Виды радиационного излучения. Какой вид излучений относится к фотонному излучению

ИЗЛУЧЕНИЕ электромагнитное,

1) в классической электродинамике - процесс образования свободного электромагнитного поля, происходящий при взаимодействии электрически заряженных частиц (или их систем); в квантовой теории - процесс рождения (испускания) фотонов при изменении состояния квантовой системы;

2) свободное электромагнитное поле - электромагнитные волны.

Основы классической теории излучения - электродинамики - заложены в 1-й половине 19 века в работах М. Фарадея и Дж. К. Максвелла, который развил идеи Фарадея, придав законам излучения строгую математическую форму. Из Максвелла уравнений следовало, что электромагнитные волны в вакууме в любой системе отсчёта распространяются с одной скоростью - со скоростью света с = 3·10 8 м/с. Теория Максвелла объяснила многие физические явления, объединила оптические, электрические и магнитные явления, стала основой электротехники и радиотехники, но ряд явлений (например, спектры атомов и молекул) удалось объяснить только после создания квантовой теории излучения, основы которой заложили М. Плат, А. Эйнштейн, Н. Бор, П. Дирак и др. Полное обоснование теория излучения получила в квантовой электродинамике, которая была завершена в 1950-х годах в работах Р. Ф. Фейнмана, Дж. Швингера, Ф. Дайсона и др.

Характеристики процесса излучения и свободного электромагнитного поля (интенсивность излучения, спектр излучения, распределение в нём энергии, плотность потока энергии излучения и др.) зависят от свойств излучающей заряженной частицы (или системы частиц) и условий взаимодействия её с электрическими и/или магнитными полями, приводящего к излучению. Так, при прохождении заряженной частицы в веществе в результате взаимодействия с атомами вещества скорость частицы изменяется и она испускает так называемое тормозное излучение (смотри ниже). Свободное электромагнитное поле в зависимости от диапазона длин волн λ называют радиоизлучением (смотри Радиоволны), инфракрасным излучением, оптическим излучением, ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, гамма-излучением.

Электромагнитное поле равномерно и прямолинейно движущейся в вакууме заряженной частицы на далёких от неё расстояниях пренебрежимо мало, и можно сказать, что увлекаемое ею поле движется вместе с ней с той же скоростью. Свойства такого собственного поля заряженной частицы зависят от величины и направления её скорости и не меняются, если она постоянна; такая частица не излучает. Если скорость заряженной частицы изменилась (например, при столкновении с другой частицей), то собственное поле до и после изменения скорости различно - при изменении скорости собственное поле перестраивается так, что часть его отрывается и уже не связана с заряженной частицей - становится свободным полем. Т.о., образование электромагнитных волн происходит при изменении скорости заряженной частицы; причины изменения скорости разнообразны, в соответствии с этим возникают различные типы излучения (тормозное, магнитотормозное и т. п.). Излучение системы частиц зависит от её структуры; оно может быть аналогично излучению частицы, представлять собой излучения диполя (дипольное излучение) или мультиполя (мультипольное излучение).

При аннигиляции электрона и позитрона (смотри Аннигиляция и рождение пар) также образуется свободное электромагнитное поле (фотоны). Энергия и импульс аннигилирующих частиц сохраняются, т. е. передаются электромагнитному полю. Это означает, что поле излучения всегда обладает энергией и импульсом.

Образовавшиеся в процессе излучения электромагнитные волны образуют поток уходящей от источника энергии, плотность которого S(r,t) (Пойнтинга вектор - энергия, протекающая за единицу времени через единичную поверхность, перпендикулярную потоку) в момент времени t на расстоянии r от излучающей заряженной частицы пропорциональна векторному произведению напряжённостей магнитного Н(r,t) и электрического Е(r,t) полей:

Полную энергию W, теряемую заряженной частицей за единицу времени в процессе излучения, можно получить, вычислив поток энергии через сферу бесконечно большого радиуса r.

где dΩ. - элемент телесного угла, n - единичный вектор в направлении распространения излучения Собственное поле системы зарядов на далёких расстояниях убывает с расстоянием быстрее, чем 1/r, а поле излучения на больших расстояниях от источника убывает как 1/r.

Когерентность излучателей. Плотность потока излучения, приходящего в определённую точку пространства от двух одинаковых источников, пропорциональна векторному произведению сумм напряжённостей электрических E 1 (r, t) и Е 2 (r, t) и магнитных Н 1 (r,t) и Н 2 (r,t) полей электромагнитных волн от источников 1 и 2:

Результат сложения двух синусоидальных плоских волн зависит от фаз, в которых они приходят в данную точку. Если фазы одинаковы, то поля Е и Н удваиваются, а энергия поля в данной точке увеличивается в 4 раза по сравнению с энергией поля от одного источника. В том случае, когда волны от двух разных источников приходят к детектору с противоположными фазами, перекрёстные произведения полей и [Е 2 (r,t)Н 1 (r,t)]в(3) обращаются в нуль. В результате от двух излучателей в данную точку приходит энергия вдвое большая, чем от одного излучателя. В случае N излучателей, волны от которых приходят в данную точку в одинаковых фазах, энергия увеличится в N 2 раз. Такие излучатели называются когерентными. Если же фазы приходящих к детектору волн от каждого излучателя случайные, то поля от разных излучателей при сложении в точке наблюдения частично погашаются. Тогда от N источников детектор зарегистрирует энергию в N раз большую, чем от одного источника. Такие источники (и их излучения) называют некогерентными. К ним относятся практически все обычные источники света (пламя свечи, лампы накаливания, люминесцентные лампы и т.п.); в них моменты времени высвечивания каждого атома или молекулы (и, соответственно, фазы, в которых приходят в определённую точку волны их излучения) случайны. Когерентными источниками излучения являются лазеры, в которых создаются условия для одновременного высвечивания всех атомов рабочего вещества.

Реакция излучения. Излучающая заряженная частица теряет энергию, так что в процессе излучения создаётся действующая на частицу сила, замедляющая её скорость и называемая силой реакции излучения или силой радиационного трения. При нерелятивистских скоростях заряженных частиц сила реакции излучения всегда мала, но при скоростях, близких к скорости света, она может играть основную роль. Так, в магнитном поле Земли потери энергии на излучения электронов космических лучей, обладающих высокой энергией, столь велики, что электроны не могут долететь до поверхности Земли. У частиц космических лучей с такой же энергией и большей массой потери энергии на излучения меньше, чем у электронов, и они долетают до поверхности Земли. Отсюда следует, что состав космических лучей, регистрируемый на поверхности Земли и с ИСЗ, может быть различен.

