Глава 10. Защита от ионизирующих излучений

10.1. Природа и виды ионизирующих излучений

Появление ионизирующих излучений как одного из факторов физической среды обитания связано с открытиями явлений искусственной и естественной радиоактивности и рентгеновских лучей.

Было обнаружено, что у ряда известных в природе элементов ядра самопроизвольно распадаются (такие вещества называются радионуклидами) и этот распад сопровождается радиоактивным излучением, которое является ионизирующим.

Ионизирующим называется любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию заряженных атомов и молекул – ионов, вызывая ионизацию среды.

Единицей измерения энергии этого излучения является электронвольт (эВ). Один электронвольт (1 эВ) – это кинетическая энергия, которую приобретает электрон при разности потенциалов в 1 В.

1 эВ соответствует 1,6 · 10^-12 эрг или 1,610^-19 Дж. Производные единицы: килоэлектронвольт (1кэВ = 10³ эВ) и мегаэлектронвольт (1МэВ = 10⁶ эВ).

Различают непосредственно и косвенно ионизирующие излучения. Непосредственно ионизирующим излучением обычно является поток заряженных частиц высокой энергии – ядер гелия (альфа-излучение), ядер водорода (протоны), электронов и позитронов (бета-излучение), а также осколков деления тяжелых ядер. Заряженные частицы ионизируют среду непосредственно при столкновениях с ее атомами и молекулами (первичная ионизация). Выбиваемые при этом электроны также могут при определенных условиях ионизировать среду (вторичная ионизация). Косвенно ионизирующим излучением являются потоки нейтральных частиц (гамма-кванты, нейтроны). Непосредственным результатом их взаимодействия с веществом является образование вторичных заряженных частиц высокой энергии, которые и создают наблюдаемую ионизацию. В эту группу входят электромагнитное излучение высокой энергии (частоты), называемое фотонным, и потоки нейтронов.

Исторически сложилось так, что ионизирующее излучение разделяют на два вида: корпускулярное и фотонное.

Корпускулярное излучение состоит из частиц с массой покоя, отличной от нуля, а именно:

- альфа-излучение, представляющее собой поток, объединенных в единое целое двух протонов и двух нейтронов (ядро атома гелия ₄Не²⁺);

- бета-излучение, представляющее собой поток электронов е^- или позитронов е⁺;

- протонное излучение, представляющее собой поток протонов р (ядер водорода ₁Н⁺);

- нейтронное излучение, представляющее собой поток нейтронов п;

- дейтронное излучение, представляющее собой поток ядер изотопа водорода – дейтерия ₂D⁺);

- потоки многозарядных ионов;

- продукты ядерных реакций деления.

Фотонное излучение включает в себя косвенно ионизирующие:

- гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер (включая радиоактивный распад) или при аннигиляции частиц, то есть при столкновении частицы с античастицей (при аннигиляции, например, электрона с позитроном возникают фотоны, то есть кванты электромагнитного излучения);

- рентгеновское излучение – тормозное и характеристическое излучения, которые будут рассмотрены ниже.

Рассмотрим подробнее основные из вышеназванных излучений.

Альфа-излучение представляет собой, как уже отмечалось, поток ядер атомов гелия, возникающий при альфа-распаде радиоактивных изотопов, то есть когда заряд ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число – на 4. Обладая сравнительно большой массой, альфа-частицы быстро теряют свою энергию при взаимодействии со средой, чем объясняется их низкая проникающая и высокая ионизирующая способность. Пробег альфа-частиц в воздухе составляет 2 – 11 см, а в биологических тканях – несколько десятков микрометров.

Бета-излучение – это поток электронов или позитронов, возникающих при бета-распаде радиоактивных элементов, при котором происходит самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием (или поглощением) электрона и антинейтрино или позитрона и нейтрино.

Энергия бета-частиц колеблется от нескольких кэВ до 3МэВ. Проникающая способность их зависит от энергии, но она больше, чем у альфа-частиц, так как они обладают значительно меньшей массой. При средних энергиях пробег бета-частиц в воздухе составляет несколько метров, а в тканях человека – около 1 см.

Нейтронное излучение, представляющее собой поток нейтронов, не обладающих электрическим зарядом, характеризуется высокой проникающей способностью. При взаимодействиях нейтронов с ядрами атомов возможна как обычная ионизация вещества, так и возникновение гамма-излучения.

