Ионизирующее излучение это при поглощении радиоактивного (альфа-, бета-, гамма-излучения) и жесткого-рентгеновского излучения, а также потоков элементарных частиц (протонов и нейтронов).
Энергия частиц или фотонов передается атомам и молекулам вещества и превращается частью в теплоту, частью затрачивается на возбуждение, а главным образом — на ионизацию вещества.
В связи с этим все эти виды излучения объединяются под общим названием ионизирующего излучения.
Ионизация является также первичным звеном сложной реакции живого организма на действие всех этих видов излучения, которая называется лучевой болезнью.
Что такое ионизирующее излучение
Частицы ионизирующего излучения обладают высокой энергией, поэтому они отрывают от атомов не только валентные электроны, но и электроны с глубоких слоев оболочек.
Рентгеновское и гамма-излучение хотя и не производят значительной первичной ионизации, но образуют при этом вторичные электроны (электроны отдачи) с высокой энергией, которые подобно бета-частицам могут сильно ионизировать и возбуждать атомы и молекулы вещества.
Вторичное излучение (в рентгеновском или в оптическом диапазонах) может происходить не только вследствие возбуждения атомов и молекул, но также и при торможении бета-частиц и электронов отдачи полем атомов вещества.
Следует принять во внимание, что для взаимодействия заряженных частиц необходим определенный, хотя и весьма малый промежуток времени.
Если одна частица пролетает мимо другой со слишком большой скоростью, то взаимодействия их через электрические поля может и не произойти.
Поэтому ионизирующее действие заряженных частиц с высокой энергией и большой скоростью движения на поверхности вещества может быть меньше, чем в глубине, где по мере торможения скорость частиц уменьшается.
Отдельные частицы могут сталкиваться с ядрами атомов, и если они имеют достаточную энергию, то вызывать возбуждение ядра и даже ядерную реакцию.
Возможность подобных явлений должна приниматься во внимание, например, при атомном взрыве, действии излучения урановых реакторов и т. п.
Действие на вещество гамма-излучения весьма сходно с действием жесткого рентгеновского излучения. Ослабление пучка гамма-излучения также подчиняется закону Бугера.
В основном при этом происходит фотоэффект и комптоновский эффект.
При высокой энергии фотонов, что более характерно для гамма-излучения, к этому присоединяется процесс образования пар. Соотношение между этими процессами зависит от природы вещества и от энергии фотонов.
Пример поглощения излучения
В качестве примера на рис. 604 показан график зависимости для свинца показателя поглощения μ (который входит в формулу закона Бугера)-от энергии фотонов.
Показатель поглощения μ составляется из суммы трех коэффициентов, характеризующих ослабление излучения в результате фотоэффекта μ1, комптоновского эффекта μ2 и образования пар μ3: μ = μ1 + μ2 + μ3.
Как видно из графика, при относительно малых энергиях фотона (до 1 Мэв, особенно для атомов с большим Z) основное значение имеет фотоэффект (μ4), при средних — комптон-эффект (μ2) и при больших энергиях — образование пар (μ3).
Общий коэффициент ослабления с возрастанием энергии фотонов сначала падает вследствие снижения фотоэффекта, а затем возрастает за счет образования пар.
Излучение протонов и нейтронов
К ионизирующему излучению относят также протоны и нейтроны. Скорость и энергия протонов, выбрасываемых при ядерных реакциях, равно как и их проникающая и ионизирующая способность, близки к таковым у альфа-частиц.
Нейтроны, выбрасываемые при ядерных реакциях, имеют начальную скорость порядка 3• 109 см/сек и энергию до 4—5 Мэв.
В связи с отсутствием заряда нейтроны легко проникают сквозь электронную оболочку атомов. Первичная ионизирующая способность у них низкая, проникающая — соответственно высокая.
Ионизирующий эффект от действия нейтронов на вещество является следствием главным образом вторичных процессов, обусловленных первичным соударением их с ядрами атомов.
При этом в зависимости от соотношения энергии нейтронов и массы ядра может происходить или рассеяние нейтронов, или их поглощение ядром.
При упругом соударении, особенно с ядрами легких элементов, нейтрон передает ядру часть кинетической энергии.
Ядро, называемое в данном случае ядром отдачи, за счет полученной энергии производит вторичную ионизацию, которая, благодаря наличию у ядра заряда, имеет интенсивный характер.
