Tipuri de radiații. Ce tip de radiație este radiația fotonică?

radiatie electromagnetica,

1) în electrodinamica clasică - procesul de formare a unui câmp electromagnetic liber care are loc în timpul interacțiunii particulelor încărcate electric (sau a sistemelor acestora); în teoria cuantică - procesul de creare (emitere) a fotonilor atunci când starea unui sistem cuantic se modifică;

2) câmp electromagnetic liber - unde electromagnetice.

Bazele teoriei clasice a radiațiilor – electrodinamica – au fost puse în prima jumătate a secolului al XIX-lea în lucrările lui M. Faraday și J. C. Maxwell, care au dezvoltat ideile lui Faraday, dând legilor radiațiilor o formă matematică strictă. Din ecuațiile lui Maxwell a rezultat că undele electromagnetice în vid în orice cadru de referință se propagă cu aceeași viteză - viteza luminii c = 3·10 8 m/s. Teoria lui Maxwell a explicat multe fenomene fizice, fenomene combinate optice, electrice și magnetice, au devenit baza ingineriei electrice și a ingineriei radio, dar o serie de fenomene (de exemplu, spectrele atomilor și moleculelor) au putut fi explicate numai după crearea teoria cuantică a radiațiilor, ale cărei baze au fost puse de M. Plat, A. Einstein, N. Bohr, P. Dirac și alții.Teoria radiațiilor a fost pe deplin justificată în electrodinamica cuantică, care a fost finalizată în anii 1950 în lucrări. a lui R. F. Feynman, J. Schwinger, F. Dyson și alții.

Caracteristicile procesului de radiație și câmpul electromagnetic liber (intensitatea radiației, spectrul radiațiilor, distribuția energiei în acesta, densitatea fluxului de energie radiației etc.) depind de proprietățile particulei încărcate radiantă (sau ale sistemului de particule) și de condițiile acesteia. interacțiunea cu electrice și/sau campuri magnetice, conducând la radiații. Astfel, atunci când o particulă încărcată trece printr-o substanță ca urmare a interacțiunii cu atomii substanței, viteza particulei se schimbă și emite așa-numita bremsstrahlung (vezi mai jos). Câmpul electromagnetic liber, în funcție de intervalul de lungimi de undă λ, se numește radiație radio (vezi Unde radio), radiație infraroșie, radiație optică, radiație ultravioletă, radiații cu raze X, radiații gama.

Câmpul electromagnetic al unei particule încărcate care se mișcă uniform și rectiliniu în vid la distanțe îndepărtate de ea este neglijabil și putem spune că câmpul pe care îl poartă se mișcă cu ea cu aceeași viteză. Proprietățile unui astfel de câmp propriu al unei particule încărcate depind de mărimea și direcția vitezei sale și nu se modifică dacă este constantă; o astfel de particulă nu radiază. Dacă viteza unei particule încărcate s-a schimbat (de exemplu, când se ciocnește cu o altă particulă), atunci câmpul propriu înainte și după schimbarea vitezei este diferit - atunci când viteza se schimbă, câmpul propriu este rearanjat astfel încât o parte din acesta să se rupă oprit și nu mai este asociat cu particula încărcată - devine un câmp liber. Astfel, formarea undelor electromagnetice are loc atunci când viteza unei particule încărcate se modifică; motivele schimbării vitezei sunt variate, conform acesteia, Tipuri variate radiații (bremsstrahlung, bremsstrahlung magnetic etc.). Emisia unui sistem de particule depinde de structura acestuia; poate fi similar cu radiația unei particule sau poate reprezenta radiația unui dipol (radiație dipol) sau a unui multipol (radiație multipol).

În timpul anihilării unui electron și a unui pozitron (vezi Anihilarea și producția de perechi), se formează și un câmp electromagnetic liber (fotoni). Energia și impulsul particulelor care se anihilează sunt conservate, adică sunt transferate în câmpul electromagnetic. Aceasta înseamnă că câmpul de radiații are întotdeauna energie și impuls.

Undele electromagnetice generate în timpul procesului de radiație formează un flux de energie care părăsește sursa, a cărui densitate S(r,t) (vectorul de Poynting este energia care curge pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață perpendiculară pe flux) la momentul t la o distanță r de la particula încărcată radiantă este proporțională cu produsul vectorial al intensităților câmpului magnetic H(r,t) și electric E(r,t):

Energia totală W pierdută de o particulă încărcată pe unitatea de timp în timpul procesului de radiație poate fi obținută prin calcularea fluxului de energie printr-o sferă cu raza r infinit de mare.

unde dΩ. - element unghi solid, n - vector unitar pe direcția de propagare a radiației Câmpul intrinsec al unui sistem de sarcini la distanțe mari scade cu distanța mai mare de 1/r, iar câmpul de radiație cu distante lungi de la sursă scade cu 1/r.

Coerența emițătorilor. Densitatea fluxului de radiație care sosește într-un anumit punct din spațiu din două surse identice este proporțională cu produsul vectorial al sumelor intensităților electrice E 1 (r, t) și E 2 (r, t) și magnetic H 1 ( r, t) și H 2 (r, t) câmpuri de unde electromagnetice din sursele 1 și 2:

Rezultatul adunării a două unde plane sinusoidale depinde de fazele în care ajung acest punct. Dacă fazele sunt aceleași, atunci câmpurile E și H sunt dublate, iar energia câmpului la un punct dat crește de 4 ori în comparație cu energia câmpului dintr-o sursă. În cazul în care undele din două surse diferite ajung la detector cu faze opuse, produsele încrucișate ale câmpurilor și [E2(r,t)H1(r,t)]în (3) devin zero. Ca rezultat, energia de la doi emițători ajunge la un punct dat de două ori mai mult decât de la un emițător. În cazul emițătorilor N, undele de la care sosesc într-un punct dat în aceleași faze, energia va crește N de 2 ori. Astfel de emițători se numesc coerenți. Dacă fazele undelor care ajung la detector de la fiecare emițător sunt aleatorii, atunci câmpurile de la diferiți emițători sunt parțial anulate atunci când sunt adăugate la punctul de observare. Apoi de la N surse detectorul va înregistra energie de N ori mai mare decât de la o sursă. Asemenea surse (și emisiile lor) sunt numite incoerente. Acestea includ aproape toate sursele de lumină convenționale (flame de lumânare, lămpi cu incandescență, lămpi fluorescente etc.); în ele, momentele de timp de emisie ale fiecărui atom sau moleculă (și, în consecință, fazele în care undele radiației lor ajung la un anumit punct) sunt aleatorii. Sursele de radiații coerente sunt laserele, în care sunt create condiții pentru iluminarea simultană a tuturor atomilor substanței de lucru.

Reacția de radiație. O particulă încărcată radiantă pierde energie, astfel încât în procesul de radiație se creează o forță care acționează asupra particulei, care îi încetinește viteza și se numește forță de reacție a radiației sau forță de frecare a radiației. La viteze nerelatistice ale particulelor încărcate, forța de reacție a radiației este întotdeauna mică, dar la viteze apropiate de viteza luminii, ea poate juca un rol major. Astfel, în câmpul magnetic al Pământului, pierderile de energie din cauza radiației electronilor din razele cosmice, care au energie mare, sunt atât de mari încât electronii nu pot ajunge la suprafața Pământului. Particulele de raze cosmice cu aceeași energie și masă mai mare au mai puține pierderi de energie din cauza radiației decât electronii și ajung la suprafața Pământului. Rezultă că compoziția razelor cosmice înregistrate pe suprafața Pământului și de la sateliți poate fi diferită.

