Сведения по ядерной физике. Проникающая способность и защита
Расстояние, на которое ионизирующее излучение может проникать в вещество, называется его проникающей способностью. Оно зависит от энергии излучения и свойств вещества, через которое излучение проникает.
Альфа — излучение
Из-за относительно большого размера и электрического заряда, альфа-частицы вступают во взаимодействие со всеми встреченными на пути атомами и, теряя энергию, легко тормозятся при контакте с веществом. В воздухе их пробег равен нескольким сантиметрам. Толстый лист бумаги остановит частицу полностью.
В живой человеческой ткани пробег частицы — меньше чем 0,7 мм. Альфа-излучение, воздействующее на незащищенную часть тела, не может проникнуть даже через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками, и не причиняет вреда организму.
Поэтому альфа-излучение опасно только тогда, когда альфа-частицы попадают внутрь организма (с воздухом, питьевой водой и пищевыми продуктами) и напрямую воздействуют на клетки органов, вызывая их повреждения.
Бета — излучение
Проникающая способность бета-частицы значительно больше чем альфа-частицы, потому что электрический заряд бета-частицы — вдвое меньше заряда альфа-частицы. Кроме того, масса бета-частицы — приблизительно в 7000 раз меньше массы альфа-частицы.
Из-за ее маленькой массы и маленького заряда ионизация, вызванная бета-частицей меньше, и, как следствие, энергия бета-частицы расходуется на более значительном расстоянии.
Проникающая способность бета-частицы в воздухе изменяется от 0,1 до 20 метров в зависимости от начальной энергии частицы.
В большинстве случаев защитные очки и средства индивидуальной защиты (СИЗ — костюм, ботинки, перчатки, головной убор) обеспечивают достаточную защиту от внешнего облучения организма бета-частицами. Большой риск облучения бета-частицами связан с попаданием их вовнутрь организма при приеме пищи вследствии нарушения гигиенических правил.
Гамма-излучение
Защититься от воздействие гамма-излучения сложнее, чем от воздействия альфа- и бета- частиц. Проникающая способность его очень высока, и гамма-излучение способно насквозь пронизывать живую человеческую ткань.
Нельзя однозначно заявлять, что некоторая толщина некоторого вещества полностью остановит действие гамма-излучения. Часть излучения будет остановлена, а часть его — нет. Однако, чем более толстый слой защиты и чем больше удельный вес и атомный номер вещества, которое используется в качестве защиты, тем более она эффективна.
Толщина материала, требуемого, чтобы уменьшить излучение в два раза — называется слой половиного ослабления. Толщина его, естественно, изменяется в зависимости от применяемого материала защиты и энергии излучения.
Уменьшить мощность гамма-излучения на 50 % может 1 см свинца, 5 см бетона, или 10 см воды. Этот пример применим к излучению от кобальта-60, который является преобладающим источником гамма-излучения на атомных электростанциях.
Проникающая способность альфа лучей в тканях равна
Выделяют 2 разновидности излучения — ионизирующее и неионизирующее. При первом реализуется возможность физического нарушения целостности нейтрально заряженного атома за счет смещения электронов с их орбиталей с образованием ионной пары, представленной выбитым электроном и остальной частью атома.
Ионные пары химически активны и способны оказывать вредное повреждающее действие на клетку (примером могут служить свободные радикалы, образующиеся из воды). Второе, не приводящее к ионизации излучение, напротив, не вызывает перемещения электронов с орбитали на орбиталь и не нарушает физической целостности атома, на который было оказано воздействие.
Ионизирующее излучение:
— Острая лучевая болезнь
— Злокачественные опухоли вторичного генеза
— Чернобыль
— Диагностические лучевые методы исследования
— Излучение низкой интенсивности
— Аварии на атомных реакторах
— Лучевая терапия
— Радионуклиды
— Радон
— Коротковолновое электромагнитное излучение:
Гамма-лучи
Рентгеновские лучи
— Корпускулярные виды излучения:
Альфа-частицы
Бета-частицы
Нейтроны
Протоны
Неионизирующее излучение:
I. Электромагнитное поле:
— Микроволновое
— Радиочастотное
— Низкочастотное
II. Оптическое излучение:
— Ультрафиолетовое
— В видимом спектре
— Инфракрасное
III. Лазерное IV. ЯМР
V. Ультразвуковое
VI. Ультрафиолетовое
VII. Мониторы с электронно-лучевыми трубками
а) Источники ионизирующего излучения. Ионизирующее излучение — это естественный процесс, происходящий в окружающей человека среде. После открытия рентгеновских лучей и радиоактивности оно стало и составной частью производственной среды.
