Тема. Характеристика іонізуючих випромінювань

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

МЕЛІТОПОЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ БОГДАНА ХМЕЛЬНИЦЬКОГО

Кафедра ботаніки і садово-паркового господарства

Методичні рекомендації

До виконання практичних робіт з курсу

«Радіобіологія»

Мелітополь, 2012

Методичні рекомендації до виконання практичних робіт з курсу «Радіобіологія» / Укладачі: В.А. Васін, Л.Г. Вельчева, З.Г. Писанець. – Мелітополь, 2012. - 35 с.

 

 

В методичних рекомендаціях наведено теми та зміст практичних занять. Навчальний посібник призначено студентам хімічних факультетів педагогічних вищих навчальних закладів.

 

Рецензенти:

 

В.О.Крамарець - кандидат сільськогосподарських наук, доцент кафедри лісівництва Національного лісотехнічного університету України (м. Львів)

 

 

В.В.Кучеревський – заступник директора з наукової роботи. завідувач відділу природної флори, кандидат біологічних наук. старший науковий співробітник Криворізького ботанічного саду ННАН України (м. Кривий Ріг)

 

 

Рекомендовано науково-методичною радою Мелітопольського державного педагогічного університету імені Богдана Хмельницького,

протокол № 2 від 12.09.2012 р.

 

Відповідальний за випуск: В.А. Васін, к.б.н., старший викладач кафедри ботаніки і садово-паркового господарства

 

Під час підготовки кваліфікованих спеціалістів рівня „бакалавр”, по спеціальності „Хімія та біологія” важливе значення відводиться професійній підготовці майбутніх фахівців. Тому формування знань з історії розвитку радіоекології у світі та в Україні, розкриття теоретичних положень про види радіаційного опромінення, джерела і механізми дії радіаційного опромінення, наслідки радіаційно-хімічних пошкоджень для живих організмів, практичне використання радіаційного опромінення у сільському господарстві та рослинництві та основні принципи захисту навколишнього середовища від радіоактивного забруднення має велике значення у процесі навчання.

Завданнями курсу є: формування знань і вмінь у визначені і докладній характеристиці видів радіаційного випромінювання, механізмів дії, характеристиці дії опромінення на живі структури, ознайомлення із методами визначення радіації та використання опромінення у господарстві та медицині.

За результатами вивчення курсу «Радібіологія» студент повинен знати:

• характеристику іонізуючого випромінювання (природного та штучного, відкритих та закритих джерел радіації);
• групи радіонуклідів за токсичністю, радіочутливість різних живих систем, критичні щодо радіації органи рослин і тварин;
• характеристику шляхів міграції радіонуклідів у повітрі, воді, грунті;
• форми (фізичні, хімічні, біологічні) радіаційного ураження живих систем;
• пояснення поняттям стохастичні, детерміністичні радіаційні ефекти, радіомодифікація, радіосенсибілізація і радіопротекція, радіаційно індукований апоптоз і гормезис;
• вплив великих і малих доз радіації на біологічні системи тощо;
• галузі і методи використання радіації та опис необхідного обладнання для радіаційного обстеження і дозиметрії природних та сільськогосподарських об’єктів;
• основні правила відбору проб для аналізу;
• принципи і правила радіаційної безпеки, природокористування і ведення сільського господарства в умовах радіаційного забруднення;
• дію іонізуючого опромінення на рослини і тварин;
• застосування радіації у медицині тваринництві, ветеринарії.

Тема. БУДОВА АТОМУ

Мета: ознайомитися із будовою атому, як найменшою частиною хімічного елементу.

Завдання.

1. Законспектувати поняття: атом, маса, енергія (характеристика, одиниці вимірювання).

2. Ознайомитися із будовою оболонки атому, схематично замалювати.

3. Ознайомитися із будовою ядра атому, законспектувати поняття – протон, нейтрон (властивості, та відмінності).

