Альфа-, гамма-, бета-излучения. свойства частиц альфа, гамма, бета

Проникающая способность

Тяжёлые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжёлой частицы R измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм), а также поверхностной плотности материала (или, что равнозначно, длины пробега, умноженной на плотность) (г/см2). Выражение пробега в единицах длины имеет смысл для фиксированной плотности среды (например, часто в качестве среды выбирается сухой воздух при нормальных условиях). Физический смысл пробега в терминах поверхностной плотности — масса единицы площади слоя, достаточного для остановки частицы.

Длина (в миллиметрах) пробега α-частицы в зависимости от её энергии и среды
Среда Энергия α-частиц, МэВ
4 6 8 10
Воздух при нормальных условиях 25 46 74 106
Биологическая ткань 0,031 0,056 0,096 0,130
Алюминий 0,016 0,030 0,048 0,069

Измерение ионизирующих излучений

Методы измерения

См. также: Дозиметр и Детектор элементарных частиц

Исторически первыми датчиками ионизирующего излучения были химические светочувствительные материалы, используемые в фотографии. Ионизирующие излучения засвечивали фотопластинку, помещённую в светонепроницаемый конверт. Однако от них быстро отказались из-за длительности и затратности процесса, сложности проявки и низкой информативности.

В качестве датчиков излучения в быту и промышленности наибольшее распространение получили дозиметры на базе счётчиков Гейгера. Счётчик Гейгера — газоразрядный прибор, в котором ионизация газа излучением превращается в электрический ток между электродами. Как правило, такие приборы корректно регистрируют только гамма-излучение. Некоторые приборы снабжаются специальным фильтром, преобразующим бета-излучение в гамма-кванты за счёт тормозного излучения. Счетчики Гейгера плохо селектируют излучения по энергии, для этого используют другую разновидность газоразрядного счётчика, т. н. пропорциональный счётчик.

Существуют полупроводниковые датчики ионизирующего излучения. Принцип их действия аналогичен газоразрядным приборам с тем отличием, что ионизируется объём полупроводника между двумя электродами. В простейшем случае это обратносмещенный полупроводниковый диод. Для максимальной чувствительности такие детекторы имеют значительные размеры.

Широкое применение в науке получили сцинтилляторы. Эти приборы преобразуют энергию излучения в видимый свет за счёт поглощения излучения в специальном веществе. Вспышка света регистрируется фотоэлектронным умножителем. Сцинтилляторы хорошо разделяют излучение по энергиям.

Для исследования потоков элементарных частиц применяют множество других методов, позволяющих полнее исследовать их свойства, например, пузырьковая камера, камера Вильсона.

Единицы измерения

Эффективность взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависит от типа излучения, энергии частиц и сечения взаимодействия облучаемого вещества. Важные показатели взаимодействия ионизирующего излучения с веществом:

  • линейная передача энергии (ЛПЭ), показывающая, какую энергию излучение передаёт среде на единице длины пробега при единичной плотности вещества.
  • поглощённая доза излучения, показывающая, какая энергия излучения поглощается в единице массы вещества.

В Международной системе единиц (СИ) единицей поглощённой дозы является грэй (русское обозначение: Гр, международное: Gy), численно равный поглощённой энергии в 1 Дж на 1 кг массы вещества. Иногда встречается устаревшая внесистемная единица рад (русское обозначение: рад; международное: rad): доза, соответствующая поглощённой энергии 100 эрг на 1 грамм вещества. 1 рад = 0,01 Гр. Не следует путать поглощённую дозу с эквивалентной дозой .

Также широко применяется устаревшее понятие экспозиционная доза излучения — величина, показывающая, какой заряд создаёт фотонное (гамма- или рентгеновское) излучение в единице объёма воздуха. Для этого обычно используют внесистемную единицу экспозиционной дозы рентген (русское обозначение: Р; международное: R): доза фотонного излучения, образующего ионы с зарядом в 1 ед. заряда СГСЭ ((1/3)·10−9кулон) в 1 см³ воздуха. В системе СИ используется единица кулон на килограмм (русское обозначение: Кл/кг; международное: C/kg): 1 Кл/кг = 3876 Р; 1 Р = 2,57976·10−4 Кл/кг.

Активность радиоактивного источника ионизирующего излучения определяется как среднее количество распадов ядер в единицу времени. Соответствующая единица в системе СИ беккерель (русское обозначение: Бк; международное: Bq) обозначает количество распадов в секунду. Применяется также внесистемная единица кюри (русское обозначение: Ки; международное: Ci). 1 Ки = 3,7·1010 Бк. Первоначальное определение этой единицы соответствовало активности 1 г радия-226.

