Druhy žiarenia. Aký druh žiarenia patrí medzi fotónové žiarenie

ŽIARENIE elektromagnetické,

1) v klasickej elektrodynamike - proces tvorby voľného elektromagnetického poľa, ku ktorému dochádza pri interakcii elektricky nabitých častíc (alebo ich systémov); v kvantovej teórii - proces vzniku (emisie) fotónov pri zmene stavu kvantového systému;

2) voľné elektromagnetické pole – elektromagnetické vlny.

Základy klasickej teórie žiarenia – elektrodynamiky – boli položené v prvej polovici 19. storočia v prácach M. Faradaya a J. C. Maxwella, ktorí rozvinuli Faradayove myšlienky, dávajúce zákonom žiarenia rigoróznu matematickú formu. Z Maxwellových rovníc vyplynulo, že elektromagnetické vlny sa vo vákuu v ktorejkoľvek vzťažnej sústave šíria rovnakou rýchlosťou – rýchlosťou svetla c = 3 · 10 8 m/s. Maxwellova teória vysvetlila mnohé fyzikálne javy, kombinované optické, elektrické a magnetické javy sa stali základom elektrotechniky a rádiotechniky, ale množstvo javov (napríklad spektrá atómov a molekúl) bolo možné vysvetliť až po vytvorení kvantovej teória žiarenia, ktorej základy položili M. Plath, A. Einstein, N. Bohr, P. Dirac a ďalší.Teória žiarenia bola plne podložená v kvantovej elektrodynamike, ktorá bola dokončená v 50. rokoch v prácach r. RFFeynman, J. Schwinger, F. Dyson a ďalší.

Charakteristiky procesu žiarenia a voľného elektromagnetického poľa (intenzita žiarenia, spektrum žiarenia, rozloženie energie v ňom, hustota energetického toku žiarenia atď.) závisia od vlastností vyžarujúcej nabitej častice (alebo sústavy častíc) a podmienok jeho interakcia s elektrickými a / alebo magnetickými poľami, čo vedie k žiareniu. Takže keď nabitá častica prechádza látkou v dôsledku interakcie s atómami látky, rýchlosť častice sa mení a vyžaruje takzvané brzdné žiarenie (pozri nižšie). Voľné elektromagnetické pole v závislosti od rozsahu vlnových dĺžok λ sa nazýva rádiové žiarenie (pozri Rádiové vlny), infračervené žiarenie, optické žiarenie, ultrafialové žiarenie, röntgenové žiarenie, gama žiarenie.

Elektromagnetické pole nabitej častice pohybujúcej sa rovnomerne a priamočiaro vo vákuu vo vzdialenostiach od nej je zanedbateľné a dá sa povedať, že pole ňou unášané sa pohybuje s ňou rovnakou rýchlosťou. Vlastnosti takéhoto vlastného poľa nabitej častice závisia od veľkosti a smeru jej rýchlosti a nemenia sa, ak je konštantná; takáto častica nevyžaruje. Ak sa rýchlosť nabitej častice zmenila (napríklad pri zrážke s inou časticou), potom je vnútorné pole pred a po zmene rýchlosti iné - keď sa rýchlosť zmení, vnútorné pole sa preusporiada tak, že sa jeho časť rozbije. vypnuté a už nie je spojené s nabitou časticou – stáva sa voľným poľom. K tvorbe elektromagnetických vĺn teda dochádza, keď sa mení rýchlosť nabitej častice; príčiny zmeny rýchlosti sú rôzne, v súlade s tým vznikajú rôzne druhy žiarenia (brzdné žiarenie, magnetické brzdné žiarenie atď.). Žiarenie časticového systému závisí od jeho štruktúry; môže byť analogické žiareniu častice, predstavovať žiarenie dipólu (dipólové žiarenie) alebo viacpólového žiarenia (viacpólové žiarenie).

S anihiláciou elektrónu a pozitrónu (pozri Anihilácia a párovanie) vzniká aj voľné elektromagnetické pole (fotóny). Energia a hybnosť anihilujúcich častíc sa zachovávajú, to znamená, že sa prenášajú do elektromagnetického poľa. To znamená, že pole žiarenia má vždy energiu a hybnosť.

Elektromagnetické vlny vznikajúce v procese žiarenia tvoria tok energie opúšťajúci zdroj, ktorého hustota S (r, t) (Poyntingov vektor je energia, ktorá preteká za jednotku času cez jednotkovú plochu kolmú na tok) v čase t. vo vzdialenosti r od emitujúcej nabitej častice je úmerná vektorovému súčinu síl magnetického poľa H (r, t) a elektrického poľa E (r, t):

Celková energia W stratená nabitou časticou za jednotku času v procese žiarenia sa dá získať výpočtom toku energie cez guľu s nekonečne veľkým polomerom r.

kde dΩ. je prvok priestorového uhla, n je jednotkový vektor v smere šírenia žiarenia Vnútorné pole sústavy nábojov na veľké vzdialenosti klesá so vzdialenosťou väčšou ako 1 / r a pole žiarenia vo veľkých vzdialenostiach od zdroja klesá ako 1 / r.

Koherencia žiaričov. Hustota toku žiarenia prichádzajúceho do určitého bodu v priestore z dvoch rovnakých zdrojov je úmerná vektorovému súčinu súčtu elektrických síl E 1 (r, t) a E 2 (r, t) a magnetických H 1 ( r, t) a H 2 (r, t) polia elektromagnetických vĺn zo zdrojov 1 a 2:

Výsledok sčítania dvoch sínusových rovinných vĺn závisí od fáz, v ktorých sa dostanú do daného bodu. Ak sú fázy rovnaké, polia E a H sa zdvojnásobia a energia poľa v danom bode vzrastie 4-krát v porovnaní s energiou poľa z jedného zdroja. V prípade, že k detektoru dorazia vlny z dvoch rôznych zdrojov s opačnými fázami, krížové produkty polí a [E 2 (r, t) H 1 (r, t)] v (3) zmiznú. Výsledkom je, že energie z dvoch žiaričov dorazí do daného bodu dvakrát toľko ako z jedného žiariča. V prípade N žiaričov, z ktorých vlny prichádzajú do daného bodu v rovnakých fázach, sa energia zvýši o N 2-krát. Takéto žiariče sa nazývajú koherentné. Ak sú fázy vĺn prichádzajúcich do detektora z každého žiariča náhodné, potom polia z rôznych žiaričov čiastočne zhasnú, keď sa pridajú v pozorovacom bode. Potom z N zdrojov detektor zaregistruje energiu N-krát väčšiu ako z jedného zdroja. Takéto zdroje (a ich žiarenie) sa nazývajú nekoherentné. Patria sem takmer všetky konvenčné zdroje svetla (plameň sviečky, žiarovky, žiarivky atď.); v nich sú časy emisie každého atómu alebo molekuly (a podľa toho aj fázy, v ktorých ich radiačné vlny prichádzajú do určitého bodu) náhodné. Zdrojmi koherentného žiarenia sú lasery, v ktorých sú vytvorené podmienky pre súčasnú emisiu všetkých atómov pracovnej látky.

Radiačná reakcia. Vyžarujúca nabitá častica stráca energiu, takže v procese žiarenia vzniká sila pôsobiaca na časticu, ktorá spomaľuje jej rýchlosť a nazýva sa sila reakcie žiarenia alebo sila trenia žiarenia. Pri nerelativistických rýchlostiach nabitých častíc je sila reakcie žiarenia vždy malá, ale pri rýchlostiach blízkych rýchlosti svetla môže hrať hlavnú úlohu. Takže v magnetickom poli Zeme sú straty energie v dôsledku žiarenia vysokoenergetických elektrónov kozmického žiarenia také veľké, že elektróny nemôžu dosiahnuť zemský povrch. Častice kozmického žiarenia s rovnakou energiou a väčšou hmotnosťou majú menšiu stratu energie na žiarenie ako elektróny a dostávajú sa na povrch Zeme. Z toho vyplýva, že zloženie kozmického žiarenia zaznamenaného na povrchu Zeme a zo satelitu môže byť rôzne.

