Реферат
Тема: Радиоактивность и ядерные излучения
План
1. Общие сведения о радиоактивных излучениях
2. Строение атомного ядра
3. Радиоактивный распад
4. Взаимодействие излучений с веществом
4.1. Взаимодействие альфа-частиц с веществом
4.2.Взаимодействие бета-частиц с веществом
4.3.Взаимодействие гамма-излучения с веществом
4.4.Взаимодействие нейтронов с веществом
5. Дозиметрия
Литература
СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА
Все тела независимо от их агрегатного состояния состоят из мельчайших "кирпичиков", которые назвали атомами. "Кирпичики" имеют различные типы связи в зависимости от того к какому химическому элементу таблицы Менделеева они принадлежат. Химический элемент — совокупность атомов одного типа. Древние греки считали атом неделимым, отсюда и произошел термин атом, "неделимый". Но, как показано выше, атом является источником радиоактивного излучения, поэтому рассмотрим его строение более подробно.
Английский учёный Джозеф Джон Томпсон, проводя исследование катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в газах, впервые экспериментально обнаружил элементарные отрицательные заряды — электроны. Он же первый измерил удельный заряд электрона — е/т (отношение заряда электрона к его массе). Было установлено, что электроны вырываются из атомов. Атомы, представлявшиеся до этого неделимыми "кирпичиками мироздания", обнаружили тонкую структуру.
В 1903 г. после открытия электрона Томсон предложил модель атома в виде положительной объемно заряженной сферы диаметром 10~10 м, внутри которого, подобно изюму в кексе, вкраплены электроны. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду сферы. Излучение атомом Томсон объяснял колебаниями электронов относительно центра сферы. Из модели Томсона следовало, что масса атома распределялась равномерно по всему объему, однако, как позднее в 1908 году показал Э. Резерфорд в опытах по рассеянию «-частиц (ядер гелия тонкой золотой фольгой), это являлось ошибочным.
В качестве "зондирующих" частиц были выбраны альфа-частицы, преимущество которых перед другими видами излучений — в их высокой монохроматичности (все альфа-частицы, вылетающие из атомов одного сорта имеют одинаковую скорость) и в их большой массе (масса альфа-частицы превышает массу электрона в 7296 раз). Из-за своей большой массы альфа-частицы не должны испытывать соударений с электронами, содержащимися в атоме, и по их рассеиванию в веществе можно судить о распределении положительно заряженной материи в атоме.
Схема опытов Резерфорда представлена на рис. 1.2. Альфа-частицы испускались источником 1, помещенным внутри свинцовой камеры с узким каналом 2 так, чтобы все частицы, кроме движущихся вдоль оси канала, поглощались стенками камеры. Узкий пучок альфа-частиц попадал на тонкую золотую фольгу 3, перпендикулярно к её поверхности. Альфа-частицы, прошедшие через фольгу и рассеянные ею, попадали на экран и вызывали вспышки (сцинтилляции) на нем. В промежутке между фольгой и экраном создавался вакуум, чтобы не происходило дополнительного рассеяния альфа-частиц в воздухе.
Опыты показали, что в большинстве своем частицы после прохождения фольги сохраняли своё прежнее направление или отклонялись на очень малые углы. И лишь одна из 2 х 104 частиц отклонялась на угол, больший 90°. Для объяснения результатов этих опытов Резерфорд предположил, что весь положительный заряд сосредоточен в весьма малом объеме атома — ядре. Остальной объем атома заполнен электронами, полный отрицательный заряд которых равен положительному заряду ядра. Так в 1911 году была создана ядерная модель атома.
Рассеяние альфа-частиц в этой модели атома получило простое объяснение. В самом деле, так как электроны имеют весьма малую массу, по сравнению с альфа-частицей и распределены по всему объему атома, то а-частицы не должны испытывать заметного отклонения из-за взаимодействия с электронами. Только те частицы, которые проходят вблизи ядра испытывают сильное отклонение из-за кулоновских сил отталкивания между положительно заряженной частицей и массивным ядром. Но из-за малых размеров ядра вероятность встречи альфа-частицы с ядром также мала, поэтому и число альфа-частиц, испытавших отклонения на большие углы, весьма невелико.