Так как ткани организма содержат много водорода, то быстрые нейтроны легко теряют в них свою энергию и вызывают значительную ионизацию ядрами отдачи — протонами.
При неупругом соударении ядро за счет полученной от нейтрона энергии возбуждается и испускает один или несколько гамма-фотонов.
Наконец, если нейтрон поглощается ядром, то происходит ядерная реакция, преимущественно — превращение ядра в его радиоактивный изотоп с последующим распадом.
В тканях организма при этом часто образуется дейтерий по реакции H1(n; γ)Н2, радиоактивные изотопы натрия Na23(n; γ)Na24 и фосфора Р31(n; γ)Р32, а также углерода С14 [из изотопа азота N14 по реакции N14(n; р)С14 с выбрасыванием протона] и др.
Радиолиз воды
При действии ионизирующих излучений вместе с ионизацией атомов может происходить нарушение структуры и самих молекул.
В частности, можно указать на радиолиз воды, который заключается в ионизации и затем распаде ионизированной молекулы воды с образованием ненасыщенных радикалов Н и ОН.
При ионизации из молекулы выбрасывается электрон:
Н2O → Н2O+ + е—.
Освободившийся электрон захватывается другой молекулой:
Н2O + е—→ Н2O—.
Ионизированные молекулы распадаются:
Н2O+ → Н+ + ОН и Н2O— → Н + ОН—.
Свободные радикалы
Свободные радикалы Н и ОН не несут электрических зарядов, но имеют ненасыщенные валентности и поэтому обладают исключительно высокой химической активностью.
Они могут реагировать с любыми веществами, вызывая их окисление или восстановление.
Кроме того, образуются соединения типа Н2O2 (например, в результате рекомбинации ОН + ОН → Н2O2), которые также являются сильными окислителями.
Первичные процессы ионизации не вызывают больших нарушений в тканях.
Токсическое действие излучения связано, по-видимому, со вторичными реакциями, при которых происходит разрыв связей внутри сложных органических молекул.
Возможно также образование активных биохимических продуктов, являющихся катализаторами для вторичных реакций уже биологического порядка, которые развиваются лавинообразно по типу цепной реакции.
Дозиметрия ионизирующего излучения
Действие ионизирующего излучения на вещество связано с его поглощением, в процессе которого энергия излучения расходуется на указанные выше различные происходящие в веществе процессы.
Поэтому действие на вещество обусловлено не всем проходящим через него излучением, а только той частью, которая при этом поглощается.
Та часть излучения, которая проходит вещество «насквозь» (без поглощения), действия на него не оказывает.
Поэтому основной величиной, характеризующей действие ионизирующего излучения на вещество, является количество энергии излучения, поглощенного единицей массы вещества за время облучения.
Эта величина называется поглощенной дозой Dп излучения или просто дозой излучения.
Основной единицей измерения дозы излучения является джоуль на килограмм (дж/кг): джоуль на килограмм есть поглощенная доза излучения, измеряемая энергией в один джоуль любого вида ионизирующего излучения, переданной массе в один килограмм облученного вещества.
Применяется также специальная международная единица, называемая рад (radiation absorbed dose).
Рад (рад) есть доза любого вида ионизирующего излучения, при действии которой в 1 г массы вещества поглощается энергия излучения, равная 100 эрг (1 рад = 100 эрг/г = 10-2 дж/кг).
Поглощенная доза излучения
Поглощенная доза зависит как от природы и свойств излучения (в частности, энергии частиц), так и от природы вещества, в котором оно поглощается.
Непосредственное измерение поглощенной дозы, особенно в глубине вещества или при неоднородном его строении (как, например, для тканей организма), затруднительно.
В связи с этим Для оценки действия рентгеновского и гамма-излучения на вещество определяют экспозиционную дозу D0 или дозу облучения (старое название «физическая доза»).
Под которой понимают количество излучения, поглощенного при соответствующих условиях облучения единицей массы воздуха.
Единица измерения экспозиционной дозы
Единица измерения экспозиционной дозы определяется на основании ионизирующего действия излучения: кулон на килограмм (к/кг) есть экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в результате полной ионизации на 1 кг сухого атмосферного воздуха образуются ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака.
Полная ионизация подразумевает эффект от действия как самого излучения, так и всех образующихся при этом электронов отдачи.
