Ионизирующее излучение
Введение…………………………………………………………
Глава 1. Природа и источники ионизирующего излучения……………………3
1.1. Наведенная радиоактивность…………
1.2. Радиоактивный распад…………………………
1.3. Физические свойства
ионизирующих излучений и
на окружающую
среду……………………………………………………..11
Глава 2. Основы дозиметрии……………………………………………………
2.1. Методы измерения ионизирующих
излучений и
измерительная
техника…………………………………………………….
2.2. Единицы измерения
ионизирующего излучения…………………
2.3. Гигиеническое нормирование
ионизирующих излучений……………….
Заключение……………………………………………………
Список используемых источников информации………………………………34
Приложение……………………………………………………
Ионизирующее излучение – поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды. Они возникают в результате естественных или искусственных радиоактивных распадов веществ, ядерных реакций деления в реакторах, ядерных взрывов и некоторых физических процессов в космосе.
Актуальность выбранной темы курсовой работы обусловлена тем, что в настоящее время ионизирующие излучения широко применяется в промышленности, сельском хозяйстве, медицине. При этом необходимо отметить, что ионизирующие излучения являются одновременно и другом и смертельным врагом человека. Это требует от каждого серьезных знаний об источниках опасности ионизирующей радиации.
Цель работы: изучить теоретические основы ионизирующих излучений.
Для реализации поставленной цели предполагается решение следующих задач:
- раскрыть природу, физические
свойства ионизирующих
- рассмотреть методы
измерения ионизирующих
-ознакомиться с основами дозиметрии.
Глава 1. Природа
и источники ионизирующего
1.1.Наведенная радиоактивность
Радиоактивность (от лат.
radio – излучаю и activus-действенный), самопроизвольное
превращение нестабильных атомных ядер
в другие ядра, сопровождающееся испусканием
частиц, а также жесткого электромагнитного
излучения (рентгеновского или γ-излучения)[1].
Наведённая радиоактивность — это радиоактивность веществ,
возникающая под действием облучения
их ионизирующим излучением, как правило нейтронами.
При облучении частицами
(нейтронами, протонами, гамма-
Нейтроны же, наоборот, захватываются ядрами при любой энергии, более того, максимальна вероятность захвата именно нейтронов с низкой энергией. Поэтому, распространяясь в веществе, нейтрон может попадать в множество ядер последовательно, пока не будет захвачен очередным ядром, и вероятность захвата нейтрона практически равна единице.
Поглощение нейтронов не обязательно
ведет к появлению наведенной радиоактивности.
Многие ядра захватывают нейтрон с образованием
стабильных ядер, например бор-10 превращается
в стабильный бор-11, лёгкий водород (протий) —
в стабильный дейтерий. В таких случаях
наведённая радиоактивность не возникает.
Процесс накопления в веществе
радиоактивных изотопов под действием
облучения называется
На эффекте наведённой радиоактивности
основан мощный метод определения
состава вещества, называемый активационным
анализом. Образец облучается потоком
нейтронов (нейтронно-активационный анализ)
или гамма-квантов (гамма-активационный
анализ). При этом в образце наводится
радиоактивность, характер которой, при
одинаковом характере облучения, полностью
определяется изотопным составом образца.
Изучая гамма-спектр излучения образца, можно с очень высокой
точностью определить его состав. Предел
обнаружения различных элементов зависит
от интенсивности облучения и составляет
до 10−4−10−7 % для гамма-активационного
анализа и до 10−5−10−10 % для
нейтронно-активационного анализа.
Особенно сильна наведённая радиоактивность при взрыве термоядерных (в том числе и нейтронных) зарядов, так как выход нейтронов на единицу энергии в них в несколько раз выше, чем у ядерных зарядов, и средняя энергия нейтронов тоже выше, что делает возможными пороговые реакции. Утверждается, например, что взрыв нейтронной бомбы мощностью в 1 кт в 700 метрах от танка не только убивает экипаж нейтронным излучением, но и создает в броне наведённую радиоактивность, достаточную для получения новым экипажем смертельной дозы в течение суток.