Читайте также: Ткань премьер cotton rich 230 арт 18452
б) Радиационный фон:
1. Годовая доза фоновой радиации колеблется от 1 до 10 мГр (от 100 до 1000 мрад).
2. Максимальная допустимая доза облучения всего тела за год для общей популяции составляет 5 мГр (500 мрад). Для работающих с радиацией за год допускается доза, в 10 раз более высокая — около 50 мГр (5000 мрад).
3. Уровень воздействия на организм человека телевизоров, люминесцирующих циферблатов часов и реакторов на несколько порядков меньше, чем фоновое облучение.
в) Основные понятия. Уровни радиации измеряются и определяются следующим образом (единицы СИ приведены в качестве основных):
Соотношения между старыми и новыми единицами измерения радиоактивности отражены в таблице ниже.
г) Виды излучения. Различные виды ионизирующего излучения отличаются друг от друга по проникающей способности, а также по тому, насколько активно они вызывают образование ионов при прохождении через среду. Ионизирующая радиация происходит естественным путем в результате распада радиоактивных элементов или продуцируется искусственно с помощью специальных приборов, например рентгеновских аппаратов.
Радиоактивным следует считать такой элемент, который обладает свойством спонтанно переходить в состояние, характеризующееся меньшим запасом энергии, испуская при этом из своего ядра частицы или гамма-лучи. К разряду частиц относятся альфа- и бета-частицы. Рентгеновские лучи возникают, когда электроны, обладающие высокой энергией, бомбардируют ядра соответствующей мишени, например тагстена. Такие разогнанные электроны, контактируя с окружающим ядро электрическим полем, отклоняются от своей траектории и испускают мощное электромагнитное излучение — рентгеновские лучи.
Альфа-частицы обычно заряжены энергией, равной примерно 4—8 млн электрон-вольт (МэВ). В воздухе они способны распространиться лишь на несколько сантиметров, а в ткани проникают на глубину до 60 микрон. Большой запас энергии наряду с очень малой протяженностью траектории обусловливает то, что ионизирующий эффект на пути следования частицы в ткани оказывается чрезвычайно мощным. Кожный эпидермис выступает надежным барьером, предотвращающим внешнее (чрескожное) воздействие альфа-частиц на организм.
Однако если элемент, испускающий альфа-частицы, попадает внутрь организма ингаляционно, через рот или открытую рану, то возникает опасность развития тяжелых нарушений, в том числе развития злокачественных новообразований. Имплантаты с радием (радий-226 и радий-222) являются примером излучателей альфа-частиц, которые используются в клинических условиях.
Бета-частицы намного слабее взаимодействуют со средой и поэтому способны проникать в живые ткани на глубину нескольких сантиметров и распространяться в воздухе на много метров. Внешнее облучение бета-частицами в определенной мере опасно, но гораздо больший вред причиняет воздействие излучения изнутри. Примерами источников бета-частиц являются такие изотопы, как углерод-14, золото-198, йод-131, радий-226, кобальт-60, селен-75 и хром-51.
Гамма-лучи представляют собой электромагнитное волновое излучение (как и рентгеновское), испускаемое ядром. В воздушной среде они проходят очень большие расстояния, распространяются на много метров и глубоко проникают в ткани, как и бета-частицы, биологически опасны и при внешнем, и при внутреннем облучении.
Медицинский персонал, занимающийся оказанием экстренной помощи, имеет наибольшую вероятность контакта с радиоактивностью в виде бета- и гамма-излучения. Альфа-излучатели — это главным образом трансурановые изотопы, и с ними, как правило, имеют дело только в лабораториях ядерной химии и на предприятиях, вырабатывающих изотопы. Примерами гамма-излучателей служат кобальт-60, цезий-137, иридий-192 и радий-226.
Однако следует иметь в виду, что при измерении радиоактивности и больного можно проконтролировать лишь уровень альфа-, бета- и гамма-излучения.
Протоны с энергетическим потенциалом в несколько МэВ образуются в мощных ускорителях и весьма активно ионизируют биологическую среду. Глубина распространения протонов в живых тканях немного больше, чем альфа-частиц с эквивалентной энергией.
