Основи радіаційної фізики, дозиметрії і радіометрії

 

Іонізуючими випромінюваннями називають випромінювання, які іонізують атоми і молекули тіл, через які вони проходять (відривають від них електрони). Як показує практика, іонізуючі випромінювання шкідливі для здоров’я людини і ця шкідливість зв’язана з іонізацією живих тканин.

З квантової механіки відомо, що всяке випромінювання можна розглядати як хвильовий  процес, або як потік частинок. Але хвильові і корпускулярні властивості випромінювання проявляються не завжди і в неоднаковій степені. Так, видиме світло в багатьох випадках зручніше розглядати як електромагнітну хвилю, властивості якої визначаються рівняннями Максвела. Таке представлення дозволяє пояснити багато явищ – інтерференцію, поляризацію, дифракцію. Але, наприклад, фотоефект на основі цього представлення задовільно пояснити не можна. Для пояснення цього явища приходиться застосовувати корпускулярні представлення. Корпускулярні і хвильові характеристики матеріальних об’єктів зв’язані співвідношеннями

 ,  .                                                   (1.1)

Тут Е – енергія частинки, h-постійна  Планка, р – імпульс, λ – довжина хвилі, ν – частота. Величини Е, р являються корпускулярними характеристиками об’єктів, ν, λ – хвильовими.

Іонізуючі випромінювання мають велику енергію частинок (десятки кеВ – десятки МеВ) і відповідно великий імпульс. Тому довжина хвилі де-Бройля λ (1) мала і хвильові властивості цих випромінювань проявляються дуже рідко.

Види іонізуючих випромінювань

1. Альфа-випромінювання

Альфа-випромінювання являє собою потік альфа-частинок (ядер гелію   – нижній індекс означає заряд ядра в елементарних зарядах, верхній масу в атомних одиницях маси а.о.м.). Утворюються α-частинки при α-розпаді ядер і мають кінетичну енергію до десятків МеВ. Альфа-частинка, оскільки вона має електричний заряд і велику масу, є сильно іонізуючою частинкою. Внаслідок взаємодії альфа-частинок з електронною оболонкою атома окремим електронам надається значна енергія, і вони вилітають з атома. В результаті цього атом втрачає електричну нейтральність і стає позитивно зарядженим іоном. Іонізація атомів живих тканин є шкідливою для життєдіяльності організму. Іонізація α-частинками відрізняється високою густотою іонів, тому особливо шкідлива. Пробіг α-частинок в живій тканині із-за великої втрати енергії на іонізацію невеликий і є величиною, меншою 1мм.

2. Бета-випромінювання

Воно являє собою потік електронів (β “–” - випромінювання) або позитронів (β “+” - випромінювання). Електрон і позитрон є легкими елементарними частинками з масою, що дорівнює   а.о.м., мають електричний заряд, що дорівнює елементарному (позитивний у позитрона і негативний у електрона) і спін рівний   (в одиницях  ). Ці частинки утворюються при β-розпаді ядер. Спектр енергій неперервний від нуля до максимального значення Еm, характерного для розпаду даного елемента. Еm є величина від десятків кеВ до декількох МеВ. Рухаючись в речовині, β-частинки взаємодіють з електронною оболонкою атома, передають деяким електронам значну енергію і відривають їх від атомів. Звідси видно, що β-випромінювання, як і α-випромінювання, є безпосередньо-іонізуючим. Взаємодія β-випромінювання з атомами більш слабка, ніж α-випромінювання. Тому іонізація живої тканини характеризується значно меншою густиною і меншою шкідливістю для організму.

3. Фотонне випромінювання

Фотон є квантом електромагнітного поля, або квантом електромагнітної хвилі. Енергія фотона, або кванта, визначається з першої формули(1). Фотон має імпульс

                                                   (1.2)

і власний момент імпульсу або спін, кратний  .

Фотон може взаємодіяти безпосередньо з електронами атома і передати їм значну енергію, але ймовірність такої взаємодії мала. Швидкий електрон, який виникає внаслідок такої взаємодії, рухаючись в речовині, може іонізувати багато атомів. Таким чином, при дії фотонного випромінювання, основна іонізація здійснюється не безпосередньо фотонами, а швидкими електронами, які утворені фотонами. Тому фотонне випромінювання називають посередньо-іонізуючим.

До іонізуючого фотонного випромінювання відносяться рентгенівське і гамма-випромінювання. Рентгенівське випромінювання найчастіше отримується в рентгенівських трубках при ударі електронів великої енергії об анод (антикатод) трубки. Енергія рентгенівських фотонів має величину від одиниць кеВ до декількох сотень кеВ. Гамма-випромінювання випромінюють збуджені ядра атомів при переході їх в основний стан. Таке збудження виникає, наприклад, при радіоактивному розпаді або при інших ядерних реакціях. При радіоактивному розпаді дочірнє ядро, що утворюється в результаті розпаду, часто знаходиться в збудженому стані. Енергія гамма-фотонів, як правило, знаходиться в межах від декількох десятків кеВ до десяти МеВ.

4. Протонне і нейтронне випромінювання.

Протон і нейтрон – елементарні частинки, що мають масу приблизно рівну 1 а.о.м. і спін  . Протон має електричний заряд, рівний елементарному, нейтрон заряду не має. Протон і нейтрон являються окремими станами частинки нуклона, яка є складовою частиною ядра. Нуклони – тяжкі частинки. Протон має електричний заряд і може взаємодіяти з електронами атома. Якщо він має достатню енергію, то може безпосередньо іонізувати атом, відриваючи від нього електрон. Як і інші важкі заряджені частинки протони значних енергій створюють в живій тканині достатньо густу іонізацію.

Нейтрони не мають електричного заряду, тому безпосередньо з електронами атома не взаємодіють і відірвати електрон не можуть. Але між нейтроном і ядром не виникає кулонівського бар’єра, тому нейтрони легко можуть проникнути всередину ядра. При