Длина когерентности излучения. Процессы излучения при нерелятивистских и ультрарелятивистских скоростях заряженной частицы различаются размерами области пространства, где формируется поле излучения. В нерелятивистском случае (когда скорость v частицы невелика) поле излучения уходит от заряда со скоростью света и процесс излучения заканчивается быстро, размер области формирования излучения (длина когерентности) L намного меньше длины волны излучения λ, L~λv/с. Если же скорость частицы близка к скорости света (при релятивистских скоростях), образовавшееся поле излучения и создавшая его частица движутся долгое время вблизи друг друга и расходятся, пролетев достаточно большой путь. Формирование поля излучения продолжается много дольше, и длина L много больше длины волны, L~λγ (где γ= -1/2 - лоренц-фактор частицы).

Тормозное излучение возникает при рассеянии заряженной частицы на атомах вещества. Если время Δt за которое частица с зарядом е при рассеянии изменяет скорость от v 1 до v 2 , много меньше времени формирования излучения L/v, то изменение скорости заряженной частицы можно считать мгновенным. Тогда распределение энергии излучения по углам и круговым частотам ω имеет вид:

Умножив это выражение на вероятность изменения скорости частицы при рассеянии от v 1 до v 2 и проинтегрировав полученное выражение по всем v 2 , можно получить распределение энергии тормозного излучения по частотам и углам (не зависящее от частоты). Более лёгкие частицы легче отклоняются при взаимодействии с атомом, поэтому интенсивность тормозного излучения обратно пропорциональна квадрату массы быстрой частицы. Тормозное излучение - основная причина потерь энергии релятивистских электронов в веществе в том случае, когда энергия электрона больше некоторой критической энергии, составляющей для воздуха 83 МэВ, для Al - 47 МэВ, для РЬ -59 МэВ.

Магнитотормозное излучение возникает при движении заряженной частицы в магнитном поле, искривляющем траекторию её движения. В постоянном и однородном магнитом поле траектория движения заряженной частицы массой m представляет собой спираль, т. е. складывается из равномерного движения вдоль направления поля и вращения вокруг него с частотой ω Н = еН/γmс.

Периодичность движения частицы приводит к тому, что излучаемые ею волны имеют частоты, кратные ω Н: ω = Мω Н, где N=1,2,3 ... . излучения ультрарелятивистских частиц в магнитном поле называется синхротронным излучением. Оно имеет широкий спектр частот с максимумом при ω порядка ω Н γ 3 и основная доля излучённой энергии лежит в области частот ω » ω Н. Интервалы между соседними частотами в этом случае много меньше частоты, поэтому распределение частот в спектре синхротронного излучения можно приближённо считать непрерывным. В области частот ω « ω Н γ 3 интенсивность излучения растёт с частотой как ω 2/3 , а в области частот ω » ω Н γ 3 интенсивность излучения экспоненциально убывает с ростом частоты. Синхротронное излучение имеет малую угловую расходимость (порядка l/γ) и высокую степень поляризации в плоскости орбиты частицы. Магнитотормозное излучение при нерелятивистских скоростях заряженных частиц называют циклотронным излучением, его частота ω = ω Н.

Ондуляторное излучение возникает при движении ультрарелятивистской заряженной частицы с малыми поперечными периодическими отклонениями, например при пролёте в периодически меняющемся электрическом поле (такое поле формируется, например, в специальных устройствах - ондуляторах). Частота ω ондуляторного излучения связана с частотой поперечных колебаний ω 0 частицы соотношением

где θ- угол между скоростью частицы v и направлением распространения ондуляторного излучения. Аналог этого типа излучения - излучение, возникающее при каналировании заряженных частиц в монокристаллах, когда движущаяся между соседними кристаллическими ографическими плоскостями частица испытывает поперечные колебания вследствие взаимодействия с внутрикристаллическим полем.

Излучение Вавилова - Черенкова наблюдается при равномерном движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света с/ε 1/2 в среде (ε - диэлектрическая проницаемость среды). В этом случае часть собственного поля частицы отстаёт от неё и формирует электромагнитные волны, распространяющиеся под углом к направлению движения частицы (смотри Вавилова - Черенкова излучение), который определяется равенством cos θ = с/vε 1/2 . За открытие и объяснение этого принципиально нового вида излучения, нашедшего широкое применение для измерения скорости заряженных частиц, И. Е. Тамму, И. М. Франку и П. А. Черенкову присуждена Нобелевская премия (1958).

Переходное излучение (предсказанное В. Л. Гинзбургом и И. М. Франком в 1946) возникает при равномерном прямолинейном движении заряженной частицы в пространстве с неоднородными диэлектрическими свойствами. Наиболее часто оно формируется при пересечении частицей границы раздела двух сред с различными диэлектрическими проницаемостями (часто именно это излучение считают переходным; смотри Переходное излучение). Собственное поле движущейся с постоянной скоростью частицы в разных средах различно, так что на границе раздела сред происходит перестройка собственного поля, приводящая к излучению. Переходное излучение не зависит от массы быстрой частицы, его интенсивность зависит не от скорости частицы, а от её энергии, что позволяет создавать на его основе уникальные точные методы регистрации частиц сверхвысоких энергий.

Дифракционное излучение возникает при пролёте заряженной частицы в вакууме вблизи поверхности вещества, когда собственное поле частицы изменяется вследствие его взаимодействия с неоднородностями поверхности. Дифракционное излучение успешно применяется для изучения поверхностных свойств вещества.

Излучение систем заряженных частиц.

Простейшая система, которая может излучать, - диполь электрический с переменным дипольным моментом - система из двух разноимённо заряженных колеблющихся частиц. При изменении поля диполя, например при колебаниях частиц, вдоль соединяющей их прямой (оси диполя) навстречу друг другу, часть поля отрывается, и формируются электромагнитные волны. Такое излучение неизотропно, его энергия в различных направлениях неодинакова: максимальна в направлении, перпендикулярном оси колебаний частиц, и отсутствует в перпендикулярном направлении, для промежуточных направлений его интенсивность пропорциональна sinθ 2 (θ - угол между направлением излучения и осью колебания частиц). Реальные излучатели, как правило, состоят из большого числа разноимённо заряженных частиц, но часто учёт их расположения и детали движения вдали от системы несущественны; в этом случае, возможно упростить истинное распределение, «стянув» одноимённые заряды к некоторым центрам распределения зарядов. Если система в целом электронейтральна, то её излучение приближённо можно считать излучением электрического диполя.

Если дипольное излучение системы отсутствует, то её можно представить как квадруполь или более сложную систему - мультиполь. При движении зарядов в ней возникает электрическое квадрупольное или мультипольное излучение. Источниками излучения могут быть также системы, которые представляют собой магнитные диполи (например, контур с током) или магнитные мультиполи. Интенсивность магнитного дипольного излучения, как правило, в (v/с) 2 раз меньше интенсивности электрического дипольного излучения и одного порядка с электрическим квадрупольным излучением.

