Читать книгу Общая и военная гигиена - Коллектив авторов - Страница 24

Ионизирующее излучение, образующееся в процессе ядерных превращений, распространяется в окружающей среде и взаимодействует с ее атомами. Выяснение характера и особенностей этого взаимодействия имеет важное значение для предупреждения или снижения вредного влияния ИИ на организм человека, а также для оценки его последствий.

При взаимодействии со средой ИИ передают ей свою энергию, однако для каждого вида излучений этот процесс и его последствия, в том числе радиобиологические эффекты, имеют выраженную специфику.

Корпускулярное непосредственно ионизирующее излучение (поток положительно или отрицательно заряженных частиц) взаимодействует главным образом с электронами оболочек атомов среды и в очень малой мере – с электрическим полем ядер атомов. В процессе взаимодействия энергия частиц излучения постепенно расходуется в основном на ионизацию и возбуждение атомов среды и, в конечном счете, полностью передается среде. После этого частица завершает пробег и прекращает свое существование.

Повреждающее действие этого излучения на биологическую ткань находится в прямой зависимости от удельной ионизации – числа пар ионов, образующихся на единице пути пробега частицы. Этот показатель связан с линейной передачей энергии (ЛПЭ) – величиной энергии, теряемой заряженной частицей на единицу длины пробега. Длина пробега частицы зависит от ее энергии, массы и величины заряда, а также от характера облучаемой среды. С энергией частицы пробег связан прямой зависимостью, с массой и величиной заряда – обратной. Что касается характера облучаемой среды, то пробег заряженных частиц в среде будет тем меньше, чем больше в ней концентрация электронов. Более высокой концентрацией электронов обладают атомы тяжелых элементов, и это обстоятельство учитывается при выборе материалов для защиты от непосредственно ионизирующего (корпускулярного) излучения.

Линейная и объемная плотности ионизации (число пар ионов, возникающих на единицу пути пробега или в данном объеме вещества), производимой α-частицами, очень велики. Чем выше энергия частицы, т. е. чем быстрее ее полет, тем меньше вызываемая ею плотность ионизации. Но по мере растрачивания энергии пробег α-частицы в веществе замедляется и к концу пробега удельная плотность производимой ею ионизации возрастает в 3–4 раза, а затем падает до нуля.

Обладая относительно большой массой и зарядом, α-частицы имеют незначительную проникающую способность. Вследствие этого они могут быть полностью задержаны листом плотной бумаги, одеждой, слоем резины хирургических перчаток и эпидермисом кожи. Однако при попадании α-излучающих нуклидов внутрь организма степень их опасности резко возрастает.

Бета-излучение возникает при радиоактивном распаде ядер или нестабильных частиц, или при взаимодействии фотонов с веществом. Скорость полета β-частиц по сравнению с α-частицами значительно выше и может достигать величин, соизмеримых со скоростью света. Благодаря такой скорости и меньшему заряду проникающая способность β-частиц примерно на два порядка больше, а линейная плотность ионизации примерно в 800 раз меньше.

Определение толщины слоя различных экранов, полностью поглощающих β-частицы различных энергий, имеет решающее значение для расчета защиты. Толщину слоя поглощения обычно выражают в единицах поверхностной плотности, т. е. в граммах на квадратный сантиметр (г/см²), другими словами, указывают число граммов, находящихся в столбике данного вещества с основанием в 1 см² и с высотой, равной пробегу. Глубина проникновения 1 г/см² равносильна 1 см пробега в воде.

При расчетах широко используется такая характеристика, как слой половинного ослабления потока β-частиц (D_1/2), представляющий собой такую толщину поглотителя, которая ослабляет интенсивность пучка β-частиц данной энергии в 2 раза. Выражают эту величину в мг/см².

Толщина слоя вещества, в котором происходит полное поглощение β-частиц, соответствует максимальной длине пробега β-частиц с энергией, равной граничной энергии данного β-спектра.

Бета-частицы средних энергий задерживаются оконным стеклом, подошвой обуви, но могут вызывать поражение кожных покровов, роговицы и т. п. Поэтому даже при работе с мягкими β-излучателями руки должны быть защищены перчатками, а от жестких β-частиц (с энергией 1,5 МэВ и выше) следует защищаться экранами из органического стекла.

Корпускулярное косвенно ионизирующее излучение (поток нейтронов) взаимодействует ввиду отсутствия заряда только с ядрами облучаемой среды при непосредственном контакте с ними. Результатом взаимодействия, сопровождающегося передачей энергии среде и ослаблением нейтронного потока, является образование непосредственно и косвенно ионизирующего излучения с уменьшенными по сравнению с исходными величинами энергии. Полного поглощения нейтронов (в отличие от заряженных частиц) в среде не происходит, нейтронный поток ослабляется по экспоненциальному закону.

Основными типами взаимодействия нейтронов с облучаемой средой являются упругое и неупругое рассеяние, радиационный захват и реакции деления ядер.