Lungimea coerenței radiațiilor. Procesele de radiație la viteze ale particulelor încărcate non-relativiste și ultra-relativiste diferă în dimensiunea regiunii spațiului în care se formează câmpul de radiație. În cazul non-relativist (când viteza v a particulei este mică), câmpul de radiație se îndepărtează de sarcină cu viteza luminii și procesul de radiație se termină rapid, dimensiunea regiunii de formare a radiației (lungimea coerenței) L este mult mai mică decât lungimea de undă a radiației λ, L~λv/s. Dacă viteza particulei este aproape de viteza luminii (la viteze relativiste), câmpul de radiație rezultat și particula care a creat-o se mișcă pentru o lungă perioadă de timp aproape unul de celălalt și se împrăștie, zburând pe un drum destul de lung. Formarea câmpului de radiație continuă mult mai mult, iar lungimea L este mult mai mare decât lungimea de undă, L~λγ (unde γ= -1/2 este factorul Lorentz al particulei).

Bremsstrahlung apare atunci când o particulă încărcată se împrăștie pe atomii unei substanțe. Dacă timpul Δt în care o particulă cu sarcină e își schimbă viteza de la v 1 la v 2 în timpul împrăștierii este mult mai mic decât timpul de formare a radiației L/v, atunci modificarea vitezei unei particule încărcate poate fi considerată instantanee. Atunci distribuția energiei radiației pe unghiuri și frecvențe circulare ω are forma:

Înmulțind această expresie cu probabilitatea unei modificări a vitezei particulelor în timpul împrăștierii de la v 1 la v 2 și integrând expresia rezultată pe toate v 2 , se poate obține distribuția energiei bremsstrahlung pe frecvențe și unghiuri (independent de frecvență). Particulele mai ușoare sunt mai ușor deviate atunci când interacționează cu un atom, astfel încât intensitatea bremsstrahlungului este invers proporțională cu pătratul masei particulei rapide. Bremsstrahlung este principala cauză a pierderii de energie a electronilor relativiști în materie în cazul în care energia electronului este mai mare decât o anumită energie critică, care este de 83 MeV pentru aer, 47 MeV pentru Al și -59 MeV pentru Pb.

Radiația magnetobremsstrahlung apare atunci când o particulă încărcată se mișcă într-un câmp magnetic care îndoaie traiectoria mișcării sale. Într-un câmp magnetic constant și uniform, traiectoria unei particule încărcate de masă m este o spirală, adică constă dintr-o mișcare uniformă de-a lungul direcției câmpului și rotație în jurul acestuia cu o frecvență ωH = eH/γmс.

Periodicitatea mișcării particulei duce la faptul că undele pe care le emite au frecvențe care sunt multiple ai ω H: ω = Mω H, unde N = 1,2,3 ... . radiația particulelor ultrarelativiste într-un câmp magnetic se numește radiație sincrotron. Are gamă largă frecvențe cu un maxim la ω de ordinul lui ω H γ 3 și ponderea principală a energiei emise se află în domeniul de frecvență ω » ω H. Intervalele dintre frecvențele adiacente în acest caz sunt mult mai mici decât frecvența, deci frecvența distribuția în spectrul radiației sincrotron poate fi considerată aproximativ continuă. În intervalul de frecvență ω « ω Н γ 3 intensitatea radiației crește cu frecvența ca ω 2/3, iar în domeniul de frecvență ω « ω Н γ 3 intensitatea radiației scade exponențial cu creșterea frecvenței. Radiaţia sincrotron are o mică divergenţă unghiulară (de ordinul lui l/γ) şi grad înalt polarizarea în planul orbitei particulei. Radiația magnetobremsstrahlung la viteze non-relativiste ale particulelor încărcate se numește radiație ciclotron, frecvența sa ω = ω H.

Radiația ondulatorie apare atunci când o particulă încărcată ultrarelativistă se mișcă cu mici abateri periodice transversale, de exemplu, atunci când zboară într-un câmp electric în schimbare periodică (un astfel de câmp se formează, de exemplu, în dispozitive speciale - ondulatoare). Frecvența ω a radiației ondulatoare este legată de frecvența oscilațiilor transversale ω 0 ale particulei prin relația

unde θ este unghiul dintre viteza particulelor v și direcția de propagare a radiației ondulatoare. Un analog al acestui tip de radiație este radiația care apare în timpul canalizării particulelor încărcate în monocristale, atunci când o particulă care se mișcă între planurile grafice cristaline adiacente experimentează vibrații transversale datorită interacțiunii cu câmpul intracristalin.

radiația Vavilov-Cherenkov observat atunci când o particulă încărcată se mișcă uniform într-un mediu cu o viteză care depășește viteza de fază a luminii c/ε 1/2 în mediu (ε este constanta dielectrică a mediului). În acest caz, o parte din câmpul propriu al particulei rămâne în urmă și formează unde electromagnetice care se propagă sub un unghi față de direcția de mișcare a particulei (vezi radiația Vavilov-Cherenkov), care este determinată de egalitatea cos θ = c/vε 1 /2. Pentru descoperirea și explicarea acestui tip fundamental nou de radiație, care și-a găsit o largă aplicație pentru măsurarea vitezei particulelor încărcate, I. E. Tamm, I. M. Frank și P. A. Cherenkov au primit premiul Nobel (1958).

Radiația de tranziție(prevăzut de V.L. Ginzburg și I.M. Frank în 1946) apare cu uniformă mișcare dreaptă particulă încărcată în spațiu cu proprietăți dielectrice neomogene. Cel mai adesea, se formează atunci când o particulă traversează interfața dintre două medii cu constante dielectrice diferite (adesea această radiație este considerată tranziție; vezi Radiație de tranziție). Câmpul intrinsec al unei particule care se mișcă cu o viteză constantă este diferit în diferite medii, astfel încât la interfața dintre medii are loc o restructurare a câmpului intrinsec, ducând la radiații. Radiația de tranziție nu depinde de masa unei particule rapide; intensitatea acesteia nu depinde de viteza particulei, ci de energia acesteia, ceea ce face posibilă crearea unor metode precise unice pentru înregistrarea particulelor cu energie ultra-înaltă pe baza acesteia.

Radiația de difracție apare atunci când o particulă încărcată zboară în vid lângă suprafața unei substanțe, când propriul câmp al particulei se modifică datorită interacțiunii sale cu neomogenitățile suprafeței. Radiația de difracție a fost folosită cu succes pentru a studia proprietățile de suprafață ale materiei.

Radiația din sistemele de particule încărcate.

Cel mai simplu sistem care poate radia este un dipol electric cu un moment dipol variabil - un sistem de două particule oscilante încărcate opus. Când câmpul dipolului se modifică, de exemplu, când particulele oscilează de-a lungul liniei drepte care le conectează (axa dipolului) unele față de altele, o parte a câmpului se desprinde și se formează unde electromagnetice. O astfel de radiație este neizotropă, energia sa în direcții diferite nu este aceeași: este maximă în direcția perpendiculară pe axa de oscilație a particulelor și absentă în direcția perpendiculară; pentru direcțiile intermediare, intensitatea sa este proporțională cu sinθ 2 (θ este unghiul dintre direcția radiației și axa de oscilație a particulelor). Emițătorii reali, de regulă, constau dintr-un număr mare de particule cu încărcare opusă, dar, adesea, luând în considerare locația lor și detaliile mișcării departe de sistem, nu sunt importante; în acest caz, este posibil să se simplifice distribuția adevărată prin „tragerea” de taxe cu același nume către unele centre de distribuție a sarcinii. Dacă sistemul în ansamblu este neutru din punct de vedere electric, atunci radiația sa poate fi considerată aproximativ radiația unui dipol electric.

Dacă nu există radiație dipol din sistem, atunci aceasta poate fi reprezentată ca un cvadrupol sau un sistem mai complex - un multipol. Când sarcinile se mișcă în ea, ia naștere radiația electrică cvadrupol sau multipolar. Sursele de radiații pot fi și sisteme care reprezintă dipoli magnetici (de exemplu, un circuit cu curent) sau multipoli magnetici. Intensitatea radiației dipolului magnetic este, de regulă, (v/s) de 2 ori mai mică decât intensitatea radiației dipolului electric și este de același ordin de mărime cu radiația quadripolului electric.

