Vrste sevanja. Kakšno sevanje pripada fotonskemu sevanju

Sevanje elektromagnetno,

1) v klasični elektrodinamiki - postopek tvorbe prostega elektromagnetnega polja, ki se pojavi med interakcijo električno nabitih delcev (ali njihovih sistemov); v kvantni teoriji - postopek tvorjenja (oddajanja) fotonov, ko se stanje kvantnega sistema spremeni;

2) prosto elektromagnetno polje - elektromagnetni valovi.

Temelji klasične teorije sevanja - elektrodinamika - so bili postavljeni v prvi polovici 19. stoletja v delih M. Faradaya in J. C. Maxwella, ki sta razvila Faradayeve ideje in dala zakonom sevanja strogo matematično obliko. Iz Maxwellovih enačb je sledilo, da se elektromagnetni valovi v vakuumu v katerem koli referenčnem okviru širijo z isto hitrostjo - s svetlobno hitrostjo c \u003d 3 · 10 8 m / s. Maxwell-ova teorija je pojasnila številne fizikalne pojave, kombinirani optični, električni in magnetni pojavi so postali osnova elektrotehnike in radiotehnike, vendar je bilo več pojavov (na primer spektri atomov in molekul) mogoče razložiti šele po nastanku kvantne teorije sevanja, katere temelje je postavil M. Plath, A. Einstein, N. Bohr, P. Dirac in drugi. Teorija sevanja je bila v celoti utemeljena s kvantno elektrodinamiko, ki je bila zaključena v petdesetih letih prejšnjega stoletja v delih R.F.Feynmana, J. Schwingerja, F. Dysona in drugih.

Značilnosti procesa sevanja in prostega elektromagnetnega polja (intenzivnost sevanja, spekter sevanja, porazdelitev energije v njem, gostota toka sevalne energije itd.) So odvisne od lastnosti sevalnega nabitih delcev (ali sistema delcev) in pogojev njegove interakcije z električnim in / ali magnetnim poljem, kar vodi do sevanja. Torej, ko nabito delce preide skozi snov, se zaradi interakcije z atomi snovi spreminja hitrost delcev in oddaja tako imenovano bremsstrahlung sevanje (glej spodaj). Prosto elektromagnetno polje se glede na območje valovne dolžine λ imenuje radio emisija (glej Radio valovi), infrardeče sevanje, optično sevanje, ultravijolično sevanje, rentgensko sevanje, gama sevanje.

Elektromagnetno polje nabitih delcev, ki se giblje enakomerno in pravokotno v vakuumu na razdaljah, ki so daleč od njega, je zanemarljivo, in lahko rečemo, da se polje, ki ga zajame, giblje z njim z isto hitrostjo. Lastnosti takšnega notranjega polja nabitih delcev so odvisne od obsega in smeri njegove hitrosti in se ne spreminjajo, če je konstantna; takšen delček ne oddaja. Če se je hitrost naelektrenega delca spremenila (na primer v trčenju z drugim delcem), je notranje polje pred in po spremembi hitrosti drugačno - ko se hitrost spremeni, se notranje notranje polje preuredi tako, da se del le-te prekine in ni več povezan z nabitim delcem - postane prosto polje. Tako nastane elektromagnetno valovanje, ko se hitrost nabitih delcev spremeni; razlogi za spremembo hitrosti so različni, v skladu s tem nastajajo različne vrste sevanja (bremsstrahlung, magnetni bremsstrahlung itd.). Sevanje sistema delcev je odvisno od njegove strukture; lahko je analogna sevanju delca, predstavlja sevanje dipola (dipolno sevanje) ali multipola (večpolno sevanje).

Z uničevanjem elektrona in pozitrona (glej Uničenje in združevanje) nastane tudi prosto elektromagnetno polje (fotoni). Energija in zagon uničevalnih delcev sta ohranjena, to je, da se preneseta v elektromagnetno polje. To pomeni, da ima sevalno polje vedno energijo in zagon.

Elektromagnetni valovi, ki nastanejo v procesu sevanja, tvorijo tok energije, ki zapušča vir, katerega gostota je S (r, t) (Poyntingov vektor je energija, ki teče v enoti časa skozi enoto površine, pravokotno na tok) v času t na razdalji r od oddajajočega nabitnega delca sorazmerna z vektorski produkt jakosti magnetnega N (r, t) in električnega Е (r, t) polj:

Skupno energijo W, izgubljeno z napolnjenim delcem na enoto časa v procesu sevanja, lahko dobimo tako, da izračunamo tok energije skozi sfero neskončno velikega polmera r.

kjer je dΩ. je element v trdnem kotu, n je enota vektorja v smeri širjenja sevanja. Intrinzično polje sistema nabojev na velikih razdaljah se zmanjšuje z razdaljo hitrejšo od 1 / r, sevalno polje na velikih razdaljah od vira pa se zmanjša za 1 / r.

Skladnost izdajnikov. Gostota sevalnega toka, ki prihaja iz določenih točk v prostor iz dveh enakih virov, je sorazmerna z vektorskim produktom vsot električnih jakosti E 1 (r, t) in E 2 (r, t) ter magnetnih H 1 (r, t) in H 2 (r, t) polja elektromagnetnih valov iz virov 1 in 2:

Rezultat dodajanja dveh sinusnih ravninskih valov je odvisen od faz, v katerih prispejo na dano točko. Če sta fazi enaki, se polji E in H podvojita, energija polja pa se v določeni točki poveča za 4-krat v primerjavi z energijo polja iz enega vira. V primeru, da valovi iz dveh različnih virov prihajajo do detektorja z nasprotnimi fazami, navzkrižni produkti polj in [E 2 (r, t) H 1 (r, t)] v (3) izginejo. Posledično energija iz dveh oddajnikov prispe na dano točko dvakrat več kot iz enega oddajatelja. V primeru N-izdajnikov, valovi iz katerih prihajajo v dani točki v istih fazah, se bo energija povečala N 2-krat. Takšni izdajniki se imenujejo koherentni. Če so faze valov, ki prihajajo v detektor iz vsakega oddajnika, naključne, se polja iz različnih izdajnikov, ko jih dodamo na opazovalno točko, delno ugasnejo. Nato bo iz N virov detektor registriral energijo N-krat večjo kot iz enega vira. Takšni viri (in njihovo sevanje) se imenujejo nekoherentni. Sem spadajo skoraj vsi običajni viri svetlobe (plamen sveč, žarnice, fluorescenčne sijalke itd.); v njih so časi emisije vsakega atoma ali molekule (in s tem tudi faze, v katerih valovi njihovega sevanja pridejo do določene točke) naključni. Koherentni viri sevanja so laserji, v katerih se ustvarijo pogoji za istočasno oddajanje vseh atomov delovne snovi.

Reakcija sevanja. Emitovani nabiti delci izgubijo energijo, tako da v procesu sevanja nastane sila, ki deluje na delec, ki upočasni njegovo hitrost in se imenuje sila reakcije sevanja ali sila trenja sevanja. Pri nerelativističnih hitrostih nabitih delcev je sila reakcije sevanja vedno majhna, vendar lahko pri hitrostih, ki so blizu hitrosti svetlobe, igra glavno vlogo. Torej so v magnetnem polju Zemlje izgube energije zaradi sevanja visokoenergijskih kozmičnih žarkov tako velike, da elektroni ne morejo doseči zemeljske površine. Delci kozmičnih žarkov z enako energijo in večjo maso imajo manj energije zaradi sevanja kot elektroni in dosežejo zemeljsko površje. Iz tega sledi, da je sestava kozmičnih žarkov, posnetih na površini Zemlje in s satelita, lahko različna.

