от действия нейтронов, т.к. они содержат много легких атомов водорода, которые легко ионизируются.
Если нейтрон захватывается ядром, то происходит ядерная реакция, преимущественно превращение ядра в его радиоактивный изотоп с последующим β − распадом и излучением γ − фотона. При этом в тканях организма в результате реакции часто образуются радиоактивные изотопы
∙дейтерий 11 H +10 n →12 H + γ ;
∙фосфор 1531P +10 n →1532 P + γ ;
∙натрий 1327 Al +10 n →1124 Na +42α;
∙углерод 147 N +10 n →146 C +11 p.
Действие ионизирующих излучений может вызвать также
нарушение структуры молекул вещества. При этом возможны взаимодействия молекул воды с органическими соединениями, в частности реакция радиолиза. При радиолизе воды молекула воды сначала ионизируется
H2 0 → H2O+ + e−.
Электрон захватывается другой молекулой воды
Н2О + е− → Н2О− .
Ионизованные молекулы распадаются
Н2О+ → Н + + ОН; Н2О− → Н + ОН −.
Ионы Н + и ОН − имеют ненасыщенные валентности, поэтому химически очень активны и вступают в реакции, продукты которых опасны для организма. Напримеp,
Н + + О2 → НО2; НО2 + Н + → Н2О2 .
Возникающие в результате радиолиза воды жимически активные радикалы Н + и ОН − взаимодействуют с остальными молекулами биосистемы, что приводит к разрушению мембран, клеток и функций всего организма.
Ионизирующее излучение действует на сам биологический объект, а также на последующие поколения через наследственный аппарат клеток.
Для биологического действия ионизирующего излучения характерен скрытый (латентный) период. Разные части клеток по разному реагируют на одни и те же дозы излучения. Наиболее чувствительны к радиоактивному излучению ядра клеток. Особенно уязвимы растущие клетки, т.е. детские организмы, включая
0,01 Дж.
и период утробного развития в чреве матери. Более всего подвержены влиянию радиоактивного излучения клетки, которые периодически делятся: слизистые оболочки желудка и кишечника, кроветворная, ткань, половые клетки и т.д.
Характеристики ионизирующего излучения
Действие на организм оказывает только та часть излучения, которая, взаимодействуя с атомами и молекулами вещества организма, поглощается организмом. Поэтому основной характеристикой излучения, учитывающей его действие на организм , является поглощенная доза излучения
Dn = Wmn .
Это энергия излучения, поглощенная единицей массы вещества за время облучения.
[Dn ] =1 Дж =1 Грей (по ГОСТу), что означает, что 1 кг |
кг |
|
|
|
|
ства передана энергия в 1 Дж. |
|
0,01Дж |
|
|
Внесистемная единица, |
[Dn ] = |
=1 рад, |
т.е. 1 кг |
|
|
кг |
|
|
ства передана энергия в
Поглощенная доза Dn зависит от природы и свойств вещества, от свойств (энергии) излучения, времени облучения. Непосредственно приборами определить поглощенную дозу облучения в тканях организма непросто. Поэтому для оценки поглощённого излучения используют оценку радиационной обстановки в воздухе, т.е. оценку того излучения, которое воздействует на объект, и вводят понятие экспозиционной дозы. Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему действию излучения в воздухе
D0 = Qm ,
где Q −заряд ионов каждого знака, образовавшийся при ионизации рентгеновским и γ − излучениями массы m сухого воздуха. При этом учитывается полная и первичная, и вторичная, и т.д. ионизация.
Единица экспозиционной дозы [D0 ] =1 Клкг − это доза рентгеновского и γ − излучений, при которой в результате полной
ионизации 1 кг сухого воздуха образуются ионы, несущие заряд в 1 Кл электричества каждого знака.
Применяется также внесистемная единица экспозиционной дозы [D0 ] = 1 Р ( Рентген) - это доза рентгеновского и γ − излучений, при которой в результате полной ионизации 1 см3 чистого сухого воздуха при 00 С и нормальном давлении образуется » 2 ×109 (два миллиона) пар ионов.
1 Р = 2,58 ×10−4 Клкг .
Поглощенная доза 1 рад соответствует примерно 1 Р экспозиционной дозы для воды и мягких тканей, для костной ткани 1 рад соответствует 2 ÷5 Р.
Различные виды излучения даже при одной и той же поглощенной дозе оказывают различное биологическое действие. Поэтому в дозиметрии принять сравнивать биологические эффекты различных видов излучений с соответствующими эффектами рентгеновского и γ − излучений, для чего вводят биологическую (эквивалентную) дозу излучения
Dб =ηDn .
Здесь η − относительная биологическая эффективность (коэффициент качества).
[Dб ] = 1 бэр - биологический эквивалент Рентгена – это энергия любого вида излучения, которое по своему биологическому действию эквивалентно действию 1 рада рентгеновского или γ − излучений.