Квантовая теория излучения. Квантовая электродинамика рассматривает процессы излучения квантовыми системами (атомами, молекулами, атомными ядрами и др.), поведение которых подчиняется законам квантовой механики; при этом свободное электромагнитное поле представляют как совокупность квантов этого поля - фотонов. Энергия фотона Е пропорциональна его частоте v (v = ω/2π), то есть Е=hv (h - постоянная Планка), а импульс р - волновому вектору k: р = hk. Излучение фотона сопровождается квантовым переходом системы из состояния с энергией E 1 в состояние с меньшей энергией Е 2 =E 1 - hv (с уровня энергии E 1 на уровень Е 2). Энергия связанной квантовой системы (например, атома) квантована, т. е. принимает лишь дискретные значения; частоты излучения такой системы тоже дискретны. Таким образом, излучение квантовой системы состоит из отдельных спектральных линий с определёнными частотами, т. е. имеет дискретный спектр. Непрерывный (сплошной) спектр излучения получается в том случае, когда одна (или обе) из последовательностей значений начальной и конечной энергий системы, в которой происходит квантовый переход, непрерывна (например, при рекомбинации свободного электрона и иона).

Квантовая электродинамика позволила вычислять интенсивности излучения различных систем, рассматривать вероятности безызлучательных переходов, процессы переноса излучения, рассчитывать так называемые радиационные поправки и другие характеристики излучения квантовых систем.

Все состояния атома, кроме основного (состояния с минимальной энергией), называемые возбуждёнными, неустойчивы. Находясь в них, атом через определённое время (порядка 10 -8 с) самопроизвольно испускает фотон; такое излучение называется спонтанным или самопроизвольным. Характеристики спонтанного излучения атома - направление распространения, интенсивность, поляризация - не зависят от внешних условий. Набор длин волн излучения индивидуален для атома каждого химического элемента и представляет его атомный спектр. Основным излучением атома является дипольное излучение, которое может происходить только при квантовых переходах, разрешённых отбора правилами для электрических дипольных переходов, то есть при определённых соотношениях между характеристиками (квантовыми числами) начального и конечного состояний атома. Мультипольное излучение атома (так называемые запрещённые линии) при определённых условиях также может возникать, но вероятность переходов, при которых оно происходит, мала, и его интенсивность, как правило, невелика. Излучение атомных ядер происходит при квантовых переходах между ядерными уровнями энергии и определяется соответствующими правилами отбора.

излучение различных молекул, в которых происходят колебательные и вращательные движения составляющих их заряженных частиц, имеет сложные спектры, обладающие электронно-колебательно-вращательной структурой (смотри Молекулярные спектры).

Вероятность испускания фотона с импульсом hk и энергией hv пропорциональна (n k + 1), где n k - число точно таких же фотонов в системе до момента испускания. При n k = 0 происходит спонтанное излучение, если n k ≠ 0, появляется также вынужденное излучение. Фотон вынужденного излучения, в отличие от спонтанного, обладает таким же направлением распространения, частотой и поляризацией, что и фотон внешнего излучения; интенсивность вынужденного излучения пропорциональна числу фотонов внешнего излучения. Существование вынужденного излучения постулировал в 1916 году А. Эйнштейн, который рассчитал вероятность вынужденного излучения (смотри Эйнштейна коэффициенты). В обычных условиях вероятность (и, следовательно, интенсивность) вынужденного излучения мала, однако в квантовых генераторах (лазерах) для увеличения n k рабочее вещество (излучатель) помещают в оптические резонаторы, удерживающие фотоны внешнего излучения вблизи него. Каждый испущенный веществом фотон увеличивает n k , поэтому интенсивность излучения с данным k быстро растёт при малой интенсивности излучения фотонов со всеми другими k. В результате квантовый генератор оказывается источником вынужденного излучения с очень узкой полосой значений v и k - когерентного излучения. Поле такого излучения очень интенсивно, может стать сравнимым по величине с внутримолекулярными полями, и взаимодействие излучения квантового генератора (лазерного излучения) с веществом становится нелинейным (смотри Нелинейная оптика).

Излучение различных объектов несёт информацию об их структуре, свойствах и процессах, происходящих в них; его исследование - мощный и часто единственный (например, для космических тел) способ их изучения. Теории излучения принадлежит особая роль в формировании современной физической картины мира. В процессе построения этой теории возникли теория относительности, квантовая механика, были созданы новые источники излучения, получен ряд достижений в области радиотехники, электроники и др.

Лит.: Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б. Квантовая электродинамика. 4-е изд. М., 1981; Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. 8-е изд. М., 2001 ; Тамм И. Е. Основы теории электричества. 11-е изд. М., 2003.

Моноэнергетическое ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из фотонов одинаковой энергии или частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией.

Смешанное ионизирующее излучение - ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или из частиц и фотонов.

Направленное ионизирующее излучение ионизирующее излучение с выделенным направлением распространения.

Естественный фон излучения - ионизирующее излучение, создаваемое космическим излучением и излучением естественно распределенных природных радиоактивных веществ (на поверхности Земли, в приземной атмосфере, в продуктах питания, воде, в организме человека и др.).

Фон - ионизирующее излучение, состоящее из естественного фона и ионизирующих излучений посторонних источников.

Космическое излучение - ионизирующее излучение, которое состоит из первичного излучения, поступающего из космического пространства, и вторичного излучения, возникающего в результате взаимодействия первичного излучения с атмосферой.

Узкий пучок излучения - такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует только нерассеянное излучение источника.

Широкий пучок излучения - такая геометрия излучения, при которой детектор регистрирует нерассеянное и рассеянное излучения источника.

Поле ионизирующего излучения - пространственно-временное распределение ионизирующего излучения в рассматриваемой среде.

Поток ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов)dN, проходящих через данную поверхность за интервал времениdt, к этому интервалу:F =dN/dt.

Поток энергии частиц - отношение энергии падающих частиц к интервалу времени Ψ=dЕ/dt.

Плотность потока ионизирующих частиц (фотонов) - отношение потока ионизирующих частиц (фотонов)dF

проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сечения dS этой сферы: φ = dF/dS = d 2 N/dtdS. (Плотность потока энергии частиц определяется аналогично).

Флюенс (перенос) ионизирующих частиц (фотонов) - отношение числа ионизирующих частиц (фотонов)dN , проникающих в объем элементарной сферы, к площади центрального поперечного сеченияdS этой сферы:Ф = dN/dS.

Энергетический спектр ионизирующих частиц - распределение ионизирующих частиц по их энергии.Эффективная энергия фотонного излучения - энергия фотонов такого моноэнергетического фотонного

излучения, относительное ослабление которого в поглотителе определенного состава и определенной толщины то же самое, что и рассматриваемого немоноэнергетического фотонного излучения.