Koherenčna dolžina sevanja. Sevalni procesi pri nerelativistični in ultrarelativistični hitrosti napolnjenega delca se razlikujejo po velikosti območja prostora, kjer nastaja sevalno polje. V nerelativističnem primeru (ko je hitrost delcev v majhna) sevalno polje zapusti naboj s svetlobno hitrostjo in sevalni postopek hitro konča, velikost območja tvorbe sevanja (dolžina koherence) L je veliko manjša od valovne dolžine sevanja λ, L ~ λv / s. Če je hitrost delca blizu hitrosti svetlobe (pri relativističnih hitrostih), se nastalo sevalno polje in delček, ki ga je ustvaril, dlje časa gibljeta blizu drug drugega in se razhajata, potem ko je preletela dovolj dolgo pot. Oblikovanje sevalnega polja traja veliko dlje, dolžina L pa je veliko večja od valovne dolžine, L ~ λγ (kjer je γ \u003d -1/2 Lorentzov faktor delca).

Zaviralno sevanje nastane, ko se nabiti delci razkropijo z atomi snovi. Če je čas Δt, za katerega delček z nabojem e med sipanjem spremeni svojo hitrost iz v 1 v v 2, veliko manjši od časa nastajanja sevanja L / v, potem lahko spremembo hitrosti nabitih delcev štejemo za takojšnjo. Potem ima porazdelitev energije sevanja po kotih in krožnih frekvencah ω obliko:

Če pomnožimo ta izraz z verjetnostjo spreminjanja hitrosti delcev med razpršitvijo iz v 1 v v 2 in vključitvijo dobljenega izraza po vseh v 2, lahko dobimo porazdelitev energije bremsstrahlung po frekvencah in kotih (neodvisno od frekvence). Lažji delci se lažje odklonijo pri interakciji z atomom, zato je intenzivnost bremsstrahlunga obratno sorazmerna s kvadratom mase hitrih delcev. Bremsstrahlung je glavni razlog izgube energije relativističnih elektronov v snovi, ko je energija elektronov večja od določene kritične energije, ki je 83 MeV za zrak, 47 MeV za Al in 59 MeV za Pb.

Magnetni bremsstrahlung nastane, ko se nabito delce giblje v magnetnem polju, ki upogiba usmeritev svojega gibanja. V stalnem in enakomernem magnetnem polju je pot gibanja nabitih delcev mase m spiralo, to pomeni, da je sestavljeno iz enakomernega gibanja vzdolž smeri polja in vrtenja okoli njega s frekvenco ω H \u003d eH / γmc.

Frekvenca gibanja delca vodi do dejstva, da imajo valovi, ki jih oddaja, frekvence, ki so večkratne od ω H: ω \u003d Mω H, kjer je N \u003d 1,2,3 .... sevanje ultrarelativističnih delcev v magnetnem polju se imenuje sinhrotronsko sevanje. Ima širok spekter frekvenc z največjo vrednostjo pri ω reda ω H γ 3, glavni delež izžarene energije pa leži v frekvenčnem območju ω »ω H. Intervali med sosednjimi frekvencami so v tem primeru veliko manjši od frekvence, zato se porazdelitev frekvence v spektru sinhrotronskega sevanja lahko približno šteje za kontinuirano ... V frekvenčnem območju ω "ω H γ 3 se intenzivnost sevanja poveča s frekvenco kot ω 2/3, v frekvenčnem območju ω" ω H γ 3 pa se intenzivnost sevanja eksponentno zmanjšuje z naraščanjem frekvence. Sinhtronsko sevanje ima majhno kotno divergenco (reda l / γ) in visoko stopnjo polarizacije v ravnini orbite delcev. Magnetni bremsstrahlung pri nerelativističnih hitrostih nabitih delcev imenujemo ciklotronsko sevanje, njegova frekvenca je ω \u003d ω H.

Neodlučno sevanje nastane, ko se ultrarelativistično nabito delce premika z majhnimi prečnimi periodičnimi odkloni, na primer pri letenju v periodično spreminjajočem se električnem polju (takšno polje nastaja na primer v posebnih napravah - ventilatorjih). Frekvenca ω sevanja nevulatorja je povezana s frekvenco prečnih nihanj delca ω 0 glede na razmerje

kjer je θ kot med hitrostjo delca v in smerjo širjenja zračenja nevulatorja. Analog te vrste sevanja je sevanje, ki nastane med kanalizacijo nabitih delcev v posameznih kristalih, ko se delci, ki se gibljejo med sosednjimi kristalnimi ravninami, prečnejo vibracije zaradi interakcije z intrakristalnim poljem.

Vavilov - Čerenkovo \u200b\u200bsevanje opazimo, ko se nabito delce enakomerno premika v mediju s hitrostjo, ki presega fazno hitrost svetlobe c / ε 1/2 v mediju (ε je dielektrična konstanta medija). V tem primeru del lastnega polja delca zaostaja za njim in tvori elektromagnetne valove, ki se širijo pod kotom v smeri gibanja delca (glej Vavilova - Čerenkovo \u200b\u200bsevanje), ki je določena z enakostjo cos θ \u003d c / vε 1/2. Za odkritje in razlago te bistveno nove vrste sevanja, ki je našla široko uporabo za merjenje hitrosti nabitih delcev, so IE Tamm, IM Frank in PA Čerenkov prejeli Nobelovo nagrado (1958).

Prehodno sevanje (predvidela sta V. L. Ginzburg in I. M. Frank leta 1946) nastane pri enakomernem pravokotnem gibanju nabitih delcev v prostoru z nehomogenimi dielektričnimi lastnostmi. Najpogosteje nastane, ko delček prečka vmesnik dveh medijev z različnimi dielektričnimi konstantami (pogosto sevanje šteje za prehodno; glej prehodno sevanje). Vsebinsko polje delca, ki se giblje s konstantno hitrostjo, je v različnih medijih drugačno, tako da se na vmesniku med medijem zgodi preureditev notranjega polja, kar vodi do sevanja. Prehodno sevanje ni odvisno od mase hitrega delca, njegova intenzivnost ni odvisna od hitrosti delca, temveč od njegove energije, kar omogoča, da se na njegovi osnovi ustvarijo edinstvene natančne metode za registracijo delcev ultravisoke energije.

Difrakcijsko sevanje nastane med letom nabitih delcev v vakuumu blizu površine snovi, ko se lastno polje delca spremeni zaradi njegove interakcije s površinskimi nehomogenostmi. Difrakcijsko sevanje se uspešno uporablja za preučevanje površinskih lastnosti snovi.

Sevanje iz sistemov nabitih delcev.

Najenostavnejši sistem, ki lahko seva, je električni dipol s spremenljivim dipolnim momentom - sistem dveh nasprotno nabitih nihajnih delcev. Ko se polje dipola na primer spremeni, ko delci vibrirajo, se vzdolž črte, ki jih povezuje (os dipola) drug proti drugemu, del polja prekine in nastanejo elektromagnetni valovi. Takšno sevanje je ne izotropno, njegova energija v različnih smereh ni enaka: največja je v smeri, pravokotni na os nihaj delcev in je odsotna v pravokotni smeri, pri vmesnih smereh je njena intenzivnost sorazmerna s sinθ 2 (θ je kot med smerjo sevanja in osjo nihanja delcev). Pravi izdajniki so praviloma sestavljeni iz velikega števila nasprotno nabitih delcev, vendar je pogosto upoštevanje njihove lokacije in podrobnosti gibanja daleč od sistema nepomembno; v tem primeru je mogoče poenostaviti resnično porazdelitev tako, da podobne naboje "povlečete" na nekatera središča razdelitve nabojev. Če je sistem kot celota električno nevtralen, lahko njegovo sevanje približno štejemo za sevanje električnega dipola.

Če ni nobenega dipolnega sevanja sistema, ga je mogoče predstavljati kot kvadrupol ali bolj zapleten sistem - multipol. Ko se naboji premikajo, v njem nastane električno četveropolno ali večpolno sevanje. Viri sevanja so lahko tudi sistemi, ki so magnetni dipoli (na primer vezje s tokom) ali magnetni multipol. Intenzivnost magnetnega dipolnega sevanja je praviloma (v / s) 2-krat manjša od intenzitete električnega dipolnega sevanja in je enakega reda velikosti kot električno četveropolno sevanje.