Корпускулярное ионизирующее излучение также характеризуется кинетической энергией частиц. Для измерения этого параметра наиболее распространена внесистемная единица электронвольт (русское обозначение: эВ, международное: eV). Как правило радиоактивный источник генерирует частицы с определённым спектром энергий. Датчики излучений также имеют неравномерную чувствительность по энергии частиц.

Что такое радиация

Для начала дадим определение, что такое радиация:

В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов. Подобное излучение называют — ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение, или еще проще радиация. К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.

Радиация — это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов и мюонов. От того, какой элемент излучается, зависит вид радиации.

Ионизация — это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Альфа, бета и нейтронное излучение — это излучения, состоящие из различных частиц атомов.

Гамма и рентгеновское излучение — это излучение энергии.

Область применения

Свойства лучей позволяет использовать их в таких сферах медицины:

Физиотерапия. Ванны и аппликации с радоном способствуют улучшению общего состояния организма. Торон и радон, являющиеся слаборадиоактивными изотопами, быстро распадаются и выводятся, не поражая ткани.
Онкология. Альфа-частицы перемещаются, не отклоняясь, что позволяет им воздействовать только на опухоль. При точечном облучении требуется меньшее количество процедур. Вероятность появления побочных эффектов в этом случае минимальна. Терапия избавляет от болевых ощущений и признаков воспаления, возникающих при распространении раковых клеток.
Гинекология и кардиология. Альфа-терапия используется в лечении инфекционно-воспалительных процессов

При проведении терапии нужно правильно рассчитывать допустимые дозы и принимать во внимание возможность возникновения побочных эффектов.

Взаимодействие альфа-излучения с веществом.

Основные источники альфа-излучения

Усовершенствовав методику изучения радиационного влияния, англичанин Резерфорд выяснил, что отклонение альфа-излучения фиксируется также в электрическом поле. Было замечено, что лучи больше тяготеют к отрицательному полюсу.

Так было установлено, что альфа-облучение относится к категории положительных частиц. Их параметры идентичны показателям гелиевых ядер. У обычного атома этого элемента в составе содержится всего пара электронов. В научной среде такие лучи носят название α-излучение.

Разобравшись с тем, что такое альфа-излучение, ученые начали искать его первоисточники. Схематически их можно разделить на две равноценные категории:

  • естественные,
  • искусственные.

Всего существует четыре основных источника излучения разного происхождения:

  • Испускание ядер гелия. Происходит ядерный распад тяжелых элементов вроде радия, либо тория.
  • Межзвездный газ. Возникает из-за ускорения гелиевых ядер из космического пространства, которые стремятся преодолеть земное тяготение.
  • Научные эксперименты. Опыты, которые проводятся специалистами в условиях радиоизотопных лабораторий, должны включать в себя ускорители заряженных частиц. Все вместе это генерирует нужное облучение.
  • Промышленность. Подразумевает под собой различные объекты урановой индустрии и ядерные реакторы.

Деятельность ВОЗ

ВОЗ разработала радиационную программу защиты пациентов, работников и общественности от опасности воздействия радиации на здоровье в планируемых, существующих и чрезвычайных случаях воздействия. Эта программа, которая сосредоточена на аспектах общественного здравоохранения, охватывает деятельность, связанную с оценкой риска облучения, его устранением и информированием о нем.

В соответствии с основной функцией, касающейся «установления норм и стандартов, содействия в их соблюдении и соответствующего контроля» ВОЗ сотрудничает с 7 другими международными организациями в целях пересмотра и обновления международных стандартов базовой безопасности, связанной с радиацией (СББ). ВОЗ приняла новые международные СББ в 2012 году и в настоящее время проводит работу по оказанию поддержки в осуществлении СББ в своих государствах-членах.

Радиоактивность в физике

Мы знаем, что атомы вещества состоят из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так вот ядро — это в принципе очень устойчивое образование, которое сложно разрушить. Однако, ядра атомов некоторых веществ обладают нестабильностью и могут излучать в пространство различную энергию и частицы.

Это излучение называют радиоактивным, и оно включает в себя несколько составляющих, которые назвали соответственно первым трем буквам греческого алфавита: α-, β- и γ- излучение. (альфа-, бета- и гамма-излучение). Эти излучения различны, различно и их действие на человека и меры защиты от него. Разберем все по порядку.