На основании опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц тонкими металлическими фольгами и теоретических расчетов была сформулирована ядерная модель ядра. По этой модели в центре атома — ядре, имеющем линейные размеры 10~ -10 м, сосредоточен весь положительный заряд атома и практически вся его масса. Вокруг атома, в области размером примерно 10 м, по орбитам движутся электроны, масса которых составляет весьма незначительную часть массы атома. Ядерная модель атомов напоминает солнечную систему: в центре системы находится "солнце" — ядро, а по орбитам вокруг него движутся "планеты" — электроны. "Планетарная" модель атома, дополненная постулатами Бора, оказалась весьма плодотворной для объяснения линейчатых спектров водородоподобных атомов, позволила объяснить природу характеристических рентгеновских спектров и ряд других физических явлений. В дальнейшем эта модель атома претерпела изменения, сохранив при этом свои основные черты. Атом состоит из ядра и электронов, расположенных вокруг ядра на определенных энергетических оболочках. Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд Z и масса М.
В 1911 г. в опытах Резерфорда по облучению альфа-частицами легких газов показано, что ядра расщепляются, с вылетом ядер водорода, которые впоследствии были названы протонами. Эти эксперименты показали, что протоны являются составной частью ядра.
В 1932 г. английский физик Дж. Чедвиг провел опыты по бомбардировке бериллиевой фольги альфа-частицами и открыл еще одну ядерную частицу — нейтрон, который по своей массе был близок к протону.
Заряд ядра определяется числом элементарных положительных зарядов, содержащихся в нем, и совпадает с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева. Носителем элементарного положительного заряда является протон. Заряд протона (р) q = +1,6021 х Ю~19 Кл, масса покоя протона М = 1,6726 хЮ"26 кг =1836Ме (Ме = 9,11хЮ~31 кг). В состав ядра, кроме протонов, входят нейтроны. Нейтрон (п) — нейтральная частица с массой покоя Мп = 1,6749 х 10~27 кг = 1839Ме.
В ядерной физике считается, что протон и нейтрон — два так называемых зарядовых состояния одной и той же частицы — нуклона (от латинского nucleus — ядро). Протон является протонным состоянием нуклона с зарядом +е , нейтрон — его нейтронным состоянием с нулевым зарядом. Нуклоны в ядре находятся в состояниях, отличных от их свободных состояний. Это связано с тем, что в ядре между нуклонами осуществляется особое ядерное взаимодействие. От электромагнитного взаимодействия оно отличается тем, что одинаково действует на заряженный протон и нейтральный в элементарном отношении нейтрон. Действие ядерного взаимодействия проявляется на очень близких ядерных расстояниях (около 10~13 м), величина очень велика, позволяющая сжать ядерное вещество до плотности сотни миллионов тонн в 1 см3.
Масса атомного ядра совпадает практически с массой всего атома, т.к. масса электронов мала. Ядро, как и нейтральный атом, символически обозначаются так АгХ , где X — символ химического элемента, Z — атомный номер (число протонов в ядре), А — массовое число (число нуклонов в ядре). Массы атомов принято выражать в атомных единицах массы (а. е. м.). За атомную единицу массы принята 1/16 массы атома кислорода:
Кроме того применяется "унифицированная атомная единица массы" (у. а. е. м.), равная 1/12 массы атома углерода:
В природе существуют множество радиоактивных веществ, в соответствии со своими свойствами они объединены в ряды тория и урана. Однако и среди них встречаются вещества с одинаковыми химическими свойствами но с различными массами. Эти вещества были названы изотопами (от греческих слов "одинаковый" и "место"), т.е. ядра с одинаковыми Z , но разными А (т.е. с разными числами нейтронов N = А - Z). Например, водород ( Z = 1) имеет три изотопа: 
— протий ( Z = 1, N = 0), 
— дейтерий ( Z = 1, N = 1), 
— тритий ( Z = 1, N = 2). Ядра с одинаковыми А, но разными Z называются изобарами. Примером ядер-изобар могут служить 
.
РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД
В 1911 году Резерфорд и Содди показали, что атомы некоторых веществ испытывают последовательные превращения, образуя радиоактивные ряды, где каждый член этого ряда возникает из предыдущего, причем никакими внешними физическими воздействиями (температура, электрические и магнитные поля, давление) нельзя повлиять на характеристики распада.
Позже, способность некоторых ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов излучения и элементарных частиц называли радиоактивностью. При этом различают два вида радиоактивности — естественную, наблюдающуюся у нестабильных изотопов атома, существующих в природе, и искусственную, наблюдающуюся у изотопов, образующихся в результате ядерных реакций. Оба вида радиоактивности ничем принципиально не отличаются друг от друга и описываются одними и теми же законами радиоактивных превращений.
