1.1 Ионизирующие излучения и источники их образования.

Основные понятия.Для понимания физической природы ионизирующего излучения необходимо вспомнить строение ядра атома. В состав ядра атома входят положительно заряженные частицы – протоны и электрически нейтральные частицы, почти равные по массе протонам, – нейтроны. Число протонов в ядре атома одного и того же элемента всегда постоянно, число нейтронов может быть разным. Нуклидом называется вид атома одного элемента с данным числом протонов и нейтронов в ядре. Заряд нуклида определяется количеством протонов в ядре, а сумма нейтронов и протонов ядра составляет массу нуклида (в атомных единицах массы). Атомы, имеющие в ядре одно и тоже число протонов, но различающиеся числом нейтронов называются изотопами одного и того же элемента.

В зависимости от соотношения числа протонов и нейтронов в ядре атома часть е нуклидов стабильны, т.е. самопроизвольно, спонтанно они не претерпевают ядерных превращений. Нейтроноизбыточные нуклиды, как правило, радиоактивны, т.е. обладают способностью к самопроизвольному превращению в другие нуклиды. Весь процесс самопроизвольного превращения называют радиоактивным распадом нуклида, а сам такой нуклид - радионуклидом. Такие превращения претерпевают только нестабильные ядра. Радиоактивность, наблюдающаяся у ядер, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность ядер, полученных посредством ядерных реакций, называется искусственной. Ядерные превращения сопровождаются испусканием ионизирующего излучения (ИИ).

Активность радионуклида.Активность радионуклида в источнике (образце)A - отношение числаdNспонтанных (самопроизвольных) ядерных превращений, происходящих в источнике (образце) за интервал времениdt, к этому интервалу:

A = dN / dt (1.1)

Единица активности радионуклида в СИ — беккерель (Бк). 1 Бк равен активности радионуклида в источнике (образце), в котором за время 1 с происходит одно спонтанное ядерное превращение.

Внесистемная единица активности - кюри (Ки), Кюри - активность радионуклида в источнике (образце), в котором за время 1 с происходит 3,7·10¹⁰ спонтанных ядерных превращений.

Таким образом, 1 Ки = 3,7·10¹⁰Бк.

Отношение активности радионуклида в источнике к массе, объему (для объемных источников), площади поверхности (для поверхностных источников) источника называется удельной, объемной, поверхностной активностью и имеют обозначения A_m, A_v, A_s,соответственно.

Выбор единиц этих величин определяется конкретной задачей. Например, допустимую концентрацию радионуклида (объемную актив­ность) в воде удобнее выражать в беккерелях на литр (Бк/л), а в воздухе в беккерелях на кубический метр (Бк/м³), так как суточное потребление человеком воды определяется обычно в литрах, а воздуха - в кубических метрах.

Активность радионуклида A(t) или число радиоактивных атомов нуклидаN(t), уменьшается во времени t по экспоненциальному закону:

A(t) = A_o·exp(-t) или N(t) = N_o·exp(-t), где A_o, N_o – активность радионуклида и число радиоактивных атомов нуклида в источнике в начальный момент времениt = 0 ;  - постоянная распада, определяемая как  = ln2/ Т_1/2 , гдеТ_1/2 – период полураспада, время, по истечении которого число радиоактивных атомов вещества в среднем уменьшается в два раза. Период полураспада Т_1/2 является важнейшей характеристикой любого радиоактивного вещества.У одних радиоактивных веществ этот период исчисляется тысячами и даже миллиардами лет, а у других - секундами или их долями. Например,Т_1/2. урана-235 - около 700 млн.лет, радона-219 - 4 с, а полония-212 - всего 0,0000003 с.

Как было ранее сказано распад радиоактивных атомов сопровождается испусканием электронов (^- частицы, конверсионные электроны); позитронов; альфа-частиц; фотонорв и даже нейтронов.– излучения типа корпускулярных частиц (-,^-, и (или) фотонов. При этом число ядерных превращений практически всегда не совпадает с числом испускаемых корпускулярных частиц и еще реже — с числом испускаемых фотонов. Активность характеризует лишь число ядерных превращений. Связать активность радионуклида с числом испускаемых корпускулярных частиц или фотонов можно, зная индивидуальную схему распада нуклида.

К ионизирующему излучению (ИИ) относятся заряженные частицы и незаряженные частицы ( фотоны и нейтроны, например), которые могут произвести ионизацию в среде, т.е. взаимодействие которых со средой приводит к образованию ионов разных знаков. Заметим, что видимый свет и ультрафиолетовое излучение общепринято не включать в понятие "ионизирующее излучение".

Ионизирующие излучения подразделяется на прямо ионизирующее и косвенно ионизирующее излучение. К первой нруппе относятся все заряженные частицы, ко второй – фотоны и нейтроны.

Фотонное ионизирующее излучение представляет собой поток квантов электромагнитного излучения, обладающих определенной энергией и не имеющих массы покоя. К фотонному ионизирующему излучению относится гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или при аннигиляции частиц; тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при торможении заряженныхчастиц в поле ядра атома вещества, через которое проходит эта частица; характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома; рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений.

Фотонное излучение электрически нейтрально, поэтому само по себе ионизирующими свойствами не обладает. Ионизация происходит за счет передачи части энергии фотонов электронам облучаемого вещества, разрыва их связи с ядрами атома и придания им начальной скорости движения. Поэтому удельная ионизирующая способность фотонов относительно невелика и расстояния, на которые распространяется фотонное излучение в воздухе, достигают нескольких километров.