Значения коэффициента η для некоторых видов излучений:
Виды излучений |
η |
Рентгеновское, γ −, β − |
1 |
Медленные нейтроны |
5 |
Быстрые нейтроны, протоны |
10 |
α − частицы |
20 |
Действие излучения на ткани организма зависит не только от общей дозы излучения, но и от скорости нарастания дозы, т.е. от мощности дозы
P = DDt .
|
Единица измерения мощности поглощенной дозы |
[Pn ] =1 |
Вт |
. Вне- |
|
кг |
|
|
рад |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
системная единица [Рп ] =1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с |
|
|
|
|
|
А |
|
|
Единица измерения мощности экспозиционной дозы [Р0 ] =1 |
. |
|
|
|
|
|
|
Р |
|
|
мкР |
|
|
|
кг |
|
Внесистемная единица [Р0 ] =1 |
, |
1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с |
|
с |
|
|
|
|
|
Естественные радиоактивные источники (космические лучи, |
|
радиоактивность недр, воды, и т.д.) создают фон |
Dб =125мбэр. В |
течение жизни одного человека ≈ за 70 лет общая Dб =14 ÷15 бэр ; за 1 год 250 ÷400 мбэр. Это безопасно.
При облучении всего организма предельно допустимой биологической дозой считается Dб = 5 бэр в течение года. Минимальная летальная доза Dб = 600 бэр .
Дозиметрическая аппаратура
Приборы для измерения экспозиционной дозы (или мощности дозы) рентгеновского или γ − излучения называют дозиметрами или рентгенометрами. Основными частями их являются ионизационная камера и измерительное устройство.
Ионизационная камера представляет собой закрытый металлический или пластмассовый сосуд, заполненный сухим чистым воздухом (или газом – аргон, водород и т.п.) под атмосферным или немного пониженным давлением. В камере расположены два электрода (одним из электродов служит корпус камеры, если он металлический), к которым подводится постоянное напряжение. При измерении содержимое камеры подвергается действию ионизирующего излучения, которое ионизирует газ.
По устройству измерительной части дозиметры делятся на два класса.
1)Приборы, измеряющие заряд, образовавшийся в ионизационной камере под действием ионизирующего излучения. По устройству это чаще всего конденсаторные дозиметры, измерительным устройством в них является электрометр, шкала которого градуирована в единицах экспозиционной дозы.
2)Приборы, измеряющие силу тока, возникшего в ионизационной камере под действием излучения, шкала измерительного устройства в них также градуирована в единицах экспозиционной дозы.
Если измеряя дозу, одновременно измерять время действия излучения, то можно определить и дозу и мощность.
Принцип действия конденсаторного дозиметра рассмотрим .
по следующей схеме. К − камера с рабочим объемом V , Э − электрод, соединенный с чувствительным элек- тро-метром Е. Перед измерением электрод и электрометр заряжают до некото-
рого потенциала ϕ. При этом на них об-
1
разу-
ется заряд q1 = Cϕ1. емкость электрода вместе с электрометром. Затем камеру облучают, воздух ионизируется, в камере образуются ионы. Отрицательные ионы притяги-
ваются к электроду, и потенциал падает до величины ϕ2 , а заряд до величины q2 . Заряд, образовавшийся в камере под действием излучения равен
q = q1 − q2 = C(ϕ1 − ϕ2 )
Соответствующая экспозиционная доза
D0 = Vq = C(ϕ1V− ϕ2 ) = k(ϕ1 − ϕ2 ) ,
где k − коэффициент пропорциональности, устанавливаемый при градуировке.
Таким образом, экспозиционная доза находится по разности показаний электрометра в начале и в конце измерения.
Защита от ионизирующего излучения
Мощность экспозиционной дозы от источника излучения точечной формы пропорциональна активности А и обратно пропорциональна квадрату расстояния R2 от источника излучения до места определения дозы
|
|
P = |
Kγ A |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R2 |
- Называется гамма – по- |
Коэффициент пропорциональности Kγ |
стоянной радиоактивного изотопа. |
|
|
По определению |
|
|
|
Kγ A |
|
P = |
DD |
Þ DD = PDt = |
Dt. |
Dt |
|
|
|
|
|
R2 |
Отсюда следует, что защита осуществляется тремя путями: временем, расстоянием и материалом.
1)Защита временем: чем меньше время облучения, тем меньше полученная экспозиционная доза.
2)Защита расстоянием: чем меньше расстояние от источника излучения, тем больше полученная доза.
Таким образом, необходимо как можно меньшее время находится в зараженной излучением зоне и как можно дальше от неё.
3)Защита материалом для разных видов излучения
различна.
а) α − частицы обладают малой проникающей способностью, поэтому защитой от α − частиц может служить тонкий слой
любого вещества (одежда, плотная бумага, целлофан и т.п.) Основную опасность α − частицы представляют при попадании на слизистые оболочки дыхательных или пищеварительных путей.
Поэтому в зоне заражения дышать нужно через какую-либо повязку или респиратор и не принимать пищу.
