Які види випромінювань бувають. Яке найнебезпечніше випромінювання для людини

Термін «радіація» походить від латинського слова radius і означає промінь. У найширшому сенсі слова радіація охоплює всі існуючі в природі види випромінювань - радіохвилі, інфрачервоне випромінювання, видиме світло, ультрафіолет і, нарешті, іонізуюче випромінювання. Всі ці види випромінювання, маючи електромагнітну природу, відрізняються довжиною хвилі, частотою та енергією.

Існують також випромінювання, які мають іншу природу і є потоками різних частинок, наприклад, альфа-часток, бета-часток, нейтронів і т.д.

Щоразу, коли на шляху випромінювання виникає бар'єр, воно передає частину чи всю свою енергію цьому бар'єру. І від того, наскільки багато енергії було передано та поглинено в організмі, залежить кінцевий ефект опромінення. Всім відомі задоволення від бронзової засмаги та засмучення від найважчих сонячних опіків. Очевидно, що переопромінення будь-яким видом радіації загрожує неприємними наслідками.

Для здоров'я людини найважливіші іонізуючі види випромінювання. Проходячи через тканину, іонізуюче випромінювання переносить енергію та іонізує атоми в молекулах, які відіграють важливу біологічну роль. Тому опромінення будь-якими видами іонізуючого випромінювання може однак впливати на здоров'я. До них належать:

Альфа-випромінюванняЦе важкі позитивно заряджені частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів, міцно пов'язаних між собою. У природі альфа-частинки виникають у результаті розпаду атомів важких елементів, таких як уран, радій та торій. У повітрі альфа-випромінювання проходить не більше п'яти сантиметрів і, як правило, повністю затримується листом паперу або зовнішнім шаром шкіри, що омертвів. Однак якщо речовина, що випускає альфа-частинки, потрапляє всередину організму з їжею або повітрям, що вдихається, воно опромінює внутрішні органи і стає потенційно небезпечним.

Бета-випромінюванняЦе електрони, які значно менші за альфа-частки і можуть проникати вглиб тіла на кілька сантиметрів. Від нього можна захиститися тонким листом металу, шибкою і навіть звичайним одягом. Потрапляючи на незахищені ділянки тіла, бета-випромінювання впливає, зазвичай, на верхні шари шкіри. Під час аварії на Чорнобильській АЕС 1986 року пожежники отримали опіки шкіри внаслідок дуже сильного опромінення бета-частинками. Якщо речовина, що випускає бета-частинки, потрапить в організм, вона опромінюватиме внутрішні тканини.

Гамма-випромінюванняЦе фотони, тобто. електромагнітна хвиля, що несе енергію. У повітрі воно може проходити великі відстані, поступово втрачаючи енергію внаслідок зіткнень із атомами середовища. Інтенсивне гамма-випромінювання, якщо від нього не захиститись, може пошкодити не тільки шкіру, а й внутрішні тканини. Щільні та важкі матеріали, такі як залізо та свинець, є відмінними бар'єрами на шляху гамма-випромінювання.

Рентгенівське випромінюванняаналогічно гамма-випромінювання, що випускається ядрами, але воно виходить штучно в рентгенівській трубці, яка сама по собі не радіоактивна. Оскільки рентгенівська трубка живиться електрикою, то випромінювання рентгенівських променів може бути увімкнено або вимкнено за допомогою вимикача.

Нейтронне випромінюванняутворюється в процесі поділу атомного ядра і має високу проникаючу здатність. Нейтрони можна зупинити товстим бетонним, водяним чи парафіновим бар'єром. На щастя, у мирному житті ніде, окрім безпосередньо поблизу ядерних реакторів, нейтронне випромінювання практично не існує.

Щодо рентгенівського та гамма-випромінювання часто використовують визначення «жорстке»і «м'яке». Це відносна характеристика його енергії і пов'язаної з нею проникаючої здатності випромінювання («жорстке» великі енергія і проникаюча здатність, м'яке менші). Іонізуючі випромінювання та їх проникаюча здатність

Число нейтронів в ядрі визначає, чи це ядро ​​радіоактивним. Щоб ядро ​​знаходилося в стабільному стані, число нейтронів, як правило, має бути дещо вищим за кількість протонів. У стабільному ядрі протони і нейтрони так міцно пов'язані між собою ядерними силами, що жодна частка не може вийти з нього. Таке ядро ​​завжди залишатиметься в урівноваженому та спокійному стані. Проте ситуація зовсім інша, якщо кількість нейтронів порушує рівновагу. У цьому випадку ядро ​​має надмірну енергію і просто не може утримуватися в цілості. Рано чи пізно воно викине свою надмірну енергію.

Різні ядра вивільняють свою енергію різними способами: у вигляді електромагнітних хвиль чи потоків частинок. Така енергія називається випромінюванням. Радіоактивний розпад

Процес, у ході якого нестабільні атоми випускають свою надмірну енергію, називається радіоактивним розпадом, а самі такі атоми – радіонуклідом. Легкі ядра з невеликою кількістю протонів та нейтронів стають стабільними після одного розпаду. При розпаді важких ядер, наприклад, урану, що утворюється в результаті цього ядро, як і раніше, є нестабільним і, у свою чергу, розпадається далі, утворюючи нове ядро ​​і т.д. Ланцюжок ядерних перетворень закінчується утворенням стабільного ядра. Такі ланцюжки можуть утворювати радіоактивні родини. У природі відомі радіоактивні сімейства урану та торію.