Kvantna teorija sevanja. Kvantna elektrodinamika upošteva sevalne procese v kvantnih sistemih (atomi, molekule, atomska jedra itd.), Katerih obnašanje je v skladu z zakoni kvantne mehanike; v tem primeru je prosto elektromagnetno polje predstavljeno kot niz kvantov tega polja - fotonov. Energija fotona E je sorazmerna z njeno frekvenco v (v \u003d ω / 2π), torej E \u003d hv (h je Planckova konstanta), moment p pa je sorazmeren z valovnim vektorjem k: p \u003d hk. Emisijo fotona spremlja kvantni prehod sistema iz stanja z energijo E 1 v stanje z nižjo energijo E 2 \u003d E 1 - hv (od energijske ravni E 1 do stopnje E 2). Energija vezanega kvantnega sistema (na primer atoma) je kvantizirana, torej jemlje le diskretne vrednosti; frekvence sevanja takega sistema so prav tako diskretne. Tako sevanje kvantnega sistema sestavlja ločene spektralne črte z določenimi frekvencami, to je, da ima diskretni spekter. Nenehni (neprekinjeni) spekter sevanja dobimo v primeru, ko je eno (ali oboje) zaporedja vrednosti začetne in končne energije sistema, v katerem se pojavi kvantni prehod, neprekinjeno (na primer med rekombinacijo prostega elektrona in iona).

Kvantna elektrodinamika je omogočala izračun intenzivnosti sevanja različnih sistemov, upoštevanje verjetnosti neradiacijskih prehodov, procesov prenosa sevanja, izračun tako imenovanih popravkov sevanja in drugih značilnosti sevanja kvantnih sistemov.

Vsa stanja atoma, razen zemeljskega stanja (stanja z minimalno energijo), ki se imenujejo vzbujena, so nestabilna. Ker je v njih, atom po določenem času (približno 10–8 s) spontano odda foton; takšno sevanje imenujemo spontano ali spontano. Značilnosti spontane emisije atoma - smer širjenja, intenzivnost, polarizacija - niso odvisne od zunanjih pogojev. Nabor valovnih dolžin sevanja je za atom vsakega kemičnega elementa individualen in predstavlja njegov atomski spekter. Glavno sevanje atoma je dipolno sevanje, ki se lahko zgodi le s kvantnimi prehodi, ki jih dovoljujejo izbirna pravila za električne dipolske prehode, torej z določenimi razmerji med značilnostmi (kvantnimi števili) začetnega in končnega stanja atoma. Lahko nastane tudi večpolno sevanje atoma (tako imenovane prepovedane črte), vendar je verjetnost prehodov, na katerih se pojavi, majhna, njegova intenzivnost pa je praviloma majhna. Sevanje atomskih jeder se pojavi med kvantnimi prehodi med nivoji jedrske energije in je določeno z ustreznimi izbirnimi pravili.

sevanje različnih molekul, pri katerih se pojavljajo vibracijski in rotacijski gibi njihovih sestavnih nabitih delcev, ima zapletene spektre z elektronsko-vibracijsko-rotacijsko strukturo (glej Molekularni spektri).

Verjetnost oddajanja fotona z zagonom hk in energijo hv je sorazmerna (n k + 1), kjer je n k število popolnoma enakih fotonov v sistemu pred trenutkom oddajanja. Pri n k \u003d 0 pride do spontane emisije; če je n k ≠ 0, se pojavi tudi stimulirana emisija. Vzpostavljeni foton za stimulirano emisijo ima v nasprotju s spontanim enako smer širjenja, frekvenco in polarizacijo kot foton zunanjega sevanja; intenziteta stimulirane emisije je sorazmerna s številom fotonov zunanjega sevanja. Obstoj stimuliranega sevanja je leta 1916 predpostavil A. Einstein, ki je izračunal verjetnost stimuliranega sevanja (glej Einsteinove koeficiente). V normalnih pogojih je verjetnost (in posledično intenzivnost) stimulirane emisije majhna, vendar se v kvantnih generatorjih (laserjih) za povečanje n k delovna snov (emiter) postavi v optične resonatorje, ki v bližini omejujejo fotone zunanjega sevanja. Vsak foton, ki ga oddaja snov, poveča n k, zato intenzivnost sevanja z danim k hitro narašča pri nizki intenzivnosti sevanja fotonov z vsemi drugimi k. Kot rezultat se izkaže, da je kvantni generator vir stimuliranega sevanja z zelo ozkim pasom vrednosti v in k - koherentnim sevanjem. Polje takšnega sevanja je zelo intenzivno, lahko postane po velikosti primerljivo z intramolekularnimi polji, interakcija sevanja kvantnega generatorja (lasersko sevanje) s snovjo pa postane nelinearna (glejte Nelinearna optika).

Sevanje različnih predmetov vsebuje podatke o njihovi zgradbi, lastnostih in procesih, ki se v njih dogajajo; njegova študija je močan in pogosto edini (na primer za kozmična telesa) način njihovega preučevanja. Teorija sevanja igra posebno vlogo pri oblikovanju sodobne fizične slike sveta. V procesu konstrukcije te teorije je nastala teorija relativnosti, kvantna mehanika, nastali so novi viri sevanja, narejeni so bili številni napredki na področju radiotehnike, elektronike itd.

Lit .: Akhiezer A.I., Berestetskiy V. B. Kvantna elektrodinamika. 4. izd. M., 1981; Landau L. D., Lifshits E. M. Teorija polja. 8. izd. M., 2001; Tamm I.E.Osnove teorije elektrike. 11. izd. M., 2003.

Monoenergetsko ionizirajoče sevanje- ionizirajoče sevanje, sestavljeno iz fotonov iste energije ali delcev iste vrste z isto kinetično energijo.

Mešano ionizirajoče sevanje- ionizirajoče sevanje, sestavljeno iz različnih vrst delcev ali delcev in fotonov.

Usmerjeno ionizirajoče sevanjeionizirajoče sevanje z namensko smerjo širjenja.

Naravno ozadje ozadja- ionizirajoče sevanje, ki ga ustvarjajo kozmično sevanje in sevanje naravnih radioaktivnih snovi v naravi (na Zemljini površini, v prizemlju, hrani, vodi, v človeškem telesu itd.)

Ozadje - ionizirajoče sevanje, sestavljeno iz naravnega ozadja in ionizirajočega sevanja iz tujih virov.

Kozmično sevanje- ionizirajoče sevanje, ki je sestavljeno iz primarnega sevanja, ki prihaja iz vesolja, in sekundarnega sevanja, ki je posledica interakcije primarnega sevanja z atmosfero.

Ozek žarek sevanja- takšno geometrijo sevanja, pri kateri detektor registrira samo nerazpršeno sevanje vira.

Širok snop sevanja- takšna geometrija sevanja, pri kateri detektor registrira nerazpršeno in razpršeno sevanje iz vira.

Ionizirajoče sevalno polje- prostorsko-časovna porazdelitev ionizirajočega sevanja v obravnavanem okolju.

Tok ionizirajočih delcev (fotoni)- razmerje števila ionizirajočih delcev (fotonov) dN, ki v časovnem intervalu dt prehajajo skozi dano površino, na ta interval: F \u003d dN / dt.

Pretok energije delcev- razmerje med energijo vpadlih delcev in časovnim intervalom Ψ \u003d d… / dt.

Gostota toka ionizirajočih delcev (fotoni)- razmerje toka ionizirajočih delcev (fotonov) dF

ki prodira v prostornino elementarne krogle, na območje osrednjega prereza dS te krogle: φ \u003d dF / dS \u003d d 2 N / dtdS. (Gostota energijskega toka delcev je določena podobno).

Vpliv (prenos) ionizirajočih delcev (fotonov)je razmerje števila ionizirajočih delcev (fotonov) dN, ki prodirajo v prostornino elementarne krogle, na območje osrednjega prereza dS te krogle: Ф \u003d dN / dS.