Teoria cuantică a radiațiilor. Electrodinamica cuantică are în vedere procesele de radiație prin sisteme cuantice (atomi, molecule, nuclee atomice etc.), al căror comportament respectă legile mecanicii cuantice; în acest caz, câmpul electromagnetic liber este reprezentat ca un set de cuante ale acestui câmp - fotoni. Energia fotonului E este proporțională cu frecvența sa v (v = ω/2π), adică E = hv (h este constanta lui Planck), iar impulsul p este proporțional cu vectorul de undă k: p = hk. Emisia unui foton este însoțită de o tranziție cuantică a sistemului de la o stare cu energie E 1 la o stare cu energie mai mică E 2 = E 1 - hv (de la nivelul energetic E 1 la nivelul E 2). Energia unui sistem cuantic legat (de exemplu, un atom) este cuantificată, adică ia doar valori discrete; Frecvențele de radiație ale unui astfel de sistem sunt, de asemenea, discrete. Astfel, radiația unui sistem cuantic constă din linii spectrale individuale cu anumite frecvențe, adică are un spectru discret. Un spectru de radiație continuu (solid) se obține atunci când una (sau ambele) dintre secvențele de valori ale energiilor inițiale și finale ale sistemului în care are loc o tranziție cuantică este continuă (de exemplu, în timpul recombinării unui electron liber și un ion).

Electrodinamica cuantică a făcut posibilă calcularea intensităților radiațiilor diferitelor sisteme, luarea în considerare a probabilităților tranzițiilor neradiative, procesele de transfer al radiațiilor, calcularea așa-numitelor corecții de radiație și alte caracteristici ale radiației sistemelor cuantice.

Toate stările atomului, cu excepția stării fundamentale (stările cu energie minimă), numite excitat, sunt instabile. Aflându-se în ele, atomul după un anumit timp (aproximativ 10 -8 s) emite spontan un foton; astfel de radiații se numesc spontane sau spontane. Caracteristicile radiației spontane a unui atom - direcția de propagare, intensitatea, polarizarea - nu depind de condițiile externe. Setul de lungimi de undă de radiație este individual pentru atomul fiecărui element chimic și reprezintă spectrul său atomic. Radiația principală a unui atom este radiația dipol, care poate apărea numai în timpul tranzițiilor cuantice permise de regulile de selecție pentru tranzițiile dipolului electric, adică în anumite relații între caracteristicile (numerele cuantice) ale stărilor inițiale și finale ale atomului. Radiația multipolară a unui atom (așa-numitele linii interzise) poate apărea și în anumite condiții, dar probabilitatea tranzițiilor în timpul cărora are loc este mică, iar intensitatea sa este de obicei scăzută. Emisia din nucleele atomice are loc în timpul tranzițiilor cuantice între nivelurile de energie nucleară și este determinată de regulile de selecție corespunzătoare.

Radiația diferitelor molecule, în care au loc mișcări de vibrație și rotație ale particulelor încărcate constitutive ale acestora, are spectre complexe care au o structură electronic-vibrațional-rotațională (vezi Spectrele moleculare).

Probabilitatea de emisie a unui foton cu impuls hk și energie hv este proporțională cu (n k + 1), unde n k este numărul exact de aceiași fotoni din sistem înainte de momentul emisiei. Când n k = 0, apare emisia spontană; dacă n k ≠ 0, apare și emisia stimulată. Un foton de radiație stimulată, spre deosebire de unul spontan, are aceeași direcție de propagare, frecvență și polarizare ca un foton de radiație externă; intensitatea emisiei stimulate este proporţională cu numărul de fotoni ai radiaţiei externe. Existența emisiei stimulate a fost postulată în 1916 de A. Einstein, care a calculat probabilitatea emisiei stimulate (vezi coeficienții Einstein). În condiții normale, probabilitatea (și, prin urmare, intensitatea) emisiei stimulate este scăzută, totuși, în generatoarele cuantice (lasere), pentru a crește n k, substanța de lucru (emițătorul) este plasată în rezonatoare optice care rețin fotonii radiației externe în apropiere. aceasta. Fiecare foton emis de o substanță crește nk, prin urmare intensitatea radiației cu un k dat crește rapid la intensitatea scăzută a radiației fotonilor cu toate celelalte k. Ca urmare, generatorul cuantic se dovedește a fi o sursă de radiație stimulată cu o bandă foarte îngustă de valori v și k - radiație coerentă. Câmpul unei astfel de radiații este foarte intens, poate deveni comparabil ca mărime cu câmpurile intramoleculare, iar interacțiunea radiației unui generator cuantic (radiația laser) cu materia devine neliniară (vezi Optica neliniară).

Radiațiile provenite de la diferite obiecte transportă informații despre structura lor, proprietățile și procesele care au loc în ele; studiul său este o modalitate puternică și adesea singura (de exemplu, pentru corpurile cosmice) de a le studia. Teoria radiațiilor joacă un rol deosebit în formarea imaginii fizice moderne a lumii. În procesul de construire a acestei teorii a apărut teoria relativității și mecanica cuantică, s-au creat noi surse de radiații și s-au obținut o serie de realizări în domeniul ingineriei radio, electronicii etc.

Lit.: Akhiezer A. I., Berestetsky V. B. Electrodinamică cuantică. a 4-a ed. M., 1981; Landau L.D., Lifshits E.M. Teoria câmpului. a 8-a ed. M., 2001; Tamm I.E. Fundamentele teoriei electricității. a 11-a ed. M., 2003.

Radiații ionizante monoenergetice- radiatii ionizante, formate din fotoni de aceeasi energie sau particule de acelasi tip cu aceeasi energie cinetica.

Radiații ionizante mixte- radiatii ionizante, formate din particule de diferite tipuri sau din particule si fotoni.

Radiații ionizante direcționate radiații ionizante cu o direcție de propagare selectată.

Fundal de radiații naturale- radiații ionizante create de radiațiile cosmice și radiațiile naturale distribuite în mod natural substanțe radioactive(pe suprafața Pământului, în atmosfera de suprafață, în alimente, apă, în corpul uman etc.).

Fond - radiații ionizante constând din fond natural și radiatii ionizante surse exterioare.

Radiația cosmică- radiațiile ionizante, care constă în radiații primare provenite din spațiul cosmic și radiații secundare rezultate din interacțiunea radiațiilor primare cu atmosfera.

Fascicul îngust de radiații- o geometrie de radiație în care detectorul înregistrează doar radiații neîmprăștiate de la sursă.

Fascicul larg de radiații- o astfel de geometrie a radiațiilor în care detectorul înregistrează radiații neîmprăștiate și împrăștiate de la sursă.

Câmp de radiații ionizante- distribuția spațio-temporală a radiațiilor ionizante în mediul luat în considerare.

Flux de particule ionizante (fotoni)- raportul dintre numărul de particule ionizante (fotoni) dN care trec printr-o suprafață dată într-un interval de timp dt la acest interval: F = dN/dt.

Fluxul de energie al particulelor- raportul dintre energia particulelor în cădere și intervalul de timp Ψ=dE/dt.

Densitatea de flux a particulelor ionizante (fotoni)- raportul fluxului de particule ionizante (fotoni) dF

pătrunzând în volumul unei sfere elementare, până în aria secțiunii transversale centrale dS a acestei sfere: φ = dF/dS = d 2 N/dtdS. (Densitatea fluxului de energie a particulelor este determinată în mod similar).

Fluența (transferul) particulelor ionizante (fotoni)- raportul dintre numărul de particule ionizante (fotoni) dN care pătrund în volumul unei sfere elementare și aria secțiunii transversale centrale dS a acestei sfere: Ф = dN/dS.

Spectrul energetic al particulelor ionizante- distribuţia particulelor ionizante după energia lor. Energia fotonică eficientă- energia fotonilor unui astfel de foton monoenergetic

radiație, a cărei atenuare relativă într-un absorbant de o anumită compoziție și o anumită grosime este aceeași cu cea a radiației fotonice nemonoenergetice luate în considerare.

