- •Ядерная физика
- •51.Состав и характеристика атомного ядра
- •52.Дефект массы и энергии связи ядер
- •53.Ядерные силы
- •54.Закон радиоактивного распада
- •55.Виды радиоактивного излучения
- •56.Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом
- •57.Методы наблюдения и регистрации ионизирующих излучений
- •58.Поглощение и экспозиционная доза
- •59.Эквивалентная и эффективная эквивалентная дозы ионизирующих излучений
- •60. Естественные и искусственные источники излучения
- •61.Ядерные реакции
- •62.Цепная реакция деления
- •63.Ядерный реактор
56.Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом
Ионизация, создаваемая излучением в клетках, приводит к образованию свободных радикалов. Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести как к массовой гибели клеток, так и канцерогенезу и мутагенезу. Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.
Из-за того, что разные типы ионизирующего излучения обладают разной ЛПЭ, одной и той же поглощённой дозе соответствует разная биологическая эффективность излучения. Поэтому для описания воздействия излучения на живые организмы вводят понятия относительной биологической эффективности (коэффициента качества) излучения по отношению к излучению с низкой ЛПЭ (коэффициент качества фотонного и электронного излучения принимают за единицу) и эквивалентной дозы ионизирующего излучения, численно равной произведению поглощённой дозы на коэффициент качества.
После действия излучения на организм в зависимости от дозы могут возникнуть детерминированные и стохастические радиобиологические эффекты. Например, порог появления симптомов острой лучевой болезни у человека составляет 1—2 Зв на всё тело. В отличие от детерминированных, стохастические эффекты не имеют чёткого дозового порога проявления. С увеличением дозы облучения возрастает лишь частота проявления этих эффектов. Проявиться они могут как спустя много лет после облучения (злокачественные новообразования), так и в последующих поколениях (мутации).
При прохождении -излучения через вещество происходит ослабление интенсивности пучка -квантов, что является результатом их взаимодействия с атомами вещества.
Фотоэффект. Если энергия -кванта больше энергии связи электрона оболочки атома, происходит фотоэффект. Это явление состоит в том, что фотон целиком поглощается атомом, а один из электронов атомной оболочки выбрасывается за пределы атома. Используя закон сохранения энергии, можно определить кинетическую энергию фотоэлектрона Eе: Eе = - Ii - En, где Ii - ионизационный потенциал оболочки атома, из которой выбивается электрон; En - энергия отдачи ядра, - энергия гамма-кванта. Величина энергии отдачи ядра обычно мала, поэтому ею можно пренебречь.
> 2mec2 + Eя, |
|
где первый член справа соответствует энергии покоя пары электрон- позитрон, а второй - энергия отдачи ядра.
При энергиях гамма-кванта выше ~0.1 МэВ в веществе с малыми значениями Z и выше ~1 МэВ в веществах с большим Z главным механизмом ослабления первичного пучка гамма-квантов становится некогерентное рассеяние фотонов на электронах вещества (эффект Комптона).
1°. В ядерных реакциях на легких ядрах под действием а-частиц был обнаружен нейтрон — важнейшая элементарная частица, входящая в состав всех атомных ядер, кроме ядра обычного водорода (VI.4.1.Г). Впервые нейтрон был получен в реакции превращения бериллия (|Ве) в углерод
CSC):
JBe + JHe-^iC + in.
2°. Отсутствие у нейтрона электрического заряда, способствует более легкому, чем у заряженных частиц, проникновению нейтронов в атомные ядра. Характер взаимодействия нейтронов с ядрами различен для быстрых и медленных нейтронов. Нейтроны называются быстрыми (быстрые нейтроны), если их скорость и так велика, что соответствующая длина дебройлевской волны нейтронов X=h/mv (VI. 1.1.3°) много меньше радиуса R ядра, т. е. hlmv<^R, или v^>h/mR. Энергии быстрых нейтронов заключены в пределах от 0,1 МэВ до 50 МэВ. Если X^R, то нейтроны называются медленными (медленные нейтроны). Энергии медленных нейтронов не превышают 100 кэВ. Медленные нейтроны с энергиями от 0,025 эВ до 0,5 эВ называются тепловыми нейтронами. При энергиях, меньших 0,025 эВ, различают холодные и ультрахолодные нейтроны.
3°. Взаимодействие нейтронов с ядрами состоит, главным образом, либо в упругом рассеянии нейтронов на ядрах, либо в захвате нейтронов ядрами. В веществах, называемых замедлителями (графит, тяжелая вода DaO, HDO, соединения бериллия), быстрые нейтроны рассеиваются на ядрах, и их энергия переходит в энергию теплового движения атомов вещества — замедлителя. В результате нейтроны становятся тепловыми. Их энергии при комнатных температурах составляют примерно 0,025 эВ.
Если энергии тепловых нейтронов совпадают с энергией составного ядра (VI.4.8.9°), происходит резонансное поглощение нейтронов ядрами (резонансный захват нейтронов). Захват нейтронов приводит к искусственной радиоактивности ядер вещества (VI .4.10. Г) и делению ядер (VI .4.11. Г).
4°. Реакции ядер урана с нейтронами привели к созданию химических элементов с зарядовыми числами Z, превышающими 92. Такие химические элементы называются заура- новыми (трансурановые элементы). При резонансном захвате нейтрона наиболее распространенным изотопом ура
на 2slU образуется радиоактивный изотоп урана 2mU- Он испытывает р_-распад с периодом полураспада 23 минуты и превращается в изотоп трансуранового элемента нептуния 2e?Np:
23 мин
Ядро изотопа нептуния ^"Np является ^.-радиоактивным с периодом полураспада 2,3 дня и превращается в плутоний 2мРи:
«ИРТГ^'ЯРи.
2,3 дня
5°. Плутоний 2eJPu благодаря эффективному делению под действием тепловых нейтронов (VI.4.11.4°) играет важнейшую роль в получении ядерной энергии. Плутоний ^Ри является а-радиоактивным с периодом полураспада 24 ООО лет и превращается в устойчивый изотоп урана ag|U:
239 Dm ;"й
М^Ч „ . , *■ 92
2,4- Ю'лет
6°. Ядерная реакция урана ^HU с нейтроном может происходить по другому каналу (VI.4.8.2°) и приводит к созданию изотопа нептуния 2взЙр, являющегося родоначальником одного из радиоактивных семейств (VI.4.5.3°):
«и + in — и,*и + 2>n, *IIU %»Np.
6.8 дня
Изотоп нептуния ^Np является а-радиоактивным с большим периодом полураспада: 2,21-10е лет.