3. Основы физики цепной ядерной реакции. Радиоактивный распад и его характеристики. 

Я́дерная реа́кция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением большого количества энергии. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфордв 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсонабыли получены фотографии этого процесса.

По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:

• реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергиисталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).
• прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц.

Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным рассеянием

Составное ядро[править | править вики-текст]

Основная статья: Составное ядро

Теория механизма реакции с образованием составного ядра была разработана Нильсом Бором в 1936 году^[3] совместно с теорией капельной модели ядра и лежит в основе современных представлений о большой части ядерных реакций.

Согласно этой теории ядерная реакция идёт в два этапа. В начале исходные частицы образуют промежуточное (составное) ядро за ядерное время, то есть время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро, примерно равное 10⁻²³ — 10⁻²¹с. При этом составное ядро всегда образуется в возбуждённом состоянии, так как оно обладает избыточной энергией, привносимой частицей в ядро в виде энергии связи нуклона в составном ядре и части его кинетической энергии, которая равна сумме кинетической энергии ядра-мишени с массовым числом   и частицы в системе центра инерции.

Энергия возбуждения[править | править вики-текст]

Энергия возбуждения   составного ядра, образовавшегося при поглощении свободного нуклона, равна сумме энергии связи   нуклона и части его кинетической энергии  :

 

Чаще всего вследствие большой разницы в массах ядра и нуклона   примерно равна кинетической энергии   бомбардирующего ядро нуклона.

В среднем энергия связи равна 8 МэВ, меняясь в зависимости от особенностей образующегося составного ядра, однако для данных ядра-мишени и нуклона эта величина является константой. Кинетическая же энергия бомбардирующей частицы может быть какой угодно, например, при возбуждении ядерных реакций нейтронами, потенциал которых не имеет кулоновского барьера, значение   может быть близким к нулю. Таким образом, энергия связи является минимальной энергией возбуждения составного ядра^[1][2].

Каналы реакций[править | править вики-текст]

Переход в невозбуждённое состояние может осуществляться различными путями, называемыми каналами реакции. Типы и квантовое состояние налетающих частиц и ядер до начала реакции определяют входной канал реакции. После завершения реакции совокупность образовавшихся продуктов реакции и их квантовых состояний определяет выходной канал реакции. Реакция полностью характеризуется входным и выходным каналами.

Каналы реакции не зависят от способа образования составного ядра, что может быть объяснено большим временем жизни составного ядра, оно как бы «забывает», каким способом образовалось, следовательно, образование и распад составного ядра можно рассматривать как независимые события. К примеру,   может образоваться как составное ядро в возбуждённом состоянии в одной из следующих реакций:

 

 

 

 

Впоследствии, при условии одинаковой энергии возбуждения, это составное ядро может распасться путём, обратным любой из этих реакций, с определённой вероятностью, не зависящей от истории возникновения этого ядра. Вероятность же образования составного ядра зависит от энергии и от сорта ядра-мишени^[2].

Прямые ядерные реакции[править | править вики-текст]

Течение ядерных реакций возможно и через механизм прямого взаимодействия, в основном, такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц, когда нуклоны ядра можно рассматривать как свободные. От механизма составного ядра прямые реакции отличаются, прежде всего, распределением векторов импульсов частиц-продуктов относительно импульса бомбардирующих частиц. В отличие от сферической симметрии механизма составного ядра для прямого взаимодействия характерно преимущественное направление полёта продуктов реакции вперёд относительно направления движения налетающих частиц. Распределения по энергиям частиц-продуктов в этих случаях также различны. Для прямого взаимодействия характерен избыток частиц с высокой энергией. При столкновениях с ядрами сложных частиц (то есть других ядер) возможны процессы передачи нуклонов от ядра к ядру или обмен нуклонами. Такие реакции происходят без образования составного ядра и им присущи все особенности прямого взаимодействия^[1].

Сечение ядерной реакции[править | править вики-текст]

Основная статья: Ядерное эффективное сечение

Вероятность реакции определяется так называемым ядерным сечением реакции. В лабораторной системе отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах — барнах, равных 10⁻²⁴ см².

Выход реакции[править | править вики-текст]

Число случаев реакции, отнесённое к числу бомбардировавших мишень частиц  , называется выходом ядерной реакции. Эта величина определяется на опыте при количественных измерениях. Поскольку выход непосредственно связан с сечением реакции, измерение выхода по сути является измерением сечения реакции^[1][2].

Законы сохранения в ядерных реакциях[править | править вики-текст]

При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения классической физики. Эти законы накладывают ограничения на возможность осуществления ядерной реакции. Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения. Кроме того, существуют законы сохранения, специфичные для микромира; некоторые из них выполняются всегда, насколько это известно (закон сохранения барионного числа,лептонного числа); другие законы сохранения (изоспина, чётности, странности) лишь подавляют определённые реакции, поскольку не выполняются для некоторых из фундаментальных взаимодействий. Следствиями законов сохранения являются так называемые правила отбора, указывающие на возможность или запрет тех или иных реакций.

дерные взаимодействия с частицами носят весьма разнообразный характер, их виды и вероятности той или иной реакции зависят от вида бомбардирующих частиц, ядер-мишеней, энергий взаимодействующих частиц и ядер и многих других факторов.

Ядерная реакция деления[править | править вики-текст]

Основная статья: Деление ядра

См. также: Цепная ядерная реакция

Ядерная реакция деления — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном, альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер — экзоэнергетический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения.

Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.

Ядерная реакция синтеза[править | править вики-текст]

См. также: Нуклеосинтез

Ядерная реакция синтеза — процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра.

Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.

Без подвода внешней энергии слияние ядер невозможно, так как положительно заряженные ядра испытывают силы электростатического отталкивания — это так называемый «Кулоновский барьер». Для синтеза ядер необходимо сблизить их на расстояние порядка 10⁻¹⁵ м, на котором действие сильного взаимодействия будет превышать силы электростатического отталкивания. Это возможно в случае, если кинетическая энергия сближающихся ядер превышает кулоновский барьер.

Такие условия могут сложиться в двух случаях:

• Если атомные ядра (ионы, протоны или α-частицы), обладающие большой кинетической энергией, встречают на своем пути другие атомные ядра. В природе это возможно, например, при столкновении частиц ионизированного газа, например, в ионосфере Земли, с частицами космических лучей. Искусственно такие реакции реализуются в вакуумных камерах с использованием естественных источников высокоэнергетических α-частиц (впервые 1919, Э.Резерфорд), а также ускорителях заряженных частиц (впервые 1931, Р.Ван-де-Грааф)^[4] и установках наподобие фузора или реактора «Поливелл», в которых кинетическая энергия заряженным частицам придается электрическим полем. Таким путем были получены первые искусственные ядерные реакции синтеза и многие искусственно синтезированные химические элементы.
• Если вещество нагревается до чрезвычайно высоких температур в звезде или термоядерном реакторе. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза. В таком случае говорят о термоядерном синтезе или термоядерной реакции.

Термоядерная реакция[править | править вики-текст]

Основная статья: Термоядерная реакция

Термоядерная реакция — слияние двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра, за счет кинетической энергии их теплового движения.

Для ядерной реакции синтеза исходные ядра должны обладать относительно большой кинетической энергией, поскольку они испытывают электростатическое отталкивание, так как одноименно положительно заряжены.

Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции синтеза.

Подобным образом протекают ядерные реакции естественного нуклеосинтеза в звездах.

Реакции синтеза между ядрами легких элементов вплоть до железа проходят экзоэнергетически, с чем связывают возможность применения их в энергетике, в случае решения проблемы управления термоядерным синтезом.

Прежде всего, среди них следует отметить реакцию между двумя изотопами (дейтерий и тритий) весьма распространенного на Земле водорода, в результате которой образуется гелий и выделяется нейтрон. Реакция может быть записана в виде:

  + энергия (17,6 МэВ).

Выделенная энергия (возникающая из-за того, что гелий-4 имеет очень сильные ядерные связи) переходит в кинетическую энергию, большую часть из которой, 14,1 МэВ, уносит с собой нейтрон как более лёгкая частица^[5]. Образовавшееся ядро прочно связано, поэтому реакция так сильно экзоэнергетична. Эта реакция характеризуется наинизшим кулоновским барьером и большим выходом, поэтому она представляет особый интерес для управляемого термоядерного синтеза^[1].

Термоядерная реакция также используется в термоядерном оружии.

Фотоядерная реакция[править | править вики-текст]

Основная статья: Фотоядерная реакция

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном,нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям   и  , которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов в этих реакциях —ядерным фотоэффектом.

Другие[править | править вики-текст]

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Запись ядерных реакций[править | править вики-текст]

Ядерные реакции записываются в виде специальных формул, в которых встречаются обозначения атомных ядер и элементарных частиц.

Первый способ написания формул ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических, то есть слева записывается сумма исходных частиц, справа — сумма получившихся частиц (продуктов реакции), а между ними ставится стрелка.

Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:

 .

Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остаётся одинаковым (барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным числам и другим величинам (энергия, импульс, момент импульса, …). В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие, протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.

Второй способ записи, более удобный для ядерной физики, имеет вид A (a, bcd…) B, где А — ядро мишени, а — бомбардирующая частица (в том числе ядро), b, с, d, … — испускаемые частицы (в том числе ядра), В — остаточное ядро. В скобках записываются более лёгкие продукты реакции, вне — более тяжёлые. Так, вышеприведённая реакция захвата нейтрона может быть записана в таком виде:

 .

Реакции часто называют по совокупности налетающих и испускаемых частиц, стоящих в скобках; так, выше записан типичный пример (n, γ)-реакции.

Первое принудительное ядерное превращение азота в кислород, которое провёл Резерфорд, обстреливая азот альфа-частицами, записывается в виде формулы

 , где   — ядро атома водорода, протон.

В «химической» записи эта реакция выглядит как

 .

Радиоакти́вный распа́д (от лат. radius «луч» и āctīvus «действенный») — спонтанное изменение состава (заряда Z, массового числаA) или внутреннего строения нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц, гамма-квантов и/или ядерных фрагментов^[1]. Процесс радиоактивного распада также называют радиоакти́вностью, а соответствующие ядра (нуклиды, изотопы и химические элементы) радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра. Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и некоторые более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, например индия, калия, рубидия или кальция, одни природные изотопы стабильны, другие же радиоактивны).

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, и ядро, возникающее в результате этого распада, называют соответственно материнским и дочерним ядрами. Изменение массового числа и заряда дочернего ядра по отношению к материнскому описывается правилом смещения Содди.

Распад, сопровождающийся испусканием альфа-частиц, назвали альфа-распадом; распад, сопровождающийся испусканием бета-частиц, был назван бета-распадом (в настоящее время известно, что существуют типы бета-распада без испускания бета-частиц, однако бета-распад всегда сопровождается испусканием нейтрино или антинейтрино). Термин «гамма-распад» применяется редко; испускание ядром гамма-квантов называют обычно изомерным переходом. Гамма-излучение часто сопровождает другие типы распада, когда в результате первого этапа распада возникает дочернее ядро в возбуждённом состоянии, затем испытывающее переход в основное состояние с испусканием гамма-квантов.

Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

В настоящее время, кроме альфа-, бета- и гамма-распадов, обнаружены распады с испусканием нейтрона, протона (а также двух протонов), кластерная радиоактивность, спонтанное деление. Электронный захват, позитронный распад (или β⁺-распад), а также двойной бета-распад (и его виды) обычно считаются различными типами бета-распада.

Некоторые изотопы могут испытывать одновременно два или более видов распада. Например, висмут-212 распадается с вероятностью 64 % в таллий-208(посредством альфа-распада) и с вероятностью 36 % в полоний-212 (посредством бета-распада).

Образовавшееся в результате радиоактивного распада дочернее ядро иногда оказывается также радиоактивным и через некоторое время тоже распадается. Процесс радиоактивного распада будет происходить до тех пор, пока не появится стабильное, то есть нерадиоактивное ядро. Последовательность таких распадов называется цепочкой распадов, а последовательность возникающих при этом нуклидов называется радиоактивным рядом. В частности, для радиоактивных рядов, начинающихся сурана-238, урана-235 и тория-232, конечными (стабильными) нуклидами являются соответственно свинец-206, свинец-207 и свинец-208.