Принцип наведённой радиоактивности положен в основу идеи т. н. кобальтовой бомбы. Это вид ядерного оружия, в котором основным поражающим фактором является радиоактивное заражение. Она представляет собой термоядерную бомбу с оболочкой из кобальта, в которой под действием нейтронного излучения взрыва создается изотоп кобальт-60 — сильнейший источник гамма-излучения с периодом полураспада 5,27 лет. Будучи распылённым ядерным взрывом по большой территории, кобальт-60 сделал бы их надолго непригодными для проживания [7].
1.2. Радиоактивный распад
Радиоактивный распад - это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов "элементарных" (атомных, субатомных) частиц, которые принято называть радиоактивными частицами или радиоактивным излучением. В подавляющем большинстве случаев ядро атома (а значит, и сам атом) одного химического элемента превращается в ядро атома (в атом) другого химического элемента; или один изотоп данного химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.
Радиоактивный распад, как и все другие виды радиоактивных превращений, может быть естественным (самопроизвольным, спонтанным) и искусственным, вызванным попаданием в ядро стабильного атома какой-либо частицы извне.
Для естественных (природных) радионуклидов основными видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минус-распад (хотя встречаются и другие). Названия альфа и бета были даны Эрнестом Резерфордом в 1900 году при изучении радиоактивных излучений.
Для искусственных (техногенных)
радионуклидов кроме этого
Альфа-распад (альфа-распад) - характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных элементов шестого и седьмого периодов таблицы Д. И. Менделеева (уран, торий и продукты их распада до висмута включительно) и особенно для искусственных - трансурановых - элементов. Этому виду распада подвержены отдельные изотопы всех тяжёлых элементов, начиная с висмута [5].
Альфа-распад - это испускание из ядра атома альфа-частицы, которая состоит из 2 протонов и 2 нейтронов. Альфа-частица имеет массу 4 единицы, заряд +2 и является ядром атома гелия [9].
Пример (альфа-распад урана-238 в торий-234):
В результате испускания альфа-частицы
образуется новый элемент, который
в таблице Менделеева расположен
на 2 клетки левее, так как количество
протонов в ядре, а значит, и заряд
ядра, и номер элемента стали на
две единицы меньше. А масса
образовавшегося изотопа
Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде тория - радий, при распаде радия - радон, затем полоний и наконец - свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т. д.
Бета-распад - наиболее распространённый вид радиоактивного распада, особенно среди искусственных радионуклидов. Он наблюдается практически у всех известных на сегодня химических элементов. Это означает, что у каждого химического элемента есть, по крайней мере, один бета-активный, то есть подверженный бета-распаду изотоп. При этом чаще всего происходит бета-минус распад.
Пример (бета-распад трития в гелий-3)
Бета-минус распад - это выбрасывание (испускание) из ядра бета-минус частицы - электрона, который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон. При этом тяжёлый протон остаётся в ядре, а лёгкий электрон - бета-минус частица - с огромной скоростью вылетает из ядра. И так как протонов в ядре стало на один больше, то ядро данного элемента превращается в ядро соседнего элемента справа - с большим номером.
Так, например, при бета-минус распаде радиоактивный изотоп калия - калий-40 - превращается в стабильный изотоп кальция (стоящего в соседней клеточке справа) - кальций-40. А радиоактивный кальций-47 - в стоящий справа от него скандий-47 (тоже радиоактивный), который, в свою очередь, также путём бета-минус распада превращается в стабильный титан-47.
Рис.1.Распад радиоактивного изотопа калия-40 в стабильный изотоп кальция-40.
Бета-плюс распад - это выбрасывание (испускание) из ядра бета-плюс частицы - позитрона (положительно заряженного "электрона"), который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон. В результате этого (так как протонов стало меньше) данный элемент превращается в соседний слева (с меньшим номером, предыдущий).