Граничная энергия спектра β -излучения - наибольшая энергия β -частиц в непрерывном энергетическом спектре β -излучения данного радионуклида.

Альбедо излучения - отношение числа частиц (фотонов), отражающихся от границы раздела двух сред, к числу частиц (фотонов), падающих на поверхность раздела.

Запаздывающее излучение : частицы, излучаемые продуктами распада, в отличии от частиц (нейтронов и гамма - лучей), возникающих непосредственно в момент деления.

Ионизация в газах: отрыв от атома или молекулы газа одного или нескольких электронов. В результате ионизации в газе возникают свободные носители заряда (электроны и ионы) и он приобретает способность проводить электрический ток.

Термин «излучение» охватывает диапазон электромагнитных волн, включая видимый спектр, инфракрасную и ультрафиолетовую области, а также радиоволны, электрический ток и ионизирующее излучение. Вся несхожесть этих явлений обусловлена лишь частотой (длиной волны) излучения. Ионизирующее излучение может представлять опасность для здоровья человека. Ионизирующее излучение (радиация ) - вид излучения, который изменяет физическое состояние атомов или атомных ядер, превращая их в электрически заряженные ионы или продукты ядерных реакций. При определенных обстоятельствах присутствие таких ионов или продуктов ядерных реакций в тканях организма может изменять течение процессов в клетках и молекулах, а при накоплении этих событий может нарушить ход биологических реакций в организме, т.е. представлять опасность для здоровья человек.

2. ВИДЫ ИЗЛУЧЕНИЙ

Различают корпускулярное излучение, состоящее из частиц с массой отличной от нуля, и электромагнитное (фотонное) излучение.

2.1. Корпускулярное излучение

К корпускулярному ионизирующему излучению относят альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения. Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (α-, β-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при

столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят.

Соответственно, корпускулярное излучение, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением.

Рис.1 . Схема распада212 Bi.

2.1.1 Альфа-излучение

Альфа частицы (α - частицы) - ядра атома гелия, испускаемые при α - распаде некоторыми радиоактивными атомами. α - частица состоит из двух протонов и двух нейтронов.

Альфа излучение - поток ядер атомов гелия (положительно заряженных и

относительно тяжелых частиц).

Естественное альфа-излучение как результат радиоактивного распада ядра, характерно для неустойчивых ядер тяжелых элементов, начиная с атомного номера более 83, т.е. для естественных радионуклидов рядов урана, и тория, а также, для полученных искусственным путем трансурановых элементов.

Типичная схема α -распада природного радионуклида представлена наРис.1 , а энергетический спектр α -частиц, образующихся при распаде радионуклида – на

Рис.2.

Рис.2 Энергетический спектр α -частиц

Возможность α- распада связана с тем, что масса (а, значит, и суммарная энергия ионов) α- радиоактивного ядра больше суммы масс α- частицы и образующегося после α- распада дочернего ядра. Избыток энергии исходного (материнского) ядра освобождается в форме кинетической энергии α- частицы и отдачи дочернего ядра. α- частицы представляют собой положительно заряженные ядра гелия - 2 Не4 и вылетают из ядра со скоростью 15-20 тыс. км/сек. На своём пути они производят сильную ионизацию среды,

вырывая электроны из орбит атомов.

Пробег α- частиц в воздухе порядка 5-8 см, в воде - 30-50 микрон, в металлах - 10-20 микрон. При ионизации α- лучами наблюдаются химические изменения вещества, и нарушается кристаллическая структура твердых тел. Так как между α- частицей и ядром существует электростатическое отталкивание, вероятность ядерных реакций под действием α- частиц природных радионуклидов (максимальная энергия 8,78 МэВ у214 Ро) очень мала, и наблюдается лишь на легких ядрах (Li, Ве, В, С, N, Na, Al) с образованием радиоактивных изотопов и свободных нейтронов.

2.1.2 Протонное излучение

Протонное излучение – излучение, образующееся в процессе самопроизвольного распада нейтроннодефицитных атомных ядер или как выходной пучок ионного ускорителя (например, синхрофазоторона).

2.1.3 Нейтронное излучение

Нейтронное излучение - потокнейтронов, которые преобразуют свою энергию в упругих и неупругих взаимодействиях с ядрамиатомов. При неупругих взаимодействиях возникает вторичное излучение, которое может состоять как из заряженных частиц, так и из гамма-квантов (гамма-излучения). При упругих взаимодействиях возможна обычная ионизация вещества.

Источниками нейтронного излучения являются: спонтанно делящиеся радионуклиды; специально изготовленные радионуклидные источники нейтронов; ускорители электронов, протонов, ионов; ядерные реакторы; космическое излучение.

С точки зрения биологического Нейтроны образуются в ядерных реакциях (в ядерных реакторах и в других промышленных и лабораторных установках, а также при ядерных взрывах).

Нейтроны не обладают электрическим зарядом. Условно нейтроны в зависимости от кинетической энергии разделяются на быстрые (до 10 МэВ), сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. Медленные и тепловые нейтроны вступают в ядерные реакции, в результате могут образовываться стабильные или радиоактивные изотопы.

Свободный нейтрон - это нестабильная, электрически нейтральная частица со следующими

свойствами:

	Заряд (e - заряд электрона)			qn = (-0,4 ± 1,1)·10-21 е
					939,56533 ± 0,00004 МэВ ,
	в атомных единицах			1,00866491578 ± 0,00000000055 а.е.м.
	Разность масс нейтрона и протона			mn - mp = 1,2933318 ± 0,0000005МэВ ,
	в атомных единицах			0,0013884489 ± 0,0000000006 а.е.м.
	Время жизни			tn = 885,4 ± 0,9stat ± 0,4syst с
	Магнитный момент			mn = -1,9130427 ± 0,0000005 mN
	Электрический дипольный момент			dn < 0,63·10-25 e ·см (CL=90%)
	Электрическая поляризуемость
				an = (	)·10-3 Фм 3

Эти свойства нейтрона позволяют использовать его, с одной стороны, как объект, который изучается и, с другой стороны, как инструмент, при помощи которого ведутся исследования. В первом случае исследуются уникальные свойства нейтрона, что является актуальным и дает возможность наиболее надежно и точно определить фундаментальные параметры электрослабого взаимодействия и, тем самым либо подтвердить, либо опровергнуть Стандартную модель. Наличие магнитного момента у нейтрона уже свидетельствует о его сложной структуре, т.е. его "неэлементарности". Во втором случае взаимодействие неполяризованных и поляризованных нейтронов разных энергий с ядрами позволяет их использовать в физике ядра и элементарных частиц. Изучение эффектов нарушения пространственной четности и инвариантности относительно обращения времени в различных процессах - от нейтронной оптики до деления ядер нейтронами - это далеко не полный перечень наиболее актуальных сейчас направлений исследований.