Energetski spekter ionizirajočih delcev- porazdelitev ionizirajočih delcev po njihovi energiji. Učinkovita energija fotonaje energija fotona takega monoenergetskega fotona

sevanja, katerega relativna oslabitev v absorberju določene sestave in določene debeline je enaka kot pri obravnavanem ne-monoenergetskem fotonskem sevanju.

Mejna energija spektraβ-sevanje - največja energija β-delcev v neprekinjenem energijskem spektru β-sevanja določenega radionuklida.

Albedo sevanja- razmerje med številom delcev (fotonov), odsevanim od vmesnika dveh medijev, in števila delcev (fotonov), ki se pojavljajo na vmesniku.

Zakasnjene emisije: delci, ki jih oddajajo produkti razpada, v nasprotju z delci (nevtroni in gama žarki), ki nastanejo neposredno v času cepitve.

Ionizacija v plinih:ločitev od molekule atoma ali plina enega ali več elektronov. Kot posledica ionizacije se v plinu pojavijo nosilci prostega naboja (elektroni in ioni) in pridobi sposobnost vodenja električnega toka.

Izraz "sevanje" zajema obseg elektromagnetnih valov, vključno z vidnim spektrom, infrardečimi in ultravijoličnimi območji, pa tudi radijske valove, električni tok in ionizirajoče sevanje. Vsa različnost teh pojavov je posledica le frekvence (valovne dolžine) sevanja. Ionizirajoče sevanje je lahko nevarno za zdravje ljudi. IN onizirno sevanje(sevanje) - vrsta sevanja, ki spremeni fizično stanje atomov ali atomska jedra in jih pretvori v električno napolnjene ione ali produkte jedrskih reakcij. V določenih okoliščinah lahko prisotnost takih ionov ali produktov jedrskih reakcij v telesnih tkivih spremeni potek procesov v celicah in molekulah, in ko se ti dogodki kopičijo, lahko moti potek bioloških reakcij v telesu, tj. predstavljajo nevarnost za zdravje ljudi.

2. VRSTE RADIJACIJE

Razlikujemo med telesnim sevanjem, sestavljenim iz delcev z maso, ki ni nič, in elektromagnetnim (fotonskim) sevanjem.

2.1. Korpuskularno sevanje

Korpuskularno ionizirajoče sevanje vključuje alfa sevanje, elektronsko, protonsko, nevtronsko in mezonsko sevanje. Korpuskularno sevanje, sestavljeno iz toka nabitih delcev (α-, β-delcev, protonov, elektronov), katerih kinetična energija zadostuje za ionizacijo atomov pri

trčenje, spada v razred neposredno ionizirajočega sevanja. Nevtroni in drugi osnovni delci ne ionizirajo neposredno, vendar v procesu interakcije s medijem sproščajo nabito delce (elektrone, protone), ki lahko ionizirajo atome in molekule medija, skozi katerega prehajajo.

V skladu s tem se korpuskularno sevanje, sestavljeno iz toka nepopolnjenih delcev, imenuje posredno ionizirajoče sevanje.

Slika 1 Shema razpada 212 Bi.

2.1.1 Alfa sevanje

Delci alfa (α - delci) - jedra helijevega atoma, ki jih med α - razpadejo nekateri radioaktivni atomi. α - delec je sestavljen iz dveh protonov in dveh nevtronov.

Alfa sevanje je pretok helijevih jeder (pozitivno nabiti in

relativno težki delci).

Naravno alfa sevanje kot posledica radioaktivnega razpada jedra je značilno za nestabilna jedra težkih elementov, začenši z atomskim številom več kot 83, tj. za naravne radionuklide urana in torija, pa tudi za umetno pridobljene transuranijeve elemente.

Tipična shema α-razpada naravnega radionuklida je prikazana na sliki 1, energijski spekter α-delcev, ki nastane med razpadom radionuklida, pa je prikazan v

Slika 2

Slika 2 Energetski spekter α-delcev

Možnost α-razpada je povezana z dejstvom, da je masa (in s tem celotna energija ionov) α-radioaktivnega jedra večja od vsote mas α-delca in hčerinskega jedra, ki nastane po α-razpadu. Odvečna energija prvotnega (materinskega) jedra se sprosti v obliki kinetične energije α-delca in ponovnega vračanja hčerinskega jedra. α-delci so pozitivno nabiti helijevega jedra - 2 He4 in letijo iz jedra s hitrostjo 15-20 tisoč km / sek. Na svoji poti proizvajajo močno ionizacijo okolja,

odtrgavanje elektronov z orbitov atomov.

Razpon α-delcev v zraku je približno 5-8 cm, v vodi - 30-50 mikronov, v kovinah - 10-20 mikronov. Med ionizacijo z α-žarki se v snovi opazijo kemične spremembe in moti se kristalna struktura trdnih snovi. Ker med delcem α in jedrom obstaja elektrostatična odbojnost, je verjetnost jedrskih reakcij pod delovanjem α-delcev naravnih radionuklidov (največja energija 8,78 MeV y214 Po) zelo majhna in jo opazimo le na svetlobnih jedrih (Li, Be, B, C, N, Na, Al) s tvorbo radioaktivnih izotopov in prostih nevtronov.

2.1.2 Protonsko sevanje

Protonsko sevanje- sevanje, ki nastane pri spontanem razpadu atomskih jeder z pomanjkanjem nevtronov ali kot izhodni snop pospeševalca ionov (na primer sinhrofazotoron).

2.1.3 Nevtronsko sevanje

Nevtronsko sevanje -tok nevtronov, ki pretvorijo svojo energijo v elastične in neelastične interakcije z jedri in atomi. Z neelastičnimi interakcijami nastane sekundarno sevanje, ki je lahko sestavljeno iz nabitih delcev in gama kvant (gama sevanje). Pri elastičnih interakcijah je možna običajna ionizacija snovi.

Viri nevtronskega sevanja so: spontano cepljenje radionuklidov; posebej izdelani radionuklidni nevtronski viri; pospeševalci elektronov, protonov, ionov; jedrski reaktorji; kozmično sevanje.

S stališča biološkegaNevtroni nastajajo v jedrskih reakcijah (v jedrskih reaktorjih in v drugih industrijskih in laboratorijskih napravah, pa tudi v jedrskih eksplozijah).

Nevtroni nimajo električnega naboja. Običajno se nevtroni, odvisno od kinetične energije, delijo na hitre (do 10 MeV), superhitre, vmesne, počasne in termične. Nevtronsko sevanje ima visoko prodorno moč. Počasni in toplotni nevtroni vstopajo v jedrske reakcije, zato lahko nastanejo stabilni ali radioaktivni izotopi.

Prosti nevron je nestabilen, električno nevtralen delec z naslednjim

lastnosti:

	Polnjenje (e-naboj elektronov)			qn \u003d (-0,4 ± 1,1) 10–21 e
					939.56533 ± 0.00004 MeV,
	v atomskih enotah			1.00866491578 ± 0.00000000055 amu
	Razlika med masami nevtrona in protona			mn - mp \u003d 1,2933318 ± 0,0000005 MeV,
	v atomskih enotah			0,0013884489 ± 0,0000000006 amu
	Življenska doba			tn \u003d 885,4 ± 0,9stat ± 0,4 s s
	Magnetni trenutek			mn \u003d -1,9130427 ± 0,0000005 mN
	Električni dipolni moment			dn< 0,63·10-25 e ·см (CL=90%)
	Električna polarizabilnost
				an \u003d (	) 10–3 fm 3

Te lastnosti nevtrona omogočajo uporabo na eni strani kot predmet, ki se preučuje, na drugi strani pa kot orodje, s katerim se izvajajo raziskave. V prvem primeru se preučijo edinstvene lastnosti nevtrona, kar je relevantno in omogoča najzanesljivejše in natančnejše določanje temeljnih parametrov elektroakutne interakcije in s tem bodisi potrditev bodisi ovrženje standardnega modela. Prisotnost magnetnega trenutka v nevtronu že kaže na njegovo kompleksno strukturo, tj. njegova "neelementarnost". V drugem primeru interakcija nepolariziranih in polariziranih nevtronov različnih energij z jedri omogoča njihovo uporabo v fiziki jeder in elementarnih delcev. Preučevanje učinkov kršitve prostorske paritete in invarirance glede na časovni obrat v različnih procesih - od nevtronske optike do cepitve jeder z nevtroni - nikakor ni popoln seznam najnujnejših raziskovalnih področij.