Гамма-лучи относятся к электромагнитному излучению и представляют собой поток квантов энергии большой частоты, образующейся в результате энергетических изменений внутри ядра. Энергия гамма-лучей изменяется в широком диапазоне – от 0,01 до 10 МэВ. В зависимости от энергии гамма-лучи условно делят на мягкие (с энергией от 0,1 до 0,2 МэВ), средней жесткости (0,2–1 МэВ), жесткие (1–10 МэВ) и сверхжесткие (свыше 10 МэВ).

Гамма-лучи обладают высокой проникающей и малой ионизирующей способностью, они свободно проходят через тело человека без заметного ослабления, способны проникать через толстые пластины свинца, бетонные стены большой тол-щины.

Рентгеновские лучи – это электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны (0,006 – 1 нм), которое, как уже отмечалось, является совокупностью тормозного и характеристического излучений с диапазоном энергии фотонов

1 кэВ – 1 МэВ. Они распространяются с высокой скоростью и обладают значительной проникающей и ионизирующей способностью. Возможность проникновения лучей тем больше, чем короче длина волны. Это излучение было открыто В. Рентгеном в 1895 г.

Характеристическое излучение – фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атома, обусловленного перестройкой внутренних электронных оболочек, когда, например, электроны верхних оболочек атома переходят на оболочки, расположенные ближе к его ядру.

Тормозное излучение – электромагнитное излучение, возникающее при торможении быстрых заряженных частиц в электрическом поле. Имеет непрерывный спектр и возникает в среде, окружающей источник бета-излучения, в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и т.п.

Как уже отмечалось, прохождение альфа-, бета-, гамма-лучей, рентгеновских и других излучений через вещество сопровождается ионизацией атомов этого вещества. При ионизации излучения теряют часть своей энергии, то есть происходит поглощение веществом энергии излучения.

Рассмотрим подробнее характер взаимодействия с веществом заряженных частиц, гамма-квантов и рентгеновских лучей.

Корпускулярные частицы ядерного происхождения (альфа- и бета-частицы, нейтроны, протоны и др.), а также фотонное излучение (гамма-кванты, рентгеновское и тормозное излучение) обладают значительной кинетической энергией. Взаимодействуя с веществом, они теряют эту энергию в основном в результате упругих взаимодействий с ядрами атомов или электронами (подобно взаимодействию бильярдных шаров), отдавая им всю или часть своей энергии на возбуждение атомов (то есть перевод электрона с более близкой на более удаленную от ядра орбиту), а также на ионизацию атомов или молекул среды (то есть отрыв одного или более электронов от атомов).

Упругое взаимодействие характерно и для нейтральных частиц (нейтронов) и фотонов, не имеющих заряда. При этом нейтрон, взаимодействуя с атомами, может в соответствии с законами классической механики передавать часть энергии, пропорциональную массам соударяющихся частиц. Если это тяжелый атом, то передается лишь часть энергии; если это атом водорода, равный массе нейтрона, то передается вся энергия. При этом нейтрон замедляется до тепловых энергий порядка долей электронвольта и далее вступает в ядерные реакции. Ударяя в атом, нейтрон может передать ему такое количество энергии, которое достаточно, чтобы ядро «выскочило» из электронной оболочки. В этом случае образуется заряженная частица, обладающая значительной скоростью, которая способна осуществлять ионизацию среды.

Аналогично происходит и взаимодействие с веществом фотона. Он самостоятельно ионизировать среду не может, но выбивает электроны из атома, которые и производят ионизацию среды.

Заряженные частицы (альфа- и бета-частицы), протоны и другие способны также ионизировать среду за счет взаимодействия с электрическим полем атома и электрическим полем ядра. При этом заряженные частицы тормозятся и отклоняются от направления своего движения, испуская при этом тормозное излучение – одну из разновидностей фотонного излучения.

Заряженные частицы могут за счет упругих взаимодействий передавать атомам среды количество энергии, недостаточное для ионизации. В этом случае образуются атомы в возбужденном состоянии, которые передают эту энергию другим атомам либо испускают кванты характеристического излучения, либо, соударяясь с другими возбужденными атомами, могут получить энергию, достаточную для ионизации атомов.

Как правило, при взаимодействии излучений с веществами происходят все три вида последствий: упругое соударение, возбуждение и ионизация.

В процессе ионизации образуются две заряженные частицы: положительный ион (или атом, потерявший электрон с внешней оболочки) и свободный электрон. При каждом взаимодействии могут быть оторваны один или несколько электронов.