Тот факт, что реакторные нейтроны тепловых энергий имеют длины волн, сравнимые с межатомными расстояниями в веществе, делает их незаменимым инструментом для исследования конденсированных сред. Взаимодействие нейтронов с атомами является сравнительно слабым, что позволяет нейтронам достаточно глубоко проникать в вещество - в этом их существенное преимущество по сравнению с рентгеновскими и γ - лучами, а также пучками заряженных частиц. из-за наличия массы нейтроны при том же импульсе (следовательно, при той же длине волны) обладают значительно меньшей энергией, чем рентгеновские иγ - лучи, и эта энергия оказывается сравнимой с энергией тепловых колебаний атомов и молекул в веществе, что дает возможность изучать не только усредненную статическую атомную структуру вещества, но и динамические процессы, в нем происходящие. Наличие магнитного момента у нейтронов позволяет использовать их для изучения магнитной структуры и магнитных возбуждений вещества, что очень важно для понимания свойств и природы магнетизма материалов.

Рассеяние нейтронов атомами обусловлено, в основном, ядерными силами, следовательно сечения их когерентного рассеяния никак не связаны с атомным номером (в отличие от рентгеновских и γ -лучей). Поэтому облучение материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких (водород, кислород и др.) элементов, идентификация которых почти невозможна с использованием рентгеновских иγ - лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении биологических объектов, в материаловедении, в медицине и др. областях. Кроме того, различие в сечениях рассеяния нейтронов у разных изотопов позволяет не только отличать в материале элементы с близкими атомными номерами, но и исследовать их изотопный состав. Наличие изотопов с отрицательной амплитудой когерентного рассеяния дает уникальную возможность контрастирования исследуемых сред, что также очень часто используют в биологии и медицине.

Когерентное рассеяние - рассеяние излучения с сохранением частоты и с фазой, отличающейся наπ от фазы первичного излучения. Рассеянная волна может интерферировать с падающей волной или другими когерентно рассеянными волнами.

Бета, гамма.

Как же они образуются?

Все вышеперечисленные виды излучений являются порождением процесса распада изотопов простых веществ. Атомы всех элементов состоят из ядра и электронов, которые вращаются вокруг него. Ядро меньше всего атома в сто тысяч раз, но, благодаря чрезвычайно большой плотности, его масса почти равна совокупной массе всего атома. В составе ядра находятся положительно заряженные частицы - протоны и не имеющие электрического заряда нейтроны. И те, и другие сцеплены между собой очень плотно. По числу протонов в ядре и определяют, к какому именно данный атом относится, например, - 1 протон в ядре это водород, 8 протонов - кислород, 92 протона - уран. в атоме соответствует количеству протонов в его ядре. Каждому электрону свойственен отрицательный электрический заряд, равный заряду протона, по этой причине в целом атом нейтрален.

Те атомы, которые имеют ядра одинаковые по числу протонов, но разные по количеству нейтронов, являются вариантами одного химического вещества и называются его изотопами. С целью как-то различать их к символу, обозначающему элемент, приписывают число, являющееся суммой всех частиц, находящихся в ядре этого изотопа. Например, ядро элемента уран-238 включает в себя 92 протона, а также 146 нейтронов, а урана-235, так же 92 протона, а вот нейтронов уже 143. Большинство изотопов нестабильны. Например, уран-238, связи между протонами и нейтронами в ядре которого очень слабы и рано или поздно от него отделится компактная группа, состоящая из пары нейтронов и пары протонов, превращая уран-238 в другой элемент - торий-234, также нестабильный элемент, ядро которого содержит 144 нейтрона и 90 протонов. Его распад продолжит цепь превращений, которые прекратятся образованием атома свинца. Во время каждого из таких распадов освобождается энергия, порождающая различные виды

Если упростить ситуацию, то можно так описать возникновение разных видов испускает ядро, которое состоит из пары нейтронов и пары протонов, бета-лучи исходят от электрона. А бывают ситуации, при которых изотоп возбуждается настолько, что выход частицы полностью его не стабилизирует, и тогда он сбрасывает одной порцией избыток чистой энергии, этот процесс носит название гамма-излучения. Такие виды излучений, как гамма-лучи, и подобные им рентгеновские, образуются без испускания материальных частиц. Время, которое необходимо для распада половины всех атомов любого конкретного изотопа в любых радиоактивных источниках, именуется периодом полураспада. Процесс атомных превращений непрерывен, а его активность оценивается количеством произошедших за одну секунду распадов и измеряется в беккерелях (1 атом за одну секунду).

Различные виды излучений характеризуются освобождением разного объема энергии, и проникающая способность у них тоже разная, поэтому на ткани живых организмов они также неодинаково воздействуют.

Альфа-излучение, представляющее собой поток из тяжелых частиц, может задержать даже листок бумаги, оно не способно проникнуть сквозь слой отмерших клеток эпидермиса. Оно не опасно до тех пор, пока вещества, которые испускают альфа-частицы, не проникнут в организм через раны или посредством пищи и/или вдыхаемого воздуха. Вот тогда они и станут чрезвычайно опасными.

Бета-излучение способно на 1-2 сантиметра проникнуть в ткани живого организма.

Гамма-лучи, которые движутся со световой скоростью, самые опасные и задержать их может только толстая плита из свинца или бетона.

Все виды излучений способны вызвать повреждения живого организма, и они будут тем больше, чем больше энергии было передано тканям.

При различных авариях на ядерных объектах и во время боевых действий с применением ядерного оружия, поражающие факторы, воздействующие на организм, важно рассматривать в комплексе. Помимо явных физических воздействий на человека пагубно действуют также разные виды электромагнитных излучений.

Сегодня поговорим о том, что такое излучение в физике. Расскажем о природе электронных переходов и приведем электромагнитную шкалу.

Божество и атом

Строение вещества стало предметом интереса ученых более двух тысяч лет назад. Древнегреческие философы задавались вопросами, чем воздух отличается от огня, а земля от воды, почему мрамор белый, а уголь черный. Они создавали сложные системы взаимозависимых компонентов, опровергали или поддерживали друг друга. А самые непонятные явления, например, удар молнии или восход солнца приписывали действию богов.

Однажды, долгие годы наблюдая за ступенями храма, один ученый заметил: каждая нога, встающая на камень, уносит крошечную частичку вещества. Со временем мрамор менял форму, прогибался посередине. Имя этого ученого - Левкипп, и он назвал мельчайшие частицы атомами, неделимыми. С этого начался путь к изучению того, что такое излучение в физике.

Пасха и свет

Затем настали темные времена, науку забросили. Всех, кто пытался изучать силы природы, окрестили ведьмами и колдунами. Но, как ни странно, именно религия дала толчок к дальнейшему развитию науки. Исследование о том, что такое излучение в физике, началось с астрономии.