4. Ознайомитися із поняттям „ізотопи”, «швидкі ядра», «мезони», «нейтрони», законспектувати.

5. Схематично зобразити будову атома.

6. Створити структурно логічну таблицю будови молекули.

1. Атом – це найменша частина хімічного елементу, яка ще зберігає всі його властивості. Діаметр атому дорівнює 10^-7 см, або 1 ангстрем (стомільйонна частина сантиметру).

Ядро атому складається із протонів і нейтронів і оточене оболонкою із електронів. Останні, як протони так і нейтрони відносяться до так званих елементарних частинок, які є дуже маленькими матеріальними частинками. Елементарну частинку у вільному стані характеризують фізичні величини – маса, електричний заряд (або його відсутність), стійкість та ін. Так званих стійких та довго існуючих частинок відомо близько 35 до них відносяться електрон і протон, тоді як нейрон стабільний лише тоді, коли знаходиться в ядрі.

Маса - це міра щільності тіла. В стані спокою маса тіла („маса спокою”) - міра речовини, яка міститься у цьому тілі. Одиниця вимірювання маси – кг. Але абсолютною вагою атомів, вираженою в кг, важко користуватися. Усі подібні розрахунки легше виконувати при використанні іншої, відносної величини – атомної ваги, яка показує, у скільки разів атом певного елементу важчий за 1/12 частину атому ізотопу вуглецю С¹², яка прийнята за атомну одиницю маси (АОМ). Виражена в грамах вона чисельно дорівнює величині, оберненій числу Авогадро (числу атомів в грамм-атомі, а саме 6,023*10²³):

1 АОМ = 1 / 6,023*10^-23 = 1,66 *10^-24 г

Енергія – це міра руху матерії.. В ядерній фізиці енергію виражають в електронвольтах (ев).

Електронвольт дорівнює кінетичній енергії, якої набуває електрон при проходженні електричного поля з різницею потенціалів в 1 вольт. Ев - дуже мала одиниця. Тому найчастіше використовують кратну ев одиницю мегаелектронвольт (Мев), яка дорівнює мільйон ев.

 

2. Оболонка атому утворена електронами. Електрон це елементарна частина з масою спокою 0,000548 АОМ, енергетичний еквівалент якої складає 0,511 Мев. Електрон несе один елементарний негативний заряд електрикки – 1,602 * 10^-19кулона, тому його позначають символом е.^- Число електронів в електрично нейтральному атомі дорівнює порядковому номеру у таблиці Мєнєлєєва.

Кожен електрон обертається в певній зоні навколо ядра. Якщо електроні три та більше, то вони обертаються на орбітах різних радіусів, або як говорять рівнів. Таких рівнів максимально може бути сім. Їх позначають літерами латинського алфавіту від К до Q. При чому найближчий рівень до ядра – це К рівень. Відповідно до числа електронних шарів в періодичній системі всі елементи розміщені у семи періодах.

Сума негативних зарядів електронів болонки врівноважується рівновеликим, але позитивним зарядом ядра. Тому в не збудженому стані атом електрично нейтральний. Чим ближче до ядра обертається електрон, тим більше його енергія (потенціальна енергія) зв’язку з ядром, але рівень енергії обертання (кінетична енергія) менше. Тому електрони з зовнішньої орбіти зірвати легше, ніж з інших, і тому вони взаємодіють із навколишнім середовищем, обумовлюючи найважливіші властивості речовини – електропровідність, валентність та ін.

Оскільки в електронному шарі електрони мають свій рівень енергії, то перехід електрону з орбіту на орбіту завжди пов’язано з поглинанням або вповільнюванням енергії.

 

3. Ядро атому має головне значення для атому, оскільки обумовлює будову його електронних оболонок. Речовина ядра надзвичайно щільно упаковане. Його щільність складає 2*10¹⁴г/см³ або двісті мільйонів тон в 1 см³. Маже вся маса атому 99,95-99,98%) зосереджена у ядрі. Діаметр ядра майже в п’ять разів менше ніж діаметр атому.(10^-13,10^-12 см).