Рентгеновские лучи характеризуются большей длиной волны, меньшими частотами и, следовательно, меньшей энергией, чем гамма-лучи. Биологические эффекты рентгеновского и гамма-излучения изучены лучше, чем других виды радиации. Воздействие рентгеновского изучения на организм возможно при работе с электроннолучевыми трубками и электронными микроскопами.
Читайте также: Ткань ушной раковины 4 буквы
д) Применение. В клинической практике ионизирующее излучение применяется (а) в диагностических целях при рентгенологических исследованиях, флюороскопии, ангиографии, в стоматологической практике и компьютерной аксиальной томографии (КТ-сканировании); (б) в лучевой терапии; (в) дерматологии; (г) при радиологическом обследовании и лечебных вмешательствах; (д) в радиофармакологии. Опасность лучевого поражения существует там, где хранятся или утилизируются радиоактивные материалы.
Радиационная безопасность в отделениях радиологической диагностики и терапии обычно поддерживается на достаточно высоком уровне отвечающими за это сотрудниками. Неизбежно облучению подвергается персонал, проводящий рентгенологические исследования портативными рентгеновскими аппаратами (в операционных, приемных отделениях и блоках интенсивной терапии). При этом контроль на предмет радиационного воздействия зачастую недостаточен.
е) Предельно допустимые дозы. Рекомендации, касающиеся ионизирующего излучения для работающих на соответствующих производствах и населения в целом, кратко отражены в таблице ниже.
ж) Радиологические диагностические методы исследования. Данные по лучевой нагрузке представлены в таблицах ниже. Максимальный риск для здоровья при выполнении отдельных рентгенологических исследовании в зависимости от вида воздействия отражен в таблице ниже.
з) Беременность. Любое медицинское вмешательство нужно проводить таким образом, чтобы обследуемый получил минимальную дозу облучения. Всегда, когда речь идет о женщине детородного возраста, необходимо иметь в виду ее вероятную беременность. В течение 10 сут после менструации мала возможность зачатия и невелик риск. Он довольно мал и на протяжении остальной части цикла: в этот период также нет ограничений на диагностические исследования. Второй месяц беременности сопряжен с опасностью неправильной закладки отдельных органов.
Это доказано в экспериментах на животных, подвергаемых облучению. Воздействие радиации на передний мозг в сроки от 8 до 15 нед после оплодотворения чревато замедлением умственного развития в последующем, причем нет никаких подтверждений подобному эффекту в сроки до 8 нед. Риск возникновения злокачественных новообразований возрастает до уровня, сопоставимого с тем, что характерен для взрослых при лучевой нагрузке до нескольких десятков миллигрэй, или даже превышающего его. Яйцеклетка восприимчива к действию радиации в течение по крайней мере 7 нед до овуляции.
и) Практические рекомендации:
1. Относитесь к любой женщине детородного возраста, как к беременной, если нет оснований утверждать обратное. В последнем случае критериями исключения беременности можно считать следующие: начало менструации не позднее чем за 10 сут до исследования, прием пероральных контрацептивов, применение внутриматочных противозачаточных средств или перенесенная в прошлом хирургическая стерилизация.
2. Если не исключен факт, что женщина находится в I триместре беременности, то постарайтесь исключить облучение области таза.
3. Во время диагностических рентгенографических исследований по возможности всегда защищайте экраном область таза и живота женщины.
4. Если имеются серьезные медицинские показания для проведения обследования беременной женщины с использованием радиации, то они должны перевесить по значимости возможные отдаленные последствия как для самой больной, так и для плода. 5. Облучение области таза женщины относительно высокой дозой (от 5 до 15 рад) в I триместре беременности увеличивает риск врожденных аномалий у плода с 1 до 3 %. Такой риск может считаться основанием для искусственного прерывания беременности.
С другой стороны, если родители психологически имеют в себе силы смириться с небольшим увеличением риска возникновения врожденных недостатков у будущего ребенка, то можно рекомендовать сохранить беременность.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Проникающая способность радиации. Плотность ионизации (удельная ионизация). Линейная передача энергии.
Проникающая способность ионизирующих излучений, то есть глубина их проникновения в вещество, зависит не только от перечисленных выше их характеристик, но и от состава и плотности облучаемого вещества. Она минимальна в материалах, обладающих высокой плотностью, подобных бетону, стали, свинцу, которые обычно используют в качестве защиты от излучений, и максимальна в воздухе (имеются в виду естественные компоненты среды).
Читайте также: Как покрасить синтетическую ткань в домашних условиях в серый цвет
Проникая в вещество, ядерные излучения вступают во взаимодействие с его атомами и молекулами по вышеописанным явлениям фотоэлектрического поглощения, комптоновского рассеяния электрическими полями, поглощения ядрами, отталкивания от них и другими. При этом основная часть энергии расходуется на возбуждение электронов, ионизацию атомов и молекул вещества, преобразуясь в кинетическую энергию вторичных электронов и энергию вторичного электромагнитного излучения.
Следует подчеркнуть, если корпускулярное излучение непосредственно само вызывает ионизацию, то электромагнитное — косвенно, так как ионизирующие частицы, при облучении рентгеновским или гамма-излучением, возникают лишь при взаимодействии их фотонов с веществом.
Электромагнитные излучения проникают в вещество, в том числе и в живую ткань, очень глубоко. Более того, каким бы плотным ни было вещество, какой бы ни была его толщина, поглотить полностью фотоны теоретически нельзя. Их можно лишь ослабить. В радиобиологии существует понятие линейного коэффициента ослабления электромагнитного излучения, который представляет собой величину относительного его уменьшения после прохождения слоя вещества толщиной в 1 сантиметр. В таблице 3 приведены значения этого коэффициента при прохождении гамма-излучения трёх разных энергий через некоторые вещества и материалы. Как видим, его величина прямо пропорциональна плотности вещества или материала и обратно пропорциональна энергии излучения. Поэтому, зная эти показатели, нетрудно его рассчитать.
Проникающая способность заряженных альфа-, бета- и других частиц значительно меньше. Она также определяется в первую очередь их энергией, но в значительной степени зависит от массы и скорости движения. Проходя через вещество, заряженные частицы очень быстро теряют свои кинетические свойства. Так, альфа-частицы с энергией 4 — 8,8 МэВ проникают в живые ткани всего на глубину 30-100 мкм. Бета-частицы, обладающие меньшей массой, но большей скоростью, медленнее тратят свою энергию на ионизацию и поэтому их пробег в ткани больше. Так, бета-частицы радиоактивного фосфора ³²Р, обладающие энергией 1,7 МэВ, проникают в ткань на глубину 8 мм, а радиоактивного калия ⁴²К, энергия бета-излучения которого составляет 3,56 МэВ, — на 19 мм.
О высокой проникающей способности незаряженных частиц (нейтронов) уже говорилось.
Важное различие во взаимодействии с веществом электромагнитного и корпускулярного излучений состоит ещё и в том, что если фотоны рентгеновского и гамма-излучений на всём пути своего движения равномерно ионизируют его, то поток заряженных частиц, например альфа-частиц, постепенно теряя энергию и скорость, вызывает неравномерную ионизацию — с замедлением частицы она возрастает и достигает максимума в конце пути (рис. 7). Эта, характерная для любой заряженной частицы, зависимость получила название кривой Брегга.
Число пар ионов, возникающих на единице пути частицы или фотона в веществе, называют плотностью ионизации, или удельной ионизацией. Удельная ионизация альфа-частиц самая высокая из всех ионизирующих излучений. Пробегая в воздухе расстояние до 10 см, она на каждом сантиметре пути образует несколько десятков тысяч пар ионов, в то время как бета-частица, пробегая в воздухе до 25 метров, вызывает образование на 1 см пробега всего 50-100 пар ионов. Примерно такую же степень ионизации индуцируют фотоны рентгеновского и гамма-излучений, длина пробега которых в воздухе измеряется сотнями метров. В таблице 2 приведены значения средней плотности ионизации для некоторых типов излучений при пробеге в воде.
Отдача энергии по всей длине пробега называется линейной передачей (иногда встречается «потерей» и «переносом») энергии (ЛПЭ). Единица ЛПЭ равна количеству энергии, теряемой первичной ионизирующей частицей на единице длины её пробега. Её величина играет важную роль в проявлении радиобиологических реакций организма.
В статье использован материал из книги «Основы общей и сельско-хозяйственной радиобиологии», Киев, издательство УСХА 1991 г. Благодарю за внимание!