Energia spectrului de limită Radiația β - cea mai mare energie a particulelor β din spectrul energetic continuu al radiației β a unui radionuclid dat.

Albedo de radiații- raportul dintre numărul de particule (fotoni) reflectate de la interfața dintre două medii și numărul de particule (fotoni) incidente pe interfață.

Radiație întârziată: particule emise de produsele de fisiune, spre deosebire de particulele (neutroni și raze gamma) produse direct în momentul fisiunii.

Ionizare în gaze:îndepărtarea unuia sau mai multor electroni dintr-un atom sau o moleculă de gaz. Ca urmare a ionizării, în gaz apar purtători de sarcină liberi (electroni și ioni) și acesta dobândește capacitatea de a conduce curentul electric.

Termenul „radiație” acoperă o gamă de unde electromagnetice, inclusiv spectrul vizibil, regiunile infraroșii și ultraviolete, precum și undele radio, curentul electric și radiațiile ionizante. Toată diferența dintre aceste fenomene se datorează doar frecvenței (lungimii de undă) radiației. Radiațiile ionizante pot prezenta un risc pentru sănătatea umană. ȘI radiatii ionizante(radiație) - un tip de radiație care modifică starea fizică a atomilor sau a nucleelor atomice, transformându-i în ioni încărcați electric sau în produși ai reacțiilor nucleare. În anumite circumstanțe, prezența unor astfel de ioni sau produși ai reacțiilor nucleare în țesuturile corpului poate schimba cursul proceselor în celule și molecule și, odată cu acumularea acestor evenimente, poate perturba cursul reacțiilor biologice din organism. , adică reprezintă un pericol pentru sănătatea umană.

2. TIPURI DE RADIAȚII

Se face o distincție între radiația corpusculară, constând din particule cu o masă diferită de zero, și radiația electromagnetică (fotoni).

2.1. Radiația corpusculară

Radiațiile ionizante corpusculare includ radiații alfa, electroni, protoni, neutroni și mezon. Radiația corpusculară constând dintr-un flux de particule încărcate (particule α, β, protoni, electroni), a căror energie cinetică este suficientă pentru a ioniza atomii la

coliziune, aparține clasei radiațiilor direct ionizante. Neutronii și alte particule elementare nu produc direct ionizare, dar în procesul de interacțiune cu mediul eliberează particule încărcate (electroni, protoni) care sunt capabile să ionizeze atomii și moleculele mediului prin care trec.

În consecință, radiația corpusculară constând dintr-un flux de particule neîncărcate se numește radiații indirect ionizante.

Fig.1. Schema decăderii lui 212 Bi.

2.1.1 Radiația alfa

Particulele alfa (particulele α) sunt nucleele unui atom de heliu, emise în timpul descompunerii α de către unii atomi radioactivi. α - particula este formată din doi protoni și doi neutroni.

Radiația alfa este un flux de nuclee de atomi de heliu (încărcate pozitiv și

particule relativ grele).

Radiația alfa naturală ca urmare a dezintegrarii radioactive a nucleului este caracteristică nucleelor instabile ale elementelor grele, începând cu numărul atomic mai mare de 83, adică. pentru radionuclizii naturali din seria uraniu și toriu, precum și pentru elementele transuraniului obținute artificial.

O diagramă tipică a dezintegrarii α a unui radionuclid natural este prezentată în Fig. 1, iar spectrul de energie al particulelor α formate în timpul dezintegrarii unui radionuclid este prezentat în

Fig.2.

Fig.2 Spectrul energetic al particulelor α

Posibilitatea dezintegrarii α se datorează faptului că masa (și, prin urmare, energia ionică totală) a nucleului α-radioactiv este mai mare decât suma maselor particulei α și nucleului fiu format după α. -descompunere. Excesul de energie a nucleului original (mamă) este eliberat sub formă de energie cinetică a particulei α și recul nucleului fiică. Particulele α sunt nuclee de heliu încărcate pozitiv - 2 He4 și zboară din nucleu cu o viteză de 15-20 mii km/sec. Pe drumul lor produc ionizare puternică a mediului,

smulgerea electronilor din orbitele atomilor.

Intervalul de particule α în aer este de aproximativ 5-8 cm, în apă - 30-50 microni, în metale - 10-20 microni. Când sunt ionizate de razele α, se observă modificări chimice ale substanței, iar structura cristalină a solidelor este perturbată. Întrucât între particulă α și nucleu există o repulsie electrostatică, probabilitatea reacțiilor nucleare sub influența particulelor α ale radionuclizilor naturali (energie maximă 8,78 MeV y214 Po) este foarte mică și se observă doar pe nucleele ușoare (Li , Be, B, C, N, Na, Al) cu formarea de izotopi radioactivi și neutroni liberi.

2.1.2 Radiația de protoni

Radiația de protoni– radiația generată în timpul dezintegrarii spontane a nucleelor atomice cu deficit de neutroni sau ca fascicul de ieșire al unui accelerator de ioni (de exemplu, un sincrofazotoron).

2.1.3 Radiația neutronică

Radiația neutronică - un flux de neutroni care își transformă energia în interacțiuni elastice și inelastice cu nucleele atomice. Interacțiunile inelastice produc radiații secundare, care pot consta atât din particule încărcate, cât și din quanta gamma (radiația gamma). În interacțiuni elastice, ionizarea obișnuită a unei substanțe este posibilă.

Sursele de radiaţie neutronică sunt: radionuclizi fisionali spontan; surse de neutroni radionuclizi special fabricate; acceleratori de electroni, protoni, ioni; reactoare nucleare; radiații cosmice.

Din punct de vedere biologic Neutronii sunt produși în reacții nucleare (în reactoare nucleare și în alte instalații industriale și de laborator, precum și în timpul exploziilor nucleare).

Neutronii nu au sarcină electrică. În mod convențional, neutronii, în funcție de energia lor cinetică, sunt împărțiți în rapid (până la 10 MeV), ultrarapid, intermediar, lent și termic. Radiația neutronică are o mare putere de penetrare. Neutronii lenți și termici intră în reacții nucleare, care pot duce la formarea de izotopi stabili sau radioactivi.

Un neutron liber este o particulă instabilă, neutră din punct de vedere electric, cu următoarele

proprietati:





Sarcina (e - sarcina electronilor)	qn = (-0,4 ± 1,1) 10-21 e


		939,56533 ± 0,00004 MeV,
în unităţi atomice	1,00866491578 ± 0,00000000055 amu


Diferența de masă între neutron și proton	mn - p.t. = 1,2933318 ± 0,0000005 MeV,
în unităţi atomice	0,0013884489 ± 0,0000000006 amu


Durata de viață	tn = 885,4 ± 0,9stat ± 0,4sist s


Moment magnetic	mn = -1,9130427 ± 0,0000005 mN


Moment dipol electric	dn< 0,63·10-25 e ·см (CL=90%)

Polarizabilitate electrică
Polarizabilitate electrică	an = (	)·10-3 fm 3
	an = (	)·10-3 fm 3

Aceste proprietăți ale neutronului fac posibilă utilizarea acestuia, pe de o parte, ca obiect care este studiat și, pe de altă parte, ca instrument cu care se efectuează cercetări. În primul caz, investigăm proprietăți unice neutron, care este relevant și face posibilă determinarea cât mai fiabilă și mai precisă a parametrilor fundamentali ai interacțiunii electroslabe și, prin urmare, fie confirmarea, fie infirmarea modelului standard. Prezența unui moment magnetic într-un neutron indică deja structura sa complexă, adică. „non-elementaritatea” ei. În al doilea caz, interacțiunea neutronilor nepolarizați și polarizați diferite energii cu nuclee le permite să fie utilizate în fizica nucleară şi particule elementare. Studiul efectelor încălcării parității și invarianței spațiale în timpul inversării timpului în diferite procese - de la optica neutronilor la fisiunea nucleară de către neutroni - nu este o listă completă a celor mai actuale domenii de cercetare.