Ядро має позитивний заряд і складається із протонів і нейтронів.

Протон – незмінна, стійка ядерна частка. Його маса в 1836 разів більше за масу електрону. Його позначають латинська літера р*. Якщо протони знаходяться поза ядром, то вони зберігають стабільність і в них не відбуваються перетворення.

Число протонів в ядрі постійне для кожного елементу і відповідає порядковому номеру елементу у таблиці Мендєлєєва. Кожен протон несе один елементарний позитивний заряд електрики. Тому порядковий номер елементу показує число позитивних зарядів в ядрі і має назву зарядовим числом. Кількість протонів в ядрі визначає кількість електронів в оболонці атому.

Нейтрон – другий вид ядерних часток атомів усіх елементів. Його немає лише в ядрі легкого водню, який складається з одного протону. На відміну від протону нейтрон не несе заряд – він електрично нейтральний*. Його символ n. Нейтрони в ядрах стабільні, а у вільному стані нестійкі. За кожні 11,7 хв. половина певної кількості нейтронів розпадається. При цьому нейтрон, відпускаючи електрон і антинейтрино і вивільнюючи певну кількість енергії перетворюється на протон.

Кількість нейтронів в ядрі не характеризує елемент, оскільки вона в ядра не постійна і може коливатися від одного до п’яти.

Суму нейтронів і протонів в ядрі атому даного елементу називають його масовим числом. Воно близьке до значення атомної ваги елементу.

В середині ядра між одноіменно зарядженими протонами існують сили взаємного відштовхування. Але поруч із ними діють набагато сильніші сили взаємного тяжіння, які утримують протони і нейтрони в ядрі. Сили тяжіння між протонами і нейтронами значно сильніші за сили хімічної взаємодії, але за межами ядра вони відсутні і відповідно мають дуже малий радіус дії.

Потоки нейтронів відрізняються від інших корпускулярних випромінювань значно більшою проникністю в шари речовин.

У вільному стані нейтрон є нестабільною елементарною частинкою й досить швидко перетворюється на протон, електрон і антинейтрино. Середній період існування вільного нейтрона становить 12,5 хв.

Оскільки за низкою ознак нейтрон і протон подібні, вважають, що ці елементарні частинки є різними станами однієї й тієї самої частинки, яку названо нуклоном.

Нейтрони можуть мати різну кінетичну енергію — порядку від сотих часток до десятків мільярдів електрон-вольт. Розрізняють такі енергетичні групи нейтронів: надшвидкі нейтрони з енергією понад 20 МеВ, швидкі з енергією від 200 кеВ до 20 МеВ, проміжні з енергією, що не перевищує 200 кеВ, й так звані надтеплові й теплові з енергією, меншою за 0,1...0,2 еВ.

4. Більшість елементів у природі це суміш різновидів атомів, ядра яких містять неоднакову кількість нейтронів, а значить відрізняються за масою. Ізотопи певного хімічного елементу це різновид атомів елементу, який різниться кількістю нейтронів в ядрах.

Для позначення ізотопу справа від хімічного елементу пишуть масове число, а зліва – атомний номер (₆С¹⁴). Оскільки кожному елементу притаманний тільки один атомний номер то його дуже часто опускають. Більшість (71 із90) хімічних елементів в природі являють собою суміш від двох до десяти (олово) ізотопів, при чому в такій суміші зазвичай переважає який-небудь один, тоді як інші складають лише невелику частину.

Швидкі ядра хімічних елементів. У прискорювачах різних типів генерують потоки позитивно заряджених ядер практично всіх хімічних елементів, починаючи з дейтерію, ³Не, ⁴Не і завершуючи трансурановими елементами. Ці потоки ядер є іонізуючим випромінюванням дуже інтенсивної дії. Енергії прискорених ядер можуть бути доведеними до дуже великих значень — порядку десятків мільярдів електрон-вольт.

