10.2. Ионизирующие излучения и единицы их измерения

Особая опасность ядерного оружия заключается в том, что кроме небывало огромного разрушительного действия появляется еще опасный фактор — невидимые ионизирующие излучения, вызывающие лучевую болезнь: гамма-лучи, нейтронный поток, альфа- и бета-излучения.

Альфа-частицы (α) представляют собой поток ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов (₂⁴Не), имеют массу 4 аем (атомные единицы массы) и положительный заряд +2.

Энергия излучений в ядерной физике измеряется электрон-вольтами (эВ). Электронвольт равен энергии, которую получает электрон при прохождении разности потенциалов 1 вольт. Производными единицами являются килоэлектронвольт (кэВ), равный 103 эВ, и мегаэлектронвольт (МэВ), равный 106 эВ. Фотоны солнечных лучей имеют среднюю энергию 8 эВ. Альфа-частицы движутся с энергией от 4 до 9 МэВ. Альфа-частицы обладают сильной ионизирующей способностью, дают высокую плотность ионизации (на 1 см пути в воздухе образуют до 40 ООО и более пар ионов). Пробег их в воздухе равен всего 5—11 см, в ткани проникают на глубину до 0,1 мм, они задерживаются даже листком бумаги. Но действие их внутри организма сильнее гамма-лучей.

Бета-частицы (β^-) — это поток электронов, имеющих отрицательный заряд —1 и очень небольшую массу, в 1840 раз меньше массы протона. Эти частицы исходят из нейтронов атомного ядра, при этом нейтрон превращается в протон и атомный номер элемента увеличивается на одну единицу, например, ₁₁³⁴N → ₁₂²⁴Mg

Различают мягкие бета-излучения с энергией до 1 МэВ и жесткие — с энергией до 2—5 МэВ. Пробег в воздухе достигает 10—20 м (мягких частиц—всего несколько сантиметров), в ткани они проникают на глубину 5—7 мм. Может быть также положительное бета-излучение (β+) , представляющее поток позитронов, то есть таких же частиц, как электроны, но имеющих положительный заряд -f-1.

Примечание. Электронвольт—энергия, получаемая электроном при прохождении разности потенциалов 1 вольт, Мэв= 1 млн. эВ, эВ= 1,6-10 ^-12 эрг.

Гамма-излучение (γ) — это электромагнитное излучение, аналогичное рентгеновским лучам, состоящее из потока гамма-квантов энергии—фотонов, то есть элементарных частиц электрически нейтральных, не имеющих массы покоя, поэтому обладающих большой проникающей способностью в различные материалы и организмы. Различают мягкие гамма-лучи с энергией до 1 МэВ и жесткие, с энергией гамма-квант 1—10 МэВ (энергия фотонов рентгеновских лучей измеряется десятками и сотнями килоэлектронвольт).

Поток нейтронов (n) — это поток нейтральных частиц с массой 1,009 аем. Мощный поток нейтронов образуется в момент ядерного взрыва, в особенности при взрыве нейтронной бомбы. Быстрые нейтроны с энергией 1 —10 МэВ обладают также большой проникающей способностью.

Единицы измерения ионизирующих излучений. Все эти излучения (а, 8, п, а также рентгеновские лучи) обладают способностью вызывать возбуждение и ионизацию атомов и молекул веществ, через которые проходят, поэтому они получили название ионизирующие излучения. Возбуждением называется переход электронов на более высокоэнергетические орбиты. Ионизацией называется отрыв электронов от атома, при котором образуется пара ионов (+ и —). Именно ионизация является причиной лучевой болезни. На интенсивности ионизации и поглощения лучистой энергии различными веществами основывается измерение дозы ионизирующих излучений (дозиметрия). На отрыв электрона от атомов воздуха требуется в среднем 34 эВ энергии.

Дозиметрия ионизирующих излучений—специальный раздел ядерной физики. В данном пособии приводятся только некоторые данные, необходимые практическому врачу.

В радиологии производят два вида измерений ионизирующих излучений: измеряют экспозиционную дозу излучений в воздухе, падающих на организм (вещество), и дозу излучений, поглощенных организмом. Кроме того, нужно иметь в виду, что в настоящее время применяются две системы единиц: международная система СИ и несистемные единицы (специальные для радиологии), сложившиеся до утверждения стандартных единиц СИ.

Экспозиционная доза—полный электрический заряд образующихся ионов одного знака в единице массы воздуха. За единицу экспозиционной дозы излучений (гамма- и рентгеновских лучей и потока нейтронов) в системе СИ принят кулон на кг воздуха (кл/кг). За единицу внесистемной дозы принят рентген (Р), когда в 1 см³ воздуха образуется 2,08 млрд. пар ионов, несущих одну электростатическую единицу заряда. Переходные коэффициенты:1 кл/кг=3876 Р; 1Р = 0,000258 кл/кг.

Измеряют еще мощность экспозиционной дозы, или уровень радиации на местности: в системе СИ — ампер на 1 кг (в секунду), А/кг; в несистемной единице—это доза излучений в единицу времени—Р/с, Р/мин, Р/ч.

Единицы поглощенной дозы излучений:

— в системе СИ — грей (Гр), когда поглощается 1 джоуль лучистой энергии в 1 кг ткани, 1 Гр=1 Дж/кг;

— внесистемная единица — рад, когда в 1 г ткани поглощается 100 эрг энергии излучений. 1 Гр=100 рад, 1 рад=0,01 Гр.

По величине экспозиционной дозы приблизительно можно судить о величине поглощенной дозы в тканях (за исключением костей): Д погл.=Д эксп.-0,95 рад, то есть 1 Р~1 рад.

Для запоминания этих единиц приведем примеры. При однократном гамма-облучении человека развивается при облучении в дозах:

— 1—2 Гр (100—200 рад) — лучевая болезнь I (легкой) степени;

— 2—4 Гр (200—400 рад) — II (средней) степени;

— 4—6 Гр (400—600 рад) — III (тяжелой) степени;

— свыше 6 Гр (600 рад) — IV (крайне тяжелой) степени. Облучение в дозах до 0,5—1 Гр не вызывает острой лучевой болезни.

Единицы радиоактивности. Радиоактивными веществами (РВ) называются радиоактивные изотопы различных элементов (радионуклиды), в которых происходит самопроизвольный распад атомных ядер вследствие их внутренней неустойчивости и испускание ионизирующих излучений (а, В, f) , а само явление распада ядер называется радиоактивностью. Скорость распада радионуклидов определяется константой распада, или периодом полураспада. За единицу радиоактивности принят беккерель (Бк), равный одному распаду в 1 с. В специальной системе принята единица кюри (Ки), равная 3,7-10'° (37 млрд.) распадов ядер в 1 с. 1 Ки = 37 млрд. Бк. Производные единицы: 1 мКи = 0,001 Ки; 1 мкКи=0,000001 Ки.