Упругое рассеяние заключается в том, что нейтрон, обладающий определенным запасом энергии, при столкновении с ядром атома передает ему часть энергии, а сам изменяет направление своего движения. Суммарная энергия нейтрона и ядра до и после взаимодействия не изменяется, причем чем больше масса неподвижного ядра по сравнению с массой движущегося нейтрона, тем меньшая доля энергии будет ему передана при столкновении. При равных массах сталкивающихся объектов (например, с ядром водорода) движущееся тело (в данном случае нейтрон) будет терять в среднем половину своей энергии. Ядро атома, получившее дополнительную энергию («ядро отдачи»), покидает свои электронные оболочки и, обладая положительным зарядом, производит ионизацию. В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона последовательно уменьшается и достигает значения, соответствующего энергии теплового движения атомов и молекул среды. В связи с этим такие нейтроны называются тепловыми. В последующем происходит реакция радиационного захвата – поглощение теплового нейтрона ядром одного из атомов среды с выделением избытка энергии в виде γ-излучения и образованием изотопа исходного нуклида, как правило радиоактивного.

Неупругое рассеяние происходит путем поглощения нейтрона ядром, но с последующей ядерной реакцией того или иного типа с выделением γ-частицы или протона и образованием ядра нового нуклида. После поглощения нейтрона ядром возможна также реакция с выделением нейтрона меньшей энергии, γ-излучения и образованием ядра исходного нуклида.

Для нейтронов с энергией от 200 кэВ до 20 МэВ доминирующим является упругое рассеяние, эффективность которого в отношении потери энергии нейтронами находится в обратной зависимости от массы ядер атомов облучаемой среды. В связи с этим в качестве замедлителей быстрых нейтронов используют материалы, содержащие преимущественно легкие элементы (водород, бор, углерод и др.). Чаще всего в качестве таких материалов применяют воду, пластмассы, парафин.

Для нейтронов с энергией 0,5 эВ – 200 кэВ наиболее характерно неупругое рассеяние, происходящее, как правило, на ядрах атомов элементов середины и конца Периодической системы Д. И. Менделеева.

Тепловые нейтроны с энергией до 0,5 эВ подвергаются главным образом радиационному захвату, причем ядра атомов ряда химических элементов отличаются избирательно высокой способностью поглощать тепловые нейтроны (бор, бериллий, кадмий, европий и некоторые другие), что используется в построении биологической защиты и системах управления ядерным реактором.

Фотонное ионизирующее излучение (γ-излучение и рентгеновское), проходя через среду, взаимодействует преимущественно с электронными оболочками. В незначительной мере имеет место также взаимодействие с электрическим полем и нуклонами ядер. В результате этих процессов энергия фотонного излучения убывает по экспоненциальному закону, преобразуясь в кинетическую энергию электронов, которые и производят ионизацию в облучаемой среде.

В зависимости от атомного номера облучаемого вещества и от величины энергии γ-квантов их взаимодействие с атомами вещества происходит по-разному. Мягкое γ-излучение с энергией до 0,05 МэВ преимущественно вызывает фотоэффект, излучение с энергией от 0,05 до 1 МэВ – комптоновский эффект, а жесткое (более 1,02 МэВ) – образование пар электрон – позитрон.

Фотоэффект (фотоэлектрическое поглощение) заключается в полном поглощении энергии γ-кванта каким-либо орбитальным электроном (чаще всего электроном К-слоя). Часть энергии кванта при этом затрачивается на преодоление энергии связи электрона с ядром, а остаток ее сообщается выбиваемому электрону («электрон отдачи»), который покидает оболочку атома и на своем пути ионизирует атомы и молекулы вещества.

Комптоновский эффект (комптоновское или некогеррентное рассеяние) возникает тогда, когда γ-квант выбивает с внешней оболочки атома орбитальный электрон, передавая ему часть своей энергии, а сам продолжает движение в несколько ином направлении (рассеивается под некоторым углом). После нескольких актов комптоновского рассеяния при уменьшении энергии кванта до 0,05 МэВ происходит его фотоэлектрическое поглощение. Выбитые с орбит электроны производят вторичную ионизацию других атомов.

Образование пар (электрон-позитронных) происходит при пролете γ-кванта вблизи ядра атома. Под воздействием электрического поля ядра он превращается в пару частиц: электрон и позитрон. Последний, встретившись с любым свободным или орбитальным электроном, немедленно с ним аннигилирует, «уничтожается» с образованием двух γ-квантов меньших энергий, которые в дальнейшем претерпевают комптоновское превращение или фотоэлектрическое поглощение.

Вероятность попадания γ-кванта в орбитальный электрон атома поглотителя невелика и, следовательно, плотность первичной и вторичной ионизации, вызываемой γ-квантами, очень мала. По сравнению с плотностью ионизации, производимой β-частицами, она меньше примерно на два порядка, а α-частицами – на четыре порядка. Поскольку уменьшение энергии γ-излучения в веществе на единицу пути относительно невелико, то оно обладает сильной проникающей способностью.

Ослабление γ-излучения тем сильнее, чем меньше энергия квантов и больше объем, плотность и порядковый номер поглотителя и, следовательно, количество орбитальных электронов. Поэтому при выборе материалов для защиты учитывают, что ослабление γ-излучения наиболее эффективно происходит в веществах, содержащих тяжелые элементы, поскольку они имеют большое количество электронов на оболочках. Эффективность различных защитных материалов оценивают через слой половинного ослабления γ-излучения, который для γ-квантов с энергией 2,5 МэВ в воздухе составляет 200 м, в свинце – 1,8 см, в бетоне – 10 см, а в дереве – 25 см.