Іонізуючі випромінювання

Розвиток життя на Землі завжди супроводжувався радіаційнимм фоном навколишнього середовища. Радіоактивне випромінювання — це не щось нове, створене розумом людини, а явище, що існує вічно. Це явище було відкрите В.К. Рентгеном у кінці XIX ст. (1895 р.) і назване в подальшому його іменем. 1596 р. А. Бекерель поклав на кілька фотографічних пластин кусок мінералу, який містив уран. Проявивши пластинки, він виявив на них сліди якогось випромінювання, які він при­писував урану. Це було відкриття радіоактивності. У 1898 р. М. Кюрі і П. Кюрі встановили, що уран після випромінювання перетворюється на інші хімічні елементи (рис. 4.4). Один з цих ементів вони назвали радієм (від лат. "той, що випускає промені"), другий — полонієм, як спомин про батьківщину М. Кюрі, це були перші кроки у дослідженнях з іонізуючими випромінюваннями (ІВ). І вже з самого початку дослідники зіткнулися з негативною дією радіації. Марія Кюрі, її донька Ірен і зять Фредерік Жоліо Кюрі померли від променевої хвороби, що виникла під час багаторічної роботи з радіоактивними речови­ми. Незважаючи на це, вчені спрямували зусилля на розгадку однієї з найтривожніших загадок усіх часів, прагнучи про­никнути допитливим розумом у найпотаємніші секрети матерії. На жаль, результати їхніх пошуків були втілені в атомну бомбу. Вибухи атомних бомб у 1945 р. призвели до колосальних людських жертв. Практичним втіленням пошуків вчених стало також створення атомних електростанцій, широке використання рентгенівських променів і радіоактивних речовин у медицині та в інших галузях народного господарства. Отже, до природного радіаційного фону навколишнього середовища людина, використовуючи ядерну енергію, додає радіаційне навантаження. Особливо великим і небезпечним є це навантаження під час ядерних вибухів, аварій на АЕС та неконтрольованого випромінювання на виробництві, при лікуванні та в побуті.

В умовах широкого застосування атомної енергії в мирний і загрози застосування ядерної зброї у війні перед спеціалістами всіх галузей господарювання стоїть завдання: оволодіти основами радіаційної безпеки. Необхідність підготовки з радіаційної безпеки диктується також і тим, що ми живемо і працюємо

на територіях, забруднених радіонуклідами після катастрофи на ЧАЕС. Проблемою залишається усунення небезпеки опромінення населення під час вживання харчових продуктів, що виробляються з місцевої сировини. Люди повинні бути максимально захищені від дії радіації через харчові продукти. А це можливо, якщо знання радіаційної безпеки будуть не прерогативою вузького кола спеціалістів, а надбанням усіх людей, спеціалістів різних галузей.

Характеристика іонізуючих випромінювань і їхні одниці. Іонізуючим називають будь-яке випромінювання (електромагнітне, корпускулярне), взаємодія якого з речовиною безпосередньо або опосередковано породжує електричні заряди протилежних знаків. Воно здатне проникати крізь матеріали різної товщини та іонізувати живі клітини організму (рис. 4.5). Іонізація речовин завжди супроводжується зміненням основних фізикоко-хімічних властивостей їх, а для біологічної тканини — порушенням її життєдіяльності. Тому іонізуючі випромінюван­ня спричинюють ураження живого організму.

Енергію частинок іонізуючого випромінювання виражають в електрон-вольтах (еВ); 1 еВ = 1,6*10^-19 Дж.

Основні види ІВ (рис. 4.6): альфа-, бета-, нейтронні та інші (група корпускулярних випромінювань), рентгенівські та гамма-випромінювання (група хвильових). Корпускулярні випромінювання — це потоки невидимих елементарних частинок певної маси і певних розмірів. Хвильові випромінювання мають

Рис. 4.5. Схема дії іонізуючого випромінювання

Рис. 4.6. Типи іонізуючих випромінювань

квантову природу. Це — електромагнітні хвилі в понадкороткохвильовому діапазоні.

Альфа-частинки являють собою ядра атомів гелію, і мають два протони і два нейтрони. Альфа-випромінювання має відносно велику іонізуючу здатність, але проникає в тканини тіла людини на дуже малу глибину (до 50 мкм). При зовнішньому опроміненні істотної небезпеки для людини воно не має і захист від альфа-частинок простий — одяг. Становище докорінно змінюється, якщо альфа-частинки проникають в організм люди з повітрям, їжею або водою. У цьому разі вони будуть надзвичайно небезпечними опромінювачами організму зсередини. Джерелами альфа-частинок є ядра в основному важких радіоактивних елементів, розміщених у кінці періодичної системи

Д.І. Менделєєва (²⁴¹Аm, ²³⁸U, ²¹⁰Ро, ²¹⁰Рb, ²³⁸Рu, ²²⁶Rа та ін.). Енергіяальфа-частинок коливається в межах 2... 10 МеВ.