Ядра с одинаковым массовым числом A (изобары) могут переходить друг в друга посредством бета-распада. В каждой изобарной цепочке содержится от 1 до 3 бета-стабильных нуклидов (они не могут испытывать бета-распад, однако не обязательно стабильны по отношению к другим видам радиоактивного распада). Остальные ядра изобарной цепочки бета-нестабильны; путём последовательных бета-минус- или бета-плюс-распадов они превращаются в ближайший бета-стабильный нуклид. Ядра, находящиеся в изобарной цепочке между двумя бета-стабильными нуклидами, могут испытывать и β⁻-, и β⁺-распад (или электронный захват). Например, существующий в природе радионуклид калий-40 способен распадаться в соседние бета-стабильные ядра аргон-40 и кальций-40:

 

 

 

Виды частиц, испускаемых при радиоактивном распаде[править | править вики-текст]

Э. Резерфорд экспериментально установил (1899), что соли урана испускают лучи трёх типов, которые по-разному отклоняются в магнитном поле:

• лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных частиц; их назвали α-лучами;
• лучи второго типа обычно отклоняются в магнитном поле так же, как поток отрицательно заряженных частиц, их назвали β-лучами (существуют, однако, позитронныебета-лучи, отклоняющиеся в противоположную сторону);
• лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали γ-излучением.

Хотя в ходе исследований были обнаружены и другие типы частиц, испускающихся при радиоактивном распаде, перечисленные названия сохранились до сих пор, поскольку соответствующие типы распадов наиболее распространены.

При взаимодействии распадающегося ядра с электронной оболочкой возможно испускание частиц (рентгеновских фотонов, Оже-электронов, конверсионных электронов) из электронной оболочки. Первые два типа излучений возникают при появлении в электронной оболочке вакансии (в частности, при электронном захвате и при изомерном переходе с излучением конверсионного электрона) и последующем каскадном заполнении этой вакансии. Конверсионный электрон испускается в процессе изомерного перехода с внутренней конверсией, когда энергия, выделяющаяся при переходе между уровнями ядра, не уносится гамма-квантом, а передаётся одному из электронов оболочки.

При спонтанном делении ядро распадается на два (реже три) относительно лёгких ядра — так называемые осколки деления — и несколько нейтронов. При кластерном распаде (являющемся промежуточным процессом между делением и альфа-распадом) тяжёлым материнским ядром испускается относительно лёгкое ядро (¹⁴C, ¹⁶O и т. п.).

При протонном (двухпротонном) и нейтронном распаде ядро испускает соответственно протоны и нейтроны.

Во всех типах бета-распада (кроме предсказанного, но пока не открытого безнейтринного) ядром испускается нейтрино или антинейтрино.

Альфа-распад[править | править вики-текст]

Основная статья: Альфа-распад

Альфа-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома ⁴He).

Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам ядра, чем остальные нуклоны. Образовавшаяся альфа-частица на границе ядра отражается от потенциального барьера внутрь, однако с некоторой вероятностью она может преодолеть его (см. Туннельный эффект) и вылететь наружу. С уменьшением энергии альфа-частицы проницаемость потенциального барьера очень быстро (экспоненциально) уменьшается, поэтому время жизни ядер с меньшей доступной энергией альфа-распада при прочих равных условиях больше.

Правило смещения Содди для α-распада:

 

Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):

 

В результате α-распада атом смещается на 2 клетки к началу таблицы Менделеева (то есть заряд ядра Z уменьшается на 2), массовое число дочернего ядра уменьшается на 4.

Бета-распад[править | править вики-текст]

Основная статья: Бета-распад

Бета-минус-распад[править | править вики-текст]

Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов. Бета-распад — это проявление слабого взаимодействия.

Бета-распад (точнее, бета-минус-распад, β⁻-распад) — это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и электронного антинейтрино.

Фейнмановская диаграмма бета-минус-распада: d-кварк в одном из нейтронов ядра превращается в u-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который распадается в электрон и электронное антинейтрино.

Бета-распад является внутринуклонным процессом. Бета-минус-распад происходит вследствие превращения одного из d-кварков в одном из нейтронов ядра в u-кварк; при этом происходит превращение нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино:

 

Свободные нейтроны также испытывают β⁻-распад, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино (см. Бета-распад нейтрона).

Правило смещения Содди для β⁻-распада:

 

Пример (бета-распад трития в гелий-3):

 

После β⁻-распада элемент смещается на 1 клетку к концу таблицы Менделеева (заряд ядра увеличивается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Позитронный распад и электронный захват[править | править вики-текст]

Фейнмановская диаграмма позитронного распада: u-кварк в одном из протонов ядра превращается в d-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который распадается в позитрон и электронное нейтрино.

Фейнмановская диаграмма электронного захвата: u-кварк в одном из протонов ядра превращается в d-кварк, испуская виртуальный W-бозон, который взаимодействует с электроном оболочки, превращая его в электронное нейтрино.

Существуют также другие типы бета-распада. В позитронном распаде (бета-плюс-распаде) ядро испускает позитрон и электронное нейтрино. При β⁺-распаде заряд ядра уменьшается на единицу (ядро смещается на одну клетку к началу таблицы Менделеева), то есть один из протонов ядра превращается в нейтрон, испуская позитрон и нейтрино (на кварковом уровне этот процесс можно описать как превращение одного из u-кварков в одном из протонов ядра в d-кварк; следует отметить, что свободный протон не может распасться в нейтрон, это запрещено законом сохранения энергии, т.к. нейтрон тяжелее протона; однако в ядре такой процесс возможен, если разность масс материнского и дочернего атома положительна). Позитронный распад всегда сопровождается конкурирующим процессом —электронным захватом; в этом процессе ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино, при этом заряд ядра также уменьшается на единицу. Однако обратное неверно: для многих нуклидов, испытывающих электронный захват (ε-захват), позитронный распад запрещён законом сохранения энергии. В зависимости от того, с какой из электронных оболочек атома (K, L, M,…) захватывается электрон при ε-захвате, процесс обозначается как К-захват, L-захват, M-захват, …; все они, при наличии соответствующих оболочек и достаточности энергии распада, обычно конкурируют, однако наиболее вероятен К-захват, поскольку концентрация электронов K-оболочки вблизи ядра выше, чем более удалённых оболочек. После захвата электрона образовавшаяся вакансия в электронной оболочке заполняется путём перехода электрона из более высокой оболочки, этот процесс может быть каскадным (после перехода вакансия не исчезает, а смещается на более высокую оболочку), а энергия уносится посредством рентгеновских фотонов и/или оже-электронов с дискретным энергетическим спектром.

Правило смещения Содди для β⁺-распада и электронного захвата:

 

 

Пример (ε-захват бериллия-7 в литий-7):

 

После позитронного распада и ε-захвата элемент смещается на 1 клетку к началу таблицы Менделеева (заряд ядра уменьшается на единицу), тогда как массовое число ядра при этом не меняется.

Двойной бета-распад[править | править вики-текст]

Основная статья: Двойной бета-распад

Наиболее редким из всех известных типов радиоактивного распада является двойной бета-распад, он обнаружен на сегодня лишь для одиннадцати нуклидов, и период полураспада для любого из них превышает 10¹⁹ лет. Двойной бета-распад, в зависимости от нуклида, может происходить:

• с повышением заряда ядра на 2 (при этом испускаются два электрона и два антинейтрино, 2β⁻-распад)
• с понижением заряда ядра на 2, при этом испускаются два нейтрино и
  • два позитрона (двухпозитронный распад, 2β⁺-распад)
  • испускание одного позитрона сопровождается захватом электрона из оболочки (электрон-позитронная конверсия, или εβ⁺-распад)
  • захватываются два электрона (двойной электронный захват, 2ε-захват).

Предсказан, но ещё не открыт безнейтринный двойной бета-распад.

Общие свойства бета-распада[править | править вики-текст]

Все типы бета-распада сохраняют массовое число ядра, поскольку при любом бета-распаде общее количество нуклонов в ядре не изменяется, лишь один или два нейтрона превращаются в протоны (или наоборот).

Гамма-распад (изомерный переход)[править | править вики-текст]

Основная статья: Изомерия атомных ядер

Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра ¹H, ²H, ³Hи ³He). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (чьё время жизни измеряется микросекундами, сутками или годами), которые называются изомерными, хотя граница между ними и короткоживущими состояниями весьма условна. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета- и альфа-распадов.

4. Ионизирующее излучение, определения, виды. Фотонное и корпускулярное излучение.

Ионизи́рующее излуче́ние — потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество.

К ионизирующему излучению не относят видимый свет и ультрафиолетовое излучение, которые в отдельных случаях могут ионизировать вещество. Инфракрасное излучение, излучение сантиметрового и радиодиапазонов не является ионизирующим, поскольку их энергии недостаточно для ионизации атомов и молекул в основном состоянии.^{[1][2][3][4][5]}

Наиболее значимы следующие типы ионизирующего излучения:^[6][2][7][8]

• Коротковолновое электромагнитное излучение (поток фотонов высоких энергий):
  • рентгеновское излучение;
  • гамма-излучение.
• Потоки частиц:
  • бета-частиц (электронов и позитронов);
  • альфа-частиц (ядер атома гелия-4);
  • нейтронов;
  • протонов, других ионов, мюонов и др.;
  • осколков деления (тяжёлых ионов, возникающих при делении ядер).

Природные источники ионизирующего излучения:^[9][7][8]

• Спонтанный радиоактивный распад радионуклидов.
• Термоядерные реакции, например на Солнце.
• Индуцированные ядерные реакции в результате попадания в ядро высокоэнергетичных элементарных частиц или слияния ядер.
• Космические лучи.

Искусственные источники ионизирующего излучения:

• Искусственные радионуклиды.
• Ядерные реакторы.
• Ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение).
  • Рентгеновский аппарат как разновидность ускорителей, генерирует тормозное рентгеновское излучение.

ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ, потоки фотонов или частиц, взаимод. к-рых со средой приводит к ионизации ееатомов или молекул. Различают фотонное (электромагнитное) и корпускулярное ионизирующие излучения. К фотонному ионизирующему излучению относят вакуумное УФ и характеристическое рентгеновское излучения, а также излучения, возникающие при радиоактивном распаде и др. ядерных р-циях (гл. обр. γ-излучение) и при торможении заряженных частиц в электрич. или магн. поле — тормозное рентгеновское излучение, синхротронное излучение. К корпускулярному ионизирующему излучению относят потоки α— и β-частиц, ускоренных ионов иэлектронов, нейтронов, осколков деления тяжелых ядер и др. Заряженные частицы ионизируют атомы или молекулысреды непосредственно при столкновении с ними (первичная ионизация). Если выбиваемые при этом электроныобладают достаточной кинетич. энергией, они также могут ионизировать атомы или молекулы среды при столкновениях (вторичная ионизация); такие электроны наз. δ-электронами. Фотонное излучение может ионизировать среду как непосредственно (прямая ионизация), так и через генерированные в среде электроны (косвенная ионизация); вклад каждого из этих путей ионизации определяется энергией квантов и атомным составом среды. Потоки нейтронов ионизируют среду лишь косвенно, преим. ядрами отдачи. Пространственно-временное распределение заряженных частиц или квантов, составляющих ионизирующее излучение, наз. его полем. Осн. характеристики ионизирующих излучений: поток ионизирующего излучения Ф_n = dN/dt, где dN — число частиц, падающих на данную пов-сть за интервал времени dt; плотность потока ϕ_n = dФ_n/dS, где dФ_n — поток, приходящийся на площадь поперечного сечения dS поглощающего объема; поток энергии Ф = dE/dt, где dE — суммарная энергия излучения (за исключением энергии массы покоя); энергетический спектр ионизирующего излучения — распределение составляющих его частиц и фотонов по энергиям. Кол-во энергии, переданной ионизирующим излучением единице массы среды, наз. поглощенной дозой излучения (см. Доза). Все виды ионизирующих излучений характеризуются т. наз. линейной передачей энергии (ЛПЭ) — энергией, переданной среде ионизирующей частицей в заданной окрестности ее траектории на единицу длины. ЛПЭ может принимать значения от 0,2 (высокоэнергетич. фотоны и электроны) до 10⁴ эВ/нм (осколки деления тяжелых ядер).
Взаимодействие излучения со средой. При прохождении ионизирующего излучения в среде возможны упругое рассеяние частиц, составляющих излучение, и неупругие процессы. При упругом рассеянии кинетич. энергия относит. движения частиц остается постоянной, но меняется направление их движения, т.е. поток ионизирующего излучения рассеивается; при неупругих процессах кинетич. энергия ионизирующего излучения расходуется на ионизацию и возбуждение частиц среды. Для потока электронов характерны упругое рассеяние на ядрах атомовсреды и неупругие процессы -ионизация и возбуждение атомов и молекул при взаимод. с их электронными оболочками (ионизационные потери) и генерация тормозного излучения при взаимод. с атомными ядрами(радиационные потери). Если энергия электронов не превышает 10 МэВ, во всех средах преобладают ионизац. потери. Для потока ускоренных ионов ионизац. потери доминируют при всех энергиях. Энергия, передаваемая заряженной частицей данному в-ву на единице длины ее пути, наз. тормозной способностью в-ва s_m = dE/dl (dE — энергия, теряемая частицей при прохождении элементарного пути dl). Значение s_m снижается с увеличением энергии заряженных частиц и растет с повышением ат. номера элемента, из к-рого состоит в-во среды. Глубина проникновения заряженных частиц в в-во характеризуется пробегом R; в воде для ионов Не²⁺ с энергией 5,3 МэВ R составляет 39 мкм, для электронов с энергией 5 МэВ -2,5 см. Для фотонного ионизирующего излучения имеют место упругое рассеяние (классич. рассеяние) и неупругие процессы, основные из к-рых — фотоэффект, эффект Комптона и образование пар электрон — позитрон. При фотоэффекте фотон поглощается атомом среды с испусканиемэлектрона, причем энергия фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме передается освобожденномуэлектрону. Вероятность фотоэффекта с К-оболочки атома пропорциональна Z⁵ (Z — aт. номер элемента) и быстро убывает с ростом энергии фотона (кривая 1 на рис. 1). В случае эффекта Комптона происходит рассеяние фотона на одном из атомных электронов; при этом уменьшается энергия фотона, изменяется направление его движения и происходит ионизация атомов среды. Вероятность комптоновского рассеяния пропорциональна Z и зависит от энергии фотонов (кривые 2 и 3 на рис. 1). При энергии фотона выше 1,022 МэВ вблизи ядра становится возможным образование пар электрон — позитрон. Вероятность этого процесса пропорциональна Z² и увеличивается с ростом энергии фотона (кривая 4 на рис. 1). При энергии фотона до 0,1 МэВ преобладает классич. рассеяние и фотоэффект, при энергии от 0,1 до 10 МэВ — эффект Комптона, при энергии выше 20 МэВ — образование пар.Ослабление фотонного ионизирующего излучения слоем в-ва происходит по экспоненц. закону и характеризуется линейным коэф. ослабления μ, к-рый показывает, на какой толщине слоя в-ва интенсивность падающего пучка ослабляется в е раз. Обычно измеряют ослабление потока излучения и вводят массовый коэф. ослабления μ/ρ (ρ — плотность в-ва): Ф_n = Ф⁰_nе^{−(μ/ρ).ρx}, где х — толщина слоя в-вa, Ф⁰_n и Ф_n — падающий и прошедший потоки соответственно. При прохождении потока фотонов через среду часть их рассеивается, часть поглощается, поэтому различают массовые коэф. ослабления и поглощения; второй коэф. численно меньше первого. Каждый вид взаимод. излучения со средой характеризуется своими массовыми коэф., зависящими от энергии фотонов и ат. номера элемента, из к-рого состоит в-во среды. Нейтронное излучение взаимод. только с атомными ядрами среды. По энергии нейтроны (в сравнении со средней энергией теплового движения kT, где k — постоянная Больцмана, Т — абс. т-ра) подразделяют на холодные (Е < kT), тепловые (Е ~ kT), медленные (kT < E < 10³ эВ), промежуточные (10³ <E < 5.10⁵ эВ) и быстрые (E > 5.10⁵ эВ). Нейтроны в в-ве испытывают упругое и неупругое рассеяние. При достаточной энергии нейтроны могут выбивать частично ионизир. атомы из среды (т. наз. ядра отдачи). При захвате нейтроноватомными ядрами могут происходить ядерные реакции, последствием к-рых является испускание γ-квантов, α— и β-частиц, осколков деления ядра и др. Ослабление потока нейтронов происходит по экспоненциальному закону Ф_n = Ф⁰_nе^−Nσα, где N — число атомов данного вида в единице объема, σÄ— т. наз. сечение захвата. Значение σ убывает обратно пропорционально скорости нейтронов, но на этой зависимости имеются максимумы (резонансные области захвата), в к-рых сечение характеристично для каждого нуклида и может принимать значения от 2.10⁻³³ м² для ¹⁵N до 3,6.10⁻²² м² для ¹³⁵Хе. Глубину проникновения фотонного и нейтронного ионизирующих излучений в среду характеризуют слоем половинного ослабления Δ_1/2, уменьшающим поток излучения вдвое. В случае воды Δ_1/2 = 9 см для направленного потока γ-излучения ⁶⁰Со с энергией 1,25 МэВ и Δ_1/2 =8 см для направленного потока нейтронов со средней энергией 6 МэВ. Акт. взаимод. любого ионизирующего излучения с частицами среды продолжается не более 10⁻¹⁵ с. За это время возможна перестройка электронной подсистемы молекул среды (ядерная подсистема остается неизменной). В среде появляются продукты взаимод.: однозарядные ионы в основном и возбужденном состояниях, электроны разл. энергий, двухзарядные ионы, синглетные и триплетные возбужденные состояния, т. наз. сверхвозбужденные состояния (СВС), имеющие энергию выше первого потенциала ионизации I₁ частиц среды. В газовой фазе кол-вовозбужденных состояний превышает кол-во образовавшихся ионов, в конденсир. фазе — наоборот. Ионизация и возбуждение частиц среды могут происходить с любого электронного энергетич. уровня, но процесс тем вероятнее, чем меньше энергия связи электрона в атомах и молекулах среды. Эффективность взаимод. ионизирующего излучения со средой характеризуют средней энергией новообразования W — энергией, расходуемой на образование одной пары ионов, причем W превышает I₁ в 1,5-2,5 раза. Осн. доля энергии ионизирующего излучения передается вторичными δ-электронами. Мгновенное распределение первичных и вторичных электронов по энергиям в среде — т. наз. спектр деградации излучения — позволяет рассчитать все процессы взаимод. по их сечениям в системе и найти состав и вероятность образования разл. ионизированных и возбужденных состояний. В случае взаимод. ионизирующего излучения с многокомпонентной системой (напр., р-ром) распределение энергии излучения между компонентами происходит пропорционально электронной доле ε этих компонентов — отношению числа электронов, принадлежащих данному компоненту, к общему числу всех электронов системы в единице массы (или объема). Переданная в-ву энергия ионизирующего излучения распределяется неравномерно вдоль траектории ионизирующих частиц, поэтому пространств. распределение продуктов взаимод. также неоднородно. Степень неоднородности тем выше, чем больше ЛПЭ излучения. Это приводит к неодинаковым конечным эффектам при взаимод. со средой ионизирующих излучений с различным ЛПЭ (см. Радиационно-химические реакции). Источники ионизирующих излучений различаются видом и энергетич. спектром излучения, конструкцией, геометрией расположенияоблучающих элементов, мощностью поглощенной дозы и ее распределением в облучаемом объекте. Выделяют след. группы: изотопные источники, ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц, рентгеновские установки.Среди изотопных источников наиб. распространены гамма-установки с долгоживущими радионуклидами ⁶⁰Со и ^l37Cs.
 
Рис. 2. Схема гамма-изотопного источника для облучения контейнеров: a — вид сверху, б — вид сбоку; 1 — камера для облучения; 2 — помещение для загрузки контейнеров 5; 3 — источник излучения в рабочем положении; 4 — он же в положении хранения; 6 — транспортная линия для контейнеров; 7 — пульт управления; 8 — бетонная защита; 9 — зубцы защитного лабиринта; 10 — система подъема источников из хранилища 11; 12 — пультовая; 13 — система дозиметрич. контроля.

На рис. 2 представлена схема гамма-установки для облучения объектов большого размера. В рабочей камере 1 расположены излучающие элементы, к-рые могут находиться в рабочем положении 3 или в хранилище 4 (при таком положении помещение 1 доступно для людей). Объекты для облучения погружаются в контейнеры 5 и по транспортной линии 6 доставляются дистанционно к облучателю 3. Все помещения находятся под дозиметрич. контролем 13. Ионизирующее излучение ядерных реакторов состоит из γ-излучения, быстрых и тепловых нейтронов, осколков деления. Ускорители заряженных частиц — устройства, ускоряющие электроны или ионы в электрич. поле (магн. поле м. б. использовано для управления потоком заряженных частиц). Различают два осн. конструкционных типа ускорителей: линейные, в к-рых заряженные частицы движутся прямолинейно, и циклические, в к-рых движение идет по круговой траектории. По типу ускоряющего электрич. поля ускорители делят на высоковольтные, в к-рых направление электрич. поля во время ускорения не меняется, и резонансные, в к-рых непрерывное ускорение достигается за счет того, что заряженная частица находится в ускоряющей фазе переменного высокочастотного электрич. поля. В циклич. ускорителях (циклотрон, синхротрон, синхрофазотрон и др.) требуемая энергия достигается при многократном прохождении ускоряемой частицы по окружности аппарата, в линейных (линейный индукц. ускоритель, линейный резонансный ускоритель и др.) — за счет приложения высокочастотного электрич. поля к линейной периодич. системе электродов. Осн. элементы ускорителя — высоковольтный генератор, источник заряженных частиц (ионный источник) и система, в к-рой производится ускорение. В резонансных ускорителях процесс накопления частицей энергии происходит за определенное время, зависящее от требуемой энергии и типа ускоряемых частиц, поэтому они работают в импульсном режиме. Нек-рые типы высоковольтных ускорителей (напр., каскадный ускоритель) могут использоваться в режиме постоянного потока ускоренных частиц. Большинство типов ускорителей применяют для ускорения как электронов, так и позитронов, протонов, дейтронов, Не²⁺ и положит. ионовболее тяжелых элементов. Резонансные ускорители больших энергий (до десятков ГэВ) применяют в ядерной физике; линейные ускорители с энергией до десятков МэВ — в радиационно-хим. исследованиях (см. Импульсный радиолиз); высоковольтные электронные ускорители — в прикладных целях (используют как ускорители на энергии 0,1-0,5 МэВ с мощностью в десятки кВт, так и ускорители на энергии в неск. МэВ с мощностью до 100 и выше кВт).Перечисленные выше ускорители — аппараты с выведенным пучком заряженных частиц. Но в самом аппарате за счет заряженных частиц можно получить нейтроны или рентгеновское излучение. Нейтроны получают в нейтронных генераторах при бомбардировке ускоренными протонами или дейтронами мишеней из соед., содержащих D, Т или др. нуклиды; получаемый поток может превышать 10¹¹ нейтрон/с (см. Нейтронные источники). Генераторы нейтроновнаряду с ядерными реакторами используют в активационном анализе, нейтронографии. Рентгеновское излучение генерируют врентгеновских трубках, в к-рых ускоренные электроны тормозятся в толстой мишени из тяжелого элемента (антикатод); при этом радиац. потери значительны. Рентгеновские трубки выпускают для получения излучений с энергиями от десятков до сотен кэВ; они могут работать в непрерывном или в импульсном режиме. Разл. установки создают в облучаемой среде мощность поглощенной дозы от долей Вт/г до 2.10⁵ Вт/ч в стационарном режиме и 10⁸ Вт/ч в импульсном. Ввиду сильного биол. действия ионизирующих излучений все источники снабжены защитой из сильно поглощающих материалов (бетон, чугун, свинец); толщина защиты определяется нормами радиац. безопасности (подробнее см. в ст. Радиационная защита). Ионизирующие излучения создают в облyчаемых объектах различные хим., физ. и биол. эффекты. В больших дозах ионизирующее излучение угнетает жизнедеятельность растений, микроорганизмов и животных. Этот эффект лежит в основе радиац. стерилизации мед. препаратов и инструментов, консервации пищ. продуктов. В малых дозах ионизирующее излучение служит мутагенным и активирующим фактором и используется для селекции растений, микроорганизмов (напр., при получении антибиотиков), для предпосевной обработки семян. В медицине ионизирующие излучения находят применение как диагностич. средство и для лучевой терапии опухолей. Использование ионизирующих излучений в пром-сти — основа радиац. технологии, частью к-рой является радиационно-химическая технология. Прир. источники ионизирующих излучений — естественно распределенные в породах Земли долгоживущие радионуклиды, космич. излучение, высокоэнергетич. компонента солнечного излучения, радиац. пояса Земли. Ионизирующее излучение считается одним из прир. факторов, повлиявших на развитие жизни на Земле; оно способствовало образованию угля,нефти и ряда др. полезных ископаемых. Солнечное и космич. излучения определяют хим. состав верх. слоев планетных атмосфер.