Так, например, при бета-плюс распаде радиоактивный изотоп магния магний-23 превращается в стабильный изотоп натрия (стоящего слева) - натрий-23, а радиоактивный изотоп европия- европий-150 превращается в стабильный изотоп самария - самарий-150 [5].
Кроме указанных альфа- и бета-распада существуют другие виды радиоактивного распада, менее распространённые и более характерные для радионуклидов искусственного происхождения.
Нейтронный распад - испускание из ядра атома нейтрона (n) - нейтральной частицы с массой 1 ед. При испускании нейтрона один изотоп данного химического элемента превращается в другой с меньшим весом. Так, например, при нейтронном распаде радиоактивный изотоп лития литий-9 превращается в литий-8, радиоактивный гелий-5 - в стабильный гелий-4.
Если стабильный изотоп йода йод-127 облучать гамма-квантами, то он становится радиоактивным, выбрасывает нейтрон и превращается в другой, тоже радиоактивный изотоп йод-126.
Протонный распад - крайне редкий вид распада -это испускание из ядра атома протона (р) - частицы с массой 1 ед. и зарядом +1. При испускании протона данный химический элемент превращается в соседний слева (с меньшим номером, предыдущий), а атомный вес уменьшается на единицу.
Все радиоактивные превращения, в том числе и все разновидности радиоактивного распада, сопровождаются, как правило, за редким исключением, выделением избытка энергии в виде гамма-излучения - гамма-квантов, а иногда также и рентгеновского излучения (фотонов) с меньшей энергией.
Гамма – излучение вид электромагнитного излучения с чрезвычайно маленькой длиной волны – < 5×10−3 нм и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма-квантами являются фотоны высокой энергии. Обычно считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1–100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению, если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке-то к рентгеновскому излучению. Очевидно, физически кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.
Гамма-лучи в отличие от α-лучей и β-лучей не отклоняются электрическими и магнитными полями и характеризуются большей проникающей способностью при равных энергиях и прочих равных условиях [13].
Закон радиоактивного распада — закон, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году.
Так как отдельные радиоактивные ядра распадаются независимо друг от друга, то можно считать, что число ядер dN, распавшихся в среднем за интервал времени от t до t+dt, пропорционально промежутку времени dt и числу N нераспавшихся ядер к моменту времени t:
dN= - λNdt (1.2.1)
где l — постоянная для данного радиоактивного вещества величина, называемая постоянной радиоактивного распада; знак минус указывает, что общее число радиоактивных ядер в процессе распада уменьшается.
Разделив переменные и интегрируя:
(1.2.2)
получим
где N0 — начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t=0), N — число нераспавшихся ядер в момент времени t. Формула (1.2.3) выражает закон радиоактивного распада, согласно которому число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону.
Интенсивность процесса радиоактивного
распада характеризуют две
откуда
(1.2.4)
Периоды полураспада для естественно-радиоактивных элементов колеблются от десятимиллионных долей секунды до многих миллиардов лет.
Суммарная продолжительность жизни dN ядер равна t|dN| = lNtdt. Проинтегрировав это выражение по всем возможным t (т. е. от 0 до ¥) и разделив на начальное число ядер N0, получим среднее время жизни t радиоактивного ядра:
(1.2.5)
Таким образом, среднее время жизни т радиоактивного ядра есть величина, обратная постоянной радиоактивного распада l
Радиоактивный распад происходит в соответствии с так называемыми правилами смещения, позволяющими установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра. Правила смещения:
для a-распада
для b-распада
где AZX — материнское ядро, Y — символ дочернего ядра, 24He — ядро гелия (a-частица), 0-1е — символическое обозначение электрона (заряд его равен —1, а массовое число — нулю). Правила смещения являются ничем иным, как следствием двух законов, выполняющихся при радиоактивных распадах, — сохранения электрического заряда и сохранения массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) возникающих ядер и частиц равна заряду (массовому числу) исходного ядра [10].