Бета-випромінювання — це потік електронів або позитронів з безперервним енергетичним спектром, що виникає при створеннях ядерних чи нестабільних частинок (наприклад, нейтронів). Проникна здатність їх значно вища, ніж альфа-частинок. Для бета-частинок з енергією до 5 МеВ довжина пробігу в повітрі досягає 17,8 м, у воді — до 2,6 см, у м'яких тканинах — до 2 см, в алюмінії — до 10 мм. Щоб захиститися від бета-випромінювань, треба використовувати матеріали, які мають більшу товщину або таку, що дорівнює максимальному пробігу наприклад лист алюмінію до 1 см.

При зовнішньому опроміненні бета-частинками на відкритих поверхнях шкіри людини можуть утворюватися радіаційні опіки різної складності. У разі проникнення джерел бета-частинок до організму з їжею, водою і повітрям відбувається внутрішнє опромінення організму, здатне спричинити тяжкі променеві ураження.

Бета-випромінювачами є ⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, ¹³⁴Сs, ¹³⁷Сs, ¹⁴⁰Ва, ¹³¹І та інші радіонукліди.

Нейтрони — це нейтральні частинки, що не несуть елект­ивного заряду, мають значну проникну здатність (довжина пробігу в біологічній тканині — десятки сантиметрів). Іонізація середовища в полі нейтронного випромінювання здійснюється зарядженими частинками, що виникають при взаємодії нейтронів з речовиною. Нейтронне випромінювання здатне пере­творити атоми стабільних елементів на радіоактивні ізотопи їх, різко підвищує небезпеку нейтронного опромінення. Нейтронне випромінювання виникає внаслідок ядерних реакцій, частково реакцій ділення ядер урану або плутонію. Нейтронне випромінювання справляє сильну уражальну дію при зовнішньому опроміненні. Енергія нейтронів — від одиниць електрон-вольтів до 20 МеВ і більше (теплові — 0,0...0,5 кеВ, про-Ійіі — 0,5...200 кеВ, швидкі — 200,0 кеВ...20 МеВ і релятивні — понад 20 МеВ).

Від нейтронного випромінювання добре захищають водневмісні матеріали або легкі речовини: бор, графіт, парафін, берилій, вуглець, звичайна або важка вода, бетон.

Рентгенівське і гамма-випромінювання належать до широкого спектра електромагнітних випромінювань, поширюються із швидкістю світла і мають велику проникну здатність.

Рентгенівське випромінювання — це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10^-9... 10^{-11 м. Випромінюється при гальмуванні швидких електронів у речовині (безперервний спектр) та при переходах електронів із зовнішніх електронних оболонок атома на внутрішні (лінійчастий спектр). Джерела — рентгенівська трубка, деякі радіоактивні ізотопи, прискорювачі та накопичувачі електронів. Генерується для діагностики і лікування хворих і т. ін. Діапазон енергії фотонів — від 1 кеВ до 1 МеВ.}

Гамма-випромінювання — це короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 10^-12...10^{-14 м; воно супроводжує ядерні реакції й розпад ядер багатьох радіоактивних речовин, виникає також при переході ядер із збудженого стану в основний під час взаємодії швидких заряджених частинок з речовиною (гальмівне випромінювання). Маючи високу проникну здатність, може пройти крізь тіло і густіші середовища. У повітрі довжина пробігу сягає десятків і навіть сотень метрі Від гамма-випромінювання добре захищають свинець, бетон інші матеріали великої густини (рис. 4.7).}

Розглянуті види іонізуючого випромінювання визначають радіоактивність, що виникає переважно під час ядерних перетворень.

Для того щоб зрозуміти, як виникають іонізуючі випромі­нювання, досить згадати деякі відомості з атомної фізики.

Відповідно до планетарної моделі атома, запропонованої в 1911 р. англійським фізиком Е. Резерфордом, ядро атома скла­дається з позитивних протонів і нейтральних нейтронів. Навколо ядра обертаються на своїх орбітах негативно заряджені елект­рони. Заряд ядра дорівнює сумарному заряду електронів, тобто атом електрично нейтральний.

Ядра атомів одного й того самого елемента завжди мають однакову кількість протонів, але кількість нейтронів у них може бути різною.

Атоми, що мають ядра з однаковою кількістю протонів, але різняться за кількістю нейтронів, належать до різновидів одного й того самого хімічного елемента і називаються ізотопами. Для

Рис. 4.7 Захисні властивості деяких матеріалів