5. 5.Основные характеристики разных видов ионизирующего излучения. 

Ионизирующими называют излучения, взаимодействие которых со средой приводит к образованию электрических зарядов различных знаков. Источники этих излучений широко используются в технике, химии, медицине, сельском хозяйстве и других областях, например, при измерении плотности почв, обнаружении течей в газопроводах, измерении толщины листов, труб и стержней, антистатической обработке тканей, полимеризации пластмасс, радиационной терапии злокачественных опухолей и др. Однако следует помнить, что источники ионизирующего излучения представляют существенную угрозу здоровью и жизни использующих их людей.

Существуют два вида ионизирующих излучений:

▪  корпускулярное, состоящее из частиц с массой покоя, отличной от нуля (альфа- и бета¹-излучение и нейтронное излучение);

▪  электромагнитное (гамма(γ)-излучение и рентгеновское) с очень малой длиной волны.

¹ В литературе принято обозначать альфа- и бета-частицы с помощью соответствующих греческих букв – а-частицы и β-частицы.

Рассмотрим основные характеристики указанных излучений. Альфа(а)-излучение представляет собой поток ядер гелия, обладающих большой скоростью. Эти ядра имеют массу 4 и заряд +2. Они образуются при радиоактивном распаде ядер или при ядерных реакциях. В настоящее время известно более 120 искусственных и естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская альфа-частицу, теряют 2 протона и 2 нейтрона.

Энергия альфа-частиц не превышает нескольких МэВ¹. Излучаемые альфа-частицы движутся практически прямолинейно со скоростью примерно 20 000 км/с.

¹ МэВ – единица энергии (мега-электрон-вольт), применяемая в атомной и ядерной физике. 1МэВ = 10⁶ эВ (электрон-вольт). Для перевода значений энергии излучения в систему СИ пользуются следующими соотношениями: 1 эВ = 1,60206 • 10^-19 Дж; 1 МэВ = 1,60206 • 10^-13 Дж.

Под длиной пробега частицы в воздухе или других средах принято называть наибольшее расстояние от источника излучения, при котором еще можно обнаружить частицу до ее поглощения веществом. Длина пробега частицы зависит от заряда, массы, начальной энергии и среды, в которой происходит движение. С возрастанием начальной энергии частицы и уменьшением плотности среды длина пробега увеличивается. Если начальная энергия излучаемых частиц одинакова, то тяжелые частицы обладают меньшими скоростями, чем легкие. Если частицы движутся медленно, то их взаимодействие с атомами вещества среды более эффективно и частицы быстрее растрачивают имеющийся у них запас энергии.

Длина пробега альфа-частиц в воздухе обычно менее 10 см. Так, например, альфа-частицы с энергией 4 МэВ обладают длиной пробега в воздухе примерно в 2,5 см. В воде или в мягких тканях человеческого тела, плотность которых более чем в 700 раз превышает плотность воздуха, длина пробега альфа-частиц составляет несколько десятков микрометров. За счет своей большой массы при взаимодействии с веществом альфа-частицы быстро теряют свою энергию. Это объясняет их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию: при движении в воздушной среде альфа-частица на 1 см своего пути образует несколько десятков тысяч пар заряженных частиц – ионов.

Бета-излучение представляет собой поток электронов (β^—-излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β⁺-излучение), возникающих при радиоактивном распаде. В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов.

Масса бета-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше массы альфа-частиц. В зависимости от природы источника бета-излучений скорость этих частиц может лежать в пределах 0,3 – 0,99 скорости света. Энергия бета-частиц не превышает нескольких МэВ, длина пробега в воздухе составляет приблизительно 1800 см, а в мягких тканях человеческого тела ~ 2,5 см. Проникающая способность бета-частиц выше, чем альфа-частиц (из-за меньших массы и заряда). Например, для полного поглощения потока бета-частиц, обладающих максимальной энергией 2 МэВ, требуется защитный слой алюминия толщиной 3,5 мм. Ионизирующая способность бета-излучения ниже, чем альфа-излучения: на 1 см пробега бета-частиц в среде образуется несколько десятков пар заряженных ионов.

Нейтронное излучение представляет собой поток ядерных частиц, не имеющих электрического заряда. Масса нейтрона приблизительно в 4 раза меньше массы альфа-частиц. В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1 КэВ¹), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 КэВ) и быстрые нейтроны (от 500 КэВ до 20 МэВ). Среди медленных нейтронов различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Тепловые нейтроны находятся по существу в состоянии термодинамического равновесия с тепловым движением атомов среды. Наиболее вероятная скорость движения таких нейтронов при комнатной температуре составляет 2200 м/с. При неупругом взаимодействии нейтронов с ядрами атомов среды возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц и гамма-квантов (гамма-излучение). При упругих взаимодействиях нейтронов с ядрами может наблюдаться обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у альфа- или бета-частиц. Так, длина пробега нейтронов промежуточных энергий составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов – соответственно 120 м и 10 см. Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения. Мощность нейтронного потока измеряется плотностью потока нейтронов (нейтр./см² • с).

¹ 1 КэВ (кило-электрон-Вольт) — 10³ эВ.

 

Гамма-излучение (γ-излучение) представляет собой электромагнитное излучение с высокой энергией и с малой длиной волны¹. Оно испускается при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Высокая энергия (0,01–3МэВ) и малая длина волны обусловливает большую проникающую способность гамма-излучения. Гамма-лучи не отклоняются в электрических и магнитных полях. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем альфа- и бета-излучение.

¹ Начиная от длины волны 2-10^-2 нм в сторону коротких длин волн расположены гамма-лучи, возникающие при радиоактивном распаде атомов. Таким образом, электромагнитные излучения различного происхождения в этой области длин волн перекрываются, и их называют гамма-излучением или рентгеновским излучением в зависимости от источника.

Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубах, в ускорителях электронов, в среде, окружающей источник бета-излучения, и др. Рентгеновские лучи представляют собой один из видов электромагнитного излучения. Энергия его обычно не превышает 1 МэВ.

В качестве примера определим длину волны γ -излучения с энергией 0,048 МэВ.

Используя известное соотношение 1 эВ = 1,602 • 10^-19Дж, выразим энергию γ-излучения в джоулях:

                         (19.1)

Энергия γ-излучения определяется следующей формулой:

 ,             (19.2)

где      h – постоянная планка (h = 6,626 • 10^-34 Дж-с);

v – частота кванта электромагнитной энергии, гц;

с – скорость света (с ≈ 3,00 10⁸ м/с);

λ – длина волны, м.

 

Рентгеновское излучение, как и гамма-излучение, обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.

Рассмотрим основные показатели и единицы измерения, применяемые для характеристики ионизирующих излучений. Как уже сказано выше, при распаде ядер атомов его продукты вылетают с большой скоростью. Встречая на своем пути ту или иную преграду, они производят в ее веществе различные изменения. Воздействие излучения на вещество будет тем больше, чем больше распадов происходит в единицу времени. Для характеристики числа распадов вводится понятие активности (А) радиоактивного вещества, под которым понимают число самопроизвольных ядерных превращений dN в этом веществе за малый промежуток времени dt, деленное на этот промежуток времени:

А =  .                      (19.3)

Единицей измерения активности является Кюри (Кu), соответствующая 3,7 • 10¹⁰ ядерных превращений в секунду. Такая активность соответствует активности 1 г радия-226. Гораздо реже используется единица активности беккерель (Бк)

1 Кu = 3,7.10¹¹Бк.

Для характеристики воздействия ионизирующего излучения на вещество введено понятие дозы излучения. Дозой излучения называется часть энергии, переданная излучением веществу и поглощенная им. Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения и вещества является поглощенная доза излучения (Д), равная отношению средней энергии dE,переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе облученного вещества в этом объеме dm:

 .                    (19.4)

Поглощенная доза является основной дозиметрической величиной. В системе СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр). 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг¹.

¹ Ранее в качестве единицы поглощенной дозы использовался рад (рд). Он соответствовал поглощению в среднем 100 эрг.

До недавнего времени за количественную характеристику только рентгеновского и гамма-излучения, основанную на их ионизирующем действии, принималась экспозиционная доза Х – отношение полного электрического заряда dQ ионов одного знака, возникающих в малом объеме сухого воздуха, к массе воздуха dm в этом объеме, т. е.

 .                    (19.5)

Единицей экспозиционной дозы в системе СИ является кулон на килограмм (Кл/кг)¹.

¹ Внесистемной единицей дозы рентгеновского и гамма-излучения является рентген (р) – доза излучения, при которой суммарный заряд положительных или отрицательных ионов, образующихся в 1,293 • 10^-6 кг воздуха, равен 0,33 • 10^-9 кулонов. Это соответствует образованию 2,08 • 10⁹ пар одновалентных ионов в 1 см³ воздуха при нормальных условиях (Т= 273 К, Р =1,01325 • 10⁵ Па) и связано с затратой энергии около 87 • 10^-7 Дж/кг; 1P = 2,58 • 10^-4 Кл/кг = 0,88 рад.

Для оценки возможного ущерба здоровья при хроническом воздействии ионизирующего излучения произвольного состава введено понятие эквивалентной дозы (Н). Эта величина определяется как произведение поглощенной дозы Д на средний коэффициент качества излучения Q (безразмерный) в данной точке ткани человеческого тела, т. е.:

                  (19.6)

Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт² (Зв). В табл. 19.1 представлены сведения о величинах коэффициента Q.

² Существует специальная единица эквивалентной дозы – биологический эквивалент рентгена (бэр). 1 бэр – это количество энергии любого вида излучения, поглощенного в биологической ткани, биологическое действие которого эквивалентно действию 1 рад рентгеновского или гамма-излучения; 1 Зв = 100 бэр.

 

Существует еще одна характеристика ионизирующего излучения – мощность дозы Х (соответственно поглощенной, экспозиционной или эквивалентной), представляющая собой приращение дозы за малый промежуток времени dx, деленное на этот промежуток dt. Так, мощность экспозиционной дозы ( Х или W, Кл/кг-с) составит:

                        (19.7)

Аналогично рассчитывают мощность поглощенной (Гр/с) или эквивалентной (Зв/с) доз.

Биологическое действие рассмотренных излучений на организм человека различно.

Альфа-частицы, проходя через вещество и сталкиваясь с атомами, ионизируют (заряжают) их, выбивая электроны. В редких случаях эти частицы поглощаются ядрами атомов, переводя их в состояние с большей энергией. Эта избыточная энергия способствует протеканию различных химических реакций, которые без облучения не идут или идут очень медленно. Альфа-излучение производит сильное действие на органические вещества, из которых состоит человеческий организм (жиры, белки и углеводы). На слизистых оболочках это излучение вызывает ожоги и другие воспалительные процессы.

Под действием бета-излучений происходит радиолиз (разложение) воды, содержащейся в биологических тканях, с образованием водорода, кислорода, пероксида водорода Н₂О₂, заряженных частиц (ионов) ОН^— и НО . Продукты разложения воды обладают окислительными свойствами и вызывают разрушение многих органических веществ, из которых состоят ткани человеческого организма.

Действие гамма- и рентгеновского излучений на биологические ткани обусловлено в основном образующимися свободными электронами. Нейтроны, проходя через вещество, производят в нем наиболее сильные изменения по сравнению с другими ионизирующими излучениями.

Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений сводится к изменению структуры или разрушению различных органических, веществ (молекул), из которых состоит организм человека. Это приводит к нарушению биохимических процессов, протекающих в клетках, или даже к их гибели¹, в результате чего происходит поражение организма в целом.

¹ Биологическое действие ионизирующих излучений зависит от числа образовавшихся пар ионов, которое определяется поглощенной энергией излучения.