Уявлення про інтенсивність розпаду дає поняття періоду напіврозпаду періоду, протягом якого відбудеться розпад половини нестабільних ядер радіоактивної речовини. Період напіврозпаду кожного радіонукліду є унікальним і незмінним. Один радіонуклід, наприклад криптон-94, народжується в ядерному реакторі і дуже швидко розпадається. Період напіврозпаду його менше секунди. Інший, наприклад, калій-40 утворився в момент народження Всесвіту і досі зберігся на планеті. Період напіврозпаду його вимірюється мільярдами років.

Види іонізуючих випромінювань

Іонізуючі випромінювання (ІІ) -потоки елементарних частинок (електронів, позитронів, протонів, нейтронів) та квантів електромагнітної енергії, проходження яких через речовину призводить до іонізації (утворення різнополярних іонів) та збудження його атомів та молекул. Іонізація -перетворення нейтральних атомів або молекул в електрично заряджені частинки - іони. ІІ потрапляють на Землю у вигляді космічних променів, виникають в результаті радіоактивного розпаду атомних ядер (α-β-частинки, γ- і рентгенівські промені), створюються штучно на прискорювачах заряджених частинок. Практичний інтерес представляють види ІІ, що найчастіше зустрічаються, - потоки а- і β-часток, γ-випромінювання, рентгенівські промені і потоки нейтронів.

Альфа-випромінювання(а) – потік позитивно заряджених частинок – ядер гелію. В даний час відомо більше 120 штучних і природних альфа-радіоактивних ядер, які, випускаючи α-частинку, втрачають 2 протони та 2 нейтрони. Швидкість часток під час розпаду становить 20 тис. км/с. При цьому α-частинки мають найменшу проникаючу здатність, довжина їх пробігу (відстань від джерела до поглинання) у тілі дорівнює 0,05 мм, у повітрі – 8–10 см. Вони не можуть пройти навіть через аркуш паперу, але щільність іонізації на одиницю величини пробігу дуже велика (на 1 см до десятка тисяч пар), тому ці частинки мають найбільшу іонізуючу здатність і небезпечні всередині організму.

Бета-випромінювання(β) – потік негативно заряджених частинок. В даний час відомо близько 900 бета-радіоактивних ізотопів. Маса β-частинок у кілька десятків тисяч разів менше α-часток, але вони мають більшу проникаючу здатність. Їхня швидкість дорівнює 200–300 тис. км/с. Довжина пробігу потоку від джерела повітря становить 1800 див, в тканинах людини – 2,5 див. їх іонізуюча здатність у 1000 разів менша, ніж у α-часток.

Гамма-випромінювання(γ) - електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 1 · 10 -7 м до 1 · 10 -14 м; випромінюється при гальмуванні швидких електронів у речовині. Воно виникає при розпаді більшості радіоактивних речовин і має велику проникаючу здатність; поширюється зі швидкістю світла. В електричних та магнітних полях γ-промені не відхиляються. Це випромінювання має меншу іонізуючу здатність, ніж а- і β-випромінювання, так як щільність іонізації на одиницю довжини дуже низька.

Рентгенівське випромінюванняможе бути отримано у спеціальних рентгенівських трубках, в електронних прискорювачах, при гальмуванні швидких електронів у речовині та при переході електронів із зовнішніх електронних оболонок атома на внутрішні, коли створюються іони. Рентгенівські промені, як і γ-випромінювання, мають малу іонізуючу здатність, але велику глибину проникнення.

Нейтрониелементарні частинки атомного ядра, їх маса в 4 рази менша від маси α-часток. Час їхнього життя – близько 16 хв. Нейтрони немає електричного заряду. Довжина пробігу повільних нейтронів у повітрі становить близько 15 м, у біологічному середовищі – 3 см; для швидких нейтронів – відповідно 120 м і 10 см. Останні мають високу проникаючу здатність і становлять найбільшу небезпеку.

Виділяють два види іонізуючих випромінювань:

Корпускулярне, що складається з частинок з масою спокою, відмінною від нуля (α-, β- та нейтронне випромінювання);

Електромагнітне (γ- та рентгенівське випромінювання) – з дуже малою довжиною хвилі.

Для оцінки впливу іонізуючого випромінювання на будь-які речовини та живі організми використовуються спеціальні величини – дози випромінювання.Основна характеристика взаємодії іонізуючого випромінювання та середовища – це іонізаційний ефект. У початковий період розвитку радіаційної дозиметрії найчастіше доводилося мати справу з рентгенівським випромінюванням, яке розповсюджувалося в повітрі. Тому як кількісний захід поля випромінювання використовувалася ступінь іонізації повітря рентгенівських трубок або апаратів. Кількісна міра, заснована на величині іонізації сухого повітря при нормальному атмосферному тиску, що досить легко піддається виміру, отримала назву експозиційна доза.

Експозиційна дозавизначає іонізуючу здатність рентгенівських та γ-променів і виражає енергію випромінювання, перетворену на кінетичну енергію заряджених частинок в одиниці маси атмосферного повітря. Експозиційна доза – це відношення сумарного заряду всіх іонів одного знака в елементарному обсязі повітря до маси повітря у цьому обсязі. У системі СІ одиницею виміру експозиційної дози є кулон, поділений на кілограм (Кл/кг). Позасистемна одиниця – рентген (Р). 1 Кл/кг = 3880 Р. При розширенні кола відомих видів іонізуючого випромінювання і сфер його застосування виявилося, що міра впливу іонізуючого випромінювання на речовину не піддається простому визначенню через складність і різноманітність процесів, що протікають при цьому. Найважливішим із них, що дає початок фізико-хімічним змінам у опромінюваній речовині і що призводить до певного радіаційного ефекту, є поглинання енергії іонізуючого випромінювання речовиною. Внаслідок цього виникло поняття поглинена доза.