Koherentná dĺžka žiarenia. Procesy žiarenia pri nerelativistických a ultrarelativistických rýchlostiach nabitej častice sa líšia veľkosťou oblasti priestoru, kde sa vytvára pole žiarenia. V nerelativistickom prípade (keď je rýchlosť častice v malá), pole žiarenia opustí náboj rýchlosťou svetla a proces žiarenia rýchlo skončí, veľkosť oblasti tvorby žiarenia (koherenčná dĺžka) L je oveľa menšia ako žiarenie. vlnová dĺžka λ, L ~ λv / s. Ak je rýchlosť častice blízka rýchlosti svetla (pri relativistických rýchlostiach), výsledné pole žiarenia a častica, ktorá ho vytvorila, sa po dlhú dobu pohybujú blízko seba a rozchádzajú sa, pričom preleteli dostatočne dlhú dráhu. Tvorba poľa žiarenia trvá oveľa dlhšie a dĺžka L je oveľa väčšia ako vlnová dĺžka L ~ λγ (kde γ = -1/2 je Lorentzov faktor častice).

Brzdné žiarenie vzniká, keď je nabitá častica rozptýlená atómami látky. Ak čas Δt, za ktorý častica s nábojom e počas rozptylu zmení svoju rýchlosť z v 1 na v 2, je oveľa kratší ako čas vzniku žiarenia L / v, potom možno zmenu rýchlosti nabitej častice považovať za okamžitú . Potom má rozloženie energie žiarenia cez uhly a kruhové frekvencie ω tvar:

Vynásobením tohto výrazu pravdepodobnosťou zmeny rýchlosti častice počas rozptylu z v 1 na v 2 a integrovaním výsledného výrazu cez všetky v 2 môžeme získať frekvenciu a uhlovú distribúciu brzdnej energie (nezávislú od frekvencie). Ľahšie častice sa pri interakcii s atómom ľahšie vychyľujú, preto je intenzita brzdného žiarenia nepriamo úmerná druhej mocnine hmotnosti rýchlej častice. Bremsstrahlung je hlavným dôvodom straty energie relativistických elektrónov v hmote, keď je energia elektrónov väčšia ako určitá kritická energia, ktorá je 83 MeV pre vzduch, 47 MeV pre Al a 59 MeV pre Pb.

Magnetické brzdné svetlo vzniká, keď sa nabitá častica pohybuje v magnetickom poli, ktoré ohýba trajektóriu jej pohybu. V konštantnom a rovnomernom magnetickom poli je trajektória pohybu nabitej častice s hmotnosťou m špirála, to znamená, že pozostáva z rovnomerného pohybu v smere poľa a rotácie okolo neho s frekvenciou ω H = eH / γmc .

Frekvencia pohybu častice vedie k tomu, že ňou vyžarované vlny majú frekvencie, ktoré sú násobkami ω H: ω = Mω H, kde N = 1,2,3 .... žiarenie ultrarelativistických častíc v magnetickom poli sa nazýva synchrotrónové žiarenie. Má široké spektrum frekvencií s maximom pri ω rádovo ω H γ 3 a hlavná časť vyžarovanej energie leží vo frekvenčnom rozsahu ω »ω H. Intervaly medzi susednými frekvenciami sú v tomto prípade oveľa menšie ako frekvenciu, teda frekvenčnú distribúciu v spektre synchrotrónového žiarenia možno považovať za približne spojitú ... Vo frekvenčnom rozsahu ω "ω H γ 3 sa intenzita žiarenia zvyšuje s frekvenciou ako ω 2/3 a vo frekvenčnom rozsahu ω" ω H γ 3 intenzita žiarenia klesá exponenciálne so zvyšujúcou sa frekvenciou. Synchrotrónové žiarenie má malú uhlovú divergenciu (rádovo l / γ) a vysoký stupeň polarizácie v rovine obežnej dráhy častice. Magnetické brzdné žiarenie pri nerelativistických rýchlostiach nabitých častíc sa nazýva cyklotrónové žiarenie, jeho frekvencia je ω = ω H.

Undulátorové žiarenie vzniká pri pohybe ultrarelativisticky nabitej častice s malými priečnymi periodickými výchylkami, napríklad pri lietaní v periodicky sa meniacom elektrickom poli (takéto pole vzniká napr. v špeciálnych zariadeniach - vlnovcoch). Frekvencia ω vlnového žiarenia súvisí s frekvenciou priečnych kmitov ω 0 častice vzťahom

kde θ je uhol medzi rýchlosťou častice v a smerom šírenia vlnového žiarenia. Analógom tohto typu žiarenia je žiarenie, ktoré vzniká pri usmerňovaní nabitých častíc v monokryštáloch, keď častica pohybujúca sa medzi susednými kryštálovými rovinami zažíva priečne vibrácie v dôsledku interakcie s intrakryštalickým poľom.

Vavilovovo - Čerenkovovo žiarenie sa pozoruje, keď sa nabitá častica pohybuje rovnomerne v médiu rýchlosťou presahujúcou fázovú rýchlosť svetla c/ε 1/2 v médiu (ε je dielektrická konštanta média). V tomto prípade časť vlastného poľa častice za ňou zaostáva a vytvára elektromagnetické vlny šíriace sa pod uhlom k smeru pohybu častice (pozri žiarenie Vavilova - Čerenkov), ktoré je určené rovnosťou cos θ = c / vε 1/2. Za objav a vysvetlenie tohto principiálne nového typu žiarenia, ktorý našiel široké uplatnenie pri meraní rýchlosti nabitých častíc, získali Nobelovu cenu (1958) I. Ye Tamm, I. M. Frank a P. A. Čerenkov.

Prechodové žiarenie(predpovedal V. L. Ginzburg a I. M. Frank v roku 1946) vzniká v prípade rovnomerného priamočiareho pohybu nabitej častice v priestore s nehomogénnymi dielektrickými vlastnosťami. Najčastejšie vzniká, keď častica prejde rozhraním dvoch prostredí s rôznymi dielektrickými konštantami (často sa toto žiarenie považuje za prechodné; pozri Prechodové žiarenie). Vnútorné pole častice pohybujúcej sa konštantnou rýchlosťou v rôznych prostrediach je rôzne, takže na rozhraní medzi médiami dochádza k preskupeniu vlastného poľa, ktoré vedie k žiareniu. Prechodové žiarenie nezávisí od hmotnosti rýchlej častice, jeho intenzita nezávisí od rýchlosti častice, ale od jej energie, čo umožňuje na jeho základe vytvárať jedinečné presné metódy na registráciu častíc ultravysokých energií.

Difrakčné žiarenie vzniká pri lete nabitej častice vo vákuu blízko povrchu látky, kedy sa mení vlastné pole častice v dôsledku jej interakcie s povrchovými nehomogenitami. Difrakčné žiarenie sa úspešne používa na štúdium povrchových vlastností látky.

Žiarenie zo systémov nabitých častíc.

Najjednoduchším systémom, ktorý dokáže vyžarovať, je elektrický dipól s premenlivým dipólovým momentom – systém dvoch opačne nabitých oscilujúcich častíc. Keď sa pole dipólu zmení, napríklad keď častice kmitajú pozdĺž spojnice (osi dipólu) smerom k sebe, časť poľa sa odlomí a vytvorí sa elektromagnetické vlnenie. Takéto žiarenie je neizotropné, jeho energia v rôznych smeroch nie je rovnaká: je maximálna v smere kolmom na os oscilácií častíc a chýba v kolmom smere; pre stredné smery je jeho intenzita úmerná sinθ 2 (θ je uhol medzi smerom žiarenia a osou kmitania častíc). Skutočné žiariče sa spravidla skladajú z veľkého počtu opačne nabitých častíc, ale často je zanedbateľné brať do úvahy ich umiestnenie a detaily pohybu ďaleko od systému; v tomto prípade je možné zjednodušiť skutočnú distribúciu "ťahaním" podobných poplatkov do niektorých centier distribúcie poplatkov. Ak je systém ako celok elektricky neutrálny, potom jeho žiarenie možno približne považovať za žiarenie elektrického dipólu.

Ak neexistuje dipólové žiarenie systému, potom môže byť reprezentovaný ako štvorpólový alebo zložitejší systém - viacpólový. Pri pohybe nábojov v ňom vzniká elektrické štvorpólové alebo viacpólové žiarenie. Zdrojmi žiarenia môžu byť aj systémy, ktoré sú magnetickými dipólmi (napríklad obvod s prúdom) alebo magnetickými multipólmi. Intenzita magnetického dipólového žiarenia je spravidla (v / s) 2-krát menšia ako intenzita elektrického dipólového žiarenia a má rovnakú veľkosť ako elektrické štvorpólové žiarenie.