Альфа-излучение

Альфа-излучение — это поток тяжелых положительно заряженных частиц. Возникает в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. В воздухе альфа-излучение проходит не более пяти сантиметров и, как правило, полностью задерживается листом бумаги или внешним омертвевшим слоем кожи. Однако если вещество, испускающее альфа-частицы, попадает внутрь организма с пищей или воздухом, оно облучает внутренние органы и становится опасным.

Бета-излучение

Бета-излучение — это электроны, которые значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. От него можно защититься тонким листом металла, оконным стеклом и даже обычной одеждой. Попадая на незащищенные участки тела, бета-излучение оказывает воздействие, как правило, на верхние слои кожи. Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году пожарные получили ожоги кожи в результате очень сильного облучения бета-частицами. Если вещество, испускающее бета-частицы, попадет в организм, оно будет облучать внутренние ткани.

Гамма-излучение

Гамма-излучение — это фотоны, т.е. электромагнитная волна, несущая энергию. В воздухе оно может проходить большие расстояния, постепенно теряя энергию в результате столкновений с атомами среды. Интенсивное гамма-излучение, если от него не защититься, может повредить не только кожу, но и внутренние ткани. Плотные и тяжелые материалы, такие как железо и свинец, являются отличными барьерами на пути гамма-излучения.

Как видно, альфа-излучение по его характеристикам практически не опасно, если не вдохнуть его частички или не съесть с пищей. Бета-излучение может причинить ожоги кожи в результате облучения. Самые опасные свойства у гамма-излучения. Оно проникает глубоко внутрь тела, и вывести его оттуда очень сложно, а воздействие очень разрушительно.

В любом случае без специальных приборов знать, что за вид радиации присутствует в данном конкретном случае нельзя, тем более, что всегда можно случайно вдохнуть частички радиации с воздухом. Поэтому общее правило одно — избегать подобных мест, а если уж попали, то укутаться как можно большим количеством одежды и вещей, дышать через ткань, не есть и не пить, и постараться поскорее покинуть место заражения. А потом при первой же возможности избавиться от всех этих вещей и хорошенько вымыться.

Понятие «излучение» включает в себя весь диапазон электромагнитных волн, а также электрический ток, радиоволны, ионизирующее излучение. При последнем изменяется физическое состояние атомов и их ядер, превращая их в заряженные ионы или продукты ядерных реакций. Мельчайшие частицы обладают энергией, которая постепенно теряется при взаимодействии со структурными единицами. В результате движения вещество, через которое проникают элементы, ионизируется. Глубина проникновения различна для каждой частицы. Из-за способности изменять вещества радиоактивный свет наносит вред организму. Какие виды излучений существуют?

Проникающая способность. Виды радиоактивного излученияПроникающая способность. Виды радиоактивного излучения

Норма радиоактивного излучения

Институт медико-биологических проблем формирования здоровья в Москве пришел к выводу, что продолжительность жизни на 20% зависит от состояния здоровья, еще на 20% от окружающей среды, на 10% от уровня медобслуживания и на 50% от образа жизни, режима питания и отдыха. Радиоактивное излучение составляет 5% экологическим проблем цивилизации.

Какие бывают нормы радиоактивности?

Радиоактивное облучение техногенного характера совместно с естественными источниками не должно превышать индивидуальную предельно допустимую дозу (ИПДД).

НРБ – нормы радиационной безопасности, выделяют 2 категории граждан, подвергающихся воздействию радиации.

Категория А – профессиональные сотрудники, которые работают с источниками ионизирующих излучений.

Категория B – часть населения, вынужденная проживать или работать в местах, где могут находиться радиоактивные вещества.

При ликвидации аварий превышение дозовых пределов допускается только ради спасения жизни людей и отсутствия возможности принять меры защиты.

Участвовать в спасательных мероприятиях могут только мужчины старше 30 лет, при их добровольном согласии в письменном виде, после полного информирования о возможных последствиях для здоровья.

Естественный радиоактивный элемент

Естественный радиоактивный элемент содержит, по крайней мере, один естественный радиоактивный изотоп. Радиоактивность образца является только мерой количества имеющегося радиоактивного изотопа и не дает указания относительно содержания неактивных изотопов, которые могут присутствовать в образце. Так как целью химического анализа обычно является определение общего количества элемента, а не только количества одного из изотопов, то для того, чтобы вычислить количество всего элемента по измеренной радиоактивности, нужно знать изотопный состав данного элемента.

Естественными радиоактивными элементами называют радионуклиды, образующиеся из находящихся в природе радиоактивных тория, урана и актиния.

