Типы ядерных превращений. Взаимодействие ИИ с веществами. Виды ИИ и их характеристика.

Альфа-распад
Этот вид ядерных превращений сопровождается испусканием из ядра альфа – частицы, представляющей собой ядро атома гелия, что приводит к уменьшению порядкового номера нового химического элемента на 2 единицы и массового числа (атомной массы) на 4 единицы.
Например:23892 U→42 He + 23490 Th + Q.
Альфа-частицы имеют положительный заряд, скорость распространения 20000 км/c, обладают большой массой – 4,003 а.е.м., большой энергией – 2-11 МэВ (мегаэлектронвольт), проникающая способность в воздухе 2-10 см, в биологических тканях – несколько десятков микрометров.

Проходя через вещество, положительно заряженная альфа частица постепенно теряет свою энергию за счет взаимодействия с электронами атомов или других отрицательно заряженных частиц, вызывая их ионизацию, часть энергии теряется на возбуждение атомов и молекул. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует 100-250 тыс. пар ионов, при попадании в организм они крайне опасны для человека и животных (плотноионизирующее радиоактивное излучение).

Бета-распад.
Если в ядре имеется излишек нейтронов, то происходит электронный бета-распад. При этом виде ядерных превращений один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино и возникает ядро нового элемента при неизменном массовом числе, дочерний элемент сдвинут в таблице Д.И. Менделеева на 1 поле.
Например: 1940K→ β- + 2040Ca + ν+ + Q
где ν+ – антинейтрино.
Антинейтрино – элементарной частицы с массой менее 1/2000 массы покоя электрона.

При излишке протонов происходит позитронный (β+) бета-распад. Он сопровождается образованием нового элемента, расположенного в периодической таблице Д.И. Менделеева на 1 позицию влево от материнского; протон превращается в нейтрон, энергия выделяется также в виде элементарной частицы – нейтрино. Позитрон срывает с электронной оболочки электрон, образует пару позитрон – электрон, при взаимодействии которых образуются 2 гамма-кванта (процесс аннигиляции). Например: 1530P → b + + 1430Si + ν- + Q
где Q – энергия двух гамма-квантов;
ν+ – антинейтрино.

Бета-частицы (бета-излучение) распространяются со скоростью света, проникающая способность в воздухе до 25 метров, а в биологических тканях – до 1 см, в воздухе на 1 см пробега образует 50-100 пар ионов (редкоионизирующее излучение).
π-мезоны – отрицательно заряженные элементарные частицы, масса больше в 273 раза массы электрона, энергия 25-100 МэВ, при взаимодействии с веществами вызывают разрушение ядер с вылетом нейтронов, альфа-частиц, ионов лития, бериллия и др. (микровзрыв ядер).

Гамма-излучение – это коротковолновое электромагнитное излучение, распространяется прямолинейно со скоростью света, энергия его колеблется от 0,01 МэВ до 3 МэВ. Гамма-кванты испускаются при альфа- и бета-распадах ядра природных и искусственных радионуклидов, лишены массы покоя, не имеют заряда, поэтому проникающая способность в воздухе составляет 150 метров, в биологических тканях – десятки сантиметров.

К-захват электронов ядром – при этом процессе протон ядро атома захватывает электрон с ближайшей к ядру
K-орбитали или реже с L-орбитали, имеет место такое же превращение ядра, как и при позитронном распаде. Например: 1940K + -10e → 1840Ar + ν- +Q.
При К-захвате единственной вылетевшей частицей является антинейтрино, возникает также характеристическое рентгеновское излучение.

Рентгеновское излучение также является электромагнитным излучением, имеет свойства гамма-излучения, возникает при торможении электронов в электрическом поле ядра атомов (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновское излучение).
Самопроизвольное деление ядер.
Этот процесс наблюдается у радиоактивных элементов
с большими атомными номерами – 235U, 239Pu и др. при захвате их ядрами медленных нейтронов. 235U + 1n → 90Kr + 140Ba + 5 1n.

Нейтроны не несут заряда (электронейтральны), проникающая способность нейтронного излучения в воздухе и в биологических тканях очень большая, они являются плотноионизирующими, атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми, распадаются с испусканием протонов, альфа-частиц, фотонов гамма-излучения, осколков ядра.
Схема цепной реакции 235 92U

Схематическое представление деления ядра 235U

Термоядерные реакции протекают при температурах, достигающих нескольких миллионов градусов. В этих условиях ядра легких элементов, двигаясь с большими кинетическими энергиями, будут сближаться и объединяться в ядра более
тяжелых элементов, например: 21D + 31T → 42He + 10n + E (17,57 МэВ).
В результате появляется поток альфа и и нейтронного излучения.
На этом принципе основано устройство термоядерных зарядов, состоящих из плутониевого запала, служащего для создания высокой температуры, и смеси изотопов водорода – дейтерия и трития.

Шкала электромагнитного излучения

Понятие дозы и мощности дозы ИИ. Единицы измерения.

Экспозиционная доза излучения (Д эксп.) - характеризует ионизационную способность фотонных видов ИИ (рентгеновского и гамма-излучения) в воздухе.
Применяется внесистемная единица – рентген – Р. Один рентген (1 Р) – такое количество энергии рентгеновского или гамма-излучения, которое в 1 см3 воздуха при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. и температуре 0°C образует 2,08×109 пар ионов.
1 Р = 2,08×109 пар ионов.
Рентген имеет производные единицы – мР, мкР, кР, МР и др.
В Международной системе единиц (СИ) за единицу экспозиционной дозы принят кулон на килограмм (Кл/кг), 1 Кл/кг такое количество энергии рентгеновского и гамма-излучении, которое в 1 кг сухого воздуха образует ионы, несущие суммарный заряд в один кулон электричества каждого знака. 1 Р = 2,58 × 10-4 Кл/кг; 1 Кл/Кг = 3876 Р.

