину 1-2 см, однако от него можно защититься тонким слоем металла — 1,25 см, слоем дерева или плотной одеждой.

Гамма излучение и рентгеновское излучение — электромагнитное излучение, обладает очень большой энергией и проникающей способностью, оно проходит сквозь биологические ткани человека и его можно задержать лишь свинцовыми или бетонными плитами.

Основную дозовую нагрузку на организм человека в результате Чернобыльской катастрофы на территории Гомельской и Могилевской областей определяют следующие радионуклиды и виды излучений:

цезий-137 — 90%- гамма-частиц, 10% бета-частиц,

стронций-90 — 100% альфа-частиц,

плутоний — 100% альфа-частиц,

калий-40 — (естественный радионуклид) 10% — гамма-частиц, 90% — бета-частиц.

Кроме вышеперечисленных радионуклидов в почвах и растениях гамма-излучения определяют также цезий-134, церий-144, рутений-106.

При прохождении ионизирующего излучения через вещество происходит потеря энергии излучения. Среднюю энергию частицы, теряемую на единице длины её пути в веществе называют линейной передачей энергии (ЛПЭ). Понятие ЛПЭ было введено в 1954 году. За единицу ЛПЭ принимают 1 кэВ на 1 км пути: 1 кэВ/мкм = 62 Дж/м. Все ионизирующие излучения в зависимости от значения ЛПЭ делятся на редко- и плотно ионизирующие. К редко ионизирующим излучениям принято относить все виды излучения, для которых ЛПЭ = 10 кэВ/мкм, а к плотно ионизирующим — те, для которых ЛПЭ > 10 кэВ/мкм. Для заряженных частиц ЛПЭ возрастает с уменьшением их скорости.

5. ДОЗИМЕТРИЯ

Повреждения, вызванные в живом организме излучением, будут тем больше, чем больше энергии излучения передается тканям. Количество такой переданной организму энергии называется дозой. Измеряемые физические величины связанные с радиационным эффектом называют дозиметрическими. Задачей дозиметрии является измерение некоторых физических величин для предсказания или оценки радиационного эффекта, в частности радиобиологического. Распространенными дозиметрическими величинами являются поглощенная доза, экспозиционная доза, эквивалентная доза, эффективная эквивалентная доза, ожидаемая доза и коллективная доза. Как определить эти дозы? Если человек подвергается воздействию ионизирующего излучения, то необходимо знать распределение интенсивности излучения в пространстве. Кроме того, поглощающая способность тканей различна. Поэтому для характеристики энергии ионизирующего излучения используют экспозиционную дозу.

Экспозиционная доза — мера ионизационного действия фотонного излучения, определяемая по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия, т.е. если поглощенная энергия излучения в некотором объеме среды равна суммарной кинетической энергии ионизирующих частиц (электронов, протонов).

Экспозиционная доза является непосредственно измеряемой физической величиной.

В СИ единицей экспозиционной дозы является один Кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген

Кл/кг, а 1Кл/кг= 3,876 х 103 Р.

Рентген — единица экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучения, при прохождении которого через 0,001239 г воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов, вызванных этим излучением, образуется 2,08х109 пар ионов. Отметим, что 0,001293 г — масса 1 см3 сухого атмосферного воздуха при нормальных условиях. Экспозиционная доза характеризует радиационную обстановку независимо от свойств облучаемых объектов.

Поглощающая способность объекта может сильно меняться в зависимости от энергии излучения, её вида и интенсивности, а также от свойств самого поглощающего объекта. Для характеристики поглощенной энергии ионизирующего излучения вводят понятие поглощенной дозы, определяемой как энергия поглощения в единице массы облучаемого вещества. Единица поглощенной дозы выражается в греях (Гр), 1Гр = 1Дж/кг. Единица названа по имени Луи Гарольда Грея — лауреата премии имени Рентгена, радиобиолога. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад: 1 рад — 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг; 1Гр = 1Дж/кг = 100 рад.

Часто используют понятие интегральной дозы, т.е. энергии, суммарно поглощенной во всем объеме объекта. Интегральная доза измеряется в Джоулях (1Гр х кг = 1 Дж)

Поглощенная доза не учитывает пространственного распределения поглощенной энергии. При одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-излучения. Для учета этого явления вводят понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза излучения представляет собой поглощенную дозу, умноженную на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма; альфа-излучение считается при этом в 20 раз опаснее других видов излучений. В СИ для единицы эквивалентной дозы излучения используют зиверт (Зв). Эта единица названа по имени Зиверта — крупного исследователя в области дозиметрии и радиационной безопасности. По его инициативе создана сеть станций наблюдения за радиоактивным загрязнением внешней среды. Внесистемной единицей эквивалентной дозы излучения является бэр.