Время празднования Пасхи вычислялось в те времена каждый раз по-разному. Сложная система взаимоотношений между днем весеннего равноденствия, 26-дневным лунным циклом и 7-дневной неделей не позволяла составлять таблицы дат для празднования Пасхи более чем на пару лет. Но церкви надо было все планировать заранее. Поэтому Папа Римский Лев X заказал составление более точных таблиц. Это потребовало тщательно наблюдения за движением Луны, звезд и Солнца. И в конце концов Николай Коперник понял: Земля не плоская и не центр вселенной. Планета - шар, который вращается вокруг Солнца. А Луна - сфера на орбите Земли. Конечно, можно спросить: «Какое отношение все это имеет к тому, что такое излучение в физике?» Сейчас раскроем.

Овал и луч

Позже Кеплер дополнил систему Коперника, установив, что планеты движутся по овальным орбитам, и движение это неравномерное. Но именно тот первый шаг привил человечеству интерес к астрономии. А там недалеко было и до вопросов: «Что такое звезда?», «Почему люди видят ее лучи?» и «Чем одно светило отличается от другого?». Но сначала придется перейти от огромных объектов к самым маленьким. И затем подойдем к излучению, понятию в физике.

Атом и изюм

В конце девятнадцатого века накопилось достаточно знаний о малейших химических единицах вещества - атомах. Было известно, что они электронейтральны, но содержат как положительно, так и отрицательно заряженные элементы.

Предположений выдвигалось множество: и что положительные заряды распределены в отрицательном поле, как изюм в булке, и что атом - это капля из разнородно заряженных жидких частей. Но все прояснил опыт Резерфорда. Он доказал, что в центре атома находится положительное тяжелое ядро, а вокруг него располагаются легкие отрицательные электроны. И конфигурация оболочек для каждого атома своя. Тут-то и кроются особенности излучения в физике электронных переходов.

Бор и орбита

Когда ученые выяснили, что легкие отрицательные части атома - это электроны, встал другой вопрос - почему они не падают на ядро. Ведь, согласно теории Максвелла, любой движущийся заряд излучает, следовательно, теряет энергию. Но атомы существовали столько же, сколько вселенная, и не собирались аннигилировать. На выручку пришел Бор. Он постулировал, что электроны находятся на некоторых стационарных орбитах вокруг атомного ядра, и находиться могут только на них. Переход электрона между орбитами осуществляется рывком с поглощением или испусканием энергии. Этой энергией может быть, например, квант света. По сути, мы сейчас изложили определение излучения в физике элементарных частиц.

Водород и фотография

Изначально технология фотографии была придумана как коммерческий проект. Люди хотели остаться в веках, но заказать портрет у художника было не каждому по карману. А фотографии были дешевыми и не требовали таких больших вложений. Потом искусство стекла и нитрата серебра поставило себе на службу военное дело. А затем и наука стала пользоваться преимуществами светочувствительных материалов.

В первую очередь фотографировать стали спектры. Уже давно было известно, что горячий водород испускает конкретные линии. Расстояние между ними подчинялось определенному закону. Но вот спектр гелия был более сложным: он содержал тот же набор линий, что и водород, и еще один. Вторая серия уже не подчинялась закону, выведенному для первой серии. Тут на помощь пришла теория Бора.

Выяснилось, что электрон в атоме водорода один, и он может переходить из всех высших возбужденных орбит на одну нижнюю. Это и была первая серия линий. Более тяжелые атомы устроены сложнее.

Линза, решетка, спектр

Таким образом было положено начало применению излучения в физике. Спектральный анализ - один из самых мощных и надежных способов определения состава, количества и структуры вещества.

1. Электронный эмиссионный спектр расскажет, что содержится в объекте и каков процент того или иного компонента. Этот способ используют абсолютно все области науки: от биологии и медицины до квантовой физики.
2. Спектр поглощения расскажет, какие ионы и на каких позициях присутствуют в решетке твердого тела.
3. Вращательный спектр продемонстрирует, насколько далеко находятся молекулы внутри атома, сколько и каких связей присутствует у каждого элемента.

А уж диапазонов применения электромагнитного излучения и не счесть:

• радиоволны исследуют структуру очень далеких объектов и недра планет;
• тепловое излучение расскажет об энергии процессов;
• видимый свет подскажет, в каких направлениях лежат самые яркие звезды;
• ультрафиолетовые лучи дадут понять, что происходят высокоэнергетические взаимодействия;
• рентгеновский спектр сам по себе позволяет людям изучать структуру вещества (в том числе и человеческого тела), а наличие этих лучей в космических объектах известят ученых, что в фокусе телескопа нейтронная звезда, вспышка сверхновой или черная дыра.

Абсолютно черное тело

Но есть особый раздел, который изучает, что такое тепловое излучение в физике. В отличие от атомного, тепловое испускание света имеет непрерывный спектр. И наилучшим модельным объектом для расчетов является абсолютно черное тело. Это такой объект, который «ловит» весь попадающий на него свет, но не выпускает обратно. Как ни странно, абсолютно черное тело излучает, и максимум длины волны будет зависеть от температуры модели. В классической физике тепловое излучение порождало парадокс Выходило, что любая нагретая вещь должна была излучать все больше и больше энергии, пока в ультрафиолетовом диапазоне ее энергия не разрушила бы вселенную.

Разрешить парадокс смог Макс Планк. В формулу излучения он ввел новую величину, квант. Не придавая ей особенного физического смысла, он открыл целый мир. Сейчас квантование величин - основа современной науки. Ученые поняли, что поля и явления состоят из неделимых элементов, квантов. Это привело к более глубоким исследованиям материи. Например, современный мир принадлежит полупроводникам. Раньше все было просто: металл проводит ток, остальные вещества - диэлектрики. А вещества типа кремния и германия (как раз полупроводники) ведут себя непонятно по отношению к электричеству. Чтобы научиться управлять их свойствами, потребовалось создать целую теорию и рассчитать все возможности p-n переходов.

Ионизирующее излучение - это совокупность различных видов микрочастиц и физических полей, обладающих способностью ионизировать вещество, то есть образовывать в нем электрически заряженные частицы - ионы.

РАЗДЕЛ III. УПРАВЛЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ЕГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Различают несколько видов ионизирующих излучений: альфа-, бета-, гамма-излучение, а также нейтронное излучение.

