Читать книгу Радиационная и экологическая безопасность атомной энергетики - Ян Мархоцкий - Страница 7

В процессе радиоактивного распада ядра атомов радиоактивных элементов в большинстве случаев испускают α-части-цы, β-частицы, γ-излучение.

Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения, сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало, что оно разделяется на α-частицы (ядра гелия), β-частицы (электроны, позитроны) и γ-лучи (электромагнитные излучения с очень малой длиной волны):

• α-излучение – поток положительно заряженных частиц. При распаде тяжелых ядер, например урана или радия, испускаются α-частицы – ядра гелия, состоящие из двух протонов и четырех нейтронов, т. е. несут два положительных электрических заряда (⁴₂Не). Бывают и другие виды радиоактивных превращений. При этом важно, что соответствующий радионуклид преобразуется в изотоп другого химического элемента, испуская частицу, а часто и избыток энергии в виде γ-кванта; α-частицы движутся со скоростью 14–20 тыс. км/с в веществе прямолинейно, вызывая при этом ионизацию всех атомов на своем пути. Они обладают высокой ионизирующей способностью, т. е. на 1 см пробега образуют от 30 до 100 тыс. пар ионов. Пробег в воздухе составляет около 10 см, в биологической среде (вода, ткань) – до 0,1 мм.

Защитой от α-частиц служит тонкий слой любого вещества (одежда, лист бумаги, 10-сантиметровый слой воздуха); α-частицы обладают энергией 2–9 МэВ (за 1 эВ принимается энергия, которой обладает электрон, прошедший разность потенциалов в 1 В). В таких единицах свет, возникающий при взаимодействии молекул и воспринимаемый нами с помощью зрения, имеет энергию 2 эВ. Энергия ядерных излучений при превращениях атомных ядер в сотни тысяч и даже в миллионы раз больше. Наши органы чувств не воспринимают такие излучения, т. е. для человека они остаются невидимыми и неощутимыми;

• β-излучение – поток отрицательно заряженных частиц (электронов) или заряженных положительно (позитронов). Позитрон – элементарная частица, имеющая массу электрона, но обладающая положительным элементарным зарядом; β-частицы, испускаемые при ядерных распадах естественных и искусственных радионуклидов, например ⁴⁰₁₉K → ⁴⁰₂₀Ca т. е. ядро испускает электрон, при этом возникает ядро нового элемента при неизменном массовом числе. К β-излучателям относятся фосфор-32, стронций-90, иттрий-90 и др.

Скорость движения β-частиц составляет 250–300 тыс. км/с, их масса в 1840 раз легче протонов, поэтому они испытывают многократное отклонение от первоначального направления движения и вызывают ионизацию только отдельных атомов, пробегая путь в воздухе до 15 м, а в биосреде – до нескольких сантиметров.

На 1 см пробега β-частицы могут образовывать 20—300 пар ионов. Защитой от β-частиц служит слой вещества толщиной 1–2 см;

• γ-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны 0,001—0,1 λ (λ ≈ 10^-10 м) очень высокой энергии; γ-лучи не отклоняются в электрическом и магнитном полях. Это излучение близко к рентгеновскому, но обладает большими скоростью (300 тыс. км/с) и энергией. Ионизирующая способность γ-излучения малая – 2–3 пары ионов на 1 см, но высока проникающая способность. Пробег в воздухе γ-квантов может достигать более 100 м, в мягких тканях – до 1 м. Защитой от γ-излучений могут служить слой свинца не менее и 1 см, толстые слои бетона, земли или воды.

Мягкие γ-лучи обладают энергией до 0,2 МэВ; средней жесткости – 0,2–1 МэВ; жесткие – 1—10 МэВ; сверхжесткие – более 10 МэВ.

Нейтроны – частицы, не обладающие электрическим зарядом, масса которых примерно равна массе протонов. Нейтроны были открыты в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Они проникают в ядра атомов и вызывают ядерные реакции. Это дало возможность получить искусственные радиоактивные изотопы. В каждом ядре их ровно столько, сколько нужно, чтобы заполнить разницу между численным значением массы ядра атома и количеством протонов в нем.

В зависимости от кинетической энергии нейтроны подразделяются на быстрые – 0,15–10 МэВ, сверхбыстрые – 500 МэВ, промежуточные – 5 КэВ—0,5 МэВ, медленные – 0,1–5 КэВ, тепловые – в пределах 0,025 МэВ.

Под воздействием нейтронов элементы Na, К, С, N, Р, превращаются в радионуклиды – γ-излучатели, т. е. создается наведенная радиоактивность. Если нейтронов в атоме слишком много, они могут превращаться в протоны, т. е. образуется новый химический элемент. Источником нейтронов являются атомные реакторы.

Рентгеновское излучение – электромагнитное излучение с длиной волны порядка от 80 нм до 0,001 нм.

В 1895 г. Рентгеном был открыт новый вид излучения (рентгеновские лучи). Со стороны длинных волн рентгеновское излучение граничит с ультрафиолетовым излучением, а со стороны коротких волн оно в значительной степени перекрывается ядерным γ-излучением. Как правило, в медицине используется рентгеновское излучение с длиной волны от 10 до 0,005 нм, чему соответствует энергия от 100 эВ до 0,5 МэВ.

Рентгеновское излучение невидимо и по способу возбуждения подразделяется на:

• характеристическое (жесткое, λ = 0,01 нм и меньше);

• тормозное (мягкое, λ от 0,01 нм и больше).

Проходя через тело, фотоны рентгеновского излучения взаимодействуют в основном с электронами атомов и молекул вещества, а достаточно жесткое излучение может взаимодействовать также с ядрами атомов. При этом происходят следующие первичные процессы: когерентное рассеяние, фотоэффект и комптон-эффект.

Обычно в медицинской диагностике используется рентгеновское излучение с энергией фотонов от 60 до 100–120 КэВ, а при лучевой терапии – 150–200 КэВ.