1.3. Физические свойства ионизирующих излучений и воздействие на окружающую среду
Ионизирующие излучения состоят из прямо или косвенно ионизирующих частиц или смеси тех и других. К прямо ионизирующим частицам относятся частицы (электроны, α-частицы, протоны и др.), которые обладают достаточной кинетической энергией, чтобы осуществить ионизацию атомов путём непосредственного столкновения. К косвенно ионизирующим частицам относятся незаряженные частицы (нейтроны, кванты и т.д.), которые вызывают ионизацию через вторичные объекты.
Все ионизирующие излучения по своей природе делятся на фотонные (квантовые) и корпускулярные. К фотонному (квантовому) ионизирующему излучению относятся гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или аннигиляции частиц, тормозное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц, характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома и рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и/или характеристического излучений. К корпускулярному ионизирующему излучению относят α-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения.
Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (α-, β-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят. Соответственно, корпускулярное излучение, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением.
Нейтронное и гамма излучение принято называть проникающей радиацией или проникающим излучение.
Ионизирующие излучения по своему энергетическому составу делятся на моноэнергетические (монохроматические) и немоноэнергетические (немонохроматические). Моноэнергетическое (однородное) излучение – это излучение, состоящее из частиц одного вида с одинаковой кинетической энергией или из квантов одинаковой энергии.
Немоноэнергетическое (неоднородное) излучение – это излучение, состоящее из частиц одного вида с разной кинетической энергией или из квантов различной энергии. Ионизирующее излучение, состоящее из частиц различного вида или частиц и квантов, называется смешанным излучением [11].
В любой среде альфа-частицы движутся прямолинейно. Поэтому говорят о пробеге альфа-частиц.
Энергия альфа-частиц при естественном распаде составляет 4-9 МэВ, скорость вылета – 12-20 тыс. км/сек. Пробег альфа-частиц зависит от начальной энергии и обычно колеблется в пределах от 3-х до 7 (редко до 13) см в воздухе, а в плотных средах составляет сотые доли мм (в стекле - 0,04 мм). Альфа-излучение не пробивает лист бумаги и кожу человека [15].
Из-за своей массы и заряда альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всё на своём пути. И поэтому альфа-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь.
Из-за малой массы (она в 1836 раз меньше массы протона) заряда и размеров бета-частицы слабее взаимодействуют с веществом, через которое им приходится лететь, но летят дальше. При этом путь бета-частицы в веществе не является прямолинейным. Поэтому говорят о их проникающей способности, которая также зависит от энергии. Проникающая способность бета-частиц, образовавшихся при радиоактивном распаде, в воздухе достигает 2-3 м, в воде и других жидкостях измеряется сантиметрами, в твёрдых телах - долями сантиметра. В ткани организма бета-излучение проникает на глубину 1-2 см. Хорошей защитой от бета-излучения является слой воды в несколько (до 10) сантиметров. Поток бета-частиц с весьма большой для естественного распада энергией в 10 МэВ практически полностью поглощается слоями: воздуха - 4 м; алюминия - 2,16 см; железа - 7,55 мм; свинца - 5,18 мм.
Из-за малых размеров, массы и заряда бета-частицы обладают гораздо меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-частицы, но естественно, что при попадании внутрь бета-активные изотопы также гораздо опаснее, чем при внешнем облучении.
Наиболее проникающими видами излучения являются нейтронное и гамма-излучение. Их пробег в воздухе может достигать десятков и сотен метров (также в зависимости от энергии), но при меньшей ионизирующей способности.
У большинства изотопов энергия гамма-квантов не превышает 1-3 МэВ, хотя очень редко может достигать и больших величин – 6-7 МэВ. Поэтому в качестве защиты от n- и гамма-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и т. п. и речь ведут уже о кратности ослабления.
Так, для 10-кратного ослабления гамма-излучения кобальта-60 (Е = 1,17 и 1,33 МэВ) требуется защита из свинца толщиной порядка 5 см, а для 100-кратного - 9,5 см; защита из бетона должна быть, соответственно, около 33 и 55 см, а толщина слоя воды - 70 и 115 см [12].
Ионизирующая способность нейтронов значительно зависит от их энергии.
Наиболее рациональной "защитой" от любого излучения является по возможности большее расстояние от источника излучения (естественно, в разумных пределах) и по возможности меньшее время пребывания в зоне повышенной радиации.
В измерительной технике в качестве источников ионизирующего излучения используются изотопы, а для получения рентгеновского излучения – рентгеновские трубки.
Рентгеновское излучение
возникает при бомбардировании
анода электронами высоких
Источником ионизирующего излучения называют объект, содержащий радиоактивный материал, или техническое устройство, испускающее или способное (при определенных условиях) испускать ионизирующее излучение.
Современные ядерно-технические
установки обычно представляют собой
сложные источники излучений. Например,
источниками излучений
Любой источник излучения характеризуется:
- видом излучения –
основное внимание уделяется
наиболее часто встречающимся
на практике источникам g-
- геометрией источника
(формой и размерами) –
- мощностью и ее распределением
по источнику – источники
- энергетическим составом
– энергетический спектр
- угловым распределением
излучения – среди
Источниками ионизирующих излучений являются радиоактивные элементы и их изотопы, ядерные реакторы, ускорители заряженных частиц и др. рентгеновские установки и высоковольтные источники постоянного тока относятся к источникам рентгеновского излучения.
Следует отметить, что при нормальном режиме их эксплуатации радиационная опасность незначительна. Она наступает при возникновении аварийного режима и может долго проявлять себя при радиоактивном заражении местности.
Радиоактивный фон, создаваемый космическими лучами (0,3 МэВ/ год), дает чуть меньше половины всего внешнего облучения (0,65 Мэв / год), получаемого населением. Нет такого места на Земле, куда бы ни проникали космические лучи. При этом надо отметить, что Северный и Южный полюса получают больше радиации, чем экваториальные районы. Происходит это из-за наличия у Земли магнитного поля, силовые линии которого входят и выходят у полюсов.
Однако более существенную
роль играет место нахождения человека.
Чем выше поднимается он над уровнем
моря, тем сильнее становится облучение,
ибо толщина воздушной
Те, кто живет на уровне моря, в год получают дозу внешнего облучения приблизительно 0,3 МэВ, на высоте 4000 метров – уже 1,7 МэВ. На высоте 12 км доза облучения за счет космических лучей возрастает приблизительно в 25 раз по сравнению с земной. Экипажи и пассажиры самолетов при перелете на расстояние 2400 км получают дозу облучения 10 мкЗв (0,01 МэВ). Здесь играет роль не только продолжительность, но и высота полета.
Земная радиация, дающая ориентировочно 0,35 МэВ / год внешнего облучения, исходит в основном от тех пород полезных ископаемых, которые содержат калий – 40, рубидий – 87, уран – 238, торий – 232. Естественно, уровни земной радиации на нашей планете неодинаковы и колеблются большей частью от 0,3 до 0,6 МэВ / год. Есть такие места, где эти показатели во много раз выше.
Внутренне облучение населения от естественных источников на две трети происходит от попадания радиоактивных веществ в организм с пищей, водой и воздухом. В среднем человек получает около 180 мкэВ / год за счет калия – 40, который усваивается организмом вместе с нерадиоактивным калием, необходимым для жизнедеятельности. Нуклиды свинца – 210, полония – 210 концентрируются в рыбе и моллюсках. Поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, получают относительно высокие дозы внутреннего облучения.

- Ионизирующее излучение и его воздействие на организм человека, их единицы измерений. Способы защиты
- Ионизирующие излучение
- Ионизирующие излучения и их практическое использование
- Ионизирующие илучения
- Ионное излучение
- Ионное распыление медного катода на установке ПС-1
- Ионно-фотонная спектроскопия углеродных соединений
- Иные преступления против собственности
- Иные требования предъявляемые к судебному решению
- Иные участники судопроизводства
- Иные участники уголовного судопроизводства
- Иоанн павел II и социальная доктрина католической церкви
- Иондық байланыс
- Ионизационные камеры