б) Проникающая способность β − частиц выше, чем у α − частиц, следовательно, защита от β − частиц должна быть более мощной: пластины из алюминия, стекла, плексигласа и др.
материалов, толщиной в несколько сантиметров (не менее 1 см). в) Защита от рентгеновского, γ − излучения и нейтронов достаточно сложна, т.к. эти излучения меньше реагируют с веществом и имеют большую глубину проникновения в вещество. Поэтому для защиты от рентгеновского и γ − излучения применяют вещества. Состоящие из тяжелых металлов: чугуна, стали, свинца, свинцового стекла. Для защиты от нейтронов применяют вещества с невысоким порядковым номером, содержащие водород (вода, бетон). В этих веществах в процессе соударения с ядрами водорода (с протонами) нейтроны быстро теряют свою
энергию.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС
1. ЭФФЕКТ ЗЕЕМАНА.
Каждый электрон в атоме вращается вокруг ядра, обладая орбитальным (вращательным) механическим моментом Ml . И в то же время вращается вокруг собственной оси, обладая собственным механическим моментом M s . В атоме, имеющем несколько электронов, эти моменты складываются согласно законам квантовой механики, образуя результирующий орбитальный момент атома M L и результирующий собственный ме-
ханический момент атома . В свою очередь, эти моменты
M S
также складываются и дают результирующий механический момент M J . Число L – орбитальное квантовое число, целое; число S – спиновое квантовое число, может быть целым или полуцелым, в зависимости от числа электронов. J = L + S;
L +S −1;... L −S .
Вращение электронов вокруг ядра и вокруг собственной оси следует рассматривать как токи внутри атома. Поэтому при вращении электронов вокруг ядра электроны приобретают магнитные моменты μs , которые, складываясь, дают магнитный момент атома
|
μJ = - |
e |
× |
h |
g |
|
= -μБ × g |
|
. |
|
J ( J +1) |
J ( J +1) |
|
2m |
2π |
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь μБ = 4ehπm - магнетон Бора – единица магнитного момента;
e,m − заряд и масса электрона; h − посьоянная Планка; g − множитель Ланде; “-“ означает отрицательный знак электрона.
Т.о. энергия атома зависит от взаимной ориентайии моментов Ml (от квантового числа L ), от взаимной ориентации моментов M s (от квантового числа S ) и от взаимной ориента-
ции моментов M и , (т.е. от квантового числа J ).
L M S
Зееман, помещая атомы в постоянное магнитное поле, обнаружил следующее явление. Пусть в отсутствии магнитного поля энергия атома равна E0 . Эсли этот атом поместить в постоянное магнитное поле индукцией B , то магнитный момент
218
атома μJ будет иеть различные проекции на вектор магнитной индукции B этого поля:
μJ = −gμБmJ ,
где mJ − магнитное квантовое чило, принимающее значения
mJ = 0, ±1, ± 2 ± ... ± J (всего 2J + 1 значение). Из-за этого уровень E0 расщепляется на столько уровней, сколько возможно проекций магнитного моменоа на вектор B . Энергия атома в магнитном поле определяется теперь как
E = E0 + gμБ ВmJ ,
т.е. каждый энергетический уровень расщепляется на 2J + 1 подуровней. Например, для mJ =1
Это соответстует трем возможным частотам:
ν0 + gμhБ В , ν0 , ν0 − gμhБ В .
Это расщепление энергетических уровней названо эффектом Зеемана и объясняется тем, что атом, обладающий магнитным моментом μJ , приобретает в магнитном поле дополнительную энергию
E = gμБ ВmJ .
В рассмотренном примере E = gμБ В и E = −gμБ В .
Электронный парамгнитный резонанс
Если атом находится в постоянном магнитном поле, то переходы между подуровнями одного и того же уровня малове-
роятны. Но если на атом подействовать внешним переменным магнитным полем таким, что частота этого поля νп совпадет с частотой фотона, энергия которого равна E = gμБ В mJ , переходы становятся возможными. При этом происходит поглощение или излучение энергии электромагнитного поля, которое называют электронным парамагнитным резонансом (ЭПР).
Если переходы осуществляются между подуровнями двух уровней, то испускается энергия hν = gμБ Врез mJ . При прохождении электромагнитной волны через образец такая же энергия поглощается:
|
gμБ B(mJ |
2 |
− mJ ) |
ν = |
|
1 |
h |
|
|
|
|
|
ЭПР наблюдается в основном в кристаллических и жидких парамагнетиках, т.к. у диамагнетиков μJ = 0.
Форма и интенсивность спектральных линий определяются взаимодействием магнитных моментов электронов, в частности спиновых, с решеткой твердого тела и от других взаимодействий.
Взаимодействие с решеткой вещества приводит к уширению линии. Таким обоазом вместо бесконечно узкой линии поглощения наблюдается линия конечной ширины.
Различные виды взаимодействий между частицами вещества также приводят к увеличению ширины линии поглощения и на форму линии, что позволяет изучать виды взаимодействия частиц вещества по спектру ЭПР.