Альфа-излучение

В формировании положительно заряженных альфа-частиц принимают участие 2 протона и 2 нейтрона, входящих в состав ядер гелия. Альфа-частицы образуются при распаде ядра атома и могут иметь начальную кинетическую энергию от 1,8 до 15 МэВ. Характерными особенностями альфа-излучения являются высокая ионизирующая и малая проникающая способности. При движении альфа-частицы очень быстро теряют свою энергию, и это обуславливает тот факт, что ее не хватает даже для преодоления тонких пластмассовых поверхностей. В целом, внешнее облучение альфа-частицами, если не брать в расчет высокоэнергичные альфа-частицы, полученные с помощью ускорителя, не несет в себе никакого вреда для человека, а вот проникновение частиц внутрь организма может быть опасно для здоровья., поскольку альфа-радионуклиды отличаются большим периодом полураспада и обладают сильной ионизацией. В случае попадания внутрь организма альфа-частицы часто могут быть даже опаснее, чем бета- и гамма-излучение.

Бета-излучение

Заряженные бета-частицы, скорость которых близка к скорости света, образуются в результате бета-распада. Бета-лучи обладают большей проникающей способностью, чем альфа-лучи - они могут вызывать химические реакции, люминесценцию, ионизировать газы, оказывать эффект на фотопластинки. В качестве защиты от потока заряженных бета-частиц (энергией не более 1МэВ) достаточно будет использовать обычную алюминиевую пластину толщиной 3-5 мм.

Фотонное излучение: гамма-излучение и рентгеновское излучение

Фотонное излучение включает в себя два вида излучений: рентгеновское (может быть тормозным и характеристическим) и гамма-излучение.

Наиболее распространенным видом фотонного излучения являются обладающие очень высокой энергией при ультракороткой длине волны гамма-частицы, которые представляют собой поток высокоэнергичных, не обладающих зарядом фотонов. В отличие от альфа- и бета-лучей гамма-частицы не отклоняются магнитными и электрическими полями и обладают значительно большей проникающей способностью. В определенных количествах и при определенной продолжительности воздействия гамма-излучение может вызвать лучевую болезнь, привести к возникновению различных онкологических заболеваний. Препятствовать распространению потока гамма-частиц могут только такие тяжелые химические элементы, как, например, свинец, обедненный уран и вольфрам.

Нейтронное излучение

Источником возникновения нейтронного излучения могут быть ядерные взрывы, ядерные реакторы, лабораторные и промышленные установки.

Сами нейтроны представляют собой электрически нейтральные, нестабильные (период полураспада свободного нейтрона составляет около 10 минут) частицы, которые благодаря тому, что у них отсутствует заряд, отличаются большой проникающей способностью при слабой степени взаимодействия с веществом. Нейтронное излучение очень опасно, поэтому для защиты от него используют ряд специальных, в основном водородосодержащих, материалов. Лучше всего нейтронное излучение поглощается обычной водой, полиэтиленом, парафином, а также растворами гидроксидов тяжелых металлов.

Как ионизирующие излучения воздействуют на вещества?

Все виды ионизирующих излучений в той или иной степени оказывают воздействие на различные вещества, но сильнее всего оно выражено у гамма-частиц и у нейтронов. Так, при длительном воздействии они могут существенно изменить свойства различных материалов, изменить химический состав веществ, ионизировать диэлектрики и оказывать разрушительный эффект на биологические ткани. Естественный радиационный фон не принесет человеку особого вреда, однако при обращении с искусственными источниками ионизирующих излучений стоит быть очень осторожными и предпринимать все необходимые меры, чтобы до минимума снизить уровень воздействия излучения на организм.

Виды ионизирующих излучений и их свойства

Ионизирующим излучением называют потоки частиц и электромагнитных квантов, в результате воздействия которых на среду образуются разнозаряженные ионы.

Различные виды излучений сопровождаются высвобождением определенного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на организм. Наибольшую опасность для человека представляют радиоактивные излучения, такие как у-, рентгеновское, нейтронное, а- и в-излучения.

Рентгеновское и у-излучения представляют собой потоки квантовой энергии. Гамма-излучение обладает более короткими длинами волн по сравнению с рентгеновским. По своей природе и свойствам эти излучения мало отличаются друг от друга, обладают большой проникающей способностью, прямолинейностью распространения и свойством создавать вторичное и рассеянное излучение в средах, через которые проходят. Однако если рентгеновские лучи обычно получают с помощью электронного аппарата, то у-лучи испускаются нестабильными или радиоактивными изотопами.

Остальные типы ионизирующего излучения представляют собой быстродвижущиеся частицы вещества (атома), одни из которых несут электрический заряд, другие — нет.

Нейтроны — единственные незаряженные частицы, образующиеся при любом радиоактивном преобразовании, с массой, равной массе протона. Поскольку эти частицы электронейтральны, они глубоко проникают в любое вещество, включая и живые ткани. Нейтроны представляют собой основные частицы, из которых построены ядра атомов.

При прохождении через вещество они взаимодействуют только с ядрами атомов, передают им часть своей энергии, а сами изменяют направление своего движения. Ядра атомов "выскакивают" из электронной оболочки и, проходя через вещество, производят ионизацию.

Электроны — легкие отрицательно заряженные частицы, существующие во всех стабильных атомах. Электроны очень часто используются во время радиоактивного распада вещества, и тогда их называют в-частицами. Их можно получать и в лабораторных условиях. Энергия, теряемая электронами при прохождении через вещество, расходуется на возбуждение и ионизацию, а также на образование тормозного излучения.

Альфа-частицы — ядра атомов гелия, лишенные орбитальных электронов и состоящие из двух протонов и двух нейтронов, сцепленных вместе. Имеют положительный заряд, относительно тяжелы, по мере прохождения через вещество производят ионизацию вещества большой плотности.

Обычно а-частицы испускаются при радиоактивном распаде естественных тяжелых элементов (радий, торий, уран, полоний и др.).

Заряженные частицы (электроны и ядра атомов гелия), проходя через вещество, взаимодействуют с электронами атомов, теряя при этом 35 и 34 эВ соответственно. При этом одна половина энергии расходуется на ионизацию (отрыв электрона от атома), а другая — на возбуждение атомов и молекул среды (перевод электрона на более удаленную от ядра оболочку).

Число ионизированных и возбужденных атомов, образуемых а-частицей на единице длины пути в среде, в сотни раз больше, чем у р-частицы (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Пробег а- и в-частиц различной энергии в мышечной ткани

Энергия частиц, МэВ	Пробег, мкм	Энергия частиц, МэВ	Пробег, мкм	Энергия частиц, МэВ	Пробег, мкм
	—

Это обусловлено тем, что масса а-частицы примерно в 7000 раз больше массы в-частицы, следовательно, при одной и той же энергии ее скорость значительно меньше, чем у в-частицы.

Испускаемые при радиоактивном распаде а-частицы обладают скоростью примерно 20 тыс. км/с, в то время как скорость в-частиц близка к скорости света и составляет 200…270 тыс. км/с. Очевидно, что чем меньше скорость частицы, тем больше вероятность ее взаимодействия с атомами среды, а следовательно, больше и потери энергии на единице пути в среде — значит, меньше пробег. Из табл. 5.1 следует, что пробег а-частиц в мышечной ткани в 1000 раз меньше пробега в-частиц той же энергии.