Естественными радиоактивными элементами являются ряды тория, урана и актиния. В процессе их распада образуется целый ряд новых радиоактивных элементов, происходит испускание альфа — и бета-частиц, а также гамма-излучение.

Естественными радиоактивными элементами являются — ряд тория, ряд урана и ряд актиния. В процессе их распада образуется целый ряд новых радиоактивных элементов, происходит испускание альфа — и бета-частиц, а также гамма-излучение.

Из естественных радиоактивных элементов наиболее известными являются уран, торий и актиний. Они являются родоначальниками многих других радиоактивных элементов, конечным продуктом распада которых является свинец. Торий, испуская а-частицу, превращается в мезаторий-1, ядро которого имеет одинаковый заряд с радием и является его изотопом. Смесь солей радия и меза-тория — l широко применяется в промышленности для дефектоскопии металлов.

Из естественных радиоактивных элементов наиболее известны три долгоживущих элемента — уран, торий и актиний. Они являются родоначальниками многих других радиоактивных элементов, конечным продуктом распада которых является свинец.

Из естественных радиоактивных элементов наибольшее различие в потенциалах имеют изотопы свинца, висмута, полония, таллия и астатина. Так как все естественные радиоизотопы таллия и астатина имеют короткие периоды полураспада, то использовать электрохимические методы для их выделения не представляется возможным.

Из естественных радиоактивных элементов наиболее удобные для разделения потенциалы имеют изотопы свинца, висмута, полония, таллия и астатина.

Активность естественных радиоактивных элементов в пробах, отобранных в районах с глобальным уровнем выпадений, соизмерима с активностью искусственных радионуклидов.

Излучение естественных радиоактивных элементов Земли стабильно во времени, поэтому, измеряя эффект поглощения этого излучения снежным покровом, можно определять запас воды в снеге.

Из естественных радиоактивных элементов середины периодической системы достаточно простые радиометрические методики определения разработаны лишь для калия. Поскольку содержание естественного радиоактивного изотопа К40 в природном калии всегда строго постоянно, радиоактивность любого препарата калия пропорциональна содержанию калия. Это обстоятельство широко используется для простого, быстрого и достаточно надежного определения калия во многих индивидуальных соединениях и сложных смесях.

К естественным радиоактивным элементам относятся преимущественно тяжелые элементы, распадающиеся с испусканием а — и Р — ЧЗСТИЦ. Большинство из них являются изотопами элементов с порядковыми номерами от 81 ( таллий) до 92 ( уран) Эти элементы образуют три радиоактивных семейства -, которые по наименованию наиболее долгоживущего среди них элемента получили название семейств урана, тория и актиноурана.

Является естественным радиоактивным элементом с длительным периодом полураспада. Продукты распада его являются альфа -, бета -, гамма-излучателями. Одним из продуктов распада является радиоактивный газ торон.

При распаде естественных радиоактивных элементов испускаются альфа-бета-частицы и гамма-кванты, причем испускание гамма-квантов не является самостоятельным актом, оно сопровождается альфа — или бета-распадом ядер элементов.

Продолжительность жизни естественных радиоактивных элементов невелика. Среди продуктов распада радия в атмосфере наибольшей концентрацией обладает радон — на несколько порядков больше, чем другие элементы. Исключительно велика концентрация радона в урановых рудниках. Но радиоактивные аэрозоли и радиоактивное излучение возникают и иным путем. Так, радиоактивные аэрозоли образуются в результате активации частиц аэрозолей нейтронами и протонами в естественных условиях и при аварийных ситуациях на атомных электростанциях, в реакторах и ускорителях.

Приложения

  • Некоторые детекторы дыма содержат небольшое количество альфа-излучателя америция-241 . Альфа-частицы ионизируют воздух в небольшом промежутке. Через этот ионизированный воздух проходит небольшой ток . Частицы дыма от огня, попадающие в воздушный зазор, уменьшают ток, вызывая тревогу. Изотоп чрезвычайно опасен при вдыхании или проглатывании, но опасность минимальна, если источник держать закрытым. Многие муниципалитеты разработали программы по сбору и утилизации старых детекторов дыма, чтобы не допустить их попадания в общий поток отходов.
  • Альфа-распад может обеспечить безопасный источник энергии для радиоизотопных термоэлектрических генераторов, используемых для космических зондов и искусственных кардиостимуляторов . От альфа-распада гораздо легче защитить себя, чем от других форм радиоактивного распада. Плутоний-238 , источник альфа-частиц, требует всего 2,5 мм свинцовой защиты для защиты от нежелательного излучения.
  • В нейтрализаторах статического электричества обычно используется полоний-210 , альфа-излучатель, для ионизации воздуха, что позволяет « статическому электричеству » быстрее рассеяться.
  • В настоящее время исследователи пытаются использовать разрушительную природу альфа-излучающих радионуклидов внутри организма, направляя небольшие количества в опухоль . Альфа повреждают опухоль и останавливают ее рост, а их небольшая глубина проникновения предотвращает радиационное повреждение окружающей здоровой ткани. Этот тип лечения рака называется лучевой терапией с открытым источником .