Процесс естественного, самопроизвольно происходящего радиоактивного превращения называется радиоактивным распадом, или просто распадом. Ядра, испытывающие распад, называются радионуклидами. Исходное атомное ядро называется материнским, а ядро, образовавшееся в результате распада, называется дочерним.
Радиоактивный распад происходит со строго определённой скоростью, характерной для каждого данного элемента. Время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада Т. Периоды полураспада различных ядер колеблются в очень широких пределах. Так, например, период полураспада урана 
составляет 4,5 млрд. лет, радия 
— 1620 лет, радона— 
3,8 суток. Более того, периоды полураспада у изотопов одного и того элемента могут сильно различаться — у 
Ra Т = 1630 лет, а у 
Т=0,001с.
Поскольку отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то закон радиоактивного распада носит статистический характер. Можно показать, что закон убывания во времени числа радиоактивных ядер данного вещества (закон радиоактивного распада) имеет вид 
Здесь 
— число радиоактивных ядер в момент времени, принятый за начало отсчёта, т.е. при t = 0 . N — число радиоактивных ядер в момент времени t . Я — постоянная для данного радиоактивного вещества величина, носящая название постоянной радиоактивного распада. Между постоянной радиоактивного распада и периодом полураспада существует простая связь:
Среднее время жизни радиоактивного ядра г есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада, т.е. радионуклиды, из которых 37000 распадается каждую 5 секунду.
Радиоактивный распад происходит в соответствии с правилами смещения, установленными опытным путём. Правила смещения: => для альфа-распада (превращения ядер, сопровождающиеся испусканием альфа-частиц)
:=>
для бета распада (превращения ядер, сопровождающиеся, испусканием бета-частиц)
Активностью А нуклида в радиоактивном источнике называется число распадов, происходящих с ядрами образца в единицу времени:
где 
— число ядер, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t + dt .
Единица активности в системе СИ — беккерелъ (Бк): 1 Бк — активность нуклида, при которой за 1 с происходит один распад. Внесистемная единица активности — кюри (Ки):
Бк.
1 кюри равен числу распавшихся ядер содержащихся в 1 г радия за 1 с (3,7 х 
рас/сек).
Милликюри — 
Ки.
Микрокюри — 
Ки.
На всех картах радиационного загрязнения, явившегося результатом Чернобыльской катастрофы, приводится радиационная плотность загрязнения, т.е. радиоактивность на единицу площади.
Например, если вы проживаете на территории с плотностью загрязнения почвы 1 Ки/кв. км или 37000 Бк/кв. м (37 кБк/кв. м), то это означает, что на одном квадратном метре этой почвы находятся
где X — химический символ материнского ядра, 
— ядро атома гелия, 
— символическое обозначение электрона (заряд его равен —1, массовое число равно 0).
Правила смещения являются следствиями двух законов сохранения, выполняющихся при радиоактивных распадах — сохранения электрического заряда и массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра.
Получившееся в результате распада дочернее ядро тоже может быть радиоактивным. В результате возникает цепочка или ряд радиоактивных превращений, заканчивающихся стабильным изотопом. Совокупность элементов, образующих цепочку, называется радиоактивным семейством. Семейство называется по наиболее долгоживущему элементу (с наибольшим периодом полураспада) "родоначальнику" семейства: тория 
урана 
и актиния. Конечными 
нуклидами являются соответственно
В таблице 1 представлена цепочка семейства урана.
Таблица 1. Семейство урана.
| Вид излучения | Нуклид | Период полураспада |
| α | Уран-238 | 4,47 млрд.лет |
| β | Торий-234 | 24,1 суток |
| β | Протактиний-234 | 1,17 минут |
| α | Уран-234 | 245000 лет |
| α | Торий-230 | 8000 лет |
| α | Радий-226 | 1600 лет |
| α | Радон-222 | 3,823 суток |
| α | Полоний-218 | 3,05 минут |
| β | Свинец-214 | 26,8 минут |
| β | Висмут-214 | 19,7 минут |
| α | Полоний-214 | 0,000164 секунды |
| β | Свинец-210 | 22,3 лет |
| β | Висмут-210 | 5,01 суток |
| β | Полоний-210 | 138,4 суток |
| Свинец-206 | стабильный |
ДОЗИМЕТРИЯ
Повреждения, вызванные в живом организме излучением, будут тем больше, чем больше энергии излучения передается тканям. Количество такой переданной организму энергии называется дозой. Измеряемые физические величины связанные с радиационным эффектом называют дозиметрическими. Задачей дозиметрии является измерение некоторых физических величин для предсказания или оценки радиационного эффекта, в частности радиобиологического. Распространенными дозиметрическими величинами являются поглощенная доза, экспозиционная доза, эквивалентная доза, эффективная эквивалентная доза, ожидаемая доза и коллективная доза. Как определить эти дозы? Если человек подвергается воздействию ионизирующего излучения, то необходимо знать распределение интенсивности излучения в пространстве. Кроме того, поглощающая способность тканей различна. Поэтому для характеристики энергии ионизирующего излучения используют экспозиционную дозу.