Поглинена дозапоказує, скільки енергії випромінювання поглинено в одиниці маси будь-якої опромінюваної речовини, і визначається ставленням поглиненої енергії іонізуючого випромінювання на масу речовини. За одиницю виміру поглиненої дози в системі СІ прийнято грей (Гр). 1 Гр – це така доза, коли масі 1 кг передається енергія іонізуючого випромінювання 1 Дж. Позасистемною одиницею поглиненої дози є радий. 1 Гр = 100 рад. Вивчення окремих наслідків опромінення живих тканин показало, що з однакових поглинених дозах різні види радіації справляють неоднаковий біологічний вплив на організм. Зумовлено це тим, що більш важка частка (наприклад, протон) виробляє на одиниці шляху тканини більше іонів, ніж легка (наприклад, електрон). При одній і тій же поглиненій дозі радіобіологічний руйнівний ефект тим вищий, що щільніше іонізація, створювана випромінюванням. Щоб зважити на цей ефект, було введено поняття еквівалентної дози.

Еквівалентна дозарозраховується шляхом множення значення поглиненої дози на спеціальний коефіцієнт – коефіцієнт відносної біологічної ефективності (ОБЕ) чи коефіцієнт якості. Значення коефіцієнта для різних видів випромінювань наведено у табл. 7.

Таблиця 7

Коефіцієнт відносної біологічної ефективності для різних видів випромінювань

Одиницею вимірювання еквівалентної дози СІ є зіверт (Зв). Величина 1 Зв дорівнює еквівалентній дозі будь-якого виду випромінювання, поглиненої в 1 кг біологічної тканини і створює такий же біологічний ефект, як і поглинена доза в 1 Гр фотонного випромінювання. Позасистемною одиницею виміру еквівалентної дози є бер (біологічний еквівалент рада). 1 Зв = 100 бер. Одні органи та тканини людини більш чутливі до дії радіації, ніж інші: наприклад, при однаковій еквівалентній дозі виникнення раку в легенях ймовірніше, ніж у щитовидній залозі, а опромінення статевих залоз особливо небезпечне через ризик генетичних ушкоджень. Тому дози опромінення різних органів та тканин слід враховувати з різним коефіцієнтом, який називається коефіцієнтом радіаційного ризику. Помноживши значення еквівалентної дози на відповідний коефіцієнт радіаційного ризику та підсумувавши по всіх тканинах та органах, отримаємо ефективну дозу,відбиває сумарний ефект для організму. Зважені коефіцієнти встановлюють емпірично і розраховують таким чином, щоб їхня сума для всього організму становила одиницю. Одиниці виміру ефективної дози збігаються з одиницями виміру еквівалентної дози. Вона також вимірюється в зівертах чи берах.

Радіоактивність була відкрита у 1896 р. французьким ученим Антуаном Анрі Беккерелем щодо люмінесценції солей урану. Виявилося, що уранові солі без зовнішнього впливу (самовільно) випромінювали випромінювання невідомої природи, яке засвічувало ізольовані від світла фотопластинки, іонізувало повітря, проникало крізь тонкі металеві пластинки, викликало люмінесценцію низки речовин. Такою ж властивістю володіли і речовини, що містять полоній 21084Ро і радій 22688Ra.

Ще раніше, у 1985 р. було випадково відкрито рентгенівське проміння німецьким фізиком Вільгельмом Рентгеном. Марія Кюрі ввела у вжиток слово «радіоактивність».

Радіоактивність - це мимовільне перетворення (розпад) ядра атома хімічного елемента, що призводить до зміни його атомного номера або зміни масового числа. При такому перетворенні ядра відбувається випромінювання радіоактивних випромінювань.

Розрізняються природна та штучна радіоактивності. Природною радіоактивністю називається радіоактивність, що спостерігається у існуючих у природі нестійких ізотопів. Штучною радіоактивністю називається радіоактивність ізотопів, одержаних у результаті ядерних реакцій.

Існує кілька видів радіоактивного випромінювання, що відрізняються за енергією та проникаючою здатністю, які надають неоднаковий вплив на тканини живого організму.

Альфа-випромінювання- це потік позитивно заряджених частинок, кожна з яких складається з двох протонів та двох нейтронів. Проникаюча здатність цього виду випромінювання невелика. Воно затримується кількома сантиметрами повітря, кількома аркушами паперу, звичайним одягом. Альфа-випромінювання може бути небезпечним для очей. Воно практично не здатне проникнути через зовнішній шар шкіри і не становить небезпеки до тих пір, поки радіонукліди, що випускають альфа-частинки, не потраплять всередину організму через відкриту рану, з їжею або повітрям, що вдихається - тоді вони можуть стати надзвичайно небезпечними. Внаслідок опромінення відносно важкими позитивно зарядженими альфа-частинками через певний час можуть виникнути серйозні пошкодження клітин та тканин живих організмів.

Бета-випромінювання- це потік, що рухаються з величезною швидкістю негативно заряджених електронів, розміри і маса яких значно менше, ніж альфа-частинок. Це випромінювання має більшу проникаючу здатність порівняно з альфа-випромінюванням. Від нього можна захиститися тонким листом металу типу алюмінію або шаром дерева товщиною 1.25 см. Якщо на людині немає щільного одягу, бета-частинки можуть проникнути через шкіру кілька міліметрів на глибину. Якщо тіло не прикрите одягом, бета-випромінювання може пошкодити шкіру, воно проходить у тканині організму на глибину 1-2 сантиметри.

