Л.И. Баюров
Курс лекций по сельскохозяйственной радиологии
Учебное пособие. – Краснодар: КубГАУ, 2009. – 112 с.

Лекция 1. Предмет и задачи сельскохозяйственной радиологии

3. Характеристика ионизирующих излучений

Все виды ИИ по природе принято делить на 2 группы:

1) корпускулярные (от лат. corpusculum – «тельце»);

2) волновые (электромагнитные).

Корпускулярные излучения представляют собой потоки лучей определенной массы, создаваемых элементарными и атомными частицами. Большинство этих лучей имеет электрический заряд, массу покоя и скорость распространения. Выделяют 3 группы корпускулярных излучений. Рассмотрим их подробнее.

a (альфа) — излучение. Это излучение создается альфа-частицами, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов, прочно связанных между собой. Масса a-частицы составляет 4,003 атомных единиц массы (а.е.м.), а её заряд равен двум положительным элементарным единицам. При вылете из ядер одного и того же радиоизотопа все альфа-частицы имеют одинаковую энергию. Скорость их движения составляет от 0,05 до 0,08 скорости света, т. е. 14-20,6 тыс. км в секунду.

Вследствие положительного заряда и относительно невысокой скорости a-частицы весьма интенсивно взаимодействуют с электронами поглощающего материала; быстро расходуя свою энергию. При этом они успевают пройти очень небольшое расстояние и обладают самой высокой степенью линейной, удельной и объемной ионизации различных сред и веществ. Так, в воздухе на своем коротком пути движения одна альфа-частица приводит к образованию от 116 до 254 тыс. пар ионов. В воздухе a- частицы имеют путь пробега от 2,5 до 11 см, а в мягких тканях живых организмов – всего лишь 30-130 микрон в зависимости от своей энергии.

Поток альфа-частиц легко остановит даже лист бумаги. Поэтому обладающие самой большой энергией альфа-частицы не могут проникнуть сквозь огрубевшие верхние слои клеток кожи. Однако, альфа-излучение гораздо опаснее, когда его источники находятся внутри организма.

Кроме a-частиц, представляющих собой ядра гелия, существуют альфа-лучи, создаваемые дейтронами — ядрами дейтерия Н²(одного из изотопов водорода). Такое ядро состоит из одного протона и нейтрона, а сама частица при одинарном положительном заряде имеет массу, равную приблизительно двум атомным единицам массы.

b (бета) — излучение. По знаку может быть положительным и отрицательным. В первом случае оно создается потоком позитронов, а во втором – электронов.

В отличие от альфа-излучения бета-частицы одного и того же радиоизотопа обладают разным уровнем энергии. Скорость, с которой они движутся в пространстве, колеблется от 10 до 28,9 тыс. км в секунду (0,029-0,099 скорости света).

Вследствие большей скорости проникающая способность b-частиц выше, чем у альфа. В воздухе она составляет около 10 м, а в мягких тканях — до 10 мм и более.

Поток нейтрально заряженных частиц (нейтронов) представляет собой третью группу корпускулярных излучений. Оно возникает при превращении ядер одних химических элементов в другие. Нейтроны – это элементарные частицы, не имеющие заряда, и массой, практически равной массе протонов.

Лучи, создаваемые этими частицами, обладают сравнительно высоким коэффициентом ионизации, уступающим только a-лучам. В связи с отсутствием у нейтронов электрического заряда они проходят в веществе без взаимодействий сравнительно большие расстояния, измеряемые сантиметрами. Нейтроны сталкиваются, главным образом, с ядрами атомов различных веществ.

Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. Поэтому обычно нейтроны делят на отдельные энергетические группы — тепловые, медленные и быстрые нейтроны. Границы этих энергетических групп условны.

При взаимодействии с ядрами тяжелых элементов нейтроны могут вызывать реакции деления. Однако для живой материи, состоящей преимущественно из атомов легких элементов, эти реакции несущественны.

Таким образом, все заряженные частицы в результате их электростатического взаимодействия с электронами облучаемого вещества приводят к непосредственной прямой ионизации его атомов и молекул. Это взаимодействие тем эффективнее, чем больше порядковый номер вещества-поглотителя.

Второй вид ИИ представлен различными группами волновых (электромагнитных) лучей, которые распространяются в пространстве в виде колебаний электромагнитных полей. Характерным их свойством является постоянная скорость распространения в вакууме, равная скорости света (около 300 тыс. км в сек). Имея сходную природу образования, эти излучения отличаются между собой условиями образования, длиной волны, частоты колебания и энергией. При этом, чем меньше длина волны и больше частота колебания, тем больше энергия и проникающая способность электромагнитного ионизирующего излучения.

Ионизирующим эффектом из различных волновых излучений обладают рентгеновские и гамма-лучи, а также дальний («жесткий») ультрафиолет.

Наибольшее значение для всех живых организмов, населяющих Землю, имеют гамма-лучи. Это коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 10^—10 см, возникающее при распаде радиоактивных ядер и элементарных частиц и взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом.

По своей сути эти лучи представляют собой кванты, то есть порции электрических магнитных колебаний, имеющих наименьшую длину волны и наибольшую частоту колебания с другими видами волновых излучений.

