Ионизирующие излучения¶

Ионизирующие излучения — это потоки частиц или электромагнитных квантов, способных при взаимодействии с веществом создавать ионы — заряженные атомы и молекулы. К ионизирующим относят излучения, энергия квантов которых превышает энергию ионизации атомов и молекул среды (обычно от нескольких электронвольт до десятков электронвольт и выше). Явление лежит в основе радиационной физики, дозиметрии, ядерной медицины и радиационной безопасности.

¶Классификация

Ионизирующие излучения делятся на две большие группы: корпускулярные (потоки частиц) и электромагнитовые (фотонные).

¶Корпускулярные излучения

• Альфа-излучение — поток альфа-частиц, представляющих собой ядра гелия-4 (два протона и два нейтрона). Источники: радиоактивный распад тяжёлых ядер (уран, радий, плутоний), некоторые ядерные реакции. Альфа-частицы обладают высокой ионизирующей способностью, но малой проникающей: их задерживает лист бумаги или верхний слой кожи. Внутри организма альфа-излучение наиболее опасно при попадании радиоактивных веществ с пищей, водой или вдыханием.

• Бета-излучение — поток электронов или позитронов, возникающий при бета-распаде нестабильных ядер. Проникающая способность выше, чем у альфа-частиц: бета-частицы проходят через воздух на десятки сантиметров и задерживаются алюминиевой пластиной толщиной в несколько миллиметров.

• Нейтронное излучение — поток нейтронов, образующихся в ядерных реакторах, при делении ядер, в термоядерных реакциях и при взаимодействии космических лучей с веществом. Нейтроны не несут электрического заряда и потому обладают высокой проникающей способностью. Ионизация происходит за счёт столкновений с ядрами атомов среды. Экранируются материалами, богатыми лёгкими элементами — водой, полиэтиленом, бетоном.

• Протонные и другие тяжёлые ионы — потоки заряженных частиц, встречающиеся в космическом излучении, в пучках ускорителей и при некоторых ядерных реакциях. Имеют высокую линейную передачу энергии (LET).

¶Электромагнитовые излучения

• Рентгеновское излучение — фотоны с энергией от десятков электронвольт до мегаэлектронвольт. Различают «мягкое» (низкоэнергетическое) и «жёсткое» (высокоэнергетическое) рентгеновское излучение. Источники: рентгеновские трубки, синхротроны, тормозное излучение электронов, космическое излучение. Проникающая способность зависит от энергии фотонов.

• Гамма-излучение — фотоны высокой энергии (обычно от сотен киловольт до мегаэлектронвольт и выше), испускаемые возбуждёнными ядрами при радиоактивном распаде, при ядерных реакциях и аннигиляции. Гамма-лучи наиболее проникающие из природных излучений; для защиты используют свинец, сталь, бетон и воду.

¶Основные характеристики

Для описания ионизирующих излучений используют ряд величин:

• Линейная передача энергии (LET) — энергия, которую излучение теряет на единицу длины пути в веществе. Высокое LET характерно для альфа-частиц и тяжёлых ионов, низкое — для гамма-квантов и быстрых электронов.
• Радиоактивность — число распадов в единицу времени, измеряется в беккерелях (Бк).
• Экспозиционная доза — мера ионизации воздуха под действием рентгеновского или гамма-излучения, единица — кулон на килограмм (исторически — рентген).
• Поглощённая доза — энергия, поглощённая единицей массы облучаемого вещества, единица — грей (Гр).
• Эквивалентная доза — поглощённая доза, умноженная на коэффициент качества, учитывающий биологическую эффективность不同 видов излучения; единица — зиверт (Зв).

¶Источники ионизирующих излучений

Источники делятся на природные и искусственные.