Faptul că neutronii din reactorul termic au lungimi de undă comparabile cu distanțele interatomice în materie îi face un instrument indispensabil pentru studierea materiei condensate. Interacțiunea neutronilor cu atomii este relativ slabă, ceea ce permite neutronilor să pătrundă destul de adânc în materie - acesta este avantajul lor semnificativ în comparație cu razele X și razele γ, precum și cu fasciculele de particule încărcate. datorită prezenței masei, neutronii la același impuls (deci, la aceeași lungime de undă) au o energie semnificativ mai mică decât razele X și razele γ, iar această energie se dovedește a fi comparabilă cu energia vibrațiilor termice ale atomilor și molecule din materie, ceea ce face posibilă studierea nu numai a structurii atomice statice medie a unei substanțe, ci și a proceselor dinamice care au loc în ea. Prezența unui moment magnetic în neutroni le permite să fie utilizate pentru a studia structura magnetică și excitațiile magnetice ale materiei, ceea ce este foarte important pentru înțelegerea proprietăților și naturii magnetismului materialelor.

Imprăștirea neutronilor de către atomi se datorează în principal forțelor nucleare; prin urmare, secțiunile transversale ale împrăștierii lor coerente nu sunt în niciun fel legate de numărul atomic (spre deosebire de razele X și razele γ). Prin urmare, iradierea materialelor cu neutroni face posibilă distingerea pozițiilor atomilor de lumină (hidrogen, oxigen etc.), a căror identificare este aproape imposibilă folosind razele X și razele γ. Din acest motiv, neutronii sunt utilizați cu succes în studiul obiectelor biologice, în știința materialelor, în medicină și în alte domenii. În plus, diferența dintre secțiunile transversale de împrăștiere a neutronilor pentru diferiți izotopi face posibilă nu numai distingerea elementelor dintr-un material cu numere atomice similare, ci și studierea compoziției lor izotopice. Prezența izotopilor cu o amplitudine de împrăștiere coerentă negativă oferă o oportunitate unică de a contrasta mediile studiate, care este, de asemenea, foarte des folosită în biologie și medicină.

Imprăștire coerentă- împrăştierea radiaţiei cu conservarea frecvenţei şi cu o fază diferită cu π de faza radiaţiei primare. Unda împrăștiată poate interfera cu unda incidentă sau cu alte unde împrăștiate coerent.

Beta, gamma.

Cum sunt formate?

Toate tipurile de radiații de mai sus sunt generate de procesul de descompunere a izotopilor substanțelor simple. Atomii tuturor elementelor constau dintr-un nucleu și electroni care se învârt în jurul lui. Nucleul este de o sută de mii de ori mai mic decât întregul atom, dar datorită densității sale extrem de mari, masa sa este aproape egală cu masa totală a întregului atom. Nucleul conține particule încărcate pozitiv - protoni și neutroni care nu au sarcină electrică. Ambele sunt interconectate foarte strâns. Numărul de protoni din nucleu determină cărui atom anume îi aparține, de exemplu, 1 proton din nucleu este hidrogen, 8 protoni sunt oxigen, 92 de protoni sunt uraniu. într-un atom corespunde numărului de protoni din nucleul său. Fiecare electron are o sarcină electrică negativă egală cu cea a unui proton, motiv pentru care atomul în ansamblu este neutru.

Acei atomi care au nuclee identice ca număr de protoni, dar diferiți ca număr de neutroni, sunt variante ale unuia. substanta chimicași se numesc izotopi ai săi. Pentru a le distinge cumva, simbolului i se atribuie un număr care denotă un element, care este suma tuturor particulelor situate în nucleul acestui izotop. De exemplu, nucleul elementului uraniu-238 include 92 de protoni, precum și 146 de neutroni, iar uraniul-235 are și 92 de protoni, dar există deja neutroni 143. Majoritatea izotopilor sunt instabili. De exemplu, uraniul-238, legăturile dintre protoni și neutroni din nucleul căruia sunt foarte slabe și, mai devreme sau mai târziu, un grup compact format dintr-o pereche de neutroni și o pereche de protoni se va separa de acesta, transformând uraniul-238 într-un altul. element - toriu-234, de asemenea, un element instabil, al cărui nucleu conține 144 de neutroni și 90 de protoni. Dezintegrarea sa va continua un lanț de transformări care se va încheia cu formarea unui atom de plumb. În timpul fiecăreia dintre aceste dezintegrari, energie este eliberată, dând naștere la diferite tipuri de

Pentru a simplifica situația, putem descrie apariția diferitelor tipuri astfel: un nucleu emite un nucleu, care constă dintr-o pereche de neutroni și o pereche de protoni; razele beta provin de la un electron. Și există situații în care izotopul este atât de excitat încât ieșirea particulei nu o stabilizează complet și apoi elimină excesul de energie pură într-o singură porțiune, acest proces se numește radiație gamma. Tipuri de radiații, cum ar fi razele gamma și razele X similare, se formează fără emisia de particule materiale. Timpul necesar pentru ca jumătate din atomii unui anumit izotop din orice sursă radioactivă să se descompună se numește timp de înjumătățire. Procesul de transformari atomice este continuu, iar activitatea lui este estimata prin numarul de dezintegrari care au loc intr-o secunda si se masoara in becquerel (1 atom pe secunda).

Diferite tipuri de radiații sunt caracterizate prin eliberarea de cantități diferite de energie, iar capacitatea lor de penetrare este, de asemenea, diferită, prin urmare, au efecte diferite asupra țesuturilor organismelor vii.

Radiația alfa, care este un flux de particule grele, poate prinde chiar și o bucată de hârtie; nu este capabilă să pătrundă în stratul de celule epidermice moarte. Nu este periculos până când substanțele care emit particule alfa pătrund în organism prin răni sau prin alimente și/sau aer inhalat. Atunci vor deveni extrem de periculoși.

Radiația beta este capabilă să pătrundă 1-2 centimetri în țesuturile unui organism viu.

Razele gamma, care se deplasează cu viteza luminii, sunt cele mai periculoase și pot fi oprite doar de o placă groasă de plumb sau beton.

Toate tipurile de radiații pot provoca daune unui organism viu și, cu cât daunele sunt mai mari, cu atât mai multă energie a fost transferată către țesuturi.

În cazul diverselor accidente la instalațiile nucleare și în timpul operațiunilor militare cu utilizarea armelor nucleare, este important să se ia în considerare factorii dăunători care afectează organismul într-o manieră cuprinzătoare. Pe lângă efectele fizice evidente asupra oamenilor, acestea au și efecte dăunătoare. tipuri diferite radiatie electromagnetica.

Astăzi vom vorbi despre ce este radiația în fizică. Să vorbim despre natura tranzițiilor electronice și să dăm o scară electromagnetică.

Zeitate și atom

Structura materiei a devenit un subiect de interes pentru oamenii de știință în urmă cu mai bine de două mii de ani. Filozofii greci antici au pus întrebări despre modul în care aerul diferă de foc și pământul de apă, de ce marmura este albă și cărbunele este negru. Au creat sisteme complexe de componente interdependente, s-au infirmat sau s-au sprijinit reciproc. Și cele mai de neînțeles fenomene, de exemplu, un fulger sau un răsărit, au fost atribuite acțiunii zeilor.

Odată, după ce a observat treptele templului timp de mulți ani, un om de știință a observat: fiecare picior care stă pe o piatră duce o particule minuscule de materie. De-a lungul timpului, marmura și-a schimbat forma și s-a lăsat în mijloc. Numele acestui om de știință este Leucip și a numit cele mai mici particule atomi, indivizibile. Aceasta a început calea spre studierea a ceea ce sunt radiațiile în fizică.