Различают внешнее и внутреннее облучение организма. Под внешним облучением понимают воздействие на организм ионизирующих излучений от внешних по отношению к нему источников. Внутреннее облучение осуществляется радиоактивными веществами, попавшими внутрь организма через дыхательные органы, желудочно-кишечный тракт или через кожные покровы. Источники внешнего излучения – космические лучи, естественные радиоактивные источники, находящиеся в атмосфере, воде, почве, продуктах питания и др., источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений, используемые в технике и медицине, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы (в том числе и аварии на ядерных реакторах) и ряд других.

Радиоактивные вещества, вызывающие внутреннее облучение организма, попадают в него при приеме пищи, курении, питье загрязненной воды. Поступление радиоактивных веществ в человеческий организм через кожу происходит в редких случаях (если кожа имеет повреждения или открытые раны). Внутреннее облучение организма длится до тех пор, пока радиоактивное вещество не распадется или не будет выведено из организма в результате процессов физиологического обмена. Внутреннее облучение опасно тем, что вызывает длительно незаживающие язвы различных органов и злокачественные опухоли.

При работе с радиоактивными веществами значительному облучению подвергаются руки операторов. Под действием ионизирующих излучений развивается хроническое или острое (лучевой ожог) поражение кожи рук. Хроническое поражение характеризуется сухостью кожи, появлением на ней трещин, изъязвлением и другими симптомами. При остром поражении кистей рук возникают отеки, омертвление тканей, язвы, на месте образования которых возможно развитие злокачественных опухолей.

Под влиянием ионизирующих излучений у человека возникает лучевая болезнь. Различают три степени ее: первая (легкая), вторая и третья (тяжелая).

Симптомами лучевой болезни первой степени являются слабость, головные боли, нарушение сна и аппетита, которые усиливаются на второй стадии заболевания, но к ним дополнительно присоединяются нарушения в деятельности сердечно-сосудистой системы, изменяется обмен веществ и состав крови, происходит расстройство пищеварительных органов. На третьей стадии болезни наблюдаются кровоизлияния и выпадение волос, нарушается деятельность центральной нервной системы и половых желез. У людей, перенесших лучевую болезнь, повышается вероятность развития злокачественных опухолей и заболеваний кроветворных органов. Лучевая болезнь в острой (тяжелой) форме развивается в результате облучения организма большими дозами ионизирующих излучений за короткий промежуток времени. Опасно воздействие на организм человека и малых доз радиации, так как при этом могут произойти нарушение наследственной информации человеческого организма, возникнуть мутации¹.

¹ Мутация – резкое наследственное изменение организмов, меняющее их основные признаки.

Нижний уровень развития легкой формы лучевой болезни возникает при эквивалентной дозе облучения приблизительно 1 Зв, тяжелая форма лучевой болезни, при которой погибает половина всех облученных, наступает при эквивалентной дозе облучения 4,5 Зв. 100%-ный смертельный исход лучевой болезни соответствует эквивалентной дозе облучения 5,5–7,0 Зв.

В настоящее время разработан ряд химических препаратов (протекторов), существенно снижающих негативный эффект воздействия ионизирующего излучения на организм человека.

В России предельно допустимые уровни ионизирующего облучения и принципы радиационной безопасности регламентируются «Нормами радиационной безопасности» НРБ-76, «Основными санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений» ОСП72-80. В соответствии с этими нормативными документами нормы облучения установлены для следующих трех категорий лиц:

▪  категория А – персонал, постоянно или временно работающий с источниками ионизирующих излучений;

▪  категория Б – ограниченная часть населения, которая по условиям размещения рабочих мест или по условиям проживания может подвергаться воздействию источников излучения;

▪  категория В – население страны, республики, края и области.

Для лиц категории А основным дозовым пределом является индивидуальная эквивалентная доза внешнего и внутреннего излучения за год (Зв/год) в зависимости от радиочувствительности органов (критические органы). Это предельно допустимая доза (ПДД) – наибольшее значение индивидуальной эквивалентной дозы за год, которое при равномерном воздействии в течение 50 лет не вызовет в состоянии здоровья персонала неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами.

Для персонала категории А индивидуальная эквивалентная доза (Н, Зв), накопленная в критическом органе за время Т (лет) с начала профессиональной работы, не должна превышать значения, определяемого по формуле: Н == ПДД · Т.

Кроме того, доза, накопленная к 30 годам, не должна превышать 12 ПДД.

Для категории Б установлен предел дозы за год (ПД, Зв/год), под которым понимают наибольшее среднее значение индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год у критической группы лиц, при котором равномерное облучение в течение 70 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами В табл. 19.2 приведены основные дозовые пределы внешнего и внутреннего облучений в зависимости от радиочувствительности органов.

6. взаимодействие ядерного излучения с веществом

Процесс прохождения ионизирующего излучения, несущего большой запас энергии, через вещество, оставляет свой след в виде изменений структуры вещества. Проходя через слой вещества, ионизирующее излучение взаимодействует с электронными оболочками и ядрами атомов вещества. Характер взаимодействия зависит от вида ионизирующего излучения, его энергии, плотности потока, а также от физических и химических свойств самого вещества.

Существенно заметное протекание ядерных реакций на ядрах атомов вещества возможно лишь при значительных потоках α— и β-частиц, γ-квантах больших энергий (более 1,02 МэВ) и больших сечениях ядерных реакций на ядрах, вступающих в ядерную реакцию. В большинстве же случаев энергия ионизирующего излучения расходуется главным образом на взаимодействие с электронными оболочками всех атомов вещества. При этом рассматривают взаимодействие ионизирующего излучения с веществом двух типов:упругое и неупругое.

фильм, фильм, фильм!

Ионизирующие излучения в виде αÄ— и βÄ-частиц при неупругом взаимодействии с электронными оболочками атомов среды (вещества) сопровождается потерей энергии ионизирующего излучения на ионизацию и возбуждение атомов среды, т.е. оказывает прямое ионизирующее действие на вещество, в котором распространяется. Взаимодействие γÄ-излучения с электронными оболочками атомов среды (вещества) иногда называют косвенно ионизирующим излучением.

Количественно ионизирующее действие ионизирующего излучения характеризуют удельной ионизации.

Для сравнения укажем, что удельная ионизация, создаваемая γÄ-излучением, приблизительно в 5.10⁴ раз меньше удельной ионизации от αÄ-частиц и 50 раз меньше удельной ионизации от βÄ-частиц такой же энергии.

Для количественной характеристики энергии ионизирующего излучения, поглощенной в единице массы облучаемого вещества, введена величина, называемая поглощенной дозой D ионизирующего излучения. В зависимости от поглощенной дозы ионизирующего излучения нарушается структура вещества, в частности, степень действия ионизирующего излучения на конструкционные материалы и другие объекты. Определение доз эмпирическим или расчетным путем входит в задачу специальной дисциплины — дозиметрии.

Возможность экспериментального определения поглощенной дозой ионизирующего  излучения, удельной ионизации или последствия ионизирующего излучения используют в технике для регистрации ионизирующего излучения, нахождения его характеристик (энергетического спектра и т.д.) или наоборот, в случае применения известного ионизирующего излучения для определения характеристик вещества (толщины, наличие дефектов и др.).

От характера взаимодействия ионизирующего излучения с конкретным веществом зависит проникающая способность ионизирующего излучения. Эта величина имеет важное техническое значение для решения ряда задач: прогностического расчета изменения свойств конструкционных материалов, расчета защиты от ионизирующего излучения, регистрации излучения и др.

Выше мы ограничились только краткими указаниями на основные аспекты взаимодействия ионизирующего излучения с веществом. Точный же механизм взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, последствие этого взаимодействия, влияние этих процессов на структуру, свойства и химически превращения в веществе будут рассмотрены далее в  разделе химии — радиационная химия.

7.Биологические эффекты радиационного воздействия.

Ионизирующие излучения являются неотъемлемой частью окружающей человека внешней среды. Живые организмы Земли адаптированы к действию радиации и для нормальной жизнедеятельности им необходимо постоянное облучение в малых дозах.

Сложившееся на протяжении ХХ столетия однозначно отрицательное отношение общества к ионизирующей радиации приводит к нежелательным последствиям. Так, гипертрофирована опасность атомных электростанций, предприятий по переработке радиоактивных отходов атомных производств, преувеличены масштабы аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г., выделяются значительные бюджетные средства на реализацию программ помощи «пострадавшим» от ионизирующих излучений. Современное общественное мнение страдает радиофобией, которую необходимо оценивать как реальную угрозу дальнейшему техническому прогрессу цивилизации. Нередко общество, вопреки утверждениям специалистов, навязывает свою точку зрения правительствам различных стран, которые, принимая популистские решения, закрывают атомные электростанции, свёртывают другие проекты в атомных отраслях промышленности.

Биологические эффекты ионизирующих излучений различны, что зависит прежде всего от интенсивности облучения. Помимо повреждающего действия, которое само по себе используется при лечении различных заболеваний, прежде всего злокачественных опухолей, существует стимулирующий эффект естественного(природного) фона и малых доз. Последние не только не оказывают отрицательного влияния на здоровье человека, но и способствуют его укреплению.

Единицы измерения[править | править вики-текст]

1. Радиоактивность измеряется в беккере́лях (Бк) — 1 распад/сек и кюри́ (Ku) — 37 млрд. Бк.

2. Экспозиционная доза рентгеновского и γ-излучения, определяемая по эффекту ионизации воздуха, измеряется в куло́нах на килограмм (Кл/кг) — возникающие в 1 кг сухого воздуха ионы несут суммарный заряд в 1 Кл. Внесистемной единицей является рентге́н (Р): 1 Р = 0,285 Кл/кг.

3. Поглощённая доза измеряется в грэ́ях (Дж/кг) — доза излучения, измеряемая энергией в 1 Дж, переданной массе облучённого вещества в 1 кг. Внесистемной единицей является рад. 100 рад = 1 Грэй (Гр, или Гй).

4. Единицами измерения эквивалентных доз ионизирующих излучений являются бэр (биологический эквивалент рентгена) и зи́верт (Зв). 1 Зв = 100 бэр. Бэр — поглощённая доза любого вида ионизирующего излучения, аналогичная по биологической активности 1 рад рентгеновского излучения со средней удельной ионизацией 100 пар ионов на 1 мкм пути в воде.

Классификация[править | править вики-текст]

Биологические эффекты ионизирующего излучения:

I. Эффект естественного радиационного фона.

II. Эффект малых доз.

III. Эффект больших доз

1. Лучевая болезнь (при тотальном или субтотальном облучении)
2. Эффект больших доз при локальном облучении (в частности, при радиотерапии различных заболеваний).

Эффект больших доз сопровождается радиогенным повреждением различных органов и тканей. Поражения одних органов более тяжёлые, других — выражены в меньшей степени. Облучение организма не сопровождается какими-либо ощущениями. Радиочувствительность (радиосенсити́вность) тканей определяется законом Бергонье́—Трибондо́: она прямо пропорциональна пролиферативной активности клеток и обратно пропорциональна степени их дифференцировки.

Кроме того, эффекты больших доз подразделяют на ранние и поздние. К ранним эффектам относятся гибель людей вследствие острой лучевой болезни (например, 28 погибших из 134 заболевших при аварии на Чернобыльской АЭС), разрушение тканей при локальном облучении, к поздним эффектам — развитие онкологических инаследственных заболеваний. Максимальная частота так называемых дополнительных (избыточных) смертей от индуцированных облучением лейкемий приходится на 3—5-й годы после воздействия большой дозы радиации, а радиогенных со́лидных опухолей — на 9—11-й годы после воздействия.

Для объяснения влияния ионизирующей радиации на живые организмы до настоящего времени используется линейная беспороговая концепция. Эта гипотеза предполагает, что любая сколь угодно малая доза опасна для здоровья. Однако эффекты естественного фона и малых доз не укладываются в рамки положений линейной беспороговой концепции.

Эффект естественного радиационного фона[править | править вики-текст]

Основным источником естественного (природного) радиационного фона является инертный газ радон (Rn-222). Радон и его дочерние продукты вносят 50%-ный вклад в фоновое облучение живых организмов. К другим источникам фона относятся различные природные радионуклиды (уран, радий, калий-40), а также γ-излучение Земли и космическое излучение.