Экспозиционная доза — мера ионизационного действия фотонного излучения, определяемая по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия, т.е. если поглощенная энергия излучения в некотором объеме среды равна суммарной кинетической энергии ионизирующих частиц (электронов, протонов).
Экспозиционная доза является непосредственно измеряемой физической величиной.
В СИ единицей экспозиционной дозы является один Кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемная единица экспозиционной дозы — рентген
Кл/кг, а 1Кл/кг= 3,876 х 103 Р.
Рентген — единица экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучения, при прохождении которого через 0,001239 г воздуха в результате завершения всех ионизационных процессов, вызванных этим излучением, образуется 2,08х109 пар ионов. Отметим, что 0,001293 г — масса 1 см3 сухого атмосферного воздуха при нормальных условиях. Экспозиционная доза характеризует радиационную обстановку независимо от свойств облучаемых объектов.
Поглощающая способность объекта может сильно меняться в зависимости от энергии излучения, её вида и интенсивности, а также от свойств самого поглощающего объекта. Для характеристики поглощенной энергии ионизирующего излучения вводят понятие поглощенной дозы, определяемой как энергия поглощения в единице массы облучаемого вещества. Единица поглощенной дозы выражается в греях (Гр), 1Гр = 1Дж/кг. Единица названа по имени Луи Гарольда Грея — лауреата премии имени Рентгена, радиобиолога. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад: 1 рад — 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг; 1Гр = 1Дж/кг = 100 рад.
Часто используют понятие интегральной дозы, т.е. энергии, суммарно поглощенной во всем объеме объекта. Интегральная доза измеряется в Джоулях (1Гр х кг = 1 Дж)
Поглощенная доза не учитывает пространственного распределения поглощенной энергии. При одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-излучения. Для учета этого явления вводят понятие эквивалентной дозы.
Эквивалентная доза излучения представляет собой поглощенную дозу, умноженную на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма; альфа-излучение считается при этом в 20 раз опаснее других видов излучений. В СИ для единицы эквивалентной дозы излучения используют зиверт (Зв). Эта единица названа по имени Зиверта — крупного исследователя в области дозиметрии и радиационной безопасности. По его инициативе создана сеть станций наблюдения за радиоактивным загрязнением внешней среды. Внесистемной единицей эквивалентной дозы излучения является бэр.
Эквивалентная доза излучения может быть найдена через поглощенную дозу D , умноженную на средний коэффициент Q качества излучения биологической ткани стандартного состава и на модифицирующий фактор N : 
Если излучение смешанное, то формула будет иметь вид TV
где i — индекс вида энергии излучения.
Используемый в формулах коэффициент качества излучения представляет собой безразмерный коэффициент Q, который предназначен для учета влияния микрораспределения поглощенной энергии на степень проявления вредного биологического эффекта. Значения коэффициента качества для различных видов излучений даны в таблице 2
Таблица 2 Коэффициент качества для различных видов излучений.
| Вид излучения | Значение коэффициента качества |
| Рентгеновское и гамма-излучение | 1 |
| Бета-излучение | 1 |
| Протоны с энергией меньше 10 МэВ | 10 |
| Нейтроны с энергией меньше 20 КэВ | 3 |
| Нейтроны с энергией: 0,1-10 МэВ | 10 |
| Альфа-излучение с энергией меньше 10 МэВ | 20 |
| Тяжёлые ядра отдачи | 20 |
Следует также учитывать, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака легких более вероятно, чем рака щитовидной железы. Поэтому дозы облучения органов и тканей, также следует учитывать с разными коэффициентами.
Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела, рекомендованные для вычисления эффективной эквивалентной дозы приведены в таблице 3.
Таблица 3. Коэффициенты радиационного риска
| Органы или ткани | Коэффициент радиационного риска |
| Красный костный мозг | 0,12 |
| Костная ткань | 0,03 |
| Щитовидная железа | 0,03 |
| Лёгкие | 0,12 |
| Другие ткани | 0,3 |
| Яичники или семенники | 0,25 |
| Организм в целом | 1 |
Умножив эквивалентную дозу на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективно-эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма. Она также измеряется в зивертах.