Dejstvo, da imajo toplotni reaktorski nevtroni valovne dolžine, primerljive z interatomskimi razdaljami v materiji, je nepogrešljivo orodje za preučevanje kondenzirane snovi. Interakcija nevtronov z atomi je razmeroma šibka, kar omogoča, da nevtroni prodrejo dovolj globoko v materijo - to je njihova pomembna prednost pred rentgenom in γ-žarki ter snopi nabitih delcev. zaradi prisotnosti mase imajo nevtroni v istem zagonu (torej pri isti valovni dolžini) bistveno manj energije kot rentgenski in γ-žarki, in ta energija se izkaže za primerljivo z energijo toplotnih vibracij atomov in molekul v materiji, zaradi česar lahko študija ne samo povprečna statična atomska zgradba snovi, ampak tudi dinamični procesi, ki se v njej dogajajo. Prisotnost magnetnega trenutka v nevtronih omogoča njihovo uporabo za preučevanje magnetne strukture in magnetnih vzbujanj snovi, kar je zelo pomembno za razumevanje lastnosti in narave magnetizma materialov.

Razpršitev nevtronov po atomih je predvsem posledica jedrskih sil, zato preseki njihovega koherentnega sipanja nikakor niso povezani z atomskim številom (v nasprotju z rentgenskimi in γ-žarki). Zato obsevanje materialov z nevtroni omogoča razlikovanje položajev atomov lahkih (vodik, kisik itd.) Elementov, katerih identifikacija je z uporabo rentgenskih in γ-žarkov skoraj nemogoča. Zaradi tega se nevtroni uspešno uporabljajo pri preučevanju bioloških predmetov, v znanosti o materialih, medicini in drugih področjih. Poleg tega razlika v presekih razkroja nevtronov za različne izotope omogoča ne le razlikovanje elementov s podobnimi atomskimi številkami v materialu, temveč tudi preučevanje njihove izotopske sestave. Prisotnost izotopov z negativno amplitudo koherentnega sipanja daje edinstveno priložnost za kontrastiranje preučenega medija, ki se prav tako zelo pogosto uporablja v biologiji in medicini.

Koherentno raztresenost- razprševanje sevanja z ohranjanjem frekvence in s fazo, ki se razlikuje za π od faze primarnega sevanja. Razpršeni val lahko moti incidentni val ali druge skladno razpršene valove.

Beta, gama.

Kako nastajajo?

Vse zgoraj naštete vrste sevanja so produkt propadanja izotopov preprostih snovi. Atomi vseh elementov so sestavljeni iz jedra in elektronov, ki se vrtijo okoli njega. Jedro je sto tisočkrat manjše od celotnega atoma, vendar je zaradi izredno visoke gostote njegova masa skoraj enaka celotni masi celotnega atoma. Jedro vsebuje pozitivno nabite delce - protone in nevtrone brez električnega naboja. Tako tisti kot drugi so med seboj zelo tesno povezani. Po številu protonov v jedru določimo, kam točno ta atom spada, na primer - 1 proton v jedru je vodik, 8 protonov - kisik, 92 protonov - uran. v atomu ustreza številu protonov v njenem jedru. Vsak elektron ima negativni električni naboj, ki je enak naboju protona, zato je atom kot celota nevtralen.

Tisti atomi, ki imajo jedra z enakim številom protonov, vendar se razlikujejo po številu nevtronov, so različice ene kemične snovi in \u200b\u200bse imenujejo njeni izotopi. Da bi jih nekako razlikovali, se številu pripiše simbol, ki označuje element, to je vsota vseh delcev, ki se nahajajo v jedru tega izotopa. Na primer, jedro elementa urana-238 vključuje 92 protonov, 146 nevtronov, uran-235 pa tudi 92 protonov, vendar je že nevtronov 143. Večina izotopov je nestabilnih. Na primer, uran-238, katerega vezi med protoni in nevtroni so v jedru, ki so zelo šibke, prej ali slej pa se bo kompaktna skupina, sestavljena iz para nevtronov in para protonov, ločila od nje, ki uran-238 pretvori v drug element - torij-234, ki je tudi nestabilen element, katerih jedro vsebuje 144 nevtronov in 90 protonov. Njen razpad bo nadaljeval verigo transformacij, ki bodo ustavile nastanek svinčevega atoma. Med vsakim od teh razpadov se sprošča energija, kar povzroča različne vrste

Za poenostavitev situacije lahko na ta način opišemo pojav različnih vrst jeder, ki jih sestavljajo par nevtronov in par protonov, beta žarki izhajajo iz elektrona. In obstajajo situacije, ko se izotop tako vzburja, da ga izhod delca popolnoma ne stabilizira, nato pa v enem delu odvrže presežek čiste energije, temu procesu rečemo gama sevanje. Takšne vrste sevanja kot gama žarki in podobni rentgenski žarki nastajajo brez izpustov materialnih delcev. Čas, ki traja, da polovica vseh atomov katerega koli določenega izotopa razpade v katerem koli radioaktivnem viru, imenujemo razpolovna doba. Proces atomske transformacije je neprekinjen, njegova aktivnost pa je ocenjena s številom razpadov, ki so se zgodili v eni sekundi in se meri v bekerelih (1 atom v eni sekundi).

Za različne vrste sevanja je značilno sproščanje različnih količin energije, različna pa je tudi njihova prodorna sposobnost, zato drugače vplivajo tudi na tkiva živih organizmov.

Alfa sevanje, ki je tok težkih delcev, lahko ujame celo list papirja, ne more prodreti v plast mrtvih povrhnjic. Ni nevarno, dokler snovi, ki oddajajo delce alfa, ne vstopijo v telo skozi rane ali skozi hrano in / ali vdihani zrak. Takrat postanejo izjemno nevarni.

Beta sevanje lahko prodre 1-2 centimetra v tkiva živega organizma.

Gama žarki, ki potujejo s svetlobno hitrostjo, so najbolj nevarni in jih lahko ustavi le debela plošča iz svinca ali betona.

Vse vrste sevanja so sposobne povzročiti škodo živemu organizmu in čim več jih bo energije preneslo v tkiva.

V različnih nesrečah na jedrskih objektih in med vojaškimi operacijami z uporabo jedrskega orožja je pomembno upoštevati škodljive dejavnike, ki vplivajo na telo kot celoto. Poleg očitnih fizičnih vplivov na človeka škodujejo tudi različne vrste elektromagnetnega sevanja.

Danes se pogovorimo o tem, kaj je sevanje v fiziki. Pogovorimo se o naravi elektronskih prehodov in podajmo elektromagnetno lestvico.

Božanstvo in atom

Struktura snovi je postala predmet zanimanja znanstvenikov pred več kot dva tisoč leti. Starogrški filozofi so se spraševali, kako se zrak razlikuje od ognja, zemlja pa od vode, zakaj je marmor bel, premog pa črn. Ustvarili so zapletene sisteme soodvisnih komponent, se med seboj ovrgli ali podprli. In najbolj nerazumljivi pojavi, na primer udarec strele ali sončni vzhod, so pripisali delovanju bogov.

Nekoč je opazoval korake templja, ko je več let opazoval enega znanstvenika: vsaka noga, ki stoji na kamnu, odnese droben delček snovi. Sčasoma je marmor spremenil obliko, ki se je na sredini zasukal. Ime tega znanstvenika je Leucippus in imenoval je najmanjše atome delcev, nedeljive. To je bil začetek poti do preučevanja, kaj je sevanje v fiziki.