Синдром дефицита облучения[править | править вики-текст]

Природный фон радиации оказывает значительное влияние на живые организмы. Эксперименты, проведённые с лабораторными животными, растениями и микроорганизмами, длительное время находившимися в условиях пониженного в несколько раз радиационного фона, показали тесную связь процессов жизнедеятельности и влияющего на них ионизирующего излучения. При этом замедлялся рост животных, они теряли в весе, становились менее активными и менее сообразительными. Отмечались признаки анемии и выраженного иммунодефицита, который сопровождался развитием инфекционных процессов и злокачественных опухолей. Морфологически в их тканях обнаруживались атрофические изменения, аналогичные ускоренному старению. Продолжительность жизни сокращалась.

Комплекс подобных признаков получил название синдрома дефицита облучения. В его основе лежит угнетение процессов клеточной пролиферации. Радиационный фон, таким образом, является стимулятором деления клеток, и, следовательно, процессов роста, обновления и восстановления тканей, одним из механизмов поддержания структурного гомеостаза.

Эффект малых доз (радиационный гормезис)[править | править вики-текст]

В диапазоне дозы в пределах до 10- и даже 100-кратного превышения над фоном (в среднем 5—10 раз) повреждающее влияние радиации на организм человека не прослеживается. Напротив, отмечается выраженное биостимулирующее действие. Такой эффект получил название радиационного гормезиса — повышения жизнеспособности организма под влиянием малых доз ионизирующей радиации. Радиационный гормезис был установлен в ряде мест на Земле, где γ-фон превышает в 2—10 раз средний по планете. В этих районах смертность от злокачественных новообразований соответствует среднему уровню в популяции. Проявлением радиационного гормезиса является также эффект радонотерапии.

Для различных живых организмов малые дозы не одинаковы. Для человека малые дозы — 4—5 рад (эту дозу человек получает за всю жизнь с естественным фоном). Малая доза тем выше, чем более радиорезистентны организмы. Значительной радиорезистентностью обладают обитатели степей и пустынь, например, песчанки (грызуны) и скорпионы. Растения очень высокоустойчивы к радиации (полулетальная доза для них измеряется сотнями и тысячами Гр), в особенности это относится к сухим семенам растений, некоторым водорослям, а также спорам бактерий и грибам, переносящим без заметного вреда до 10.000 Гр и более. Другими словами, малая доза радиации для растений является абсолютно смертельной для всех животных и человека.

У млекопитающих и человека малые дозы радиации стимулируют антибластомные и противоинфекционные защитные механизмы, увеличивают долголетие и плодовитость. Установлено, что малая доза ионизирующего излучения способствует репарации повреждений ДНК, поэтому эффект малых доз обеспечивает выбраковку мутантных, в том числе предзлокачественных, клеток. Обнаружены гены, ответственные за этот процесс.

В некоторых районах Земли естественный радиационный фон в десятки раз превышает средний планетарный уровень. В таких зонах с высокой природной радиоактивностью вредных последствий для здоровья населения не обнаружено. Наоборот, жители этих районов имеют более высокую среднюю продолжительность жизни и меньше болеют раком. Кроме того, у тех жителей Хиросимы и Нагасаки, которые получили во время атомной бомбардировки малую дозу радиации, не отмечено роста заболеваемости злокачественными опухолями.

Лучевая болезнь[править | править вики-текст]

Лучевая болезнь — заболевание, развивающееся при тотальном или субтотальном облучении организма в больших суммарных дозах.

Классификация[править | править вики-текст]

Различают следующие формы лучевой болезни:

1. Острая лучевая болезнь — заболевание, развивающееся при тотальном или субтотальном облучении организма в больших дозах, как правило, 1 Гр и более.
2. Хроническая лучевая болезнь развивается в результате длительного, часто многократного облучения в относительно низких дозах, однако заметно превышающих предельно допустимые.

Клинико-морфологическая классификация[править | править вики-текст]

Основой данной классификации является величина поглощённой дозы.

Острая лучевая болезнь может протекать в виде следующих четырёх клинико-морфологических форм [по А. К. Гуськовой]:

1. Костномозговая форма развивается при воздействии радиации в дозе 1—10 Гр (прогноз различный).
2. Кишечная форма развивается при воздействии радиации в дозе 10—20 Гр (прогноз абсолютно неблагоприятный). Изменения в кишечнике приводят к смерти в течение нескольких дней (обычно на 10—14-е сутки), до развития глубоких нарушений в органах кроветворения.
3. Токсемическая (сосудистая) форма развивается при воздействии радиации в дозе 20—80 Гр (прогноз абсолютно неблагоприятный).
4. Церебральная форма развивается при воздействии радиации в дозе более 80 Гр (прогноз также абсолютно неблагоприятный).

Кишечную, токсемическую и церебральную формы лучевой болезни объединяют понятием острейшая лучевая болезнь. При токсемической и церебральной форме летальный исход наступает через несколько часов или суток.

Костномозговая форма подразделяется по степени тяжести на 4 варианта:

• Лёгкая форма (I степень) — обычно развивается при облучении в дозе 1—2 Гр (прогноз абсолютно благоприятный).
• Форма средней тяжести (II степень) — обычно при облучении в дозе 2—4 Гр (прогноз относительно благоприятный).
• Тяжёлая форма (III степень) — обычно при облучении в дозе 4—6 Гр (прогноз сомнительный).
• Крайне тяжёлая (смертельная) форма (IV степень) — обычно при облучении в дозе 6—10 Гр (прогноз неблагоприятный).

Формы лучевой болезни в зависимости от особенностей облучения[править | править вики-текст]

В зависимости от особенностей облучения выделяют следующие формы острой и хронической лучевой болезни:

Острая лучевая болезнь

1. Вследствие внешнего равномерного облучения (влияние внешнего импульсного общего гамма-нейтронного облучения).
2. Вследствие внешнего равномерного пролонгированного облучения (внешнее общее гамма-нейтронное облучение длительностью от нескольких часов до 10 суток).
3. Вследствие неравномерного облучения (внешнее импульсное субтотальное облучение или облучение преимущественно одного из сегментов тела).

Хроническая лучевая болезнь

1. Вследствие внешнего равномерного облучения (длительное внешнее общее облучение в низких дозах).
2. Вследствие преимущественно местного облучения (длительное частичное облучение в низких дозах или внутреннее облучение при инкорпорировании радионуклидов). Картина болезни при этом зависит от преимущественного поражения критического органа.
3. Вследствие сочетанного общего и местного облучения.

Патологическая анатомия лучевой болезни[править | править вики-текст]

Костномозговая форма[править | править вики-текст]

Костномозговая форма проявляется преимущественным поражением кроветворной ткани (красного костного мозга) и лимфоидных органов (лимфоузлы, селезёнка, MALT-структуры, тимус). В течении заболевания выделяют четыре периода.

1. Период первичной реакции на облучение

В зависимости от величины дозы первичные реакции возникают непосредственно после облучения или через несколько часов. Длительность периода зависит от тяжести поражения: при I степени отсутствует или слабо выражен, при II — продолжается 1—2 суток, при III — от нескольких часов до 3—4 суток, при IV степени тяжёлая первичная реакция развивается через несколько десятков минут или в первые два часа после облучения. Первичная реакция сопровождается общей слабостью, изменением ЦНС (возбуждение или сонливость, головная боль, головокружение), сердечной сосудистой системы (сердцебиение, боли в области сердца) и желудочно-кишечного тракта (рвота, тошнота). При облучении в дозе свыше 6 Гр могут развиться менингеальный синдром и очаговые неврологические проявления. При тяжёлом течении костномозговой формы первичная реакция включает радиогенную гиперемию кожи и конъюнктивы. В костном мозге непосредственно после облучения уменьшается количество ядросодержащих кроветворных клеток. В клетках обнаруживаются дистрофические изменения, угнетается их пролиферативная активность. В периферической крови наиболее важным признаком является лимфопения (лимфоциты наиболее радиочувствительны среди форменных элементов крови).

2. Период мнимого благополучия

Период мнимого благополучия («скрытый» период) характеризуется улучшением состояния больных. Гиперемия кожи (эритема) и конъюнктивы («инъекция склер») исчезают. Однако в периферической крови сохраняется и прогрессирует лимфопения, в костном мозге нарастают гипопластические изменения. Длительность периода зависит от тяжести поражения: в крайне тяжёлых случаях он отсутствует, при тяжёлой форме продолжается 1—2 недели, при I—II степени тяжести — 4—5 недель и более.

3. Период разгара заболевания

Период разгара заболевания (период выраженных проявлений болезни) характеризуется резким ухудшением состояния больных (кроме крайне тяжёлой формы, при которой первичная реакция без скрытого периода трансформируется в период разгара) и продолжается 1—3 недели. Основным признаком разгара болезни являетсягипопластическая анемия: в лёгких случаях она проявляется умеренно выраженной лейкотромбоцитопенией, в тяжёлых — панцитопенией с агранулоцитозом и значительной тромбоцитопенией. Гипопластичекая анемия приводит к развитию иммунодефицита и инфекционных осложнений, вплоть до сепсиса. Инфекционные поражения обусловлены как экзогенными факторами, так и условно-патогенными аутоинфекционными агентами (деструктивный стоматит, некротическая ангина, пневмония, гнойный отит, некротический энтероколит, пиелонефрит, пиодермии). Нередко возникает геморрагический синдром в виде кровотечений и кровоизлияний в различные органы и ткани.

Характерными признаками тяжёлого течения костномозговой формы являются выпадение волос, лучевой гастроэнтерит, менингеальный синдром и очаговые поражения головного мозга. Кишечный синдром (лучевой гастроэнтерит), проявляющийся диареей, развивается на второй неделе заболевания (с 10—14-го дня). В ряде случаев отмечается язвенный энтерит с перфорацией стенки и развитием перитонита.

Крайне тяжёлое течение костномозговой формы характеризуется быстрым угнетением кроветворения. В первые дни болезни развиваются геморрагический синдром и инфекционные осложнения, обычно в виде сепсиса, поражения кишечника и головного мозга. Смерть наступает обычно на второй неделе болезни.

4. Восстановительный период

Восстановительный период длительный, регенерация поражённых тканей происходит медленно (месяцы, годы). Прежде всего нормализуются показатели кроветворения. В костном мозге увеличивается количество кроветворных элементов, усиливается их пролиферативная активность. Сохраняющиеся при этом нарушения функции различных органов обозначаются как ближайшие последствия острой лучевой болезни. Изменения в головном и спинном мозге обозначаются термином лучевой энцефаломиелоз. Через многие годы могут развиться так называемые отдалённые последствия облучения: злокачественные опухоли, катаракта, наследственные дефекты у потомства. Чем выше доза облучения, тем тяжелее ближайшие и отдалённые последствия у выживших больных.

Кишечная и церебральная формы[править | править вики-текст]

Кишечная форма характеризуется развитием острого радиационного гастроэнтерита. Поражение желудка и кишечника проявляется диареей и неукротимой рвотой, вследствие чего наступает эксикоз. Слизистая оболочка желудка и кишечника изъязвляется. Язвы нередко глубокие, осложняются кровотечением, перфорацией и перитонитом.

При церебральной форме в процесс могут вовлекаться любые отделы головного мозга: кора больших полушарий, базальные ганглии, мозжечок и ствол мозга. Характерен судорожный синдром. При поражении продолговатого мозга смерть наступает от паралича дыхательного и сосудодвигательного центров (бульбарный синдром).

Острая лучевая болезнь при внешнем общем неравномерном облучении[править | править вики-текст]

Неравномерное (преимущественно сегментарное) облучение может быть вследствие экранирования части тела человека различными сооружениями или техникой. В клинико-морфологической картине доминируют поражения преимущественно облучаемых критических органов: особенности заболевания зависят от «геометрии облучения» — от распределения по телу лучевой энергии. Особенностью этой формы лучевой болезни является минимальная выраженность изменений костного мозга. Морфологические признаки угнетения кроветворной ткани обнаруживаются только в тех костях, которые были облучены, однако за счёт нормального кроветворения в других костях выраженного костномозгового синдрома, как правило, не формируется.

При облучении преимущественно головы и шеи наблюдается выраженная первичная реакция. Если доза облучения превышает 4—5 Гр возникает гиперемия и отёчность кожи лица, в дальнейшем выпадают брови и ресницы. При облучении в дозе 10 Гр и более развивается отёк головного мозга и язвенно-некротические поражения полости рта и глотки (орофарингеальный синдром).

Облучение грудного сегмента тела протекает с минимальными проявлениями первичной реакции, в основном сердечного происхождения (боли, аритмия).

Облучение брюшного сегмента тела проявляется выраженной первичной реакцией и клиникой поражения органов брюшной полости, прежде всего кишечника (сегментарный лучевой энтероколит).