Kvantová teória žiarenia. Kvantová elektrodynamika berie do úvahy procesy žiarenia kvantovými systémami (atómy, molekuly, atómové jadrá atď.), ktorých správanie sa riadi zákonmi kvantovej mechaniky; v tomto prípade je voľné elektromagnetické pole reprezentované ako súbor kvánt tohto poľa - fotónov. Energia fotónu E je úmerná jeho frekvencii v (v = ω / 2π), teda E = hv (h je Planckova konštanta) a hybnosť p je úmerná vlnovému vektoru k: p = hk. Emisia fotónu je sprevádzaná kvantovým prechodom systému zo stavu s energiou E 1 do stavu s nižšou energiou E 2 = E 1 - hv (z energetickej hladiny E 1 na hladinu E 2). Energia viazaného kvantového systému (napríklad atómu) je kvantovaná, to znamená, že nadobúda iba diskrétne hodnoty; frekvencie žiarenia takéhoto systému sú tiež diskrétne. Žiarenie kvantového systému teda pozostáva zo samostatných spektrálnych čiar s určitými frekvenciami, t.j. má diskrétne spektrum. Kontinuálne (kontinuálne) spektrum žiarenia sa získa, keď jedna (alebo obe) zo sekvencií hodnôt počiatočných a konečných energií systému, v ktorom dochádza ku kvantovému prechodu, je spojitá (napríklad počas rekombinácie voľného elektrónu a ión).

Kvantová elektrodynamika umožnila vypočítať intenzity žiarenia rôznych systémov, uvažovať o pravdepodobnosti neradiačných prechodov, procesov prenosu žiarenia, vypočítať takzvané korekcie žiarenia a ďalšie charakteristiky žiarenia kvantových systémov.

Všetky stavy atómu, okrem základného stavu (stavy s minimálnou energiou), nazývané excitované, sú nestabilné. V nich atóm po určitom čase (asi 10 -8 s) spontánne vyžaruje fotón; takéto žiarenie sa nazýva spontánne alebo spontánne. Charakteristiky spontánnej emisie atómu – smer šírenia, intenzita, polarizácia – nezávisia od vonkajších podmienok. Súbor vlnových dĺžok žiarenia je individuálny pre atóm každého chemického prvku a predstavuje jeho atómové spektrum. Hlavným žiarením atómu je dipólové žiarenie, ktoré sa môže vyskytnúť len pri kvantových prechodoch, ktoré umožňujú výberové pravidlá pre elektrické dipólové prechody, teda pri určitých vzťahoch medzi charakteristikami (kvantovými číslami) počiatočného a konečného stavu atómu. Za určitých podmienok môže vzniknúť aj viacpólové žiarenie atómu (tzv. zakázané čiary), ale pravdepodobnosť prechodov, pri ktorých k nemu dôjde, je malá a jeho intenzita je spravidla nízka. Žiarenie atómových jadier nastáva počas kvantových prechodov medzi úrovňami jadrovej energie a je určené zodpovedajúcimi pravidlami výberu.

žiarenie rôznych molekúl, v ktorých dochádza k vibračným a rotačným pohybom ich jednotlivých nabitých častíc, má zložité spektrá s elektrónovo-vibračno-rotačnou štruktúrou (pozri Molekulové spektrá).

Pravdepodobnosť emisie fotónu s hybnosťou hk a energiou hv je úmerná (n k + 1), kde n k je počet presne rovnakých fotónov v systéme pred okamihom emisie. Pre n k = 0 nastáva spontánna emisia, ak n k ≠ 0, objavuje sa aj stimulovaná emisia. Stimulovaný emisný fotón má na rozdiel od spontánneho rovnaký smer šírenia, frekvenciu a polarizáciu ako fotón vonkajšieho žiarenia; intenzita stimulovanej emisie je úmerná počtu fotónov vonkajšieho žiarenia. Existenciu stimulovaného žiarenia predpokladal v roku 1916 A. Einstein, ktorý vypočítal pravdepodobnosť stimulovaného žiarenia (pozri Einsteinove koeficienty). Za normálnych podmienok je pravdepodobnosť (a následne aj intenzita) stimulovanej emisie malá, avšak v kvantových generátoroch (laseroch) sa na zvýšenie nk pracovná látka (emitor) umiestňuje do optických rezonátorov, ktoré držia fotóny vonkajšieho žiarenia. v jeho blízkosti. Každý fotón emitovaný látkou zvyšuje n k, preto intenzita žiarenia s daným k rýchlo rastie pri nízkej intenzite žiarenia fotónov so všetkými ostatnými k. V dôsledku toho sa kvantový generátor ukazuje ako zdroj stimulovaného žiarenia s veľmi úzkym pásmom hodnôt v a k - koherentné žiarenie. Pole takéhoto žiarenia je veľmi intenzívne, veľkosťou môže byť porovnateľné s intramolekulovými poľami a interakcia žiarenia kvantového generátora (laserového žiarenia) s hmotou sa stáva nelineárnou (pozri Nelineárna optika).

Žiarenie rôznych predmetov nesie informácie o ich štruktúre, vlastnostiach a procesoch, ktoré sa v nich vyskytujú; jeho štúdium je mocným a často jediným (napríklad pre vesmírne telesá) spôsobom ich štúdia. Teória žiarenia zohráva osobitnú úlohu pri formovaní moderného fyzikálneho obrazu sveta. V procese budovania tejto teórie vznikla teória relativity, kvantová mechanika, vznikli nové zdroje žiarenia, dosiahlo sa množstvo úspechov v oblasti rádiotechniky, elektroniky atď.

Lit.: Akhiezer A.I., Berestetsky V. B. Kvantová elektrodynamika. 4. vyd. M., 1981; Landau L. D., Lifshits E. M. Teória poľa. 8. vyd. M., 2001; Tamm I.E. Základy teórie elektriny. 11. vyd. M., 2003.

Monoenergetické ionizujúce žiarenie- ionizujúce žiarenie, pozostávajúce z fotónov rovnakej energie alebo častíc rovnakého druhu s rovnakou kinetickou energiou.

Zmiešané ionizujúce žiarenie- ionizujúce žiarenie, pozostávajúce z častíc rôzneho druhu alebo z častíc a fotónov.

Smerové ionizujúce žiarenie ionizujúce žiarenie s vyhradeným smerom šírenia.

Prírodné radiačné pozadie- ionizujúce žiarenie vznikajúce kozmickým žiarením a žiarením z prirodzene rozšírených prírodných rádioaktívnych látok (na povrchu Zeme, v prízemnej atmosfére, v potravinách, vode, v ľudskom tele a pod.).

Pozadie - ionizujúce žiarenie, pozostávajúce z prirodzeného pozadia a ionizujúceho žiarenia z cudzích zdrojov.

Kozmické žiarenie- ionizujúce žiarenie, ktoré pozostáva z primárneho žiarenia prichádzajúceho z kozmického priestoru a sekundárneho žiarenia vznikajúceho pri interakcii primárneho žiarenia s atmosférou.

Úzky lúč žiarenia- taká geometria žiarenia, pri ktorej detektor registruje len nerozptýlené žiarenie zo zdroja.

Široký lúč žiarenia- taká geometria žiarenia, pri ktorej detektor registruje nerozptýlené a rozptýlené žiarenie zo zdroja.

Pole ionizujúceho žiarenia- časopriestorové rozloženie ionizujúceho žiarenia v uvažovanom prostredí.

Tok ionizujúcich častíc (fotónov)- pomer počtu ionizujúcich častíc (fotónov) dN prechádzajúcich daným povrchom za časový interval dt k tomuto intervalu: F = dN / dt.

Tok energie častíc- pomer energie dopadajúcich častíc k časovému intervalu Ψ = dЕ / dt.

Hustota toku ionizujúcich častíc (fotónov)- pomer toku ionizujúcich častíc (fotónov) dF

prenikajúce do objemu elementárnej gule, do oblasti stredového prierezu dS tejto gule: φ = dF / dS = d 2 N / dtdS. (Hustota energetického toku častíc sa určuje podobným spôsobom).

Fluence (prenos) ionizujúcich častíc (fotónov)- pomer počtu ionizujúcich častíc (fotónov) dN prenikajúcich do objemu elementárnej gule k ploche stredového prierezu dS tejto gule: Ф = dN / dS.

Energetické spektrum ionizujúcich častíc- rozloženie ionizujúcich častíc podľa ich energie. Efektívna fotónová energia je fotónová energia takéhoto monoenergetického fotónu

žiarenia, ktorého relatívny útlm v absorbéri určitého zloženia a určitej hrúbky je rovnaký ako u uvažovaného nemonoenergetického fotónového žiarenia.