Применяется также специальная единица рентген. Рентген (р) есть экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в результате полной ионизации на 0,001293 г сухого атмосферного воздуха образуются ионы, несущие заряд в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.
Число 0,001293 г представляет массу 1 см3 чистого сухого воздуха при 0°С и давлении 760 мм рт. ст.; 1 эл. ст. ед. количества электричества (равная 3,3•10-9 к) соответствует заряду 2,09•109 ионов одного знака.
В связи с этим рентгену можно дать такое определение: рентген есть доза рентгеновского или гамма излучения, которая в результате полного ионизирующего действия в 1 см3 сухого воздуха при 0°С и нормальном давлении образует округленно 2 млрд. пар ионов.
Употребляются также производные от рентгена единицы: миллирентген (мр) и микрорентген (мкр).
Действие излучения на живые ткани
Действие излучения на живые ткани зависит не только от общего количества поглощенного излучения, но также и от быстроты, с которой это излучение поглощается, т. е. от количества излучения, поглощаемого в единицу времени.
Для учета этого явления вводится понятие мощности дозы Р. Мощность дозы есть величина, характеризующая дозу, получаемую объектом за единицу времени.
При достаточно равномерном действии излучения мощность дозы Р численно равняется отношению дозы D к промежутку времени t, в течение которого излучение действовало:
P = D/t.
Мощность дозы излучения
Понятие мощности дозы относится как к поглощенной, так и к экспозиционной дозе.
Основными единицами мощности дозы являются: для поглощенной дозы ватт на килограмм (вт/кг), для экспозиционной дозы ампер на килограмм (а/кг).
Применяются соответственно и специальные единицы: рад в секунду (рад/сек) и рентген в секунду (р/сек).
Поглощенная доза определяется косвенно. С помощью соответствующих приборов измеряют экспозиционную дозу непосредственно над местом облучения, т. е. под действием того же излучения, которым облучается объект (рис. 2).
При этом экспозиционная D и поглощенная Dп дозы находятся в определенном соотношении, которое зависит от природы вещества объекта, а также от энергии фотонов излучения, и может быть выражено в форме переходного коэффициента.
Зная для данных условий переходный коэффициент f и измерив экспозиционную дозу D0, можно вычислить поглощенную дозу Dп (рад) = fD0 (р).
Определение поглощения излучения
Установим величину коэффициента f для воздуха. На образование 1 пары ионов в воздухе требуете в среднем энергия, равная 34 эв.
Исходя из этого, нетрудно подсчитать, что 1 р соответствует поглощенная энергия излучения, равная 0,114 эрг/см3 или на 1 г — 88 эрг/г, т. е. 0,88 рад.
Таким образом, для воздуха поглощенная доза Dп = 0,88 рад соответствует экспозиционной дозе
D0 = 1 р, откуда
fвозд = Dп/D0 = 0,88/1 = 0,88.
Коэффициент fвозд почти не зависит от энергии фотонов.
Коэффициент поглощения излучения для тканей человека
Для воды и соответственно для мягких тканей тела человека коэффициент f мало зависит от энергии фотонов и округленно может быть принят равным единице: fтк = 1.
Таким образом, для воды и близких к ней по свойствам мягких тканей тела человека поглощенная доза в радах численно равна экспозиционной дозе в рентгенах (в этом соответствии и заключается практическое удобство пользования единицами рентгена и рада).
Для костной ткани коэффициент f больше:
fк = 2 ÷ 5,
при чем зависит от энергии фотонов, уменьшаясь с ее увеличением.
Биологическое действие различных видов ионизирующего излучения отличается. Для учета этого в дозиметрию вводится величина, называемая биологической дозой Dб.
Единицей биологической дозы является биологический эквивалент рада (бэр).
Бэр равен количеству энергии любого вида ионизирующего излучения, которое по своему биологическому действию эквивалентно 1 раду рентгеновского или гамма излучения.
Биологическая доза в бэрах численно равняется произведению поглощенной дозы в радах на коэффициент, называемый относительной биологической эффективностью (ОБЭ) излучения: Dб (бэр) = Dп (рад)•ОБЭ.
Значение коэффициента ОБЭ для некоторых видов излучений
Рентгеновское, гамма- и бета-излучение — 1
Медленные нейтроны — 5
Быстрые нейтроны, протоны — 10
Альфа-частицы — 20