Paște și lumină

Apoi au venit vremuri întunecate și știința a fost abandonată. Toți cei care au încercat să studieze forțele naturii au fost numiți vrăjitoare și vrăjitori. Dar, destul de ciudat, religia a fost cea care a dat impuls dezvoltării ulterioare a științei. Studiul a ceea ce este radiația în fizică a început cu astronomia.

Timpul pentru sărbătorirea Paștelui a fost calculat diferit de fiecare dată în acele zile. Un sistem complex Relația dintre echinocțiul de primăvară, ciclul lunar de 26 de zile și săptămâna de 7 zile nu a permis compilarea tabelelor de date pentru sărbătorirea Paștelui pentru mai mult de câțiva ani. Dar biserica trebuia să planifice totul dinainte. Prin urmare, Papa Leon al X-lea a ordonat compilarea unor tabele mai precise. Acest lucru a necesitat o observare atentă a mișcărilor Lunii, stelelor și Soarelui. Și în cele din urmă, Nicolaus Copernic și-a dat seama: Pământul nu este plat și nici centrul universului. O planetă este o minge care se învârte în jurul Soarelui. Și Luna este o sferă pe orbita Pământului. Desigur, s-ar putea întreba: „Ce au toate acestea de-a face cu radiația în fizică?” Să o dezvăluim acum.

Oval și grindă

Mai târziu, Kepler a completat sistemul copernican stabilind că planetele se mișcă pe orbite ovale, iar această mișcare este inegală. Dar tocmai acel prim pas a insuflat omenirii interesul pentru astronomie. Și acolo nu era departe de întrebările: „Ce este o stea?”, „De ce îi văd oamenii razele?” și „Cum diferă un luminar de altul?” Dar mai întâi va trebui să treci de la obiecte uriașe la cele mai mici. Și apoi ajungem la radiații, un concept în fizică.

Atom și stafide

La sfârșitul secolului al XIX-lea, s-au acumulat suficiente cunoștințe despre cele mai mici unități chimice ale materiei - atomii. Se știa că sunt neutre din punct de vedere electric, dar conțin elemente încărcate atât pozitiv, cât și negativ.

S-au făcut multe presupuneri: că sarcinile pozitive sunt distribuite într-un câmp negativ, ca stafidele într-o chiflă, și că un atom este o picătură de părți lichide încărcate diferit. Dar experiența lui Rutherford a clarificat totul. El a demonstrat că în centrul atomului se află un nucleu greu pozitiv, iar în jurul lui există electroni negativi ușoare. Și configurația cochiliilor este diferită pentru fiecare atom. Aici se află particularitățile radiațiilor în fizica tranzițiilor electronice.

Borul și orbită

Când oamenii de știință au descoperit că părțile negative ușoare ale atomului sunt electroni, a apărut o altă întrebare - de ce nu cad pe nucleu. La urma urmei, conform teoriei lui Maxwell, orice sarcină în mișcare radiază și, prin urmare, pierde energie. Dar atomii existau atâta timp cât universul și nu aveau de gând să se anihileze. Bohr a venit în ajutor. El a postulat că electronii se află pe anumite orbite staționare în jurul nucleului atomic și nu pot fi decât în ele. Tranziția unui electron între orbite se realizează printr-o smucitură cu absorbția sau emisia de energie. Această energie ar putea fi, de exemplu, un cuantum de lumină. În esență, am subliniat acum definiția radiației în fizica particulelor.

Hidrogen și fotografie

Inițial, tehnologia fotografică a fost inventată ca un proiect comercial. Oamenii au vrut să rămână de secole, dar nu toată lumea își permitea să comande un portret de la un artist. Și fotografiile erau ieftine și nu necesitau o investiție atât de mare. Apoi arta sticlei și azotatului de argint a pus afacerile militare în serviciu. Și atunci știința a început să profite de materialele fotosensibile.

Spectrele au fost fotografiate mai întâi. Se știe de mult că hidrogenul fierbinte emite linii specifice. Distanța dintre ei respecta o anumită lege. Dar spectrul heliului era mai complex: conținea același set de linii ca și hidrogenul și încă unul. A doua serie nu a mai respectat legea derivată pentru prima serie. Aici teoria lui Bohr a venit în ajutor.

S-a dovedit că există un singur electron într-un atom de hidrogen și se poate deplasa de la toate orbitele excitate superioare la una inferioară. Aceasta a fost prima serie de rânduri. Atomii mai grei sunt mai complexi.

Lentila, grilajul, spectrul

Aceasta a marcat începutul utilizării radiațiilor în fizică. Analiza spectrală este una dintre cele mai puternice și fiabile modalități de a determina compoziția, cantitatea și structura unei substanțe.

Spectrul de emisie de electroni vă va spune ce este conținut în obiect și care este procentul unei anumite componente. Această metodă este folosită în absolut toate domeniile științei: de la biologie și medicină la fizica cuantică.
Spectrul de absorbție vă va spune ce ioni și în ce poziții sunt prezenți în rețeaua solidului.
Spectrul de rotație va demonstra cât de departe sunt moleculele în interiorul atomului, câte și ce fel de legături are fiecare element.

Iar domeniile de aplicare ale radiațiilor electromagnetice sunt nenumărate:

undele radio explorează structura obiectelor foarte îndepărtate și interiorul planetelor;
radiația termică va spune despre energia proceselor;
lumina vizibilă vă va spune în ce direcții se află cele mai strălucitoare stele;
razele ultraviolete vor face clar că au loc interacțiuni de înaltă energie;
Spectrul de raze X în sine le permite oamenilor să studieze structura materiei (inclusiv corpul uman), iar prezența acestor raze în obiectele cosmice îi va anunța pe oamenii de știință că există o stea neutronică, o explozie de supernovă sau o gaură neagră în focarul telescopului.

Corp negru pur

Dar acolo este sectiune speciala, care studiază ce este radiația termică în fizică. Spre deosebire de lumina atomică, emisia termică a luminii are un spectru continuu. Și cel mai bun obiect model pentru calcule este un corp absolut negru. Acesta este un obiect care „prinde” toată lumina care cade pe el, dar nu o eliberează înapoi. Destul de ciudat, un corp negru emite radiații, iar lungimea de undă maximă va depinde de temperatura modelului. În fizica clasică, radiația termică a dat naștere unui paradox, s-a dovedit că orice lucru încălzit ar trebui să radieze din ce în ce mai multă energie până intervalul ultraviolet energia sa nu ar distruge universul.

Max Planck a reușit să rezolve paradoxul. El a introdus o nouă cantitate, cuantică, în formula radiației. Fără a-i oferi ceva special sens fizic, el a deschis o lume întreagă. Acum, cuantificarea cantităților este baza stiinta moderna. Oamenii de știință și-au dat seama că câmpurile și fenomenele constau din elemente indivizibile, cuante. Acest lucru a condus la studii mai profunde ale materiei. De exemplu, lumea modernă aparține semiconductorilor. Anterior, totul era simplu: metalul conduce curentul, alte substanțe sunt dielectrice. Și substanțe precum siliciul și germaniul (conductori) se comportă de neînțeles în raport cu electricitatea. Pentru a învăța cum să-și controleze proprietățile, a fost necesar să se creeze o întreagă teorie și să se calculeze totul capabilități p-n tranziții.

Radiația ionizantă este o combinație de diferite tipuri de microparticule și câmpuri fizice care au capacitatea de a ioniza o substanță, adică de a forma particule încărcate electric în ea - ioni.

SECȚIUNEA III. MANAGEMENTUL SIGURANȚEI VIEȚII ȘI MECANISME ECONOMICE PENTRU ASIGURAREA EI

Există mai multe tipuri de radiații ionizante: radiații alfa, beta, gama și radiații neutronice.