Гамма-випромінювання,подібно до рентгенівських променів, являє собою електромагнітне випромінювання надвисоких енергій. Це випромінювання дуже малих довжин хвиль та дуже високих частот. З рентгенівськими променями знайомий кожен, хто проходив медичне обстеження. Гамма-випромінювання має високу проникаючу здатність, захиститися від нього можна лише товстим шаром свинцю або бетону. Рентгенівські та гамма-промені не несуть електричного заряду. Вони можуть зашкодити будь-які органи.

Усі види радіоактивного випромінювання не можна побачити, відчути чи почути. Радіація немає ні кольору, ні смаку, ні запаху. Швидкість розпаду радіонуклідів практично не можна змінити відомими хімічними, фізичними, біологічними та іншими способами. Чим більше енергії передасть випромінювання тканин, тим більше ушкоджень викликає воно в організмі. Кількість переданої організму енергії називається дозою. Дозу опромінення організм може отримати від будь-якого виду випромінювання, зокрема радіоактивного. При цьому радіонукліди можуть бути поза організмом або всередині нього. Кількість енергії випромінювання, яке поглинається одиницею маси тіла, що опромінюється, називається поглиненою дозою і вимірюється в системі СІ в греях (Гр).

При однаковій поглиненій дозі альфа-випромінювання набагато небезпечніше бета-і гамма-випромінювань. Ступінь впливу різних видів випромінювання на людину оцінюють за допомогою такої характеристики, як еквівалентна доза. різному ушкоджувати тканини організму. У системі СІ її вимірюють в одиницях, які називаються зівертами (Зв).

Радіоактивним розпадом називається природне радіоактивне перетворення ядер, що відбувається мимоволі. Ядро, що зазнає радіоактивного розпаду, називається материнським; виникає дочірнє ядро, як правило, виявляється збудженим, і його перехід в основний стан супроводжується випромінюванням -фотона. Т.о. гамма-випромінювання – основна форма зменшення енергії збуджених продуктів радіоактивних перетворень.

Альфа-розпад. β-промені є потік ядер гелію Не. Альфа-розпад супроводжується вильотом з ядра α-частки (Не), при цьому спочатку перетворюється на ядро ​​атома нового хімічного елемента, заряд якого менший на 2, а масове число – на 4 одиниці.

Швидкості, з якими α-частки (тобто ядра Не) вилітають з ядра, що розпалося, дуже великі (~106 м/с).

Пролітаючи через речовину, α-частка поступово втрачає свою енергію, витрачаючи її на іонізацію молекул речовини, і зрештою зупиняється. α-частка утворює на своєму шляху приблизно 106 пар іонів на 1 см шляху.

Чим більша щільність речовини, тим менший пробіг α-часток до зупинки. У повітрі при нормальному тиску пробіг становить кілька см, у воді, тканинах людини (м'язи, кров, лімфа) 0,1-0,15 мм. α-частинки повністю затримуються звичайним аркушем паперу.

α-частки дуже небезпечні у разі зовнішнього опромінення, т.к. можуть затримуватись одягом, гумою. Але α-частинки дуже небезпечні при потраплянні всередину людського організму, через велику щільність іонізації, що виробляється імім. Ушкодження, що виникають у тканинах не оборотні.

Бета-розпад буває трьох різновидів. Перший - ядро, яке зазнало перетворення, випускає електрон, друге - позитрон, третє - називається електронний захоплення (е-захоплення), ядро ​​поглинає один з електронів.

Третій вид розпаду (електронне захоплення) полягає в тому, що ядро ​​поглинає один з електронів свого атома, в результаті чого один із протонів перетворюється на нейтрон, випускаючи при цьому нейтрино:

Швидкість руху β-частинок у вакуумі дорівнює 0,3 – 0,99 швидкості світла. Вони швидше ніж α-частинки, пролітають через зустрічні атоми та взаємодіють із ними. β-частинки мають менший ефект іонізації (50-100 пар іонів на 1 см шляху в повітрі) і при попаданні β-частинки всередину організму вони менш небезпечні ніж α-частинки. Однак проникаюча здатність β-часток велика (від 10 см до 25 м і до 17,5 мм у біологічних тканинах).

Гамма-випромінювання – електромагнітне випромінювання, яке випускається ядрами атомів при радіоактивних перетвореннях, яке поширюється у вакуумі з постійною швидкістю 300 000 км/с. Це випромінювання супроводжує, як правило, β-розпад і рідше – α-розпад.

γ-випромінювання подібно до рентгенівського, але має значно більшу енергію (при меншій довжині хвилі). γ-промені, будучи електрично нейтральними, не відхиляються в магнітному та електричному полях. У речовині та вакуумі вони поширюються прямолінійно і рівномірно на всі боки від джерела, не викликаючи прямої іонізації, при русі в середовищі вони вибивають електрони, передаючи їм частину або всю свою енергію, які виробляють процес іонізації. На 1см пробігу γ-промені утворюють 1-2 пари іонів. У повітрі вони проходять шлях від кількох сотень метрів і навіть кілометрів, у бетоні – 25 см, у свинці – до 5 см, у воді – десятки метрів, а живі організми пронизують наскрізь.

γ-промені становлять значну небезпеку для живих організмів як джерело зовнішнього опромінення.

Сьогодні поговоримо про те, що таке випромінювання у фізиці. Розкажемо про природу електронних переходів та наведемо електромагнітну шкалу.