Velika noč in svetloba

Potem so prišli temni časi, znanost je bila opuščena. Vsi, ki so poskušali preučiti sile narave, so poimenovali čarovnice in čarovnice. Toda nenavadno je, da je nadaljnji razvoj znanosti spodbudila religija. Raziskovanje, kaj je sevanje v fiziki, se je začelo z astronomijo.

Čas praznovanja velike noči je bil v teh dneh vsakokrat izračunan na različne načine. Zapleten sistem odnosov med navadnim enakonočjem, 26-dnevnim lunarnim ciklom in 7-dnevnim tednom več kot nekaj let ni omogočal sestavljanja tabel z datumi za praznovanje velike noči. Toda cerkev je morala vse načrtovati vnaprej. Zato je papež Leo X ukazal sestaviti natančnejše tabele. To je zahtevalo skrbno opazovanje gibanja lune, zvezd in sonca. In na koncu je Nikolaus Kopernik spoznal: Zemlja ni ravna in ni središče vesolja. Planet je krogla, ki se vrti okoli sonca. Luna je krogla, ki kroži okoli Zemlje. Seveda bi se človek lahko vprašal: "Kaj ima vse to veze s sevanjem v fiziki?" Odprimo zdaj.

Ovalni in snop

Pozneje je Kepler sistem Kopernika dopolnil z ugotovitvijo, da se planeti gibljejo po ovalni orbiti in je to gibanje neenakomerno. Toda prav tisti prvi korak je v človeštvo vzbudil zanimanje za astronomijo. In tu ni bilo daleč do vprašanj: "Kaj je zvezda?", "Zakaj ljudje vidijo njene žarke?" in "Kako se ena zvezda razlikuje od druge?" Toda najprej se morate premakniti od ogromnih predmetov do najmanjših. In potem pridemo do sevanja, koncepta v fiziki.

Atom in rozine

Konec devetnajstega stoletja se je nabralo dovolj znanja o najmanjših kemičnih enotah snovi - atomov. Znano je bilo, da so električno nevtralni, vendar vsebujejo tako pozitivno kot negativno nabiti elemente.

Bilo je veliko predpostavk: oboje, da se pozitivni naboji porazdelijo v negativno polje, kot rozine v zvitku, in da je atom kapljica različno napolnjenih tekočih delov. A vse je bilo pojasnjeno z izkušnjami Rutherforda. Dokazal je, da je v središču atoma pozitivno težko jedro, okoli njega pa se nahajajo lahki negativni elektroni. In konfiguracija lupin za vsak atom je različna. Tu ležijo posebnosti sevanja v fiziki elektronskih prehodov.

Bor in orbita

Ko so znanstveniki ugotovili, da so svetlobni negativni deli atoma elektroni, se je postavilo drugo vprašanje - zakaj ne padejo na jedro. Dejansko po Maxwellovi teoriji vsak gibljivi naboj izgubi energijo. Toda atomi obstajajo tako dolgo kot vesolje in se ne bodo uničili. Na pomoč mu je priskočil Bor. Postavljal je, da so elektroni v določenih stacionarnih orbitah okoli atomskega jedra in so lahko le na njih. Prehod elektrona med orbito poteka v sunku z absorpcijo ali oddajanjem energije. Ta energija je lahko na primer kvant svetlobe. Pravzaprav smo zdaj predstavili definicijo sevanja v fiziki delcev.

Vodik in fotografija

Fotografska tehnologija je bila prvotno zamišljena kot komercialni projekt. Ljudje so želeli ostati več stoletij, a vsi si niso mogli privoščiti, da bi umetnika naročili portret. A fotografije so bile poceni in niso zahtevale tako velike naložbe. Nato je umetnost stekla in srebrovega nitrata postavila vojaške zadeve v njeno službo. In potem je znanost začela izkoriščati materiale, občutljive na svetlobo.

Najprej so bili odvzeti spektri. Že dolgo je znano, da vroč vodik oddaja posebne linije. Razdalja med njima je sledila določenemu zakonu. Toda spekter helija je bil bolj zapleten: vseboval je isti niz linij kot vodik in še enega. Druga serija ni več upoštevala zakona, ki izhaja za prvo serijo. Tu je priskočila na pomoč Bohrova teorija.

Izkazalo se je, da je v vodikovem atomu le en elektron in se lahko premika iz vseh višje vzbujenih orbitov v eno spodnjo. To je bila prva serija vrstic. Težji atomi so bolj zapleteni.

Objektiv, rešetka, spekter

Tako je bil postavljen začetek uporabe sevanja v fiziki. Spektralna analiza je ena najmočnejših in zanesljivejših metod za določanje sestave, količine in strukture snovi.

1. Elektronski spekter emisij vam bo povedal, kaj je v objektu in kolikšen je delež določene komponente. To metodo uporabljajo popolnoma vsa področja znanosti: od biologije in medicine do kvantne fizike.
2. Absorpcijski spekter vam bo povedal, kateri ioni in na katerih položajih so v rešetki trdne snovi.
3. Rotacijski spekter bo pokazal, kako daleč so molekule znotraj atoma, koliko in katere vezi ima vsak element.

In področja uporabe elektromagnetnega sevanja in ne štejejo:

• radijski valovi raziskujejo strukturo zelo oddaljenih predmetov in črevesje planetov;
• toplotno sevanje bo povedalo o energiji procesov;
• vidna svetloba vam bo povedala, v katerih smereh ležijo najsvetlejše zvezde;
• ultravijolični žarki kažejo, da potekajo visokoenergijski interakcije;
• rentgenski spekter sam omogoča ljudem, da preučujejo strukturo snovi (vključno s človeškim telesom), prisotnost teh žarkov v vesoljskih objektih pa bo znanstvenike obvestila, da je v teleskopu žarišče nevtronske zvezde, supernove ali črne luknje.

Črno telo

Vendar obstaja poseben odsek, ki preučuje, kaj je v fiziki toplotno sevanje. Za razliko od atomske ima toplotna emisija svetlobe stalen spekter. In najboljši modelni model za izračune je absolutno črno telo. To je predmet, ki "ujame" vso svetlobo, ki pade nanjo, vendar je ne sprosti nazaj. Nenavadno oddaja črno telo, največja valovna dolžina pa bo odvisna od temperature modela. V klasični fiziki je toplotno sevanje povzročilo paradoks. Izkazalo se je, da mora vsaka segreta stvar oddajati več in več energije, dokler njena energija v ultravijoličnem območju ne uniči vesolja.

Max Planck je uspel razrešiti paradoks. V formulo sevanja je vnesel novo količino, kvant. Ne da bi mu dal posebnega fizičnega pomena, je odprl ves svet. Kvantizacija količin je zdaj osnova sodobne znanosti. Znanstveniki so spoznali, da so polja in pojavi sestavljeni iz nedeljivih elementov, kvant. To je vodilo do globljih raziskav materije. Sodobni svet na primer spada v polprevodnike. Prej je bilo vse preprosto: kovina vodi tok, druge snovi so dielektriki. In snovi, kot sta silikon in germanij (samo polprevodniki), se v odnosu do električne energije obnašajo nerazumljivo. Da bi se naučili nadzirati njihove lastnosti, je bilo potrebno ustvariti celotno teorijo in izračunati vse možnosti p-n prehodov.

Ionizirajoče sevanje je skupek različnih vrst mikro delcev in fizikalnih polj, ki imajo sposobnost ionizacije snovi, torej tvorbe v njej električno nabitih delcev - ionov.

ODDELEK III. UPRAVLJANJE VARNOSTI ŽIVLJENJA IN EKONOMSKI MEHANIZMI NJEGOVE PODPORE

Obstaja več vrst ionizirajočega sevanja: alfa, beta, gama sevanje in nevtronsko sevanje.