Рассмотренные понятия описывают только индивидуально получаемые дозы. Просуммировав индивидуальные эквивалентные дозы, полученные группой людей мы придем к коллективной эффективной дозе, которая измеряется в человеко-зивертах (чел.-Зв).
Кроме того, вводят еще одно определение, поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в определенном будущем. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получают многие поколения людей называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.
Одна и та же доза, но полученная за минуту или за десятилетия, может оказать различное влияние на организм. Поэтому сказать, что кто-то получил такую-то дозу, будет недостаточно, так как на основании этой информации не всегда можно сделать заключение об опасности последствий. При хроническом облучении надо иметь в виду две его особенности. Первая заключается в том, что радиационная доза облучения накапливается в организме со временем, а вторая — чем меньше ежедневная доза и чем больше промежутки между облучениями, тем больше суммарная доза, приводящая к тем же последствиям, что и в предыдущих случаях. Таким образом, доза, полученная за более длительный срок, менее вредна, чем такая же доза, полученная за более короткий срок.
В настоящее время после Чернобыля принята международная норма радиационной безопасности, которая допускает дозу облучения в 0,1 Бэр в год, что равно 1 мЗв в год. Таким образом, за жизнь человека предельная доза накопления составляет 7 Бэр или 70 мЗв.
При расчетах дозиметрических показателей в результате Чернобыльской катастрофы необходимо использовать все возможные пути воздействия ионизирующих излучений на организм человека, а также радиационные факторы не только непосредственно после аварии, но и в процессе жизнедеятельности в последующем. Один из ведущих американских радиологов Джон Гофман в своей книге "Чернобыльская авария: радиационные последствия для настоящего и будущего поколений" приходит, к следующему.
Данные о связи между повреждениями в генетическом аппарате и целым рядом тяжелейших болезней (раковые заболевания, уродства, нарушения функции ЦНС, болезни класса ДНКЭ и т.д.), а также имеющиеся эпидемиологические данные позволяют сделать вывод, что не существует безопасной дозы облучения и что при любой, даже самой малой дозе, риск возникновения целого ряда тяжелейших заболеваний пропорционален дозе облучения.
Полученные на животных данные, согласно которым кривая "доза-эффект" зависит от фракционирования дозы и риск заболевания может быть уменьшен за счет фракционирования, неприемлемы к человеку. При низких дозах облучения риск ракового заболевания пропорционален величине поглощенной дозы и не зависит от ее фракционирования.
При низких дозах облучения вероятность ракового заболевания на единицу поглощенной дозы выше, чем при средних и высоких дозах.
Для смешанной по полу и возрасту популяции коллективная доза в 10000 человеко-бэр приводит к появлению 27 избыточных смертей от индуцированного радиацией рака.
Относительная биологическая эффективность рентгеновского излучения примерно в 2 раза выше, чем а-лучей.
Концепция гормезиса, т.е. наличия положительного эффекта от воздействия низких доз радиации, не имеет под собой научной базы.
Во избежание опасных последствий для здоровья людей необходимо учредить институт независимых международных экспертов для оценки безопасности всех крупных проектов, связанных с использованием ядерной энергии и ядерных технологий.
Литература
1. Савенко В.С. Радиоэкология. — Мн.: Дизайн ПРО, 1997.
2. М.М. Ткаченко, “Радіологія (променева діагностика та променева терапія)”
3. А.В.Шумаков Краткое пособие по радиационной медицине. Луганск -2006
4. Бекман И.Н. Лекции по ядерной медицине
5. Л.Д. Линденбратен, Л.Б. Наумов Медицинская рентгенология. М. Медицина 1984
6. П.Д.Хазов, М.Ю.Петрова. Основы медицинской радиологии. Рязань,2005
7. П.Д. Хазов. Лучевая диагностика. Цикл лекций. Рязань. 2006
Реферат
Тема: Радиоактивность и ядерные излучения
План
1. Общие сведения о радиоактивных излучениях
2. Строение атомного ядра
3. Радиоактивный распад
4. Взаимодействие излучений с веществом
4.1. Взаимодействие альфа-частиц с веществом
4.2.Взаимодействие бета-частиц с веществом
4.3.Взаимодействие гамма-излучения с веществом
4.4.Взаимодействие нейтронов с веществом
5. Дозиметрия
Литература
Дата: 2019-05-29, просмотров: 173.