Hraničná energia spektraβ -žiarenie - najvyššia energia β -častíc v spojitom energetickom spektre β -žiarenia daného rádionuklidu.

Albedo žiarenia je pomer počtu častíc (fotónov) odrazených od rozhrania medzi dvoma prostrediami k počtu častíc (fotónov) dopadajúcich na rozhranie.

Oneskorená emisia: častice emitované produktmi rozpadu, na rozdiel od častíc (neutrónov a gama žiarenia), ktoré vznikajú priamo v čase štiepenia.

Ionizácia v plynoch: odtrhnutie jedného alebo viacerých elektrónov od atómu alebo molekuly plynu. Vplyvom ionizácie sa v plyne objavia voľné nosiče náboja (elektróny a ióny) a plyn získava schopnosť viesť elektrický prúd.

Pojem "žiarenie" zahŕňa rozsah elektromagnetických vĺn, vrátane viditeľného spektra, infračervené a ultrafialové oblasti, ako aj rádiové vlny, elektrický prúd a ionizujúce žiarenie. Všetka nepodobnosť týchto javov je spôsobená len frekvenciou (vlnovou dĺžkou) žiarenia. Ionizujúce žiarenie môže byť nebezpečné pre ľudské zdravie. A onizujúceho žiarenia(žiarenie) - druh žiarenia, ktorý mení fyzikálny stav atómov alebo atómových jadier a mení ich na elektricky nabité ióny alebo produkty jadrových reakcií. Za určitých okolností môže prítomnosť takýchto iónov alebo produktov jadrových reakcií v tkanivách tela zmeniť priebeh procesov v bunkách a molekulách a pri kumulácii týchto dejov môže dôjsť k narušeniu priebehu biologických reakcií v organizme, t.j. predstavujú nebezpečenstvo pre ľudské zdravie.

2. TYPY ŽIARENIA

Rozlišujte medzi korpuskulárnym žiarením, pozostávajúcim z častíc s hmotnosťou inou ako nula, a elektromagnetickým (fotónovým) žiarením.

2.1. Korpuskulárne žiarenie

Korpuskulárne ionizujúce žiarenie zahŕňa žiarenie alfa, elektrónové, protónové, neutrónové a mezónové žiarenie. Korpuskulárne žiarenie, pozostávajúce z prúdu nabitých častíc (α-, β-častíc, protónov, elektrónov), ktorých kinetická energia je dostatočná na ionizáciu atómov pri

zrážka, patrí do triedy priamo ionizujúceho žiarenia. Neutróny a iné elementárne častice neionizujú priamo, ale v procese interakcie s prostredím uvoľňujú nabité častice (elektróny, protóny), ktoré môžu ionizovať atómy a molekuly prostredia, cez ktoré prechádzajú.

V súlade s tým sa korpuskulárne žiarenie pozostávajúce z prúdu nenabitých častíc nazýva nepriamo ionizujúce žiarenie.

Obr. Schéma rozpadu 212 Bi.

2.1.1 Alfa žiarenie

Alfa častice (α - častice) sú jadrá atómu hélia, emitované pri α - rozpade niektorými rádioaktívnymi atómami. α - častica pozostáva z dvoch protónov a dvoch neutrónov.

Alfa žiarenie je tok jadier atómov hélia (kladne nabitých a

relatívne ťažké častice).

Prirodzené žiarenie alfa v dôsledku rádioaktívneho rozpadu jadra je charakteristické pre nestabilné jadrá ťažkých prvkov, počnúc atómovým číslom vyšším ako 83, t.j. pre prírodné rádionuklidy radu urán a tórium, ako aj pre umelo získané transuránové prvky.

Typická schéma α-prepadu prírodného rádionuklidu je na obr.1 a energetické spektrum α-častíc vznikajúcich pri rozpade rádionuklidu je na obr.1.

Obr.

Obr. 2 Energetické spektrum α-častíc

Možnosť α-rozpadu je spojená so skutočnosťou, že hmotnosť (a teda aj celková energia iónov) α-rádioaktívneho jadra je väčšia ako súčet hmotností α-častice a dcérskeho jadra vzniknutého po α-rozpad. Prebytočná energia pôvodného (materského) jadra sa uvoľňuje vo forme kinetickej energie α-častice a spätného rázu dcérskeho jadra. α-častice sú kladne nabité jadrá hélia - 2 He4 a vyletujú z jadra rýchlosťou 15-20 tisíc km/sec. Na svojej ceste produkujú silnú ionizáciu prostredia,

vytrhávanie elektrónov z dráh atómov.

Rozsah α-častíc vo vzduchu je asi 5-8 cm, vo vode - 30-50 mikrónov, v kovoch - 10-20 mikrónov. Pri ionizácii α-lúčmi sa v látke pozorujú chemické zmeny, dochádza k narušeniu kryštálovej štruktúry pevných látok. Keďže medzi α-časticou a jadrom existuje elektrostatické odpudzovanie, pravdepodobnosť jadrových reakcií pod vplyvom α-častíc prírodných rádionuklidov (maximálna energia 8,78 MeV y214 Po) je veľmi malá a pozorujeme ju len na ľahkých jadrách (Li , Be, B, C, N, Na, Al) s tvorbou rádioaktívnych izotopov a voľných neutrónov.

2.1.2 Protónové žiarenie

Protónové žiarenie- žiarenie vznikajúce v procese samovoľného rozpadu neutrónovo deficitných atómových jadier alebo ako výstupný lúč urýchľovača iónov (napríklad synchrofazotorón).

2.1.3 Neutrónové žiarenie

Neutrónové žiarenie - tok neutrónov, ktoré premieňajú svoju energiu na elastické a neelastické interakcie s jadrami a atómami. Pri nepružných interakciách vzniká sekundárne žiarenie, ktoré môže pozostávať z nabitých častíc aj gama kvánt (gama žiarenia). Pri elastických interakciách je možná bežná ionizácia hmoty.

Zdrojmi neutrónového žiarenia sú: spontánne sa štiepiace rádionuklidy; špeciálne vyrobené rádionuklidové neutrónové zdroje; urýchľovače elektrónov, protónov, iónov; jadrové reaktory; kozmického žiarenia.

Z pohľadu biologického Neutróny vznikajú pri jadrových reakciách (v jadrových reaktoroch a v iných priemyselných a laboratórnych zariadeniach, ako aj pri jadrových výbuchoch).

Neutróny nemajú elektrický náboj. Bežne sa neutróny v závislosti od kinetickej energie delia na rýchle (do 10 MeV), superrýchle, stredné, pomalé a tepelné. Neutrónové žiarenie má vysokú penetračnú silu. Pomalé a tepelné neutróny vstupujú do jadrových reakcií, v dôsledku čoho sa môžu vytvárať stabilné alebo rádioaktívne izotopy.

Voľný neutrón je nestabilná, elektricky neutrálna častica s nasledujúcimi vlastnosťami

vlastnosti:

	Nabíjanie (e-elektrónový náboj)			qn = (-0,4 ± 1,1) 10-21 e
					939,56533 ± 0,00004 MeV,
	v atómových jednotkách			1,00866491578 ± 0,00000000055 amu
	Rozdiel medzi hmotnosťou neutrónu a protónu			mn - mp = 1,2933318 ± 0,0000005 MeV,
	v atómových jednotkách			0,0013884489 ± 0,0000000006 amu
	Život			tn = 885,4 ± 0,9stat ± 0,4syst s
	Magnetický moment			mn = -1,9130427 ± 0,0000005 mN
	Elektrický dipólový moment			dn< 0,63·10-25 e ·см (CL=90%)
	Elektrická polarizácia
				an = (	) 10-3 fm 3

Tieto vlastnosti neutrónu umožňujú využiť ho na jednej strane ako skúmaný objekt a na druhej strane ako nástroj na uskutočňovanie výskumu. V prvom prípade sa skúmajú jedinečné vlastnosti neutrónu, čo je relevantné a umožňuje najspoľahlivejšie a najpresnejšie určiť základné parametre elektroslabej interakcie a tým buď potvrdiť alebo vyvrátiť Štandardný model. Prítomnosť magnetického momentu v neutróne už naznačuje jeho zložitú štruktúru, t.j. jeho „neelementárnosť“. V druhom prípade interakcia nepolarizovaných a polarizovaných neutrónov rôznych energií s jadrami umožňuje ich využitie vo fyzike jadier a elementárnych častíc. Štúdium vplyvov narušenia priestorovej parity a invariantnosti s ohľadom na časové zvraty v rôznych procesoch – od neutrónovej optiky až po štiepenie jadier neutrónmi – nie je ani zďaleka úplným zoznamom najnaliehavejších smerov výskumu.