Alfa sevanje

Pri nastajanju pozitivno nabitih alfa delcev sodelujeta 2 protona in 2 nevtrona, ki sta del helijinih jeder. Delci alfa nastanejo med razpadom atomskega jedra in imajo lahko začetno kinetično energijo od 1,8 do 15 MeV. Značilnosti alfa sevanja so visoka ionizirajoča in nizka penetracijska moč. Ko se alfa delci premikajo zelo hitro, se njihova energija izgubi in to povzroči dejstvo, da ni dovolj niti za premagovanje tankih plastičnih površin. Na splošno zunanja izpostavljenost alfa delcem, če ne upoštevate visokoenergijskih alfa delcev, pridobljenih s pomočjo pospeševalnika, ne predstavlja nobene škode za človeka, vendar pa je penetracija delcev v telo lahko nevarna za zdravje, saj alfa radionuklidi Imajo dolgo razpolovno dobo in so visoko ionizirani. Ko jih zaužijemo, so alfa delci pogosto celo nevarnejši od beta in gama sevanja.

Beta sevanje

Napolnjeni beta delci, katerih hitrost je blizu svetlobne hitrosti, nastajajo kot posledica razpada beta. Beta žarki imajo večjo prodorno moč kot alfa žarki - lahko povzročijo kemične reakcije, luminiscenco, ionizirajoče pline in vplivajo na fotografske plošče. Za zaščito pred pretokom nabitih beta delcev (z energijo ne več kot 1 MeV) bo dovolj uporaba običajne aluminijaste plošče debeline 3-5 mm.

Fotonsko sevanje: gama sevanje in rentgenski žarki

Fotonsko sevanje vključuje dve vrsti sevanja: rentgenske žarke (lahko so bremsstrahlung in značilne) in gama sevanje.

Najpogostejša vrsta fotonskega sevanja je zelo velika energija ultrazimalnih valovnih dolžin gama delcev, ki so tok visokoenergijskih neobremenjenih fotonov. Za razliko od alfa in beta žarkov se gama delci ne odbijajo z magnetnimi in električnimi polji in imajo bistveno večjo prodorno moč. V določenih količinah in v določenem času izpostavljenosti gama sevanje lahko povzroči sevalno bolezen in vodi do pojava različnih onkoloških bolezni. Le tako težki kemični elementi, kot so na primer svinec, osiromašeni uran in volfram, lahko preprečijo širjenje toka gama delcev.

Nevtronsko sevanje

Jedrske eksplozije, jedrski reaktorji, laboratorijske in industrijske naprave so lahko vir nevtronskega sevanja.

Sam nevtroni so električno nevtralni, nestabilni (razpolovni čas prostega nevtrona je približno 10 minut) delci, ki jih zaradi dejstva, da nimajo naboja, odlikuje visoka prodorna sposobnost s šibko stopnjo interakcije s snovjo. Nevtronsko sevanje je zelo nevarno, zato se za zaščito pred njim uporabljajo številni posebni materiali, ki vsebujejo vodik. Najboljše od tega je, da nevtronsko sevanje absorbirajo navadna voda, polietilen, parafin in tudi raztopine hidroksidov težkih kovin.

Kako ionizirajoče sevanje vpliva na snovi?

Vse vrste ionizirajočega sevanja v različnih stopnjah vplivajo na različne snovi, vendar je najbolj izrazito pri gama delcih in nevtronih. Torej lahko s podaljšano izpostavljenostjo bistveno spremenijo lastnosti različnih materialov, spremenijo kemično sestavo snovi, ionizirajo dielektrike in uničujejo vpliv na biološka tkiva. Naravno sevanje ozadja človeku ne bo prineslo posebne škode, vendar je treba biti pri ravnanju z umetnimi viri ionizirajočega sevanja zelo previden in sprejeti vse potrebne ukrepe, da čim bolj zmanjšamo stopnjo izpostavljenosti telesu.

Vrste ionizirajočega sevanja in njihove lastnosti

Ionizirajoče sevanje imenujemo tokovi delcev in elektromagnetni kvanti, zaradi njihovega delovanja na medij nastajajo ioni z različnim nabojem.

Različne vrste sevanja spremljajo sproščanje določene količine energije in imajo različno penetracijsko sposobnost, zato imajo drugačen vpliv na telo. Največjo nevarnost za človeka predstavlja radioaktivno sevanje, kot so y-, rentgensko, nevtronsko, a- in b-sevanje.

X-žarki in y-žarki so tokovi kvantne energije. Gama sevanje ima krajše valovne dolžine kot rentgenski žarki. Po svoji naravi in \u200b\u200blastnostih se ta sevanja malo razlikujejo med seboj, imajo visoko prodorno sposobnost, naravnost širjenja in sposobnost ustvarjanja sekundarnega in razpršenega sevanja v medijih, skozi katere prehajajo. Kljub temu, da se rentgenski žarki običajno proizvajajo z elektronskim aparatom, y-žarki oddajajo nestabilne ali radioaktivne izotope.

Druge vrste ionizirajočega sevanja so hitro premikajoči se delci snovi (atoma), od katerih nekateri nosijo električni naboj, drugi pa ne.

Nevtroni so edini nepolnjeni delci, ki nastanejo pri kateri koli radioaktivni pretvorbi, z maso, enako maso protona. Ker so ti delci električno nevtralni, prodrejo globoko v katero koli snov, vključno z živimi tkivi. Nevtroni so osnovni delci, ki sestavljajo jedra atomov.

Ko prehajajo skozi materijo, le-ti posegajo le v jedra atomov, nanje prenašajo del svoje energije in sami spreminjajo smer svojega gibanja. Jedra atomov "skočijo" iz elektronske lupine in skozi snov proizvajajo ionizacijo.

Elektroni so lahki, negativno nabiti delci, ki obstajajo v vseh stabilnih atomih. Med radioaktivnim razpadanjem snovi se elektroni zelo pogosto uporabljajo, potem pa jih imenujemo p-delci. Pridobiti jih je mogoče tudi v laboratorijskih pogojih. Energija, ki jo elektroni izgubijo pri prehajanju skozi materijo, se porabi za vzbujanje in ionizacijo, pa tudi za tvorbo bremsstrahlung.

Delci alfa so jedra helijevih atomov, brez orbitalnih elektronov, sestavljena iz dveh protonov in dveh nevtronov, ki sta vezana skupaj. Imajo pozitiven naboj, so razmeroma težki, ko skozi snov ionizirajo snov z visoko gostoto.

Običajno se med radioaktivnim razpadanjem naravnih težkih elementov (radija, torija, urana, polonija itd.) Oddajajo a-delci.

Napolnjeni delci (elektroni in jedra helijevih atomov), ki gredo skozi snov, medsebojno delujejo z elektroni atomov, pri čemer izgubijo 35 in 34 eV. V tem primeru se polovica energije porabi za ionizacijo (ločitev elektrona od atoma), druga pa za vzbujanje atomov in molekul medija (prenos elektrona v lupino dlje od jedra).

Število ioniziranih in vzbujenih atomov, ki jih tvori delček na enoto dolžine poti v mediju, je stokrat večja od števila p-delcev (tabela 5.1).

Tabela 5.1. Potek delcev a in b različnih energij v mišičnem tkivu

Energija delcev, MeV	Kilometrina, μm	Energija delcev, MeV	Kilometrina, μm	Energija delcev, MeV	Kilometrina, μm
	—

To je posledica dejstva, da je masa a-delca približno 7000-krat večja od mase B-delca, zato je pri isti energiji njegova hitrost veliko manjša od mase B-delca.

Delci a, ki se oddajajo med radioaktivnim razpadom, imajo hitrost približno 20 tisoč km / s, medtem ko je hitrost b-delcev blizu hitrosti svetlobe in je 200 ... 270 tisoč km / s. Očitno je, da je manjša hitrost delca, večja je verjetnost njegove interakcije z atomi medija in posledično večje izgube energije na enoto poti v mediju, kar pomeni manjši razpon. S mize. 5.1 sledi, da je razpon a-delcev v mišičnem tkivu 1000-krat manjši od razpona B-delcev iste energije.