Поглощенная доза излучения используется для определения эффекта воздействия поглощенной энергии ИИ при взаимодействии с веществами, в т.ч. в биологических тканях.
Применяется внесистемная единица рад (rad – radiation absorbent dose) – это такая доза, при которой в 1 г массы облучаемого вещества поглощается энергия любого вида ИИ равная 100 эрг.
1 рад = 100 эрг/г.
Рад имеет производные единицы – дольные и кратные: мрад, мкрад, крад, Мрад и др.
В системе единиц СИ за единицу поглощенной дозы принята величина грей – Гр.
1 Гр - такая поглощенная доза, при которой в 1 кг массы вещества поглощается энергия излучения, равная 1 джоулю (Дж).
1 Гр = 1 Дж/кг.
Грей имеет также дольные и кратные величины.
1 Гр = 100 рад; 1 рад = 0,01 Гр.

Эквивалентная или биологическая доза (Дэкв. или Дбиол.) применяется для оценки биологической эффективности различных видов ИИ, т.к. одинаковые дозы различных видов ИИ оказывают на организмы разное действие, обусловленное неодинаковой плотностью ионизации – удельной ионизацией.
Чем выше удельная ионизация, тем больше эффект биологического действия облучения. В связи с этим в радиобиологии введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициента качества (КК) или взвешивающие коэффициенты (по НРБ-99) ионизирующих излучений.
Дэкв.(биол.) = Дпогл. × ОБЭ (КК).

Средние значения КК (ОБЭ) следующие:
фотоны любых энергий – 1;
электроны и мюоны любых энергий – 1;
протоны с энергией более 2 МэВ – 5;
нейтроны с энергией:
менее 10 кэВ (медленные, тепловые и промежуточные) – 5;
от 10 до 100 кэВ – 10;
от 100 кэВ до 2 МэВ (быстрые) – 20;
от 2 МэВ до 20 МэВ (быстрые) – 10;
более 20 МэВ (быстрые) – 5;
альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра – 20.
Мюоны – элементарные заряженные частицы с массой около 207 электронных масс (μ+ – мю мезоны).
Быстрые нейтроны – с энергией более 100 кэВ, промежуточные – от 100 до 1 кэВ, медленные – менее 1 кэВ, тепловые – около 0,025 эВ.

Внесистемная единица эквивалентной дозы – биологический эквивалент рентгена (рада) – бэр.
1 бэр = 1×10-2 Дж\кг
Данная единица имеет дольные и кратные величины – мбэр, мкбэр, кбэр, Мбэр.
В системе СИ единица эквивалентной дозы – зиверт (Зв).
1 Зв = 100 бэр.
Разные органы и ткани имеют разную чувствительность к излучению. Для случаев неравномерного облучения разных органов или тканей человека введено понятие эффективной эквивалентной дозы (Dэфф.).
Dэфф. = Σ w × Dэкв.,
где Dэфф. – эффективная эквивалентная доза;
w – коэффициент радиационного риска;
Dэкв. – средняя эквивалентная доза в органе или ткани.
Единицей эффективной эквивалентной дозы являются бэр и Зв (зиверт).

Коэффициенты радиационного риска w для различных органов и тканей человека

Помимо перечисленных понятий, в радиационной безопасности широко используются термины годовой и коллективной эффективной или эквивалентной дозы.
Годовая эффективная (эквивалентная) доза – это сумма эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением за этот же год в организм радионуклидов.
Коллективная эффективная доза – это мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения, равная сумме индивидуальных коллективных доз; она измеряется в человеко-зивертах (чел. × Зв).

Мощность дозы ИИ
В биологическом отношении важно знать не только дозу излучения, которую получил облучаемый объект, а дозу, полученную в единицу времени. Суммарная доза, значительно превышающая летальную, но полученная в течение длительного периода времени, не приводит к гибели животного, а доза, меньше смертельной, но полученная в короткий период времени, может вызвать лучевую болезнь различной степени тяжести.
Мощность дозы (P) – это доза излучения (D) отнесенная к единице времени t:
P = D / t.

Мощность экспозиционной дозы в системе СИ измеряется в ампер на килограмм (А\кг), внесистемная единица – в рентген в секунду (Р/с) или в других дольных и кратных величинах:
1 А/кг = 3876 Р/с, 1 Р/с = 2,58×10-4 А/кг
Под радиационным (гамма, внешним радиационным) фоном понимают мощность экспозиционной дозы ионизирующих излучений в воздухе, уровень его для средней полосы России составляет 4-40 мкР/ч (микрорентген в час ).
Согласно рекомендациям Международной комиссии по радиационной защите (МКЗР) и Всемирного общества здравоохранения (ВОЗ) радиационный уровень :
0,1 - 0,2 мкЗв/ч (10 - 20 мкР/ч), признано считать нормальным уровнем (соответствующий естественному фону ),
0,2 - 0,6 мкЗв/ч (20 - 60 мкР/ч) считается допустимым,
0,6 -1,2 мкЗв/ч (60 - 120 мкР/ч) считается повышенным.