Если мысленно представить барьер, на который падает нормально к поверхности мононаправленный поток фотонов с энергией Ео (Ео,0), то закон ослабления пучка этих фотонов(Ео,х)будет экспоненциальным:

(Ео,х) = (Ео,0)·ехр(-_t х),

где _t - линейный коэффициент ослабления, его значения для многих материалов можно найти в справочниках. За барьером любой толщины существует вероятность обнаружить фотоны с начальной энергией.

Вместо линейного коэффициента ослабления иногда используют понятие – слой половинного ослабления _1/2 . Очевидно,

_1/2 =ln2/_t .

Величина _1/2 определяется энергией фотонов, атомным номером вещества барьера, плотностью вещества. В качестве примера в таблице 1.1 приведены значения _1/2 для разных энергий и материалов.

Высокая проникающая способность фотонного излучения делает его одинаково опасным как при внешнем, так и при внутреннем расположении источника радиоактивного излучения.

Таблица 1.1

Величина слоя половинного ослабления фотонного излучения _1/2

Энергия излучения, МэВ	Величина слоя половинного ослабления 1/2
	воздух, м	алюминии, см	свинец, см
0,5	60	3,2	0,4
1,0	85	4,4	1,0
2,0	120	6,0	1,4

Протоны

Альфа-частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона. Это сравнительно тяжелые частицы (массой в 7360 раз больше массы электрона), излучаемые почти исключительно ядрами тяжелых элементов - урана, плутония, тория, радона и т. д с начально высокой энергией (2-8 МэВ). Обладая значительными массой, зарядом и относительно небольшой скоростью движения (около 25000 км/с), -частицы имеют высокую ионизирующую способность (40000 пар ионов на 1 см пути в воздухе). Вследствие большого расхода энергии на ионизацию длина пробега этих частиц незначительна и в воздухе составляет 1-8 см. При прохождении через вещество альфа-частицы рассеиваются в актах упругого рассеяния в основном на малые углы. Поэтому их число вдоль траекторий почти не изменяется. Существует конечное значение пробега альфа-частиц. Альфа-частицы не могут проникнуть ни через одежду человека, ни через ороговевший наружный слой кожи. Поэтому если источник излучения этих частиц находится вне организма (внешнее облучение), они не представляют сколько-нибудь серьезной опасности для здоровья людей. Однако при попадании этого источника внутрь организма, например с пищей или воздухом (внутреннее облучение),-частицы становятся исключительно опасными для человека.

Бета-излучение (электроны или позитроны с непрерывным энергетическим спектром) подобно альфа-частицам обладают способностью к ионизации вещества. Но поскольку масса бета-частицы значительно меньше массы альфа-частицы. среднее значение удельной ионизации бета-частицы в воздухе – от 40 до нескольких сотен пар ионов на одном сантиметре пути, а длина пробега может достигать нескольких метров при скорости частиц, близкой к скорости распространения электромагнитного излучения. Будучи легкими частицами электроны испытывают многократные рассеяния на электронах среды. Поэтому поток -частиц по мере прохождения вещества непрерывно уменьшается. Существует определенное значение толщины , зависящее от максимальной энергии-частицы и атомного номера вещества, далее за которую-частица не проходит.

При облучении тела человека длина пробега бета-частицы составляет всего несколько миллиметров. Поток бета-частиц существенно ослабляется одеждой. Но при внешнем облучении открытого тела человека интенсивным потоком, -частицы могут вызвать пигментацию кожи (так называемый “ядерный загар”) и радиационные ожоги кожи, образовывать плохо заживающие язвы на теле. Особую опасность для здоровья представляет попадание источника бета-излучения внутрь организма с пищей, водой и ингаляционным путем.

Нейтронное излучение - это поток нейтронов, которые как правило, являются продуктами ядерных реакций, в частности реакции деления. Для получения потоков нейтронов в промышленных целях созданы специальные технические устройства, такие как реакторы, нейтронные генераторы, нейтронные сборки или размножители. Нейтроны электрически нейтральны, и это позволяет им беспрепятственно проникать в глубь атомов облучаемого вещества. Достигая ядер, нейтроны либо поглощаются ими, либо рассеиваются на них, теряя значительную часть энергии и следовательно скорость. Особенно большое количество энергии (до 50%) нейтроны теряют при столкновении с почти равными им по весу ядрами атомов водорода. Поэтому вещества, содержащие большое количество атомов водорода (вода, полиэтилен, парафин), широко используются как для защиты от нейтронного излучения, так и для замедления движения нейтронов. Например, вода служит в качестве замедлителя быстрых нейтронов в одном из самых распространенных типов реакторов. Атомные ядра при поглощении нейтронов становятся неустойчивыми и, распадаясь, испускают протоны, бета-частицы и гамма-кванты. При таких ядерных реакциях могут образовываться радиоактивные изотопы разных элементов и возникает наведенная радиоактивность, в свою очередь, создающая дополнительное ионизирующее излучение (например при наземном ядерном взрыве происходит активация грунта).

Следовательно, ионизация среды при нейтронном воздействии определяется протонами, ядрами отдачи и частицами, продуктами ядерных реакций и зависит от энергии нейтронов, а также от химического состава облучаемого вещества. Нейтроны по величине их энергии и характеру взаимодействия со средой могут быть представлены четырьмя группами: быстрые нейтроны с энергией более 100 кэВ, промежуточные - с энергией от 100 до 1 кэВ, медленные - с энергией менее 1 кэВ и тепловые нейтроны со средней энергией около 0,025 зВ.

Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или частиц и фотонов, называется смешанным ионизирующим излучением.

Различают моноэнергетическое и немоноэнергетическое ионизирующее излучение. Под моноэнергетическим понимается ионизирующее излучение, состоящее из частиц с одинаковой энергией.