Radiația alfa

Formarea particulelor alfa încărcate pozitiv implică 2 protoni și 2 neutroni care fac parte din nucleele de heliu. Particulele alfa se formează în timpul dezintegrarii unui nucleu atomic și pot avea o energie cinetică inițială de 1,8 până la 15 MeV. Trasaturi caracteristice radiațiile alfa sunt puternic ionizante și cu penetrare redusă. La mișcare, particulele alfa își pierd energia foarte repede, iar acest lucru determină faptul că nu este suficient nici măcar să depășești suprafețele subțiri din plastic. În general, expunerea externă la particulele alfa, dacă nu țineți cont de particulele alfa de înaltă energie obținute cu ajutorul unui accelerator, nu dăunează oamenilor, dar pătrunderea particulelor în organism poate fi periculoasă pentru sănătate, deoarece alfa. radionuclizi Au un timp de înjumătățire lung și au ionizare puternică. Dacă sunt ingerate, particulele alfa pot fi adesea chiar mai periculoase decât radiațiile beta și gama.

Radiația beta

Particulele beta încărcate, a căror viteză este apropiată de viteza luminii, se formează ca urmare a dezintegrarii beta. Razele beta sunt mai penetrante decât razele alfa - pot provoca reacții chimice, luminiscența, gazele ionizante, au efect asupra plăcilor fotografice. Ca protecție împotriva unui flux de particule beta încărcate (cu o energie de cel mult 1 MeV), va fi suficientă utilizarea unei plăci obișnuite de aluminiu de 3-5 mm grosime.

Radiația fotonică: raze gamma și raze X

Radiația fotonică include două tipuri de radiații: raze X (pot fi bremsstrahlung și caracteristice) și radiații gamma.

Cel mai obișnuit tip de radiație fotonică este particulele gamma de foarte mare energie, cu lungime de undă ultrascurtă, care sunt un flux de fotoni de înaltă energie, fără încărcare. Spre deosebire de razele alfa și beta, particulele gamma nu sunt deviate de câmpurile magnetice și electrice și au o putere de penetrare semnificativ mai mare. În anumite cantități și pentru o anumită durată de expunere, radiațiile gamma pot provoca boală de radiații și pot duce la diferite boli oncologice. Numai astfel de particule grele pot preveni răspândirea unui flux de particule gamma. elemente chimice, cum ar fi plumbul, uraniul sărăcit și wolfram.

Radiația neutronică

Sursa de radiație neutronică poate fi explozii nucleare, reactoare nucleare, instalații de laborator și industriale.

Neutronii înșiși sunt particule neutre din punct de vedere electric, instabile (timp de înjumătățire al unui neutron liber este de aproximativ 10 minute), care, datorită faptului că nu au încărcătură, se disting prin capacitatea lor mare de penetrare. grad slab interacțiunile cu materia. Radiația neutronică este foarte periculoasă, așa că o serie de materiale speciale, în principal care conțin hidrogen, sunt folosite pentru a proteja împotriva acesteia. Radiația neutronică este absorbită cel mai bine de apă obișnuită, polietilenă, parafină și soluții de hidroxizi de metale grele.

Cum afectează radiațiile ionizante substanțele?

Toate tipurile de radiații ionizante au un efect asupra diferitelor substanțe într-un grad sau altul, dar este cel mai pronunțat în particulele gama și neutroni. Da cand expunere pe termen lung pot schimba semnificativ proprietățile diverse materiale, Schimbare compoziție chimică substanțe, ionizează dielectricii și au un efect distructiv asupra țesuturilor biologice. Radiațiile naturale de fundal nu vor cauza prea mult rău unei persoane, cu toate acestea, atunci când manipulați surse artificiale de radiații ionizante, ar trebui să fiți foarte atenți și să faceți tot ce este posibil. masurile necesare pentru a minimiza nivelul de expunere la radiații pe corp.

Tipuri de radiații ionizante și proprietățile acestora

Radiația ionizantă este denumirea dată fluxurilor de particule și cuante electromagnetice, în urma cărora pe mediu se formează ioni încărcați diferit.

Diferite tipuri de radiații sunt însoțite de eliberarea unei anumite cantități de energie și au abilități diferite de penetrare, astfel încât au efecte diferite asupra organismului. Cel mai mare pericol pentru oameni provine din radiațiile radioactive, cum ar fi radiațiile y, X, neutroni, a și b.

Razele X și razele y sunt fluxuri de energie cuantică. Radiația gamma are lungimi de undă mai scurte decât razele X. Prin natura și proprietățile lor, aceste radiații diferă puțin unele de altele, au o capacitate mare de penetrare, dreptate de propagare și capacitatea de a crea radiații secundare și împrăștiate în mediile prin care trec. Cu toate acestea, dacă raze X Obținute de obicei cu ajutorul unui aparat electronic, razele y sunt emise de izotopi instabili sau radioactivi.

Celelalte tipuri de radiații ionizante sunt particule de materie (atomi) care se mișcă rapid, dintre care unele poartă o sarcină electrică, altele nu.

Neutronii sunt singurele particule neîncărcate produse de orice transformare radioactivă, cu o masă egală cu cea a unui proton. Deoarece aceste particule sunt neutre din punct de vedere electric, ele pătrund adânc în orice substanță, inclusiv în țesutul viu. Neutronii sunt particulele de bază care formează nucleele atomilor.

Când trec prin materie, ei interacționează numai cu nucleele atomilor, le transferă o parte din energia lor și își schimbă ei înșiși direcția mișcării. Nucleele atomilor „sar” din învelișul de electroni și, trecând prin materie, produc ionizare.

Electronii sunt particule ușoare, încărcate negativ, care există în toți atomii stabili. Electronii sunt folosiți foarte des în timpul dezintegrarii radioactive a materiei și apoi sunt numiți particule beta. Ele pot fi obținute și în condiții de laborator. Energia pierdută de electroni la trecerea prin materie este cheltuită pentru excitare și ionizare, precum și pentru formarea bremsstrahlung-ului.

Particulele alfa sunt nucleele atomilor de heliu, lipsite de electroni orbitali și constând din doi protoni și doi neutroni legați între ele. Au o sarcină pozitivă, sunt relativ grele, iar pe măsură ce trec printr-o substanță produc ionizarea unei substanțe de înaltă densitate.

De obicei, particulele alfa sunt emise în timpul descompunerii radioactive a elementelor grele naturale (radiu, toriu, uraniu, poloniu etc.).

Particulele încărcate (electroni și nuclee ale atomilor de heliu), care trec prin substanță, interacționează cu electronii atomilor, pierzând 35, respectiv 34 eV. În acest caz, o jumătate din energie este cheltuită pentru ionizare (separarea unui electron de un atom), iar cealaltă jumătate pentru excitarea atomilor și moleculelor mediului (transferul unui electron într-un înveliș mai îndepărtat de nucleu) .

Numărul de atomi ionizați și excitați formați de o particulă alfa pe unitatea de lungime a drumului într-un mediu este de sute de ori mai mare decât cel al unei particule p (Tabelul 5.1).

Tabelul 5.1. Gama de particule a și b de diferite energii în țesutul muscular

Energia particulelor, MeV	Kilometraj, microni	Energia particulelor, MeV	Kilometraj, microni	Energia particulelor, MeV	Kilometraj, microni


	—

Acest lucru se datorează faptului că masa particulei a este de aproximativ 7000 de ori mai mare decât masa particulei b, prin urmare, la aceeași energie, viteza acesteia este semnificativ mai mică decât cea a particulei b.

Particulele alfa emise în timpul dezintegrarii radioactive au o viteză de aproximativ 20 mii km/s, în timp ce viteza particulelor beta este apropiată de viteza luminii și se ridică la 200...270 mii km/s. Evident, cu cât viteza unei particule este mai mică, cu atât este mai mare probabilitatea interacțiunii acesteia cu atomii mediului și, prin urmare, cu atât este mai mare pierderea de energie pe calea unității în mediu - ceea ce înseamnă mai puțin kilometraj. De la masă 5.1 rezultă că intervalul de particule a din țesutul muscular este de 1000 de ori mai mic decât intervalul de particule beta cu aceeași energie.