Нормы для человека

За длительные годы исследования радиации были определены безопасные и максимальные дозы. К сожалению, не только опытным путём, но и на практике. Такие события, как Хиросима и Чернобыль не прошли даром для планеты. Годы наблюдений за излучением показали, что превышение допустимой дозы радиации оставляет отпечаток на всех последующих поколениях.

Физические величины в которых измеряется радиация

Радиационный фон

С момента зарождения земли прошло 4,5 миллиарда лет, за это время радиоактивность, которая во время её формирования была просто гигантской, сошла почти на нет. Существующий естественный фон, который в нашей стране составляет 4–15 мкР в час, складывается из нескольких составляющих. Это:

  • Природный, до 83%. Остаточная радиация от природных источников — газов, минералов.
  • Космическое излучение — 14%. Мощнейшим источником излучения является солнце. При уменьшении магнитного поля земли общий фон увеличится, что может привести к увеличению раковых заболеваний и мутаций. Второй фактор, снижающий излучение – это атмосфера. Летающие на самолётах и альпинисты получают повышенную дозу.
  • Техногенное – от 3 до 13%. С первого атомного взрыва прошло 75 лет. За время испытаний атомного оружия в атмосферу было выброшено огромное количество радиоактивных веществ. Кроме этого, техногенные аварии — Чернобыль, Фукусима. Добыча и транспортировка таких веществ, а также работающие АЭС. Всё вносит вклад в общий фон.

Доза радиации которую получает человек в течении года

Норма радиационного фона является значение до 0,20 мкЗв/час или 20 мкР/час. Допустимый фон считается уровень до 60 мкР/час или 0,6 мЗв. Для каждой страны он устанавливается свой, например, в Бразилии безопасный радиоактивный фон составляет 100 мкР в час.

Безопасная доза

Безопасной дозой радиации для человека является уровень, при котором можно жить и работать без последствий для организма. Этот уровень определён до 30 мкР/ч (0,3 мкЗв/час).

Допустимая доза

Допустимая доза радиации несколько больше безопасной и показывает уровень, при котором на организм оказывается воздействие радиации, но без негативных последствий для здоровья.

Допустимый уровень в год предполагает до 1 мЗв. Если это значение поделить на часы, то получим 0,57 мкЗв/ч.

Эта доза применяется и для расчёта среднего значения полученного излучения за несколько лет. Например, человек за 5 лет подряд должен получить 5 мЗв, но работая на вредном производстве, получил годовую в 3 мЗв. Следующие 4 года он не должен получить более 1 мЗв, чтобы выровнять значения и уменьшить риск заработать лучевую болезнь.

При полётах на высоте выше 10 км уровень излучения будет до 3 мкЗв/ч, что превышает норму в 10 раз. Получается, что за 4 часа можно получить максимальную, суммарную дозу до 12 мкЗв.

Излучение которое можно полечить в полёте

Смертельный уровень облучения

Опасной дозой можно принять уровень в 0,75 Зв. При таком значении происходит изменение в крови человека и хоть не бывает смертельных исходов сразу, но в будущем вероятность раковых заболеваний довольно высока.

Как уже было замечено выше органы (печень, лёгкие, желудок, кожа) неравномерно воспринимают излучение. Лучевая болезнь начинается с дозы в 1–2 Зиверт и для некоторых это уже смертельная доза. Другие с лёгкостью перенесут заражение и выздоровеют.

Если исходить из статистики, то смертельной будет доза выше 7 Зиверт или 700 рентген.

Доза. Зиверт Воздействие на человека
1–2 Лёгкая форма лучевой болезни.
2–3 Лучевая болезнь. Смертность в течение первого месяца до 35%.
3–6 Смертность до 60%.
6–10 Летальный исход 100% в течение года.
10–80 Кома, смерть через полчаса
80 и более Мгновенная смерть
Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий