Материал из учебно-методического пособия по сельскохозяйственной радиоэкологии (стр. 3 )

К электромагнитным излучениям относятся:

рентгеновское излучение; γ-излучения радиоактивных элементов; видимый свет и радиоволны.

Рентгеновское излучение - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, в пределах длин волн от 10-12 до 10-15см. Различают жесткое рентгеновское излучение (с длиной волны до 2нм; 1нм=10-9м) и мягкое. Жесткое излучение проникает через различные материалы и мягкие ткани человеческого тела (это свойство рентгеновского излучения (Х-лучи) нашло применение в медицине).

Гамма-излучение - коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,01нм. На шкале электромагнитных волн оно граничит с жёстким рентгеновским излучением, занимая область более высоких частот. Гамма-излучение обладает чрезвычайно малой длиной волны (менее 0.05нм.) и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными свойствами, т. е. ведёт себя подобно потоку частиц - гамма-квантов, или фотонов. Гамма-излучение испускается возбужденными атомными ядрами при ядерных реакциях, радиоактивных превращениях атомных ядер, при аннигиляции (превращении при столкновении частицы и античастицы в другие частицы) электрона и позитрона и при других превращениях элементарных частиц.

Фотон – носитель электромагнитного излучения – является в одинаковой мере и квантом энергии, проявляющим волновые свойства, и частицей (корпускулой). Фотоны могут существовать только в движении, их масса покоя равна нулю, но это не значит, что они вообще не имеют массы. Так, при энергии гамма-излучения в 1МэВ масса фотона составляет 1/940 (0,001 а. е.м.).

Видимый свет и радиоволны – тоже электромагнитные излучения, но они не ионизируют, т. к. характеризуются большей длиной волны и соответственно меньшей энергией.

1.3.2. Корпускулярные излучения

Корпускулярное излучение состоит как из заряженных, так и из нейтральных частиц с массой отличной от нуля (табл.2):

альфа – частицы; бета – частицы; космическое излучении; нейтроны; продукты деления, содержащиеся в радиоактивных отходах переработанного топлива ядерных реакторов; протоны, ионы, в основном получающиеся на ускорителях.

Космическое излучение, в состав которого входят преимущественно протоны и ядра гелия. Проникая вглубь атмосферы, космическое излучение взаимодействует с ядрами, входящими в состав атмосферы, и образует потоки вторичных частиц (мезоны, гамма-кванты, нейтроны и др.).

Нейтрино и антинейтрино, образующиеся при β-распаде – частицы очень малого размера и чрезвычайно высокой проникающей способности в силу того, что они из-за своего малого размера крайне редко взаимодействуют с веществом, хотя и уносят с собой значительную часть энергии радиоактивного распада (эти частицы свободно проходят сквозь Землю и Солнце).

Нейтронное излучение. Нейтроны - единственные незаряженные частицы, образующиеся при некоторых реакциях деления ядер атомов урана или плутония. Поскольку эти частицы электронейтральны, они глубоко проникают во всякое вещество, включая живые ткани, и теряют свою энергию практически только при соударении с ядрами атомов. Отличительной особенностью нейтронного излучения является его способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, т. е. создавать наведенную радиацию, что резко повышает опасность нейтронного излучения. Проникающая способность нейтронов сравнима с гамма-излучением. В зависимости от уровня носимой энергии условно различают нейтроны быстрые (обладающие энергией от 0,2 до 20МэВ) и тепловые (от 0,25 до 0,5МэВ). Это различие учитывается при проведении защитных мероприятий. Быстрые нейтроны замедляются, теряя энергию ионизации, веществами с малым атомным весом (так называемыми водородсодержащими: парафин, вода, пластмассы и др.). Тепловые нейтроны поглощаются материалами, содержащими бор и кадмий.

Альфа-излучение: α-частицы — состоят из двух протонов и двух нейтронов; это положительно заряженные ядра атомов гелия, испускаемые при радиоактивном распаде изотопов тяжелых элементов — урана или радия. Они обладают малой проникающей способностью (пробег в воздухе - не более 10см), даже человеческая кожа является для них непреодолимым препятствием. В биотканях пробег α-частицы редко превышает 40-60мкм, т. е. действие ее обычно ограничено размерами одной клетки. Опасны они лишь при попадании внутрь организма, так как способны выбивать электроны из оболочки нейтрального атома любого вещества, в том числе и тела человека, и превращать его в положительно заряженный ион со всеми вытекающими последствиями.