Божество та атом

Будова речовини стала предметом інтересу вчених понад дві тисячі років тому. Давньогрецькі філософи ставили питання, чим повітря відрізняється від вогню, а земля від води, чому мармур білий, а вугілля чорне. Вони створювали складні системи взаємозалежних компонентів, спростовували чи підтримували одна одну. А найнезрозуміліші явища, наприклад, удар блискавки чи схід сонця приписували дії богів.

Одного разу, довгі роки спостерігаючи за сходами храму, один учений помітив: кожна нога, що встає на камінь, забирає крихітну частинку речовини. Згодом мармур змінював форму, прогинався посередині. Ім'я цього вченого - Левкіпп, і він назвав найдрібніші частки атомами, неподільними. З цього почався шлях до вивчення того, що таке випромінювання у фізиці.

Великдень та світло

Потім настали темні часи, науку закинули. Усіх, хто намагався вивчати сили природи, охрестили відьмами та чаклунами. Але, як не дивно, саме релігія дала поштовх подальшому розвитку науки. Дослідження у тому, що таке випромінювання у фізиці, почалося з астрономії.

Час святкування Великодня обчислювалося на той час щоразу по-різному. Складна система взаємовідносин між днем ​​весняного рівнодення, 26-денним місячним циклом та 7-денним тижнем не дозволяла складати таблиці дат для святкування Великодня більш ніж на кілька років. Але церкві треба було все заздалегідь планувати. Тому Папа Римський Лев X замовив складання точніших таблиць. Це вимагало ретельно спостереження за рухом Місяця, зірок та Сонця. І, зрештою, Микола Коперник зрозумів: Земля не плоска і не центр всесвіту. Планета - куля, що обертається навколо Сонця. А Місяць – сфера на орбіті Землі. Звичайно, можна запитати: «Яке відношення все це має до того, що таке випромінювання у фізиці?» Зараз розкриємо.

Овал і промінь

Пізніше Кеплер доповнив систему Коперника, встановивши, що планети рухаються овальними орбітами, і рух це нерівномірне. Але саме цей перший крок прищепив людству інтерес до астрономії. А там недалеко було і до запитань: Що таке зірка? Чому люди бачать її промені? і «Чим одне світило відрізняється від іншого?». Але спочатку доведеться перейти від величезних об'єктів до найменших. І потім підійдемо до випромінювання, поняття у фізиці.

Атом та родзинки

Наприкінці дев'ятнадцятого століття накопичилося достатньо знань про найменші хімічні одиниці речовини - атоми. Було відомо, що вони є електронейтральними, але містять як позитивно, так і негативно заряджені елементи.

Припущень висувалося безліч: і що позитивні заряди розподілені в негативному полі, як родзинки у булці, і що атом - це крапля з різнорідно заряджених рідких частин. Але все пояснив досвід Резерфорда. Він довів, що в центрі атома знаходиться позитивне важке ядро, а довкола нього розташовуються легкі негативні електрони. І конфігурація оболонок кожного атома своя. Тут і криються особливості випромінювання у фізиці електронних переходів.

Бор та орбіта

Коли вчені з'ясували, що легкі негативні частини атома – це електрони, постало інше питання – чому вони не падають на ядро. Адже, згідно з теорією Максвелла, будь-який заряд, що рухається, випромінює, отже, втрачає енергію. Але атоми існували стільки ж, як всесвіт, і не збиралися анігілювати. На допомогу прийшов Бор. Він постулював, що електрони знаходяться на деяких стаціонарних орбітах навколо атомного ядра, і можуть перебувати тільки на них. Перехід електрона між орбітами здійснюється ривком із поглинанням чи випромінюванням енергії. Цією енергією може бути, наприклад, квант світла. По суті ми зараз виклали визначення випромінювання у фізиці елементарних частинок.

Водень та фотографія

Спочатку технологію фотографії було придумано як комерційний проект. Люди хотіли залишитись у віках, але замовити портрет у художника було не кожному по кишені. А фотографії були дешеві і не вимагали таких великих вкладень. Потім мистецтво скла та нітрату срібла поставило собі на службу військову справу. А потім і наука почала користуватися перевагами світлочутливих матеріалів.

Насамперед фотографувати стали спектри. Вже давно було відомо, що гарячий водень випромінює конкретні лінії. Відстань з-поміж них підпорядковувалося певному закону. Але спектр гелію був більш складним: він містив той же набір ліній, що і водень, і ще один. Друга серія не підкорялася закону, виведеному першої серії. На допомогу прийшла теорія Бора.

З'ясувалося, що електрон в атомі водню один, і може переходити з усіх вищих збуджених орбіт однією нижню. Це була перша серія ліній. Тяжкіші атоми влаштовані складніше.

Лінза, грати, спектр

Таким чином було започатковано застосування випромінювання у фізиці. Спектральний аналіз - один із найпотужніших і надійних способів визначення складу, кількості та структури речовини.

1. Електронний емісійний спектр розповість, що міститься в об'єкті і який відсоток того чи іншого компонента. Цей спосіб використовують абсолютно всі галузі науки: від біології та медицини до квантової фізики.
2. Спектр поглинання розповість, які іони та на яких позиціях присутні у ґратах твердого тіла.
3. Обертальний спектр продемонструє, наскільки далеко знаходяться молекули всередині атома, скільки і яких зв'язків є у кожного елемента.