В межзвёздном пространстве γ-излучение может возникать в результате соударений квантов более мягкого длинноволнового электромагнитного излучения, например света, с электронами, ускоренными магнитными полями космических объектов. При этом быстрый электрон передаёт свою энергию электромагнитному излучению и видимый свет превращается в более жёсткое гамма-излучение.

Гамма-кванты являются электрически нейтральными, не отклоняются в магнитном поле, не имеют массы покоя и не вызывают прямой ионизации.

При прохождении среды они способны выбивать электроны с оболочек атомов, передавая им часть или всю свою энергию. Эти выбитые электроны (b-лучи) и производят эффект вторичной ионизации. Гамма-лучи отличаются очень высокой скоростью прохождения различных сред на довольно большие расстояния. Так, в воздухе путь их пробега равен 100-120 м, а в мягких тканях животных и человека — до 0,5 м и более.

При прохождении через вещество гамма-кванты взаимодействуют с атомами, электронами и ядрами, в результате их интенсивность уменьшается. В области энергий до 10 МэВ и более существенными процессами являются эффект Комптона (комптон-эффект), образование электрон-позитронных пар и фотоэффект.

При фотоэффекте происходит поглощение γ -кванта одним из электронов атома, причём энергия γ-кванта преобразуется (за вычетом энергии связи электрона в атоме) в кинетическую энергию электрона, вылетающего за пределы атома.

При комптон-эффекте происходит рассеяние γ-кванта на одном из электронов, слабо связанных в атоме, В отличие от фотоэффекта, при этом взаимодействии γ-квант не исчезает, а лишь изменяет энергию (длину волны) и направление своего распространения. Узкий пучок гамма-лучей в результате комптон-эффекта становится более широким, а само излучение — более мягким (длинноволновым).

Если же энергия γ-кванта превышает 10 МэВ, становится возможным процесс образования электрон-позитронных пар в электрическом поле ядер. В свою очередь противоположный процесс аннигиляции электрон-позитронной пары является источником гамма-излучения.

Рентгеновские (X) лучи — это невидимое глазом электромагнитное излучение с длиной волны 10^—5 — 10² нм. Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии электронов, движущихся с большими скоростями, с веществом. Когда электроны соударяются с атомами какого-либо вещества, они быстро теряют свою кинетическую энергию. При этом большая ее часть переходит в тепло, а небольшая доля, обычно менее 1%, преобразуется в энергию рентгеновского излучения. Эта энергия высвобождается в форме квантов – частиц, называемых фотонами, которые обладают энергией, но масса покоя которых равна нулю.

Вредное биологическое действие рентгеновского излучения обнаружилось вскоре после его открытия Рентгеном. Оказалось, что новое излучение может вызвать что-то вроде сильного солнечного ожога (эритему), сопровождающегося, однако, более глубоким и стойким повреждением кожи. Появлявшиеся при этом язвы нередко переходили в рак. Во многих случаях приходилось ампутировать пальцы или руки. Случались также и летальные исходы. Было установлено, что поражения кожи можно избежать, уменьшив время и дозу облучения, применяя экранировку (например, свинец) и средства дистанционного управления.

Ультрафиолетовое (UV) излучение. Вся область ультрафиолетового излучения условно делится на ближнюю (200-400 нм) и дальнюю (вакуумную) (10-200 нм). Последнее название обусловлено тем, что излучение этого диапазона сильно поглощается воздухом и его исследование производят с помощью вакуумных спектральных приборов.

UV— радиация находится в конце видимого фиолетового спектра, имеет длину волн короче 400 нм и подразделяется на:

1). UV_A (320-400 нм), которая не вызывает покраснения или ожога кожи после чрезмерного воздействия;

2). UV_B (280-320 нм) — этот подвид является основным в естественном солнечном свете, и именно он обусловливает острые и хронические повреждения кожи. UVB-радиация (спектр загара) является с биологической точки зрения наиболее опасной и требующей особого внимания;

3). UV_C (100-280 нм), воздействию этих лучей кожа человека подвергается редко, поскольку они полностью рассеиваются в атмосфере.

Естественный солнечный свет является наиболее распространенным источником UV_B— радиации. Слой озона в стратосфере, лежащий на высоте примерно от 15 до 30 км над уровнем моря, играет наиболее важную роль в защите от вредного воздействия ультрафиолета на здоровье. Озон поглощает большую часть УФ-радиации, излучаемой солнцем и вредной для человека.

Искусственные источники ультрафиолетовой радиации включают в себя флуоресцентные лампы, которые вырабатывают в основном UV_A-лучи и используются в качестве ламп для загара в соляриях, а также для диагностики и терапии в дерматологии.

Нетрудно заметить, что для a-, b- и g-излучений наблюдается простая закономерность: чем выше ионизирующая способность излучения, тем ниже способность проникающая. Это вовсе не случайно: при взаимодействии этих излучений с веществом основная часть энергии расходуется именно на ионизацию.

Итак, ионизирующие излучения представляют собой потоки частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению его атомов или молекул. Это электроны, позитроны, протоны, нейтроны и другие элементарные частицы, а также атомные ядра и электромагнитное излучение гамма, рентгеновского и оптического диапазонов.

В случае воздействия нейтрального излучения (X-, γ-кванты и нейтроны) ионизацию осуществляют вторичные заряженные частицы, образующиеся при взаимодействии излучения с веществом. Это — электроны и позитроны (в случае воздействия Х- и γ-квантов) и протоны (в случае бомбардировки ядер нейтронами).