Skutočnosť, že neutróny tepelného reaktora majú vlnové dĺžky porovnateľné s medziatómovými vzdialenosťami v hmote, z nich robí nepostrádateľný nástroj na štúdium kondenzovaných médií. Interakcia neutrónov s atómami je pomerne slabá, čo umožňuje neutrónom preniknúť dostatočne hlboko do hmoty – to je ich významná výhoda oproti röntgenovému a γ žiareniu, ako aj lúčom nabitých častíc. v dôsledku prítomnosti hmoty majú neutróny pri rovnakej hybnosti (teda pri rovnakej vlnovej dĺžke) podstatne menšiu energiu ako röntgenové a γ-lúče a táto energia sa ukazuje byť porovnateľná s energiou tepelných vibrácií atómov a molekuly v hmote, čo umožňuje študovať nielen spriemerovanú statickú atómovú štruktúru látky, ale aj dynamické procesy v nej prebiehajúce. Prítomnosť magnetického momentu v neutrónoch umožňuje ich využitie na štúdium magnetickej štruktúry a magnetických excitácií hmoty, čo je veľmi dôležité pre pochopenie vlastností a podstaty magnetizmu materiálov.

Rozptyl neutrónov atómami je spôsobený najmä jadrovými silami, preto prierezy pre ich koherentný rozptyl nijako nesúvisia s atómovým číslom (na rozdiel od RTG a γ-lúčov). Ožarovanie materiálov neutrónmi preto umožňuje rozlíšiť polohy atómov ľahkých (vodík, kyslík atď.) prvkov, ktorých identifikácia je pomocou röntgenových lúčov a γ - lúčov takmer nemožná. Z tohto dôvodu sa neutróny úspešne používajú pri štúdiu biologických objektov, v materiálovej vede, v medicíne a iných oblastiach. Okrem toho rozdiel v prierezoch rozptylu neutrónov pre rôzne izotopy umožňuje nielen rozlíšiť prvky s podobnými atómovými číslami v materiáli, ale aj študovať ich izotopové zloženie. Prítomnosť izotopov s negatívnou amplitúdou koherentného rozptylu poskytuje jedinečnú možnosť kontrastu skúmaných médií, čo sa tiež veľmi často používa v biológii a medicíne.

Koherentný rozptyl- rozptyl žiarenia so zachovaním frekvencie a s fázou, ktorá sa líši o π od fázy primárneho žiarenia. Rozptýlená vlna môže interferovať s dopadajúcou vlnou alebo inými koherentne rozptýlenými vlnami.

Beta, gama.

Ako sa tvoria?

Všetky vyššie uvedené typy žiarenia sú produktom procesu rozpadu izotopov jednoduchých látok. Atómy všetkých prvkov sa skladajú z jadra a elektrónov, ktoré sa okolo neho otáčajú. Jadro je stotisíckrát menšie ako celý atóm, no vďaka extrémne vysokej hustote sa jeho hmotnosť takmer rovná celkovej hmotnosti celého atómu. Jadro obsahuje kladne nabité častice – protóny a neutróny bez elektrického náboja. Tieto aj ďalšie sú navzájom veľmi úzko prepojené. Podľa počtu protónov v jadre sa určí, ktorému presne tento atóm patrí, napríklad - 1 protón v jadre je vodík, 8 protónov - kyslík, 92 protónov - urán. v atóme zodpovedá počtu protónov v jeho jadre. Každý elektrón má záporný elektrický náboj rovný náboju protónu, z tohto dôvodu je atóm ako celok neutrálny.

Tie atómy, ktoré majú jadrá, ktoré sú rovnaké v počte protónov, ale odlišné v počte neutrónov, sú variantmi jednej chemikálie a nazývajú sa jej izotopy. Aby sme ich nejako rozlíšili, k symbolu označujúcemu prvok sa priraďuje číslo, ktoré je súčtom všetkých častíc v jadre tohto izotopu. Napríklad jadro prvku urán-238 obsahuje 92 protónov a tiež 146 neutrónov a urán-235 tiež 92 protónov, ale neutrónov je už 143. Väčšina izotopov je nestabilná. Napríklad urán-238, ktorého väzby medzi protónmi a neutrónmi v jadre sú veľmi slabé a skôr či neskôr sa z neho oddelí kompaktná skupina pozostávajúca z páru neutrónov a páru protónov, čím sa urán-238 premení na iný. prvok - tórium-234, čo je tiež nestabilný prvok, ktorého jadro obsahuje 144 neutrónov a 90 protónov. Jeho rozpad bude pokračovať v reťazci premien, ktorý sa zastaví vytvorením atómu olova. Počas každého z týchto rozpadov sa uvoľňuje energia, ktorá vedie k rôznym druhom

Pre zjednodušenie situácie potom môžeme opísať vzhľad rôznych typov jadra, ktoré sa skladá z páru neutrónov a páru protónov, beta lúče vychádzajú z elektrónu. A sú situácie, v ktorých je izotop tak vzrušený, že výstup častice ho úplne nestabilizuje a potom vyhodí prebytok čistej energie v jednej porcii, tento proces sa nazýva gama žiarenie. Takéto typy žiarenia ako gama lúče a podobné röntgenové lúče sa generujú bez emisie častíc materiálu. Čas, ktorý trvá, kým sa polovica všetkých atómov v akomkoľvek danom izotope rozpadne v akomkoľvek rádioaktívnom zdroji, sa nazýva polčas rozpadu. Proces atómových premien je nepretržitý a jeho aktivita sa odhaduje podľa počtu rozpadov, ktoré nastali za jednu sekundu a meria sa v becquereloch (1 atóm za sekundu).

Rôzne druhy žiarenia sa vyznačujú uvoľňovaním rôzneho množstva energie a odlišná je aj ich penetračná schopnosť, preto majú rôzne účinky aj na tkanivá živých organizmov.

Alfa žiarenie, čo je prúd ťažkých častíc, dokáže zadržať aj list papiera, nie je schopné preniknúť cez vrstvu odumretých epidermálnych buniek. Nie je to nebezpečné, pokiaľ sa látky, ktoré emitujú alfa častice, nedostanú do tela cez rany alebo cez jedlo a/alebo vdychovaný vzduch. Vtedy sa stávajú mimoriadne nebezpečnými.

Beta žiarenie je schopné preniknúť 1-2 centimetre do tkanív živého organizmu.

Gama lúče, ktoré sa šíria rýchlosťou svetla, sú najnebezpečnejšie a môžu byť zastavené iba hrubou doskou z olova alebo betónu.

Všetky druhy žiarenia sú schopné spôsobiť poškodenie živého organizmu a bude ich tým viac, čím viac energie sa prenieslo do tkanív.

Pri rôznych haváriách v jadrových zariadeniach a pri vojenských operáciách s použitím jadrových zbraní je dôležité zvážiť škodlivé faktory pôsobiace na telo ako celok. Okrem zjavných fyzických účinkov na človeka majú škodlivý vplyv aj rôzne druhy elektromagnetického žiarenia.

Dnes si povieme, čo je to žiarenie vo fyzike. Povedzme si niečo o povahe elektronických prechodov a uveďme elektromagnetickú stupnicu.

Božstvo a atóm

Štruktúra hmoty sa stala predmetom záujmu vedcov pred viac ako dvetisíc rokmi. Starovekí grécki filozofi sa pýtali, ako sa vzduch líši od ohňa a zem od vody, prečo je mramor biely a uhlie čierne. Vytvárali zložité systémy vzájomne závislých komponentov, navzájom sa vyvracali alebo podporovali. A tie najnepochopiteľnejšie javy, napríklad úder blesku alebo východ slnka, sa pripisovali činom bohov.

Raz, po mnohých rokoch pozorovania schodov chrámu, si jeden vedec všimol: každá noha, ktorá stojí na kameni, odnáša drobnú čiastočku hmoty. Postupom času mramor zmenil tvar, v strede sa prepadol. Meno tohto vedca je Leucippus a najmenšie častice nazval atómy, nedeliteľné. To bol začiatok cesty k štúdiu toho, čo je žiarenie vo fyzike.