Эквивалентная доза излучения может быть найдена через поглощенную дозу D, умноженную на средний коэффициент Q качества излучения биологической ткани стандартного состава и на модифицирующий фактор N:  Если излучение смешанное, то формула будет иметь вид TV

где i — индекс вида энергии излучения.

Используемый в формулах коэффициент качества излучения представляет собой безразмерный коэффициент Q, который предназначен для учета влияния микрораспределения поглощенной энергии на степень проявления вредного биологического эффекта. Значения коэффициента качества для различных видов излучений даны в таблице 2

Таблица 2 Коэффициент качества для различных видов излучений.

Следует также учитывать, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака легких более вероятно, чем рака щитовидной железы. Поэтому дозы облучения органов и тканей, также следует учитывать с разными коэффициентами.

Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела, рекомендованные для вычисления эффективной эквивалентной дозы приведены в таблице 3.

Таблица 3. Коэффициенты радиационного риска

Умножив эквивалентную дозу на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективно-эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма. Она также измеряется в зивертах.

Рассмотренные понятия описывают только индивидуально получаемые дозы. Просуммировав индивидуальные эквивалентные дозы, полученные группой людей мы придем к коллективной эффективной дозе, которая измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв).

Кроме того, вводят еще одно определение, поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в определенном будущем. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получают многие поколения людей называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Одна и та же доза, но полученная за минуту или за десятилетия, может оказать различное влияние на организм. Поэтому сказать, что кто-то получил такую-то дозу, будет недостаточно, так как на основании этой информации не всегда можно сделать заключение об опасности последствий. При хроническом облучении надо иметь в виду две его особенности. Первая заключается в том, что радиационная доза облучения накапливается в организме со временем, а вторая — чем меньше ежедневная доза и чем больше промежутки между облучениями, тем больше суммарная доза, приводящая к тем же последствиям, что и в предыдущих случаях. Таким образом, доза, полученная за более длительный срок, менее вредна, чем такая же доза, полученная за более короткий срок.

В настоящее время после Чернобыля принята международная норма радиационной безопасности, которая допускает дозу облучения в 0,1 Бэр в год, что равно 1 мЗв в год. Таким образом, за жизнь человека предельная доза накопления составляет 7 Бэр или 70 мЗв.

При расчетах дозиметрических показателей в результате Чернобыльской катастрофы необходимо использовать все возможные пути воздействия ионизирующих излучений на организм человека, а также радиационные факторы не только непосредственно после аварии, но и в процессе жизнедеятельности в последующем. Один из ведущих американских радиологов Джон Гофман в своей книге "Чернобыльская авария: радиационные последствия для настоящего и будущего поколений" приходит, к следующему.

Данные о связи между повреждениями в генетическом аппарате и целым рядом тяжелейших болезней (раковые заболевания, уродства, нарушения функции ЦНС, болезни класса ДНКЭ и т.д.), а также имеющиеся эпидемиологические данные позволяют сделать вывод, что не существует безопасной дозы облучения и что при любой, даже самой малой дозе, риск возникновения целого ряда тяжелейших заболеваний пропорционален дозе облучения.

Полученные на животных данные, согласно которым кривая "доза-эффект" зависит от фракционирования дозы и риск заболевания может быть уменьшен за счет фракционирования, неприемлемы к человеку. При низких дозах облучения риск ракового заболевания пропорционален величине поглощенной дозы и не зависит от ее фракционирования.

При низких дозах облучения вероятность ракового заболевания на единицу поглощенной дозы выше, чем при средних и высоких дозах.

Для смешанной по полу и возрасту популяции коллективная доза в 10000 человеко-бэр приводит к появлению 27 избыточных смертей от индуцированного радиацией рака.

Относительная биологическая эффективность рентгеновского излучения примерно в 2 раза выше, чем а-лучей.

Концепция гормезиса, т.е. наличия положительного эффекта от воздействия низких доз радиации, не имеет под собой научной базы.

Во избежание опасных последствий для здоровья людей необходимо учредить институт независимых международных экспертов для оценки безопасности всех крупных проектов, связанных с использованием ядерной энергии и ядерных технологий.

Литература

1.  Савенко В.С. Радиоэкология. — Мн.: Дизайн ПРО, 1997.

2.  М.М. Ткаченко, “Радіологія (променева діагностика та променева терапія)”

3.  А.В.Шумаков Краткое пособие по радиационной медицине. Луганск -2006

4.  Бекман И.Н. Лекции по ядерной медицине

5.  Л.Д. Линденбратен, Л.Б. Наумов Медицинская рентгенология. М. Медицина 1984

6.  П.Д.Хазов, М.Ю.Петрова. Основы медицинской радиологии. Рязань,2005

7.  П.Д. Хазов. Лучевая диагностика. Цикл лекций. Рязань. 2006

Страницы: 1, 2