Бета-излучение: β-частицы — отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные позитроны, испускаемые во время радиоактивного распада ядерных элементов с промежуточной ионизирующей и проникающей способностью. β-частица намного легче, чем α-частица поэтому, чтобы потерять ту же энергию, ей потребуется переместиться на большее расстояние, чем α-частица. Пробег β-частицы в воздухе достигает 10м и более, но в плотных слоях невелик, всего несколько миллиметров. Поэтому в случае радионуклидного загрязнения β-излучение не представляет серьезной опасности при внешнем облучении от поверхности земли. Даже небольшого перемещения нуклидов с поверхности земли в глубь почвы оказывается достаточно для поглощения β-излучения почвой.

1.4. Особенности взаимодействия ионизирующих излучений с веществом

Как уже было сказано, негативное воздействие на организмы связано со способностью высокоэнергетических частиц излучения выбивать электроны из атомов живой материи (вызывать ионизацию) или переводить электроны в возбужденное состояние.

Обнаружение и регистрация всех видов ядерных излучений, выбор материала для защиты от них, оценка биологического действия излучений на организмы возможны при понимании того, каким образом различные по природе излучения (альфа-, бета-частицы, гамма-кванты, нейтроны и т. д.) взаимодействуют с веществом.

Если, приложив соответствующую энергию, один или несколько электронов оторвать от электронной оболочки, произойдет ионизация атома. Если под действием приложенной энергии электрон переходит на другую орбиту, более удаленную от ядра, но не покидает атом, - происходит возбуждение атома. Этот переход сопровождается поглощением энергии. Переход электрона на более низкий уровень сопровождается испусканием энергии. Величина поглощенной или испускаемой энергии строго определенная: она равна разности энергий начального и конечного энергетических уровней.

Существует, как уже упоминалось, два вида ионизирующих излучений – электромагнитные и корпускулярные, физическая природа этих излучений различна и определяет особенности их взаимодействия с веществом.

1.4.1 Корпускулярные излучения.

Механизм передачи энергии от всех заряженных частиц в объекте характеризуется тем, что при прохождении через вещество заряженная частица теряет свою энергию, вызывая ионизацию и возбуждение атомов до тех пор, пока общий запас ее энергии не уменьшится настолько, что частица утратит ионизирующую способность.

В зависимости от знака заряда при пролете в веществе частица, испытывая электростатическое взаимодействие, притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер. Чем больше масса летящей частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления. Поэтому траектория протонов и более тяжелых ядерных частиц практически прямолинейна, а траектория электронов сильно изломана в результате рассеяния на орбитальных электронах и ядрах атомов.

При взаимодействии заряженных частиц с веществом выделяют упругое и неупругое взаимодействие. При упругом взаимодействии (упругое столкновение) суммарная кинетическая энергия частиц до взаимодействия равна суммарной кинетической энергии после их взаимодействия. Следствие такого взаимодействия — лишь изменение направления движения частиц.

Неупругое взаимодействие (неупругое столкновение) — это процесс, при котором часть кинетической энергии частиц расходуется на ионизацию и возбуждение атомов, возбуждение ядер, расщепление ядер или тормозное излучение. При таком взаимодействии суммарная кинетическая энергия частиц до взаимодействия будет равна суммарной кинетической энергии частиц после взаимодействия плюс энергия, затраченная на ионизацию и возбуждение атомов, возбуждение и расщепление ядер (тормозное излучение). Неупругое взаимодействие наблюдается при прохождении электрона очень высокой энергии вблизи ядра. При этом скорость летящего электрона снижается, и часть его энергии испускается в виде фотона электромагнитного (тормозного) излучения

1.4.1.1 Основные эффекты взаимодействия альфа-излучения с веществом.

Альфа-излучение – представляет собой поток тяжелых частиц, представляющих собой ядро атома гелия (4He), состоящих из двух протонов и двух нейтронов, обладающих положительным зарядом (+2), суммарная масса которых (4а. е.м.) значительно больше массы электрона (0,000548а. е.м.). Это излучение задерживается даже листом бумаги и практически не способно проникнуть через наружный слой кожи. Поэтому оно не представляет опасности при внешнем облучении, т. е. до тех пор, пока альфа-частицы не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или с вдыханием воздуха. В этом случае они становятся очень опасными.

При взаимодействия альфа-излучения с веществом возможны следующие ситуации:

1. Упругое рассеяние частиц на атомных ядрах. Поскольку алфа-частица несет положительный заряд, то при взаимодействии с ядром возникают кулоновские силы и частица отталкивается, изменяя направление своего движения.

2. Неупругое взаимодействие альфа-частиц с орбитальными электронами:

·  ионизация нейтральных атомов (рис.3), при которой образуется свободный электрон и положительно заряженный ион;

·  возбуждение электронов атомных оболочек (рис.3), при котором орбитальные электроны, получая дополнительную энергию, переходят в возбужденное состояние, переходя на другую орбиту, но не покидают атом.