Мезони —це нестабільні елементарні частинки, маса яких більша за масу електрона, але менша від маси протона. Є мезони як електрично нейтральні, так і заряджені. Розрізняють пі-мезони (піони) і К-мезони (каони). Подібно до фотонів електромагнітного поля, піони є квантами ядерного поля. Завдяки цим частинкам здійснюється зв'язок нуклонів у атомних ядрах.

Час існування мезонів дуже короткий: значно менший за мільйонну частку секунди. Внаслідок розпаду мезонів із негативним зарядом виникають електрон і нейтрино.

 

Література.

1. Бак З., Александер П. Основы радибиологии. - М.:Изд-во иностр. лит., 1963. - 500 с.
2. Гродзинский Д.М. Радибиология растений. - К.: Наук. думка, 1990. - 326 с.
3. Гродзинський Д.М. Радіобіологія: Підручник. – 2-ге вид. – К.: Либідь, 2001. – 448 с.
4. Кудряшов Ю. Б., Беренфельд Б. С. Основы радиационной биофизики. - М.:Моск. Ун-та, 1982. - 304 с.

Дати відповіді на запитання:

1. Які складові частини входять до складу атому?
2. В чому відмінність протонів і нейтронів? Які властивості атомів вони обумовлюють?
3. Розкрити поняття маса та енергія, навести приклади.
4. Дати визначення поняттям ізотоп, мезон, нейтрино.
5. Що таке радіобіологія? Об’єкт та методи досліджень.
6. Які напрямки в розвиту радіобіології виділяють відповідно до впливу випромінювання на різні рівні організації біологічних систем.
7. Які напрямки в розвиту радіобіології виділяють відповідно до видоспецифічності реакції організму на іонізуюче випромінювання.
8. Світові вчені, які зробили великий внесок у розвиток радіобіології.

Тема. ХАРАКТЕРИСТИКА ІОНІЗУЮЧИХ ВИПРОМІНЮВАНЬ

 

Мета: ознайомитися із типами іонізуючих випромінювань.

Завдання.

1. Законспектувати поняття: іонізування,потенціал іонізації, збуджений стан молекули.

2. Виявити, чому ультрафіолетові промені, рентгенівські промені і гамма-випромінювання відноситься до іонізуючого випромінювання.

3. Замалювати схему класифікації іонізуючих випромінювань.

4. Виявити відмінності між електромагнітним і корпускулярним випромінюванням.

5. Створити порівняльну таблицю різних типів випромінювання.

1. Існують різні типи іонізуючих випромінювань, які істотно відрізняються за своїми властивостями, що визначає характер взаємодії їх з речовиною Саме від особливостей взаємодії випромінювання з речовиною залежить передавання енергії молекулам і атомам, які при цьому зазнають іонізації або збудження і утворюють хімічно активні форми. Останні ініціюють хімічні реакції, що супроводжуються появою продуктів, не характерних для нормальної життєдіяльності клітини й багатоклітинного організму.

Отже до іонізуючих випромінювань належать випромінювання різних типів, які під час проходження крізь речовину в атаках дискретного передавання енергії здатні іонізувати або збуджувати атоми і молекули.

Іонізування – це процес перетворення нейтральних атомів чи молекул на частинки, які несуть позитивний, або негативний заряд.

Іонізація під впливом іонізованого випромінювання здійснюється передаванням енергії випромінювання електронам зовнішніх орбіта лей у такій кількості, щоб електрони були відірвані від молекули або атома і перенесені в нескінченність (у тому сенсі, що н а них у цьому стані не діє електромагнітне поле атома чи молекули, які зазнали іонізації).

Кількість енергії, що передана атому або молекулі, має перевищувати енергію зв’язку електрона з атомом чи молекулою.

Якщо кількість енергії, що передана випромінюванням електрону, позначити як Δ Е, а енергію зв’язку електротна з атомом чи молекулою Е_е, то енергія звільненого електрона W становитиме: W = Δ Е - Е_е

Енергію, яка має бути витрачена для відриву електрона від атома чи молекули (Е_е), називають потенціалом іонізації.