Когда ионизирующее излучение проходит сквозь живые организмы, оно передает свою энергию биологическим тканям и клеткам неравномерно. В результате, несмотря на небольшое количество поглощенной тканями энергии, некоторые клетки живой материи будут значительно повреждены. Суммарный эффект ионизирующего излучения, локализованного в клетках и тканях, представлен в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Биологическое действие ионизирующего излучения

Характер воздей­ствия	Стадии воздействия		Эффект воздействия
Непосредственное действие излуче­ний		10 -24 … 10 -4 с 10 16 …10 8 с	Поглощение энергии. Началь­ные взаимодействия. Рентгенов­ское и у-излучение, нейтроны Электроны, протоны, а-частицы
		10 -12 … 10 -8 с	Физико-химическая стадия. Пе­ренос энергии в виде ионизации на первичной траектории. Ионизованные и электронно-возбужденные молекулы
		10 7 …10 5 с, несколько часов	Химические повреждения. При мое действие. Косвенное дей­ствие. Свободные радикалы, образующиеся из воды. Возбужде­ние молекулы до тепловою рав­новесия
Косвенное дей­ствие излучений		Микросе­кунды, се­кунды, ми­нуты, нес­колько часов	Биомолекулярные повреждении. Изменения молекул белков, нуклеиновых кислот под влиянием процессов обмена
		Минуты, часы, недели	Ранние биологические и физио­логические эффекты. Биохими­ческие повреждения. Гибель клеток, гибель отдельных жи­вотных
		Годы, столе­тия	Отдаленные биологические эф­фекты Стойкое нарушение фун­кций. Ионизирующее излучение Генетические мутации, действие на потомство. Со­матические эффекты: рак, лей коз, сокращение продолжительности жизни, гибель организма

В основе первичных радиационно-химических изменений молекул могут лежать два механизма: 1) прямое действие, когда данная молекула испытывает изменения (ионизацию, возбуждение) непосредственно при взаимодействии с излучением; 2) косвенное действие, когда молекула непосредственно не поглощает энергию ионизирующего излучения, а получает ее путем передачи от другой молекулы.

Известно, что в биологической ткани 60…70% массы составляет вода. Поэтому рассмотрим различие между прямым и косвенным действием излучения на примере облучения воды.

Допустим, что молекула воды ионизируется заряженной частицей, в результате чего она теряет электрон:

Н2О -> Н20+е — .

Ионизированная молекула воды реагирует с другой нейтральной молекулой воды, в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила ОН":

Н2О+Н2О -> Н3О+ + ОН*.

Вырванный электрон также очень быстро передает энергию окружающим молекулам воды, при этом возникает сильно возбужденная молекула воды Н2О*, которая диссоциирует с обра зованием двух радикалов, Н* и ОН*:

Н2О+е- -> Н2О*Н’ + ОН’.

Свободные радикалы содержат неспаренные электроны и отличаются чрезвычайно высокой реакционной способностью. Время их жизни в воде не более 10-5 с. За это время они либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворенным субстратом.

В присутствии растворенного в воде кислорода образуются и другие продукты радиолиза: свободный радикал гидропероксида НО2, пероксид водорода Н2О2 и атомный кислород:

Н*+ О2 -> НО2 ;
НО*2 + НО2 -> Н2О2 +20.

В клетке живого организма ситуация значительно более сложная, чем при облучении воды, особенно в том случае, если поглощающим веществом являются крупные и многокомпонентные биологические молекулы. В этом случае образуются органические радикалы D*, также отличающиеся крайне высокой реакционноспособностью. Располагая большим количеством энергии, они легко могут привести к разрыву химических связей. Именно этот процесс и происходит чаще всего в промежутке между образованием ионных пар и формированием конечных химических продуктов.

Кроме того, биологическое действие усиливается за счет влияния кислорода. Образующийся в результате взаимодействия свободного радикала с кислородом также высокореакционный продукт DО2* (D* + О2 -> DО2*) приводит к образованию новых молекул в облучаемой системе.

Получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и молекулы окислителя, обладая высокой химической активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биологических процессов в организме. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, — токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных систем или организма в целом.

Индуцированные свободными радикалами химические реакции вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение.

Нежелательные радиационные эффекты воздействия облучения на организм человека условно делятся на соматические (soma — по-гречески "тело") и генетические (наследственные).

Соматические эффекты проявляются непосредственно у самого облученного, а генетические — у его потомства.

За последние десятилетия человеком было создано большое количество искусственных радионуклидов, использование которых является дополнительной нагрузкой к естественному радиационному фону Земли и увеличивает дозу облучения людей. Но, направленные исключительно на использование в мирных целях, ионизирующие излучения полезны для человека, и сегодня трудно указать область знаний или народного хозяйства, не использующую радионуклиды или другие источники ионизирующих излучений. Уже к началу 21 века «мирный атом» нашел свое применение в медицине, промышленности, сельском хозяйстве, микробиологии, энергетике, освоении космоса и других сферах.

Виды излучения и взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Применение ядерной энергии стало жизненно важной необходимостью существования современной цивилизации и, в то же время, огромной ответственностью, поскольку использовать этот источник энергии необходимо максимально рационально и осторожно.

Полезная особенность радионуклидов

Благодаря радиоактивному распаду радионуклид «подает сигнал», определяя тем самым свое местоположение. Используя специальные приборы, фиксирующие сигнал от распада даже единичных атомов, ученые научились использовать эти вещества в качестве индикаторов, помогающих исследовать самые разные химические и биологические процессы, проходящие в тканях и клетках.

Виды техногенных источников ионизирующего излучения

Все техногенные источники ионизирующего излучения можно разделить на два вида.

• Медицинские - используемые как для диагностики заболеваний (например, рентгеновский и флюорографический аппараты), так и для проведения радиотерапевтических процедур (например, радиотерапевтические установки для лечения рака). Также к медицинским источникам ИИ относятся радиофармацефтические препараты (радиоактивные изотопы или их соединения с различными неорганическими или органическими веществами), которые могут применяться как для диагностики заболеваний, так и для их лечения.
• Промышленные - произведенные человеком радионуклиды и генераторы:
  • в энергетике (реакторы атомных электростанций);
  • в сельском хозяйстве (для селекционирования и исследования эффективности удобрений)
  • в оборонной сфере (топливо для атомоходов);
  • в строительстве (неразрушающий контроль металлоконструкций).

По статическим данным, объем производства радионуклидной продукции на мировом рынке в 2011 году составлял 12 млрд. долларов, а к 2030 году ожидается шестикратное увеличение этого показателя.