Ko ionizirajoče sevanje prehaja skozi žive organizme, svojo energijo neenakomerno prenaša v biološka tkiva in celice. Zaradi tega se bodo nekatere celice žive snovi kljub majhni količini energije, ki jo absorbirajo tkiva, znatno poškodovale. Skupni učinek ionizirajočega sevanja, lokaliziranega v celicah in tkivih, je predstavljen v tabeli. 5.2.

Tabela 5.2. Biološko delovanje ionizirajočega sevanja

Narava vpliva	Stopnje izpostavljenosti		Učinek učinka
Neposredno delovanje sevanja		10 -24 ... 10 -4 s 10 16 ... 10 8 s	Absorpcija energije. Začetne interakcije. X-žarki in y-sevanje, nevtroni Elektroni, protoni, a-delci
		10 -12 ... 10 -8 s	Fizikalno-kemijska stopnja. Prenos energije v obliki ionizacije po primarni poti. Ionizirane in elektronsko vzburjene molekule
		10 7 ... 10 5 s, več ur	Kemična škoda. Z mojim dejanjem. Posredno ukrepanje. Prosti radikali iz vode. Vzbujanje molekule v toplotnem ravnovesju
Posredno delovanje sevanja		Mikrosekunde, sekunde, minute, ure	Biomolekularne poškodbe. Spremembe molekul beljakovin, nukleinskih kislin pod vplivom presnovnih procesov
		Minute, ure, tedni	Zgodnji biološki in fiziološki učinki. Biokemična škoda. Celična smrt, smrt posameznih živali
		Leta, stoletja	Dolgotrajni biološki učinki Trajno moteno delovanje. Ionizirajoče sevanje Genske mutacije, učinki na potomce. Somatski učinki: rak, levkemija, skrajšana življenjska doba, smrt telesa

Primarne sevalno-kemijske spremembe molekul lahko temeljijo na dveh mehanizmih: 1) neposrednem delovanju, ko se določena molekula v interakciji z sevanjem podvrže spremembam (ionizacija, vzbujanje); 2) posredno delovanje, ko molekula ne absorbira neposredno ionizirajočega sevanja energije, ampak jo prejme s prenosom iz druge molekule.

Znano je, da je 60 ... 70% mase v biološkem tkivu voda. Zato razmislimo o razliki med neposrednimi in posrednimi učinki sevanja na primeru obsevanja vode.

Recimo, da molekula vode ionizira nabit delček, zaradi česar izgubi elektron:

H2O -\u003e H20 + e -.

Ionizirana molekula vode reagira z drugo nevtralno molekulo vode, kar ima za posledico nastanek visoko reaktivnega hidroksilnega radikala OH ":

H2O + H2O -\u003e H3O + + OH *.

Iztrgani elektron prav tako zelo hitro prenaša energijo na okoliške molekule vode in nastane zelo vznemirjena molekula vode H2O *, ki se disociira s tvorbo dveh radikalov, H * in OH *:

H2O + e- -\u003e H2O * H '+ OH'.

Prosti radikali vsebujejo neparne elektrone in so izjemno reaktivni. Njihova življenjska doba v vodi ne presega 10-5 s. V tem času bodisi se kombinirajo med seboj ali reagirajo z raztopljenim substratom.

Ob prisotnosti kisika, raztopljenega v vodi, nastajajo tudi drugi produkti radiolize: prosti radikal hidroperoksida HO2, vodikov peroksid H2O2 in atomski kisik:

H * + O2 -\u003e HO2;
HO * 2 + HO2 -\u003e H2O2 +20.

V celici živega organizma je položaj veliko bolj zapleten kot v primeru obsevanja vode, še posebej, če je absorbcijska snov velika in večkomponentne biološke molekule. V tem primeru nastanejo organski radikali D *, za katere je značilna tudi izjemno visoka reaktivnost. Z veliko količino energije zlahka prekinejo kemične vezi. Ta postopek se najpogosteje pojavi v intervalu med tvorbo ionskih parov in tvorbo končnih kemičnih produktov.

Poleg tega se biološki učinek poveča z vplivom kisika. Močno reaktiven produkt DO2 * (D * + О2 -\u003e DO2 *), ki nastane kot posledica interakcije prostega radikala s kisikom, vodi tudi do nastanka novih molekul v obsevanem sistemu.

Prosti radikali in oksidacijske molekule, ki nastanejo v procesu radiolize vode, ki imajo visoko kemijsko aktivnost, vstopijo v kemijske reakcije z molekulami beljakovin, encimi in drugimi strukturnimi elementi biološkega tkiva, kar vodi v spremembo bioloških procesov v telesu. Posledično so moteni presnovni procesi moteni, aktivnost encimskih sistemov je potlačena, rast tkiv upočasnjena in ustavi, pojavijo se nove kemične spojine, ki niso značilne za telo - toksini. To vodi do motenj vitalnih funkcij posameznih sistemov ali organizma kot celote.

Kemične reakcije, ki jih sprožijo prosti radikali, vključujejo v ta postopek več sto in tisoč molekul, na katere sevanje ne vpliva. To je posebnost delovanja ionizirajočega sevanja na biološke predmete. Nobena druga vrsta energije (toplotna, električna itd.), Ki jo biološki objekt absorbira v enaki količini, ne vodi do takšnih sprememb, ki jih povzroča ionizirajoče sevanje.

Neželene učinke izpostavljenosti sevanju na človeško telo običajno delimo na somatske (soma - "telo" v grščini) in genetske (dedne).

Somatični učinki se kažejo neposredno pri obsevani osebi, genetski učinki pa na njegove potomce.

V zadnjih desetletjih je človek ustvaril veliko število umetnih radionuklidov, katerih uporaba predstavlja dodatno obremenitev naravnega sevalnega ozadja Zemlje in povečuje odmerek sevanja za ljudi. Vendar je ionizirajoče sevanje, namenjeno izključno miroljubni uporabi, koristno za človeka, danes pa je težko navesti področje znanja ali nacionalno gospodarstvo, ki ne uporablja radionuklidov ali drugih virov ionizirajočega sevanja. Do začetka 21. stoletja je mirni atom našel svojo uporabo v medicini, industriji, kmetijstvu, mikrobiologiji, energetiki, vesoljskem raziskovanju in drugih sferah.

Vrste sevanja in interakcije ionizirajočega sevanja s snovjo

Uporaba jedrske energije je postala življenjska nuja za obstoj sodobne civilizacije in hkrati velika odgovornost, saj je treba ta vir energije uporabljati čim bolj racionalno in previdno.

Uporabna lastnost radionuklidov

Zaradi radioaktivnega razpada radionuklid "odda signal" in s tem določi njegovo lokacijo. S pomočjo posebnih naprav, ki beležijo signal iz razpada celo posameznih atomov, so se znanstveniki naučili uporabljati te snovi kot indikatorje za pomoč pri raziskovanju različnih kemijskih in bioloških procesov v tkivih in celicah.

Vrste tehnoloških virov ionizirajočega sevanja

Vse umetne vire ionizirajočega sevanja lahko razdelimo na dve vrsti.

• Medicinsko - uporablja se tako za diagnosticiranje bolezni (na primer rentgenskih in fluorografskih aparatov) kot za izvajanje postopkov radioterapije (na primer radioterapevtske enote za zdravljenje raka). Med medicinske vire AI spadajo tudi radiofarmacevtska zdravila (radioaktivni izotopi ali njihove spojine z različnimi anorganskimi ali organskimi snovmi), ki jih lahko uporabimo tako za diagnosticiranje bolezni kot za njihovo zdravljenje.
• Industrijski umetni radionuklidi in generatorji:
  • v elektrotehniki (reaktorji jedrskih elektrarn);
  • v kmetijstvu (za vzrejo in preučevanje učinkovitosti gnojil)
  • na obrambnem področju (gorivo za ladje z jedrskim pogonom);
  • v gradbeništvu (nedestruktivno testiranje kovinskih konstrukcij).

Po statičnih podatkih je bil obseg proizvodnje radionuklidnih izdelkov na svetovnem trgu v letu 2011 12 milijard dolarjev, do leta 2030 pa naj bi se ta številka povečala šestkrat.