Veľká noc a svetlo

Potom prišli temné časy, veda bola opustená. Všetci, ktorí sa pokúšali študovať prírodné sily, boli prezývaní čarodejníci a čarodejníci. Ale napodiv to bolo náboženstvo, ktoré dalo impulz ďalšiemu rozvoju vedy. Štúdium toho, čo je žiarenie vo fyzike, začalo astronómiou.

Čas na slávenie Veľkej noci sa v tých dňoch počítal zakaždým iným spôsobom. Zložitý systém vzťahov medzi jarnou rovnodennosťou, 26-dňovým lunárnym cyklom a 7-dňovým týždňom neumožňoval zostavovať dátumové tabuľky na slávenie Veľkej noci viac ako pár rokov. Ale cirkev musela všetko vopred naplánovať. Preto pápež Lev X. nariadil zostavenie presnejších tabuliek. To si vyžadovalo starostlivé sledovanie pohybu Mesiaca, hviezd a Slnka. A nakoniec si Mikuláš Kopernik uvedomil: Zem nie je plochá a nie je ani stredom vesmíru. Planéta je guľa, ktorá sa točí okolo Slnka. A Mesiac je guľa obiehajúca okolo Zeme. Samozrejme, niekto by sa mohol opýtať: "Čo to všetko má spoločné s tým, čo je žiarenie vo fyzike?" Teraz to otvoríme.

Oválne a trámové

Neskôr Kepler doplnil Kopernikov systém tým, že zistil, že planéty sa pohybujú po oválnych dráhach a tento pohyb je nerovnomerný. Ale bol to prvý krok, ktorý podnietil ľudstvo záujem o astronómiu. A tam už nebolo ďaleko k otázkam: „Čo je hviezda?“, „Prečo ľudia vidia jej lúče?“ a "Ako sa jedno svietidlo líši od druhého?" Najprv však musíte prejsť od obrovských predmetov k tým najmenším. A potom sa dostávame k žiareniu, čo je pojem vo fyzike.

Atóm a hrozienka

Koncom devätnásteho storočia sa nahromadilo dostatok poznatkov o najmenších chemických jednotkách hmoty – atómoch. Bolo známe, že sú elektricky neutrálne, ale obsahujú pozitívne aj negatívne nabité prvky.

Bolo predložených veľa predpokladov: tak, že kladné náboje sú rozložené v negatívnom poli, ako sú hrozienka v rolke, a že atóm je kvapkou nerovnako nabitých tekutých častí. Všetko ale objasnila Rutherfordova skúsenosť. Dokázal, že v strede atómu je pozitívne ťažké jadro a okolo neho sú umiestnené ľahké negatívne elektróny. A konfigurácia obalov pre každý atóm je iná. V tom spočívajú zvláštnosti žiarenia vo fyzike elektronických prechodov.

Bór a obežná dráha

Keď vedci zistili, že svetlo negatívne časti atómu sú elektróny, vyvstala ďalšia otázka - prečo nedopadajú na jadro. V skutočnosti, podľa Maxwellovej teórie, akýkoľvek pohybujúci sa náboj vyžaruje, preto stráca energiu. Ale atómy existovali tak dlho ako vesmír a nechystali sa anihilovať. Bor prišiel na pomoc. Predpokladal, že elektróny sú na určitých stacionárnych dráhach okolo atómového jadra a môžu byť iba na nich. Prechod elektrónu medzi obežnými dráhami sa uskutočňuje nárazovo s absorpciou alebo emisiou energie. Touto energiou môže byť napríklad kvantum svetla. V skutočnosti sme teraz predstavili definíciu žiarenia v časticovej fyzike.

Vodík a fotografia

Fotografická technika bola pôvodne koncipovaná ako komerčný projekt. Ľudia chceli zostať po stáročia, ale nie každý si mohol dovoliť objednať portrét od umelca. A fotky boli lacné a nevyžadovali si takú veľkú investíciu. Potom umenie skla a dusičnanu strieborného dalo do svojich služieb vojenské záležitosti. A potom veda začala využívať výhody materiálov citlivých na svetlo.

Najprv sa odfotografovali spektrá. Už dlho je známe, že horúci vodík vyžaruje špecifické čiary. Vzdialenosť medzi nimi bola v súlade s určitým zákonom. Ale spektrum hélia bolo zložitejšie: obsahovalo rovnakú sadu čiar ako vodík a ešte jednu. Druhá séria sa už neriadila zákonom odvodeným pre prvú sériu. Tu prišla na pomoc Bohrova teória.

Ukázalo sa, že v atóme vodíka je len jeden elektrón a ten sa môže pohybovať zo všetkých vyšších excitovaných dráh na jednu nižšiu. Toto bola prvá séria liniek. Ťažšie atómy sú zložitejšie.

Šošovka, mriežka, spektrum

Tak bol položený začiatok aplikácie žiarenia vo fyzike. Spektrálna analýza je jednou z najvýkonnejších a najspoľahlivejších metód na určenie zloženia, množstva a štruktúry látky.

1. Elektronické emisné spektrum vám povie, čo je v objekte a aké je percento konkrétnej zložky. Túto metódu používajú absolútne všetky oblasti vedy: od biológie a medicíny až po kvantovú fyziku.
2. Absorpčné spektrum vám povie, ktoré ióny a na ktorých pozíciách sú prítomné v mriežke tuhej látky.
3. Rotačné spektrum ukáže, ako ďaleko sú molekuly vo vnútri atómu, koľko a aké väzby sú prítomné v každom prvku.

A rozsahy použitia elektromagnetického žiarenia sú nespočetné:

• rádiové vlny skúmajú štruktúru veľmi vzdialených objektov a útrob planét;
• tepelné žiarenie povie o energii procesov;
• viditeľné svetlo vám povie, v ktorých smeroch ležia najjasnejšie hviezdy;
• ultrafialové lúče budú indikovať, že prebiehajú vysokoenergetické interakcie;
• samotné röntgenové spektrum umožňuje ľuďom študovať štruktúru hmoty (vrátane ľudského tela) a prítomnosť týchto lúčov vo vesmírnych objektoch upozorní vedcov, že neutrónová hviezda, supernova alebo čierna diera sú v ohnisku ďalekohľad.

Čierne telo

Existuje však špeciálna časť, ktorá študuje, čo je tepelné žiarenie vo fyzike. Na rozdiel od atómovej má tepelná emisia svetla spojité spektrum. A najlepším modelovým objektom na výpočty je absolútne čierne telo. Ide o predmet, ktorý „zachytí“ všetko svetlo dopadajúce naň, no nepustí ho späť. Napodiv, čierne teleso vyžaruje a maximálna vlnová dĺžka bude závisieť od teploty modelu. V klasickej fyzike vyvolalo tepelné žiarenie paradox. Ukázalo sa, že každá zahriata vec musí vyžarovať stále viac energie, kým jej energia v ultrafialovej oblasti nezničí vesmír.

Max Planck dokázal tento paradox vyriešiť. Do vzorca žiarenia zaviedol novú veličinu, kvantum. Bez toho, aby tomu dal nejaký zvláštny fyzický význam, otvoril celý svet. Kvantovanie veličín je dnes základom modernej vedy. Vedci si uvedomili, že polia a javy sú zložené z nedeliteľných prvkov, kvánt. To viedlo k hlbšiemu výskumu hmoty. Napríklad moderný svet patrí polovodičom. Predtým bolo všetko jednoduché: kov vedie prúd, ostatné látky sú dielektriká. A látky ako kremík a germánium (len polovodiče) sa vo vzťahu k elektrine správajú nepochopiteľne. Aby sme sa naučili ovládať ich vlastnosti, bolo potrebné vytvoriť celú teóriu a vypočítať všetky možnosti p-n prechodov.

Ionizujúce žiarenie je kombináciou rôznych druhov mikročastíc a fyzikálnych polí, ktoré majú schopnosť ionizovať hmotu, teda vytvárať v nej elektricky nabité častice – ióny.

ODDIEL III. MANAGEMENT ŽIVOTNEJ BEZPEČNOSTI A EKONOMICKÉ MECHANIZMY JEHO PODPORY

Existuje niekoľko druhov ionizujúceho žiarenia: alfa, beta, gama žiarenie, ako aj neutrónové žiarenie.

Alfa žiarenie

Na tvorbe kladne nabitých častíc alfa sa podieľajú 2 protóny a 2 neutróny, ktoré sú súčasťou jadier hélia. Častice alfa vznikajú pri rozpade atómového jadra a môžu mať počiatočnú kinetickú energiu 1,8 až 15 MeV. Charakteristickými znakmi alfa žiarenia sú vysoké ionizačné a nízke penetračné schopnosti. Keď sa alfa častice pohybujú veľmi rýchlo, ich energia sa stráca a to vedie k tomu, že nestačí prekonať ani tenké plastové povrchy. Vo všeobecnosti vonkajšia expozícia alfa časticiam, ak neberieme do úvahy vysokoenergetické alfa častice získané pomocou urýchľovača, nepredstavuje pre človeka žiadnu ujmu, ale prenikanie častíc do tela môže byť pre človeka nebezpečné. zdravie, keďže alfa rádionuklidy majú dlhý polčas rozpadu a silnú ionizáciu. Pri požití môžu byť alfa častice často ešte nebezpečnejšie ako beta a gama žiarenie.

Beta žiarenie

Nabité beta častice, ktorých rýchlosť je blízka rýchlosti svetla, vznikajú v dôsledku beta rozpadu. Beta lúče majú väčšiu prenikavosť ako alfa lúče – môžu spôsobiť chemické reakcie, luminiscenciu, ionizovať plyny, pôsobiť na fotografické platne. Ako ochrana proti toku nabitých beta častíc (s energiou nie väčšou ako 1 MeV) bude stačiť použiť obyčajný hliníkový plech s hrúbkou 3-5 mm.

Fotonické žiarenie: gama žiarenie a röntgenové žiarenie

Fotónové žiarenie zahŕňa dva druhy žiarenia: röntgenové (môže byť brzdné žiarenie a charakteristické) a gama žiarenie.

Najbežnejším typom fotónového žiarenia je veľmi vysoká energia častíc gama s ultrakrátkou vlnovou dĺžkou, ktoré sú prúdom vysokoenergetických, nenabitých fotónov. Na rozdiel od lúčov alfa a beta, častice gama nie sú vychyľované magnetickým a elektrickým poľom a majú výrazne vyššiu prenikavú silu. V určitých množstvách a po určitú dobu trvania expozície môže gama žiarenie spôsobiť chorobu z ožiarenia a viesť k výskytu rôznych druhov rakoviny. Len také ťažké chemické prvky ako napríklad olovo, ochudobnený urán a volfrám môžu zabrániť šíreniu toku gama častíc.

Neutrónové žiarenie

Jadrové výbuchy, jadrové reaktory, laboratórne a priemyselné zariadenia môžu byť zdrojom neutrónového žiarenia.

Samotné neutróny sú elektricky neutrálne, nestabilné (polčas rozpadu voľného neutrónu je asi 10 minút) častice, ktoré sa vďaka tomu, že nemajú náboj, vyznačujú vysokou penetračnou schopnosťou so slabým stupňom interakcie s záležitosť. Neutrónové žiarenie je veľmi nebezpečné, preto sa na ochranu pred ním používa množstvo špeciálnych materiálov obsahujúcich najmä vodík. Najlepšie zo všetkého je, že neutrónové žiarenie absorbuje obyčajná voda, polyetylén, parafín a tiež roztoky hydroxidov ťažkých kovov.

Ako ionizujúce žiarenie ovplyvňuje látky?

Všetky druhy ionizujúceho žiarenia v tej či onej miere ovplyvňujú rôzne látky, no najvýraznejšie je to u častíc gama a neutrónov. Takže pri dlhšom pôsobení môžu výrazne zmeniť vlastnosti rôznych materiálov, zmeniť chemické zloženie látok, ionizovať dielektrikum a mať deštruktívny účinok na biologické tkanivá. Prirodzené žiarenie na pozadí človeka nijako zvlášť nepoškodí, avšak pri manipulácii s umelými zdrojmi ionizujúceho žiarenia by ste mali byť veľmi opatrní a prijať všetky potrebné opatrenia na minimalizáciu úrovne radiačnej záťaže tela.

Druhy ionizujúceho žiarenia a ich vlastnosti

Ionizujúce žiarenie sa nazýva toky častíc a elektromagnetické kvantá, v dôsledku ich dopadu na médium vznikajú ióny rôzneho náboja.

Rôzne druhy žiarenia sú sprevádzané uvoľňovaním určitého množstva energie a majú rôznu prenikavú schopnosť, takže na organizmus pôsobia rôzne. Najväčšie nebezpečenstvo pre človeka predstavuje rádioaktívne žiarenie, ako je y-, röntgenové, neutrónové, a- a b-žiarenie.

Röntgenové a y-lúče sú toky kvantovej energie. Gama žiarenie má kratšie vlnové dĺžky ako röntgenové žiarenie. Svojím charakterom a vlastnosťami sa tieto žiarenia od seba málo líšia, majú vysokú prenikavosť, priamosť šírenia a schopnosť vytvárať sekundárne a rozptýlené žiarenie v prostrediach, ktorými prechádzajú. Zatiaľ čo röntgenové lúče sa zvyčajne vyrábajú pomocou elektronického zariadenia, lúče y vyžarujú nestabilné alebo rádioaktívne izotopy.

Iné typy ionizujúceho žiarenia sú rýchlo sa pohybujúce častice hmoty (atóm), z ktorých niektoré nesú elektrický náboj, iné nie.

Neutróny sú jediné nenabité častice, ktoré vznikajú pri akejkoľvek rádioaktívnej transformácii, s hmotnosťou rovnajúcou sa hmotnosti protónu. Keďže tieto častice sú elektricky neutrálne, prenikajú hlboko do akejkoľvek látky, vrátane živých tkanív. Neutróny sú základné častice, ktoré tvoria jadrá atómov.

Pri prechode látkou interagujú iba s jadrami atómov, odovzdávajú im časť svojej energie a samy menia smer svojho pohybu. Jadrá atómov „vyskočia“ z elektrónového obalu a pri prechode látkou vytvárajú ionizáciu.

Elektróny sú ľahké, negatívne nabité častice, ktoré existujú vo všetkých stabilných atómoch. Elektróny sa veľmi často používajú pri rádioaktívnom rozpade hmoty a potom sa nazývajú p-častice. Dajú sa získať aj v laboratórnych podmienkach. Energia stratená elektrónmi pri prechode látkou sa vynakladá na excitáciu a ionizáciu, ako aj na tvorbu brzdného žiarenia.

Alfa častice sú jadrá atómov hélia, ktoré nemajú obiehajúce elektróny a skladajú sa z dvoch protónov a dvoch neutrónov spojených dohromady. Majú kladný náboj, sú pomerne ťažké, pri prechode látkou ionizujú látku s vysokou hustotou.

Častice alfa sú zvyčajne emitované počas rádioaktívneho rozpadu prírodných ťažkých prvkov (rádium, tórium, urán, polónium atď.).

Nabité častice (elektróny a jadrá atómov hélia), ktoré prechádzajú látkou, interagujú s elektrónmi atómov, pričom strácajú 35 a 34 eV. V tomto prípade sa jedna polovica energie minie na ionizáciu (oddelenie elektrónu od atómu) a druhá - na excitáciu atómov a molekúl média (prenos elektrónu do obalu vzdialenejšieho od jadra) .

Počet ionizovaných a excitovaných atómov vytvorených a-časticou na jednotku dĺžky dráhy v médiu je stokrát väčší ako počet p-častíc (tabuľka 5.1).

Tabuľka 5.1. Priebeh a- a b-častíc rôznych energií vo svalovom tkanive

Energia častíc, MeV	Počet najazdených kilometrov, μm	Energia častíc, MeV	Počet najazdených kilometrov, μm	Energia častíc, MeV	Počet najazdených kilometrov, μm
	—

Je to spôsobené tým, že hmotnosť a-častice je približne 7000-krát väčšia ako hmotnosť B-častice, preto je pri rovnakej energii jej rýchlosť oveľa menšia ako rýchlosť B-častice.

A-častice emitované pri rádioaktívnom rozpade majú rýchlosť asi 20 tisíc km/s, pričom rýchlosť B-častíc sa blíži rýchlosti svetla a je 200 ... 270 tisíc km/s. Je zrejmé, že čím nižšia je rýchlosť častice, tým väčšia je pravdepodobnosť jej interakcie s atómami média a v dôsledku toho väčšia strata energie na jednotku dráhy v médiu, čo znamená menší dosah. Zo stola. 5.1 vyplýva, že rozsah a-častíc vo svalovom tkanive je 1000-krát menší ako rozsah b-častíc rovnakej energie.

Ionizujúce žiarenie pri prechode živými organizmami odovzdáva svoju energiu biologickým tkanivám a bunkám nerovnomerne. Výsledkom je, že napriek malému množstvu energie absorbovanej tkanivami dôjde k výraznému poškodeniu niektorých buniek živej hmoty. Celkový účinok ionizujúceho žiarenia lokalizovaného v bunkách a tkanivách je uvedený v tabuľke. 5.2.

Tabuľka 5.2. Biologické pôsobenie ionizujúceho žiarenia

Povaha dopadu	Fázy expozície		Účinok nárazu
Priame pôsobenie žiarenia		10 -24 ... 10 -4 s 10 16 ... 10 8 s	Absorpcia energie. Počiatočné interakcie. Röntgenové žiarenie a y-žiarenie, neutróny Elektróny, protóny, a-častice
		10 -12 ... 10 -8 s	Fyzikálnochemické štádium. Prenos energie vo forme ionizácie pozdĺž primárnej trajektórie. Ionizované a elektronicky excitované molekuly
		10 7 ... 10 5 s, niekoľko hodín	Chemické poškodenie. S mojou činnosťou. Nepriama akcia. Voľné radikály z vody. Excitácia molekuly do tepelnej rovnováhy
Nepriame pôsobenie žiarenia		Mikrosekundy, sekundy, minúty, hodiny	Biomolekulárne poškodenie. Zmeny v molekulách bielkovín, nukleových kyselín pod vplyvom metabolických procesov
		Minúty, hodiny, týždne	Skoré biologické a fyziologické účinky. Biochemické poškodenie. Bunková smrť, smrť jednotlivých živočíchov
		Roky, storočia	Dlhodobé biologické účinky Pretrvávajúca dysfunkcia. Ionizujúce žiarenie Genetické mutácie, účinky na potomstvo. Somatické účinky: rakovina, leukémia, skrátená dĺžka života, smrť organizmu

Primárne radiačno-chemické zmeny v molekulách môžu byť založené na dvoch mechanizmoch: 1) priamom pôsobení, kedy daná molekula podlieha zmenám (ionizácia, excitácia) priamo pri interakcii so žiarením; 2) nepriame pôsobenie, kedy molekula energiu ionizujúceho žiarenia priamo neabsorbuje, ale prijíma ju prenosom z inej molekuly.

Je známe, že v biologickom tkanive 60 ... 70% hmoty tvorí voda. Zvážme preto rozdiel medzi priamymi a nepriamymi účinkami žiarenia na príklade ožiarenia vody.

Povedzme, že molekula vody je ionizovaná nabitou časticou, v dôsledku čoho stráca elektrón:

H20 -> H20 + e-.

Ionizovaná molekula vody reaguje s inou neutrálnou molekulou vody, čo vedie k vytvoreniu vysoko reaktívneho hydroxylového radikálu OH ":

H2O + H2O -> H3O + + OH *.

Odtrhnutý elektrón tiež veľmi rýchlo odovzdá energiu okolitým molekulám vody a vznikne vysoko excitovaná molekula vody H2O *, ktorá disociuje za vzniku dvoch radikálov H * a OH *:

H2O + e- -> H2O * H '+ OH'.

Voľné radikály obsahujú nepárové elektróny a sú mimoriadne reaktívne. Ich životnosť vo vode nie je dlhšia ako 10-5 s. Počas tejto doby sa buď navzájom rekombinujú, alebo reagujú s rozpusteným substrátom.

V prítomnosti kyslíka rozpusteného vo vode vznikajú ďalšie produkty rádiolýzy: voľné radikály hydroperoxidu HO2, peroxid vodíka H2O2 a atómový kyslík:

H*+02 -> H02;
HO * 2 + HO2 -> H202 +20.

V bunke živého organizmu je situácia oveľa komplikovanejšia ako pri ožarovaní vodou, najmä ak sú absorbujúcou látkou veľké a viaczložkové biologické molekuly. V tomto prípade vznikajú organické radikály D *, ktoré sa vyznačujú aj mimoriadne vysokou reaktivitou. S veľkým množstvom energie môžu ľahko rozbiť chemické väzby. Práve tento proces prebieha najčastejšie v intervale medzi tvorbou iónových párov a tvorbou finálnych chemických produktov.

Okrem toho sa biologický účinok zvyšuje vplyvom kyslíka. Vysoko reaktívny produkt DО2 * (D * + О2 -> DО2 *) vznikajúci v dôsledku interakcie voľného radikálu s kyslíkom tiež vedie k tvorbe nových molekúl v ožiarenom systéme.

Voľné radikály a molekuly oxidantov produkované v procese rádiolýzy vody, ktoré majú vysokú chemickú aktivitu, vstupujú do chemických reakcií s molekulami bielkovín, enzýmov a iných štruktúrnych prvkov biologického tkaniva, čo vedie k zmene biologických procesov v tele. V dôsledku toho sú metabolické procesy narušené, aktivita enzýmových systémov je potlačená, rast tkaniva sa spomaľuje a zastavuje, objavujú sa nové chemické zlúčeniny, ktoré nie sú charakteristické pre telo - toxíny. To vedie k narušeniu životných funkcií jednotlivých systémov alebo organizmu ako celku.

Chemické reakcie vyvolané voľnými radikálmi zahŕňajú do tohto procesu mnoho stoviek a tisícok molekúl, ktoré nie sú ovplyvnené žiarením. Toto je špecifikum pôsobenia ionizujúceho žiarenia na biologické objekty. Žiadny iný druh energie (tepelná, elektrická atď.) absorbovaná biologickým objektom v rovnakom množstve nevedie k takým zmenám, ktoré sú spôsobené ionizujúcim žiarením.

Nežiaduce radiačné účinky ožiarenia na ľudský organizmus sa bežne delia na somatické (soma - v gréčtine "telo") a genetické (dedičné).

Somatické účinky sa prejavujú priamo u samotného ožiareného človeka a genetické u jeho potomkov.

V priebehu posledných desaťročí človek vytvoril veľké množstvo umelých rádionuklidov, ktorých použitie je dodatočnou záťažou pre prirodzené radiačné pozadie Zeme a zvyšuje radiačnú dávku pre ľudí. Ionizujúce žiarenie, zamerané výlučne na mierové využitie, je však pre ľudí užitočné a dnes je ťažké určiť oblasť vedomostí alebo národného hospodárstva, ktorá nepoužíva rádionuklidy alebo iné zdroje ionizujúceho žiarenia. Začiatkom 21. storočia našiel „pokojný atóm“ svoje uplatnenie v medicíne, priemysle, poľnohospodárstve, mikrobiológii, energetike, vesmírnom prieskume a ďalších sférach.

Druhy žiarenia a interakcia ionizujúceho žiarenia s látkou

Využívanie jadrovej energie sa stalo životnou nevyhnutnosťou existencie modernej civilizácie a zároveň aj obrovskou zodpovednosťou, keďže je potrebné tento zdroj energie využívať čo najracionálnejšie a najšetrnejšie.

Užitočná vlastnosť rádionuklidov

V dôsledku rádioaktívneho rozpadu rádionuklid "dáva signál", čím určuje jeho polohu. Pomocou špeciálnych zariadení, ktoré zaznamenávajú signál z rozpadu dokonca aj jednotlivých atómov, sa vedci naučili používať tieto látky ako indikátory, ktoré pomáhajú skúmať rôzne chemické a biologické procesy v tkanivách a bunkách.

Druhy umelých zdrojov ionizujúceho žiarenia

Všetky umelé zdroje ionizujúceho žiarenia možno rozdeliť do dvoch typov.

• Lekárske - používa sa na diagnostiku chorôb (napríklad röntgenové a fluorografické zariadenia) a na vykonávanie rádioterapeutických postupov (napríklad jednotky radiačnej terapie na liečbu rakoviny). Medzi medicínske zdroje AI patria aj rádiofarmaceutické liečivá (rádioaktívne izotopy alebo ich zlúčeniny s rôznymi anorganickými alebo organickými látkami), ktoré možno použiť ako na diagnostiku chorôb, tak aj na ich liečbu.
• Priemyselné - umelé rádionuklidy a generátory:
  • v energetike (reaktory jadrových elektrární);
  • v poľnohospodárstve (na šľachtenie a štúdium účinnosti hnojív)
  • v obrannej sfére (palivo pre lode s jadrovým pohonom);
  • v stavebníctve (nedeštruktívne skúšanie kovových konštrukcií).

Podľa statických údajov bol objem výroby rádionuklidových produktov na svetovom trhu v roku 2011 12 miliárd dolárov a do roku 2030 sa očakáva šesťnásobné zvýšenie tohto čísla.