Сочетанные лучевые поражения[править | править вики-текст]

Сочетанными называют совместное воздействие внешнего γ-облучения и радионуклидов, попадающих на кожу или внутрь организма. Основными путями проникновения радиоактивных изотопов внутрь организма являются органы дыхания и пищеварения, а также раневые и ожоговые поверхности.

При острой лучевой болезни, вызванной сочетанными поражениями, более выражены воспалительные изменения покровных тканей, на которые попадают радионуклиды, менее продолжителен латентный период и существенное удлинение периода выздоровления, развивается более выраженное угнетение кроветворения. Кроме того, инкорпорированные радионуклиды проявляют тропность к определённым органам: почкам (уран), щитовидной железе (йод), костям (стронций, иттрий, цирконий), печени (церий, лантан). Остеотропные элементы приводят к лучевому некрозу кости, развитию злокачественных опухолей, особенно остеосарком и лейкемий. Во внутренних органах с депонированными радионуклидами постепенно нарастают фибропластические изменения и атрофия паренхимы с последующим развитием функциональной недостаточности поражённого органа.

Комбинированные лучевые поражения[править | править вики-текст]

Комбинированными называют поражения, вызванные облучением и травмой (механическое воздействие, ожоги, огнестрельное ранение). При этом травматическое и лучевое поражения отягощают друг друга («синдром взаимного отягощения»).

В течении болезни выделяют четыре периода:

• Острый период (период первичной реакции на лучевое и нелучевое поражение). Доминируют признаки травмы: травматический или ожоговый шок, кровотечение. Клиника травмы маскирует симптомы облучения, поэтому важное диагностическое значение имеет исследование периферической крови — абсолютная лимфоцитопения указывает на лучевое воздействие.
• Период превалирования нелучевых симптомов поражения. Латентные проявления лучевых эффектов укорочены. При облучении в дозе более 6 Гр лучевые симптомы доминируют в картине болезни.
• Период преимущественно лучевых симптомов поражения. Состояние больных резко ухудшается, быстро развиваются лучевые осложнения, особенно геморрагический синдром. Активизируется и нередко генерализуется раневая инфекция. Прогрессирует гипопластическая анемия, развивается агранулоцитоз.
• Период восстановления характеризуется медленным заживлением ран и ожоговых поверхностей.

Нейтронные поражения[править | править вики-текст]

Острая лучевая болезнь, вызванная нейтронным облучением, в целом проявляется также, как и вследствие воздействия γ-лучей, тем более, что в патогенезе нейтронного поражения велика роль вторичного γ-излучения. Однако нейтронное облучение характеризуется значительной неравномерностью. В картине заболевания более выражены поражения желудка и кишечника, в то же время они не всегда являются неблагоприятным признаком прогноза. В тяжёлых случаях наблюдаетсягеморрагическая инфильтрация стенки кишки, ткани брыжейки и мезентериальных лимфатических узлов, развивается эксикоз.

Выраженность первичной реакции обычно не соответствует тяжести поражения: тяжёлые первичные поражения, включая изменения кожи и слизистых оболочек, наблюдаются в относительно благоприятных случаях. Латентный период обычно короче, чем при типичной острой лучевой болезни. Раньше развивается агранулоцитоз и признаки разгара заболевания, включая инфекционные осложнения. В неосложнённых случаях восстановление костного мозга происходит быстро вследствие неравномерности облучения тела нейтронами, поэтому в одних костях развивается выраженное поражение костного мозга, в других оно минимальное. Инфекционные осложнения являются одной из основных причин смерти при нейтронном облучении, но в отличие от типичной острой лучевой болезни они развиваются в основном на фоне тяжёлых местных поражений кожи и слизистых оболочек.

Хроническая лучевая болезнь вследствие равномерного внешнего облучения[править | править вики-текст]

Заболевание обычно развивается через 2—5 лет от начала облучения. Клинико-морфологические проявления развиваются медленно и постепенно прогрессируют. При суммарной дозе до 1,0—1,5 Гр заболевание не развивается, при облучении в дозе от 1,0—1,5 до 4—5 Гр возникают лёгкие и среднетяжёлые формы болезни. Суммарная доза более 4—5 Гр ассоциирована с тяжёлым течением заболевания. По степени тяжести различают (1) лёгкую, (2) среднетяжёлую и (3) тяжелую формыхронической лучевой болезни.

Выделяют три стадии заболевания:

1. Период формирования болезни. Основными синдромами хронической лучевой болезни являются кожный (дистрофические изменения кожи, выпадение волос),неврологический, гематологический (апластическая анемия и геморрагические проявления). Характерна гипофункция половых желёз.
2. Восстановительный период.
3. Период отдалённых осложнений и последствий.

Некоторые авторы добавляют к этим стадиям начальную, характеризующуюся функциональными нарушениями головного мозга.

Лёгкая форма протекает с незначительными изменениями костного мозга и других органов, выздоровление обычно наступает через 7—8 недель после прекращения облучения. При форме средней тяжести ведущим является геморрагический синдром (чаще кровоизлияния обнаруживаются на коже живота, груди и внутренней поверхности бёдер), гипопластическая анемия, а также атрофические изменения кожи и слизистых оболочек, особенно носоглотки и верхних дыхательных путей. Заболевание протекает длительно, годами, обострения провоцируют неспецифические факторы (инфекция, переутомление). Полное выздоровление после прекращения облучения обычно не наступает. При тяжёлой форме болезни основное значение имеет костномозговой синдром (апластическая анемия), заболевание отличается неуклонно прогрессирующим течением и завершается смертью в результате геморрагических или инфекционных осложнений.

Причины смерти при острой лучевой болезни[править | править вики-текст]

Причины смерти больных острой лучевой болезнью (на примере «чернобыльских» больных):

• Лучевая и ожоговая интоксикация (смерть на 11—30 сут.) вследствие обширного некроза тканей.
• Инфекционные осложнения (прежде всего, пневмония и сепсис, часто встречаются микст-инфекции). Смерть наступает после 2—3 нед. болезни, особенно фатальны вирусные и микотические инфекции. Причиной инфекционных осложнений является фактическая гибель иммунокомпетентной ткани.
• Острый респираторный дистресс-синдром (диффузное альвеолярное повреждение) вследствие радиогенного поражения стенок мелких сосудов лёгких и резкого повышения их проницаемости.
• Геморрагический синдром вследствие радиогенной деструкции стенок кровеносных сосудов и тромбоцитопении (самостоятельного танатогенетического значения, как правило, не имел).

При попытке трансплантации костного мозга больные умирали при явлениях РТПХ (гомологичной болезни) или от генерализованной цитомегаловирусной инфекции, развивавшейся в пост-трансплантационном периоде.

8.Внешнее и внутренне облучение.

Внешнее облучение — это облучение человека от источника, находящегося вне его тела; внутреннее облучение — это облучение от радиоактивных изотопов (радионуклидов), попавших внутрь организма.

Внешнему облучению может подвергаться либо полностью весь организм, либо отдельные участки тела (локальное облучение). В зависимости от этого последствия облучения будут различными.

Например, доза 10 Гр является смертельной при общем облучении. В то же время при радиотерапии раковых заболеваний суммарная доза облучения опухоли в течение длительного времени может быть в 5-7 раз больше. Нельзя сказать, что эти процедуры не наносят никакого вреда пациенту, однако через некоторое время после облучения здоровье восстанавливается.

Радиоактивные изотопы могут попасть в организм с вдыхаемым воздухом, водой и продуктами питания, тем самым формируя внутреннее облучение иногда в течение многих лет. Снижение уровней облучения будет происходить за счет распада и выведения радионуклидов из организма. Радионуклиды могут равномерно распределяться внутри тела (например, радиоактивный натрий), а могут избирательно накапливаться в отдельных органах и тканях: радиоактивный йод — в щитовидной железе, стронций — в костях, цезий — в мягких тканях и т.д.

При радиационной аварии в первые часы основным источником опасности является внешнее облучение от радиоактивного облака, радиоактивных выпадений на местности. Расчеты, сделанные на основе измерений загрязненности местности радионуклидами, позволяют оценить дозу внешнего облучения населения. А чтобы узнать о полученной дозе внутреннего облучения, необходимо обследоваться на установках СИЧ («счетчик излучения человека»), либо воспользоваться расчетным методом оценки поступления радионуклидов в организм человека.

9.Основные дозовые характеристики излучений. Экспозиционная поглощенная, эквивалентная, эффективная эквивалентная, коллективная дозы, керма. 

До́за излуче́ния — в физике и радиобиологии — величина, используемая для оценки степени воздействия ионизирующего излучения на любые вещества, живые организмы и их ткани.

Экспозиционная доза[править | править вики-текст]

Основная статья: Экспозиционная доза

Основная характеристика взаимодействия ионизирующего излучения со средой — это ионизационный эффект. В начальный период развития радиационнойдозиметрии чаще всего приходилось иметь дело с рентгеновским излучением, распространявшимся в воздухе. Поэтому в качестве количественной меры поля излучения использовалась степень ионизации воздуха. Количественная мера, основанная на величине ионизации сухого воздуха при нормальном атмосферном давлении, достаточно легко поддающаяся измерению, получила название экспозиционная доза.

Экспозиционная доза определяет ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей и выражает энергию излучения, преобразованную в кинетическую энергиюзаряженных частиц в единице массы атмосферного воздуха. Экспозиционная доза — это отношение суммарного заряда всех ионов одного знака в элементарном объёме воздуха к массе воздуха в этом объёме.

В международной системе единиц (СИ) единицей измерения экспозиционной дозы является кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица — рентген(Р). 1 Кл/кг = 3876 Р.

Поглощённая доза[править | править вики-текст]

Основная статья: Поглощённая доза

При расширении круга известных видов ионизирующего излучения и сфер его приложения, оказалось, что мера воздействия ионизирующего излучения на вещество не поддается простому определению из-за сложности и многообразности протекающих при этом процессов. Важным из них, дающим начало физико-химическим изменениям в облучаемом веществе и приводящим к определенному радиационному эффекту, является поглощение энергии ионизирующего излучения веществом. В результате этого возникло понятие поглощённая доза. Она показывает, какое количество энергии излучения поглощено в единице массы облучаемого вещества и определяется отношением поглощенной энергии ионизирующего излучения к массе поглощающего вещества.

За единицу измерения поглощенной дозы в системе СИ принят грей (Гр). 1 Гр — это такая доза, при которой массе 1 кг передается энергия ионизирующего излучения в 1 джоуль. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 Гр = 100 рад.

Эквивалентная доза (биологическая доза)[править | править вики-текст]

Основная статья: Эквивалентная доза

Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица (например, протон) производит на единице длины пути в ткани большеионов, чем легкая (например, электрон). При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы. Эквивалентная доза рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы на специальный коэффициент — коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества.

Коэффициент относительной биологической эффективности для различных видов излучений
Вид излучения	Коэффициент , Зв/Гр
Рентгеновское и γ-излучение	1
β-излучение(электроны, позитроны)	1
Нейтроны с энергией меньше 20 кэВ	3
Нейтроны с энергией 0,1-10 МэВ	10
Протоны с энергией меньше 10 МэВ	10
α-излучение с энергией меньше 10 МэВ	20
Тяжелые ядра отдачи	20

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кгбиологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр (до 1963 года — биологический эквивалент рентгена, после 1963 года — биологический эквивалент рада — Энциклопедический словарь). 1 Зв = 100 бэр.

Эффективная доза[править | править вики-текст]

Основная статья: Эффективная доза

Эффективная доза (E) — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты.

Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легкихболее вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения разныхорганов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска. Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска и просуммировав по всем тканям и органам, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект дляорганизма.

Значение коэффициента радиационного риска для отдельных органов

Органы, ткани	Коэффициент
Гонады (половые железы)	0,2
Красный костный мозг	0,12
Толстый кишечник	0,12
Желудок	0,12
Лёгкие	0,12
Мочевой пузырь	0,05
Печень	0,05
Пищевод	0,05
Щитовидная железа	0,05
Кожа	0,01
Клетки костных поверхностей	0,01
Головной мозг	0,025
Остальные ткани	0,05

Взвешенные коэффициенты устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единицы измеренияэффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы. Она также измеряется в зивертах или бэрах.

Фиксированная эффективная эквивалентная доза (CEDE — the committed effective dose equivalent)- это оценка доз радиации на человека, в результате ингаляции или употребления некоторого количества радиоактивного вещества. СЕDЕ выражается в бэрах или зивертах (Зв) и учитывает радиочувствительность различных органов и время, в течение которого вещество остается в организме (вплоть до всей жизни). В зависимости от ситуации, СЕDЕ может также иметь отношение к дозе облучения определенного органа, а не всего тела.

Эффективная и эквивалентная дозы — это нормируемые величины, то есть, величины, являющиеся мерой ущерба (вреда) от воздействия ионизирующего излучения на человека и его потомков^{[источник не указан 1132 дня]}. К сожалению, они не могут быть непосредственно измерены. Поэтому в практику введены операционные дозиметрические величины, однозначно определяемые через физические характеристики поля излучения в точке, максимально возможно приближенные к нормируемым. Основной операционной величиной является амбиентный эквивалент дозы (синонимы — эквивалент амбиентной дозы, амбиентная доза).

Амбиентный эквивалент дозы Н*(d) — эквивалент дозы, который был создан в шаровом фантоме МКРЕ (международной комиссии по радиационным единицам) на глубине d (мм) от поверхности по диаметру, параллельному направлению излучения, в поле излучения, идентичном рассматриваемому по составу, флюенсу и энергетическому распределению, но мононаправленном и однородном, то есть амбиентный эквивалент дозы Н*(d) — это доза, которую получил бы человек, если бы он находился на месте, где проводится измерение. Единица амбиентного эквивалента дозы — зиверт (Зв).

Групповые дозы[править | править вики-текст]

Подсчитав индивидуальные эффективные дозы, полученные отдельными людьми, можно прийти к коллективной дозе — сумме индивидуальных эффективных доз в данной группе людей за данный промежуток времени. Коллективную дозу можно подсчитать для населения отдельной деревни, города, административно-территориальной единицы, государства и т. д. Её получают путем умножения средней эффективной дозы на общее количество людей, которые находились под воздействием излучения. Единицей измерения коллективной дозы является человеко-зиверт (чел.-Зв.), внесистемная единица — человеко-бэр (чел.-бэр).
Кроме того, выделяют следующие дозы:

• коммитментная — ожидаемая доза, полувековая доза. Применяется в радиационной защите и гигиене при расчёте поглощённых, эквивалентных и эффективныхдоз от инкорпорированных радионуклидов; имеет размерность соответствующей дозы.
• коллективная — расчётная величина, введенная для характеристики эффектов или ущерба для здоровья от облучения группы людей; единица — Зиверт (Зв).

Коллективная доза определяется как сумма произведений средних доз на число людей в дозовых интервалах.

Коллективная доза может накапливаться в течение длительного времени, даже не одного поколения, а охватывая последующие поколения.

• пороговая — доза, ниже которой не отмечены проявления данного эффекта облучения.
• предельно допустимые дозы (ПДД) — наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами (НРБ-99)
• предотвращаемая — прогнозируемая доза вследствие радиационной аварии, которая может быть предотвращена защитными мероприятиями.
• удваивающая — доза, которая увеличивает в 2 раза (или на 100%) уровень спонтанных мутаций. Удваивающая доза обратно пропорциональна относительномумутационному риску. Согласно имеющимся в настоящее время данным, величина удваивающей дозы для острого облучения составляет в среднем 2 Зв), а дляхронического облучения — около 4 Зв.
• биологическая доза гамма-нейтронного излучения — доза равноэффективного по поражению организма гамма-облучения, принятого за стандартное. Равна физической дозе данного излучения, умноженной на коэффициент качества.
• минимально летальная — минимальная доза излучения, вызывающая гибель всех облученных объектов.

Мощность дозы[править | править вики-текст]

Мощность дозы (интенсивность облучения) — приращение соответствующей дозы под воздействием данного излучения за единицу времени. Имеет размерность соответствующей дозы (поглощенной, экспозиционной и т. п.), делённую на единицу времени. Допускается использование различных специальных единиц (например, Зв/час, бэр/мин, мЗв/год и др.).

Керма.Для оценки воздействия на среду косвенно ионизирующих излучений всех видов используют понятие «керма» (kerma – аббревиатура от английских слов kinetic energy released in material).

Керма К – это отношение суммы первоначальных кинетических энергий dW_K всех заряженных ионизирующих частиц, образованных под действием косвенно ионизирующего излучения в элементарном объеме вещества к массе dm вещества в этом объеме:

К = dWK / dm

(5.5)

Керма удобна тем, что она применима как для фотонов, так и для нейтронов в любом диапазоне доз и энергий излучения.

Единицы измерения: грей. 1 Гр = 1 Дж/кг.

10. .Единицы измерения радиоактивности и поглощенной дозы (СИ и внесистемные). 

Единицы измерения радиоактивности и доз облучений

Вещества, способные создавать ионизирующие излучения, различаютсяактивностью (А), т.е. числом радиоактивных превращений в единицу времени. В системе СИ за единицу активности принято одно ядерное превращение в секунду (распад/с). Эта единица получила название беккерель (Бк). Внесистемной единицей измерения активности является кюри (Ки), равная активности нуклида, в котором происходит 3,7 · 10¹⁰ актов распада в одну секунду, т.е.

1 Ки = 3,7·10¹⁰Бк.

Единице активности кюри соответствует активность 1 г радия (Rа).

Для характеристики ионизирующих излучений введено понятие дозы облучения. Различают три дозы облучения: поглощённая, эквивалентная и экспозиционная.

Степень, глубина и форма лучевых поражений, развивающихся среди биологических объектов при воздействии на них ионизирующего излучения, в первую очередь зависят от величины поглощённой энергии излучения или поглощённой дозы (Д_погл).

Поглощённая доза — энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества.

За единицу поглощённой дозы облучения принимается грей (Гр), определяемый как джоуль на килограмм (Дж/кг). Соответственно

1 Гр = 1 Дж/кг.

В радиобиологии и радиационной гигиене широкое применение получила внесистемная единица поглощённой дозы — рад. Рад — это такая поглощённая доза, при которой количество поглощённой энергии в 1г любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энергии излучения. Соразмерность грея и рада следующая:

1 Гр= 100 рад.

В связи с тем, что одинаковая поглощённая доза различных видов ионизирующего излучения вызывает в единице массы биологической ткани различное биологическое действие, введено понятие эквивалентной дозы (Д_экв), которая определяется как произведение поглощённой дозы на средний коэффициент качества действующих видов ионизирующих излучений.

Коэффициент качества (К_кач) характеризует зависимость неблагоприятных биологических последствий облучения человека от способности ионизирующего излучения различного вида передавать энергию облучаемой среде (табл. 3.3).

По существу, биологические эффекты, вызываемые любыми ионизирующими излучениями, сравниваются с эффектом от рентгеновского и гамма-излучения.

В качестве единицы измерения эквивалентной дозы в системе СИ принят зиверт (Зв). Зиверт — эквивалентная доза любого вида ионизирующего излучения, поглощённая 1 кг биологической ткани и приносящая такой же биологический эффект (вред), как и поглощённая доза фотонного излучения в 1 Гр. Существует также внесистемная единица эквивалентной дозы ионизирующего излучения — бэр (биологический эквивалент рентгена). При этом соразмерность следующая:

Д_экв = Д_погл ·К_кач     или     1 Зв = 1 Гр · К_кач;

1 Зв = 100 рад · К_кач = 100 бэр.

Таблица 3.3 — Значения К_кач для разных видов ионизирующего излучения

Вид излучения	Коэффициент качества (Ккач)
Рентгеновское и гамма-излучения	1
Электроны и позитроны, бета-излучение	1
Протоны	10
Нейтроны тепловые	3
Нейтроны быстрые	10
Альфа-частицы и тяжёлые ядра отдачи	20

Для оценки эквивалентной дозы, полученной группой людей (персонал объекта народного хозяйства, жители населённого пункта и т.п.), используется понятиеколлективная эквивалентная доза (Д_экв.к.) — это средняя для населения доза, умноженная на численность населения (в человеко-зивертах).

Понятие экспозиционная доза (Д_эксп) служит для характеристики рентгеновского и гамма-излучения и определяет меру ионизации воздуха под действием этих лучей. Она равна дозе фотонного излучения, при котором в 1 кг атмосферною воздуха возникают ионы, несущие заряд электричества в 1 кулон (Кл).

Соответственно

Д_эксп = КЛ/КГ.

Внесистемной единицей экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучения является рентген (Р).

При этом соразмерность следующая:

1 Р = 2,58 · 10^-4 Кл/кг или 1 Кл/кг =3,88 · 10³ Р.

Поглощённая, эквивалентная и экспозиционная дозы, отнесённые к единице времени, носят название мощности соответствующих доз.
Например

1. Мощность поглощённой дозы (Р_погл) — Гр/с или рад/с.
2. Мощность эквивалентной дозы (Р_экв) — Зв/с или бэр/с.
3. Мощность экспозиционной дозы (Р_эксп) — Кл/(кг · с) или Р/с.

Для упрощенной оценки информации по однотипному ионизирующему излучению можно использовать следующие соотношения.

1. 1 Гр = 100 бэр = 100 Р = 100 рад = 1 Зв (с точностью до 10-15%);
2. радиоактивное загрязнение плотностью 1 Ки/м² эквивалентно мощности экспозиционной дозы 10 Р/ч, или мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения 1 Р/ч соответствует загрязнению в 10 мкКи/см².

11.Дозовые нормативы для различных групп населения

По отношению к облучению население делится на 3 категории.
Категория А   облучаемых лиц или персонал (профессиональные работники) — лица, которые постоянно или временно работают непосредственно с источниками ионизирующих излучений.
 Категория Б   облучаемых лиц или ограниченная часть населения — лица, которые не работают непосредственно с источниками ионизирующего излучения, но по условиям проживания или размещения рабочих мест могут подвергаться воздействию ионизирующих излучений.
 Категория В   облучаемых лиц или население — население страны, республики, края или области.
Для категории А вводятся предельно допустимые дозы -наибольшие значения индивидуальной эквивалентной дозы за календарный год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами. Для категории Б определяется предел дозы.
Устанавливается три группы критических органов:
1 группа — все тело, гонады и красный костный мозг.
2 группа — мышцы, щитовидная железа, жировая ткань, печень, почки, селезенка, желудочно-кишечный тракт, легкие, хрусталики глаз и другие органы, за исключением тех, которые относятся к 1 и 3 группам.
3 группа — кожный покров, костная ткань, кисти, предплечья, голени и стопы.
Дозовые пределы облучения для разных категорий лиц даны в таблице 15.

Таблица 15.

Дозовые пределы внешнего и внутреннего облучения (бэр/год).
Категории лиц	Группы критических органов
	1	2	3
Категория А, предельно допустимая доза (ПДД)	5	15	30
Категория Б, предел дозы(ПД)	0.5	1.5	3

    Помимо основных дозовых пределов для оценки влияния излучения используют производные нормативы и контрольные уровни. Нормативы рассчитаны с учетом непревышения дозовых пределов ПДД (предельно допустимая доза) и ПД (предел дозы). Расчет допустимого содержания радионуклида в организме проводят с учетом его радиотоксичности и непревышения ПДД в критическом органе. Контрольные уровни должны обеспечивать такие низкие уровни облучения, какие можно достичь при соблюдении основных дозовых пределов.
Для категории А (персонала) установлены:
—     предельно допустимое годовое поступление ПДП радионуклида через органы дыхания;
—     допустимое содержание радионуклида в критическом органе ДС_А;
—     допустимая мощность дозы излучения ДМД_А;
—     допустимая плотность потока частиц ДПП_А;
—     допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида в воздухе рабочей зоны ДК_А;
—     допустимое загрязнение кожных покровов, спецодежды и рабочих поверхностей ДЗ_А .
Для категории Б (ограниченной части населения) установлены:
—    предел годового поступления ПГП радионуклида через органы дыхания или пищеварения;
—     допустимая объемная активность (концентрация) радионуклида ДК_Б в атмосферном воздухе и воде;
—     допустимая мощность дозы ДМД_Б;
—     допустимая плотность потока частиц ДПП_Б;
—     допустимое загрязнение кожных покровов, одежды и поверхностей ДЗ_Б .
Численные значения допустимых уровней в полном объеме содержатся в
«Нормах радиационной безопасности».

12.Принципы определения радиоактивности и дозовых нагрузок