Când radiațiile ionizante trec prin organismele vii, își transferă energia în mod neuniform țesuturilor și celulelor biologice. Drept urmare, deși nu un numar mare de energie absorbită de țesuturi, unele celule ale materiei vii vor fi afectate semnificativ. Efectul total al radiațiilor ionizante localizate în celule și țesuturi este prezentat în tabel. 5.2.

Tabelul 5.2. Efectele biologice ale radiațiilor ionizante

Natura impactului		Efect de impact
Efectul direct al radiațiilor	10 -24 … 10 -4 s 10 16 …10 8 s	Absorbție de energie. Interacțiuni inițiale. Raze X și radiații y, neutroni Electroni, protoni, particule alfa
	10 -12 … 10 -8 s	Stadiul fizico-chimic. Transferul de energie sub formă de ionizare de-a lungul traiectoriei primare. Molecule ionizate și excitate electronic
	10 7…10 5 s, câteva ore	Daune chimice. Cu acțiunea mea. Acțiune indirectă. Radicalii liberi formați din apă. Excitarea unei molecule la echilibrul termic
Efecte indirecte ale radiațiilor	Microsecunde, secunde, minute, câteva ore	Leziuni biomoleculare. Modificări ale moleculelor de proteine și acizilor nucleici sub influența proceselor metabolice
	Minute, ore, săptămâni	Efecte biologice și fiziologice timpurii. Daune biochimice. Moartea celulelor, moartea animalelor individuale
	Ani, secole	Efecte biologice pe termen lung Disfuncție persistentă. Radiații ionizante Mutații genetice, efecte asupra descendenților. Efecte somatice: cancer, leucemie, speranță de viață scurtă, moartea organismului

Schimbările primare de radiații-chimice în molecule se pot baza pe două mecanisme: 1) acțiune directă, atunci când o moleculă dată experimentează modificări (ionizare, excitare) direct atunci când interacționează cu radiația; 2) acțiune indirectă, când o moleculă nu absoarbe direct energia radiațiilor ionizante, ci o primește prin transfer de la o altă moleculă.

Se știe că în țesutul biologic 60...70% din masă este apă. Prin urmare, să luăm în considerare diferența dintre efectele directe și indirecte ale radiațiilor folosind exemplul iradierii cu apă.

Să presupunem că o moleculă de apă este ionizată de o particulă încărcată, ceea ce o face să piardă un electron:

H2O -> H20+e - .

O moleculă de apă ionizată reacționează cu o altă moleculă de apă neutră pentru a forma radicalul hidroxil extrem de reactiv OH":

H2O+H2O -> H3O+ + OH*.

De asemenea, electronul ejectat transferă foarte rapid energie moleculelor de apă din jur, rezultând o moleculă de apă foarte excitată H2O*, care se disociază pentru a forma doi radicali, H* și OH*:

H2O+e- -> H2O*H’ + OH’.

Radicalii liberi conțin electroni nepereche și sunt extrem de reactivi. Durata lor de viață în apă nu este mai mare de 10-5 s. În acest timp, fie se recombină între ele, fie reacţionează cu substratul dizolvat.

În prezența oxigenului dizolvat în apă, se formează și alți produși de radioliză: hidroperoxid de radical liber HO2, peroxid de hidrogen H2O2 și oxigen atomic:

H*+ O2 -> HO2;
HO*2 + HO2 -> H2O2 +20.

În celula unui organism viu, situația este mult mai complexă decât atunci când apa este iradiată, mai ales dacă substanța absorbantă este molecule biologice mari și multicomponente. În acest caz, se formează radicalii organici D*, care se caracterizează și prin reactivitate extrem de ridicată. Având o cantitate mare energie, pot duce cu ușurință la ruperea legăturilor chimice. Acest proces are loc cel mai adesea în intervalul dintre formarea perechilor de ioni și formarea produselor chimice finale.

În plus, efectul biologic este sporit de influența oxigenului. Produsul foarte reactiv DO2* (D* + O2 -> DO2*) format ca urmare a interacțiunii unui radical liber cu oxigenul duce la formarea de noi molecule în sistemul iradiat.

Radicalii liberi și moleculele oxidante rezultate din procesul de radioliză a apei, având activitate chimică ridicată, intră în reacții chimice cu molecule de proteine, enzime și alte elemente structurale ale țesutului biologic, ceea ce duce la modificări ale proceselor biologice din organism. Ca urmare, procesele metabolice sunt perturbate, activitatea sistemelor enzimatice este suprimată, creșterea țesuturilor încetinește și se oprește și apar noi compuși chimici care nu sunt caracteristici organismului - toxine. Acest lucru duce la perturbarea funcțiilor vitale ale sistemelor individuale sau ale corpului în ansamblu.

Reacțiile chimice induse de radicalii liberi implică multe sute și mii de molecule neafectate de radiații. Aceasta este specificul acțiunii radiațiilor ionizante asupra obiectelor biologice. Nici un alt tip de energie (termică, electrică etc.), absorbită de un obiect biologic în aceeași cantitate, nu duce la astfel de modificări pe care le provoacă radiațiile ionizante.

Efectele nedorite ale radiațiilor asupra corpului uman sunt împărțite în mod convențional în somatice (soma - „corp” în greacă) și genetice (ereditare).

Efectele somatice se manifestă direct la persoana iradiată, iar efectele genetice la descendenții acestuia.

În ultimele decenii, omul a creat un număr mare de radionuclizi artificiali, a căror utilizare este sarcina suplimentara la radiația naturală de fond a Pământului și crește doza de radiație pentru oameni. Dar, destinate exclusiv utilizărilor pașnice, radiațiile ionizante sunt utile oamenilor, iar astăzi este dificil de identificat un domeniu de cunoaștere sau economie națională care nu utilizează radionuclizi sau alte surse de radiații ionizante. Până la începutul secolului al XXI-lea, „atomul pașnic” și-a găsit aplicația în medicină, industrie, agricultură, microbiologie, energie, explorare spațială și alte domenii.

Tipuri de radiații și interacțiunea radiațiilor ionizante cu materia

Utilizarea energiei nucleare a devenit o necesitate vitală pentru existența civilizației moderne și, în același timp, o responsabilitate uriașă, întrucât această sursă de energie trebuie folosită cât mai rațional și cu grijă.

Caracteristica utilă a radionuclizilor

Datorită dezintegrarii radioactive, un radionuclid „da un semnal”, determinând astfel locația sa. Folosind instrumente speciale care detectează semnalul de la degradarea chiar și a unui singur atom, oamenii de știință au învățat să folosească aceste substanțe ca indicatori pentru a ajuta la studiul unei game largi de procese chimice și biologice care au loc în țesuturi și celule.

Tipuri de surse artificiale de radiații ionizante

Toate sursele de radiații ionizante create de om pot fi împărțite în două tipuri.

Medical - utilizat atât pentru diagnosticarea bolilor (de exemplu, aparate cu raze X și fluorografice), cât și pentru efectuarea de proceduri radioterapeutice (de exemplu, unități de radioterapie pentru tratamentul cancerului). Sursele medicale de IA includ și radiofarmaceutice (izotopi radioactivi sau compușii acestora cu diverse substanțe anorganice sau organice), care pot fi utilizate atât pentru diagnosticarea bolilor, cât și pentru tratamentul acestora.
Radionuclizi și generatori industriali - produși de om:
- în energie (reactoare centrale nucleare);
- în agricultură (pentru creșterea și cercetarea eficienței îngrășămintelor)
- în sectorul apărării (combustibil pentru nave cu propulsie nucleară);
- în construcții (încercări nedistructive ale structurilor metalice).

Conform datelor statice, volumul producției de produse cu radionuclizi pe piața mondială în 2011 a fost de 12 miliarde de dolari, iar până în 2030 se preconizează că această cifră va crește de șase ori.