¶Природные

• Космическое излучение — поток заряженных частиц из внешнего космоса (протоны, ядра гелия, тяжёлые ионы), взаимодействующие с атмосферой и порождающие вторичные излучения, включая нейтроны и мюоны.
• Радиоактивные элементы в земной коре: уран-238, торий-232, калий-40 и продукты их распада.
• Радон — радиоактивный газ, выделяющийся из почвы и горных пород, накапливающийся в помещениях. Основной источник облучения населения в бытовых условиях.
• Внутреннее облучение — радиоактивные изотопы, естественно присутствующие в организме (калий-40, углерод-14).

¶Искусственные

• Медицинские источники: рентгеновские аппараты, компьютерные томографы, радионуклидная диагностика и терапия, лучевая терапия.
• Ядерные электростанции и установки, связанные с обращением радиоактивных материалов.
• Промышленные источники для дефектоскопии, радиографии, стерилизации.
• Аварии на объектах ядерного топливного цикла (авария на Чернобыльской АЭС 1986 года, авария на АЭС «Фукусима-1» в 2011 году).
• Ядерные испытания и оружие.
• Профессиональные источники в научных лабораториях, геологоразведке, космической отрасли.

¶Взаимодействие с веществом

Основные механизмы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом:

• Коллизионная ионизация — выбивание электронов атомов при столкновении заряженной частицы с атомом среды.
• Тормозное излучение — излучение фотонов заряженной частицей при её торможении в электрическом поле ядра.
• Фотоэлектрический эффект — поглощение фотона с выбиванием электрона из атома.
• Комптоновское рассеяние — упругое рассеяние фотона на электроне, сопровождающееся частичной передачей энергии.
• Параобразование — рождение электрон-позитронной пары высокоэнергетическим фотоном в поле ядра.
• Ядерные реакции — возбуждение и трансмутация ядер при столкновениях нейтронов и других частиц с ядрами атомов.

¶Биологическое действие

Ионизирующее излучение вызывает ионизацию и возбуждение молекул воды и биологически значимых веществ, что приводит к повреждению ДНК, белков и клеточных мембран. Различают:

• Облучение тела — источник излучения вне организма.
• Инкорпорирование — попадание радиоактивных веществ внутрь организма с последующим внутренним облучением.

По характеру воздействия различают детерминированные (лучевая болезнь, лучевые ожоги, катаракта — проявляются после превышения пороговых доз) и стохастические эффекты (индукция злокачественных опухолей, наследственные мутации — вероятность которых растёт с дозой без чёткого порога).

¶Защита от ионизирующих излучений

Классические принципы защиты, сформулированные в радиационной безопасности:

• Время — сокращение времени пребывания в зоне облучения.
• Расстояние — увеличение расстояния до источника (интенсивность убывает обратно пропорционально квадрату расстояния).
• Экранирование — применение защитных материалов: свинца и стали для гамма-излучения, полиэтилена и воды для нейтронов, бумаги и тонких металлических листов для альфа- и бета-частиц.

В России безопасность при работе с источниками ионизирующих излучений регулируется нормами радиационной безопасности (НРБ-99/2009) и правилами обеспечения радиационной безопасности (ПБЗ-99/2010), утверждёнными главным государственным санитарным врачом РФ.

¶Применение

Ионизирующие излучения широко применяются в медицине (диагностика, лучевая терапия, радионуклидные методы), промышленности (контроль сварных швов, измерение толщины и плотности материалов, стерилизация изделий), энергетике (ядерные реакторы), науке (радиоуглеродный анализ, радиография структур вещества), сельском хозяйстве (мутагенез, стерилизация насекомых-вредителей).

Источники:

• ГОСТ Р ИСО/МЭК 17000 — Словарь. Оценка соответствия. Основные термины и определения
• НРБ-99/2009. Нормы радиационной безопасности
• ПБЗ-99/2010. Правила обеспечения радиационной безопасности при работе с источниками ионизирующих излучений
• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия
• Краткая физико-техническая энциклопедия / Под ред. А. М. Прохорова. — М.: Большая российская энциклопедия
• Справочник по радиационной безопасности / Под ред. Л. А. Ильина. — М.: Энергоатомиздат