А діапазонів застосування електромагнітного випромінювання і не злічити:

• радіохвилі досліджують структуру дуже далеких об'єктів та надра планет;
• теплове випромінювання розповість про енергію процесів;
• видиме світло підкаже, у яких напрямах лежать найяскравіші зірки;
• ультрафіолетові промені дадуть зрозуміти, що відбуваються високоенергетичні взаємодії;
• рентгенівський спектр сам по собі дозволяє людям вивчати структуру речовини (у тому числі і людського тіла), а наявність цих променів у космічних об'єктах сповістять вчених, що у фокусі телескопа нейтронна зірка, спалах наднової чи чорна діра.

Абсолютно чорне тіло

Але є особливий розділ, що вивчає, що таке теплове випромінювання у фізиці. На відміну від атомного, теплове випромінювання світла має безперервний спектр. І найкращим модельним об'єктом для розрахунків є чорне тіло. Це такий об'єкт, який «ловить» весь світ, що потрапляє на нього, але не випускає назад. Як не дивно, чорне тіло випромінює, і максимум довжини хвилі залежатиме від температури моделі. У класичній фізиці теплове випромінювання породжувало парадокс Виходило, що будь-яка нагріта річ повинна була випромінювати все більше і більше енергії, поки в ультрафіолетовому діапазоні її енергія не зруйнувала б всесвіт.

Дозволити парадокс зміг Макс Планк. У формулу випромінювання він запровадив нову величину, квант. Не надаючи їй особливого фізичного значення, він відкрив цілий світ. Нині квантування величин – основа сучасної науки. Вчені зрозуміли, що поля та явища складаються з неподільних елементів, квантів. Це призвело до глибших досліджень матерії. Наприклад, сучасний світ належить напівпровідникам. Раніше все було просто: метал проводить струм, решта речовин – діелектрики. А речовини типу кремнію та германію (якраз напівпровідники) поводяться незрозуміло по відношенню до електрики. Щоб навчитися керувати їх властивостями, потрібно було створити цілу теорію і розрахувати всі можливості p-n переходів.

Іонізуюче випромінювання - це сукупність різних видів мікрочастинок і фізичних полів, що мають здатність іонізувати речовину, тобто утворювати в ньому електрично заряджені частинки - іони.

РОЗДІЛ ІІІ. УПРАВЛІННЯ БЕЗПЕКОЮ ЖИТТЯДІЙНОСТІ ТА ЕКОНОМІЧНІ МЕХАНІЗМИ ЙОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

Розрізняють декілька видів іонізуючих випромінювань: альфа-, бета-, гамма-випромінювання, а також нейтронне випромінювання.

Альфа-випромінювання

У формуванні позитивно заряджених альфа-частинок беруть участь 2 протони та 2 нейтрони, що входять до складу ядер гелію. Альфа-частинки утворюються при розпаді ядра атома і можуть мати початкову кінетичну енергію від 18 до 15 МеВ. Характерними особливостями альфа-випромінювання є висока іонізуюча та мала проникаюча здатність. Під час руху альфа-частинки дуже швидко втрачають свою енергію, і це обумовлює той факт, що її не вистачає навіть для подолання тонких пластмасових поверхонь. В цілому, зовнішнє опромінення альфа-частинками, якщо не брати до уваги високоенергійні альфа-частинки, отримані за допомогою прискорювача, не несе в собі жодної шкоди для людини, а ось проникнення частинок всередину організму може бути небезпечним для здоров'я., оскільки альфа-радіонукліди відрізняються великим періодом напіврозпаду і мають сильну іонізацію. У разі потрапляння всередину організму альфа-частинки часто можуть бути навіть небезпечнішими, ніж бета- та гамма-випромінювання.

Бета-випромінювання

Заряджені бета-частинки, швидкість яких близька до швидкості світла утворюються в результаті бета-розпаду. Бета-промені мають більшу проникаючу здатність, ніж альфа-промені - вони можуть викликати хімічні реакції, люмінесценцію, іонізувати гази, впливати на фотопластинки. Як захист від потоку заряджених бета-часток (енергією не більше 1МеВ) достатньо буде використовувати звичайну алюмінієву пластину завтовшки 3-5 мм.

Фотонне випромінювання: гамма-випромінювання та рентгенівське випромінювання

Фотонне випромінювання включає два види випромінювань: рентгенівське (може бути гальмівним і характеристичним) і гамма-випромінювання.

Найбільш поширеним видом фотонного випромінювання є дуже високою енергією при ультракороткій довжині хвилі гамма-частинки, які являють собою потік високоенергійних, не володіють зарядом фотонів. На відміну від альфа- і бета-променів гамма-частинки не відхиляються магнітними та електричними полями і мають значно більшу проникаючу здатність. У певних кількостях та за певної тривалості впливу гамма-випромінювання може викликати променеву хворобу, призвести до виникнення різних онкологічних захворювань. Перешкоджати поширенню потоку гамма-частинок можуть лише такі важкі хімічні елементи, як, наприклад, свинець, збіднений уран та вольфрам.

Нейтронне випромінювання

Джерелом виникнення нейтронного випромінювання можуть бути ядерні вибухи, ядерні реактори, лабораторні та промислові установки.

Самі нейтрони є електрично нейтральні, нестабільні (період напіврозпаду вільного нейтрону становить близько 10 хвилин) частинки, які завдяки тому, що у них відсутній заряд, відрізняються великою проникаючою здатністю при слабкому ступені взаємодії з речовиною. Нейтронне випромінювання дуже небезпечне, тому для захисту від нього використовують ряд спеціальних, в основному водневмісних матеріалів. Найкраще нейтронне випромінювання поглинається звичайною водою, поліетиленом, парафіном, а також розчинами гідроксидів важких металів.

Як іонізуючі випромінювання впливають на речовини?

Усі види іонізуючих випромінювань у тому чи іншою мірою впливають різні речовини, але найсильніше воно виражено в гамма-частиц і в нейтронів. Так, при тривалому впливі можуть істотно змінити властивості різних матеріалів, змінити хімічний склад речовин, іонізувати діелектрики і руйнівний ефект на біологічні тканини. Природне радіаційне тло не завдасть людині особливої ​​шкоди, проте при поводженні зі штучними джерелами іонізуючих випромінювань варто бути дуже обережними і вживати всіх необхідних заходів, щоб до мінімуму знизити рівень впливу випромінювання на організм.

Види іонізуючих випромінювань та їх властивості

Іонізуючим випромінюванням називають потоки частинок та електромагнітних квантів, внаслідок впливу яких на середу утворюються різнозаряджені іони.

Різні види випромінювань супроводжуються вивільненням певної кількості енергії і мають різну проникаючу здатність, тому вони надають неоднаковий вплив на організм. Найбільшу небезпеку для людини становлять радіоактивні випромінювання, такі як у-, рентгенівське, нейтронне, а-і в-випромінювання.

Рентгенівське та у-випромінювання є потоками квантової енергії. Гамма-випромінювання має більш короткі довжини хвиль порівняно з рентгенівським. За своєю природою і властивостями ці випромінювання мало відрізняються один від одного, мають велику проникаючу здатність, прямолінійність поширення і властивість створювати вторинне і розсіяне випромінювання в середовищах, через які проходять. Однак якщо рентгенівські промені зазвичай отримують за допомогою електронного апарату, то промені випускаються нестабільними або радіоактивними ізотопами.

Інші типи іонізуючого випромінювання являють собою частинки речовини (атома), що швидко рухаються, одні з яких несуть електричний заряд, інші — ні.

Нейтрони - єдині незаряджені частинки, що утворюються при будь-якому радіоактивному перетворенні, з масою, що дорівнює масі протона. Оскільки ці частинки електронейтральні, вони глибоко проникають у будь-яку речовину, включаючи живі тканини. Нейтрони є основними частинками, з яких побудовані ядра атомів.

При проходженні через речовину вони взаємодіють лише з ядрами атомів, передають їм частину своєї енергії, а самі змінюють напрямок свого руху. Ядра атомів "вискакують" з електронної оболонки і, проходячи через речовину, виробляють іонізацію.

Електрони – легкі негативно заряджені частинки, які у всіх стабільних атомах. Електрони дуже часто використовуються під час радіоактивного розпаду речовини, і тоді їх називають частинками. Їх можна отримувати й у лабораторних умовах. Енергія, що втрачається електронами при проходженні через речовину, витрачається на збудження та іонізацію, а також на утворення гальмівного випромінювання.

Альфа-частинки - ядра атомів гелію, позбавлені орбітальних електронів і складаються з двох протонів і двох нейтронів, зчеплених разом. Мають позитивний заряд, відносно важкі, у міру проходження через речовину виробляють іонізацію речовини великої густини.

Зазвичай а-частки випускаються при радіоактивному розпаді природних важких елементів (радій, торій, уран, полоній та ін.).

Заряджені частинки (електрони та ядра атомів гелію), проходячи через речовину, взаємодіють з електронами атомів, втрачаючи при цьому 35 і 34 еВ відповідно. У цьому одна половина енергії витрачається на іонізацію (відрив електрона від атома), іншу — на збудження атомів і молекул середовища (переведення електрона більш віддалену від ядра оболонку).

Число іонізованих і збуджених атомів, що утворюються а-частинкою на одиниці довжини шляху в середовищі, у сотні разів більше, ніж у р-частки (табл. 5.1).

Таблиця 5.1. Пробіг а- та в-часток різної енергії в м'язовій тканині

Це зумовлено тим, що маса а-частки приблизно в 7000 разів більша за масу в-частки, отже, при одній і тій же енергії її швидкість значно менше, ніж у в-частки.

А-частки, що випускаються при радіоактивному розпаді, мають швидкість приблизно 20 тис. км/с, тоді як швидкість-часток близька до швидкості світла і становить 200...270 тис. км/с. Очевидно, що чим менша швидкість частинки, тим більша ймовірність її взаємодії з атомами середовища, а отже, більше й втрати енергії на одиниці шляху в середовищі — отже, менший пробіг. З табл. 5.1 слід, що пробіг а-частинок у м'язовій тканині в 1000 разів менший за пробіг у-частинок тієї ж енергії.

Коли іонізуюче випромінювання проходить крізь живі організми, воно передає свою енергію біологічним тканинам та клітинам нерівномірно. В результаті, незважаючи на невелику кількість поглиненої тканинами енергії, деякі клітини живої матерії будуть значно пошкоджені. Сумарний ефект іонізуючого випромінювання, локалізованого в клітинах та тканинах, представлений у табл. 5.2.

Таблиця 5.2. Біологічна дія іонізуючого випромінювання

В основі первинних радіаційно-хімічних змін молекул можуть лежати два механізми: 1) пряма дія, коли дана молекула зазнає змін (іонізацію, збудження) безпосередньо при взаємодії з випромінюванням; 2) непряма дія, коли молекула безпосередньо не поглинає енергію іонізуючого випромінювання, а отримує її шляхом передачі від іншої молекули.

Відомо, що у біологічній тканині 60…70% маси становить вода. Тому розглянемо різницю між прямим і непрямим дією випромінювання з прикладу опромінення води.

Припустимо, що молекула води іонізується зарядженою часткою, внаслідок чого вона втрачає електрон:

Н2О -> Н20+е - .

Іонізована молекула води реагує з іншою нейтральною молекулою води, внаслідок чого утворюється високореактивний радикал гідроксилу ВІН:

Н2О+Н2О -> Н3О+ + ВІН*.

Вирваний електрон також дуже швидко передає енергію навколишнім молекулам води, при цьому виникає сильно збуджена молекула води Н2О*, яка дисоціює з освітою двох радикалів, Н* і ОН*:

Н2О+е- -> Н2О*Н' + ВІН'.

Вільні радикали містять неспарені електрони та відрізняються надзвичайно високою реакційною здатністю. Час їхнього життя у воді не більше 10-5 с. За цей час вони або рекомбінують один з одним або реагують з розчиненим субстратом.

У присутності розчиненого у воді кисню утворюються інші продукти радіолізу: вільний радикал гідропероксиду НО2, пероксид водню Н2О2 і атомний кисень:

Н * + О2 -> НО2;
АЛЕ *2 + АЛЕ2 -> Н2О2 +20.

У клітині живого організму ситуація значно складніша, ніж при опроміненні води, особливо в тому випадку, якщо поглинаючою речовиною є великі та багатокомпонентні біологічні молекули. У цьому випадку утворюються органічні радикали D*, які також відрізняються вкрай високою реакційністю. Маючи в своєму розпорядженні велику кількість енергії, вони легко можуть призвести до розриву хімічних зв'язків. Саме цей процес і відбувається найчастіше у проміжку між утворенням іонних пар та формуванням кінцевих хімічних продуктів.

З іншого боку, біологічна дія посилюється з допомогою впливу кисню. Високореакційний продукт DО2* (D* + О2 -> DО2*), що утворюється в результаті взаємодії вільного радикалу з киснем, призводить до утворення нових молекул в опромінюваній системі.

Отримані в процесі радіолізу води вільні радикали і молекули окислювача, володіючи високою хімічною активністю, вступають у хімічні реакції з молекулами білка, ферментів та інших структурних елементів біологічної тканини, що призводить до зміни біологічних процесів в організмі. Внаслідок цього порушуються обмінні процеси, пригнічується активність ферментних систем, сповільнюється і припиняється зростання тканин, виникають нові хімічні сполуки, не властиві організму, — токсини. Це призводить до порушення життєдіяльності окремих систем чи організму загалом.

Індуковані вільними радикалами хімічні реакції залучають до цього багато сотень і тисяч молекул, не порушених випромінюванням. У цьому полягає специфіка дії іонізуючого випромінювання на біологічні об'єкти. Ніякий інший вид енергії (теплової, електричної та інших.), поглиненої біологічним об'єктом у тому кількості, не призводить до змін, які викликає іонізуюче випромінювання.

Небажані радіаційні ефекти впливу опромінення на організм людини умовно поділяються на соматичні (soma - по-грецьки "тіло") та генетичні (спадкові).

Соматичні ефекти виявляються безпосередньо у самого опроміненого, а генетичні – у його потомства.

За останні десятиліття людиною було створено велику кількість штучних радіонуклідів, використання яких є додатковим навантаженням до природного радіаційного фону Землі та збільшує дозу опромінення людей. Але, спрямовані виключно на використання в мирних цілях, іонізуючі випромінювання корисні для людини, і сьогодні важко вказати галузь знань чи народного господарства, яка не використовує радіонукліди або інші джерела іонізуючих випромінювань. Вже до початку 21 століття «мирний атом» знайшов своє застосування в медицині, промисловості, сільському господарстві, мікробіології, енергетиці, освоєнні космосу та інших галузях.

Види випромінювання та взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною

Застосування ядерної енергії стало життєво важливою необхідністю існування сучасної цивілізації і водночас величезною відповідальністю, оскільки використовувати це джерело енергії необхідно максимально раціонально та обережно.

Корисна особливість радіонуклідів

Завдяки радіоактивному розпаду радіонуклід «подає сигнал», визначаючи цим своє місцезнаходження. Використовуючи спеціальні прилади, що фіксують сигнал від розпаду навіть одиничних атомів, вчені навчилися використовувати ці речовини як індикатори, які допомагають досліджувати різні хімічні та біологічні процеси, що проходять у тканинах і клітинах.

Види техногенних джерел іонізуючого випромінювання

Усі техногенні джерела іонізуючого випромінювання можна поділити на два види.

• Медичні - використовуються як для діагностики захворювань (наприклад, рентгенівський та флюорографічний апарати), так і для проведення радіотерапевтичних процедур (наприклад, радіотерапевтичні установки для лікування раку). Також до медичних джерел ІІ належать радіофармацефтичні препарати (радіоактивні ізотопи або їх сполуки з різними неорганічними або органічними речовинами), які можуть застосовуватися як для діагностики захворювань, так і для їх лікування.
• Промислові - вироблені людиною радіонукліди та генератори:
  • в енергетиці (реактори атомних електростанцій);
  • у сільському господарстві (для селекціонування та дослідження ефективності добрив)
  • у оборонній сфері (паливо для атомоходів);
  • у будівництві (неруйнівний контроль металоконструкцій).

За статичними даними, обсяг виробництва радіонуклідної продукції на світовому ринку у 2011 році становив 12 млрд. доларів, а до 2030 року очікується шестиразове збільшення цього показника.