Енергію електронних переходів виражають в електрон-вальтах (еВ)Потенціал онізації визначають за спектроскопічними даними та характеристиками ударної іонізації й виражають у вольтах.

Відрив одного електрона від нейтрально не збудженого атома характеризується першим потенціалом іонізації, відрив другого електрона описується другим потенціалом іонізації й т.д. Черговий потенціал організації з переходом до електронів глибшої електронної оболонки різко зростає.

Енергія, за значенням менша від потенціалу іонізації, також може поглинатись атомом чи молекулою, які при цьому переходять у стан збудження.

Збудженим називають такий стан атомів чи молекул, коли вони мають енергію, більшу ніж в основному стані. Підвищення енергії в системі атомів чи молекул відбувається шляхом електронних переходів з основного стану в збуджений.

Для пояснення, що є основним і збудженим станом атомів чи молекули, можна розглянути молекулярні орбіталі.

У молекулі існує система електронних енергетичних рівнів. Для хімічних та оптичних властивостей молекули визначальними є два рівні — верхня за значенням енергії заповнена молекулярна орбіталь і незаповнені молекулярні орбіталі. На кожній заповненій орбіталі може бути лише два електрони, які характеризуються протилежними власними магнітними моментами (антипаралельні спіни). Якщо ж на орбіталі залишається один електрон, то йдеться про наявність неспареного електрона. В разі поглинання молекулою енергії, яка відповідає різниці значень енергій верхнього заповненого й одного з незаповнених рівнів, матиме місце електронний перехід. Молекула при цьому переходить у збуджений стан. Кожному з цих станів молекули відповідають певні енергетичні рівні. Мінімальна енергія властива основному стану молекули.

Зі стану збудження молекула може повернутися до основного стану кількома способами: перетворенням енергії електронного збудження на тепло (теплова конверсія); випромінюванням кванта енергії, який за значенням відповідає різниці енергії певних електронних рівнів (флуоресценція); передаванням енергії збудження іншій молекулі; перетворенням збудженої молекули на молекулу або молекули інших речовин (фотохімічна реакція).

Час перебування молекули в збудженому стані залежить від форми збудження. Якщо в разі збудження спін електрона залишається незмінним, то такий стан називають синглетним, а якщо спін змінюється, то виникає триплетний стан. Оскільки перехід із триплетного стану в основний за законами квантової фізики заборонений, то відповідно тривалість перебування молекули в триплетному стані збудження на кілька порядків більша, ніж у синглетному, для якого час життя становить 10^-15...10^-12 с. Перехід із триплетного стану в основний здійснюється шляхом теплової конверсії, випромінювання фотона вповільненої флуоресценції, фотохімічних перетворень молекули або передавання енергії електронного збудження іншій молекулі.

Отже внаслідок поглинання іонізуючого випромінювання в речовині утворюються вільні електрони, позитивно заряджені іонізовані частинки, а також молекули чи атоми в стані збудження, перетворення яких може супроводжуватися виділенням тепла, фотонів флуоресценції й фотохімічними реакціями. Оскільки збуджені атоми й молекули на зовнішніх орбіталях мають поодинокі електрони, вони характеризуються підвищеною реакційною здатністю. Стан атомів і молекул, якому властива наявність на орбіталях електронів із неспареними спінами, називають вільнорадикальним.

Розрізняють два типи іонізуючих випромінювань — некорпускурне електромагнітне й корпускулярне.

Електромагнітне випромінювання являє собою сукупність змінних електричного й магнітного полів, які поширюються в просторі у формі хвиль.

Електромагнітні хвилі характеризуються трьома векторними величинами:

- напруженість електричного поля;

- напруженість магнітного поля;

- швидкість;

А також скалярними

- частотою -коливань v;

- довжиною хвилі λ.

Останні величини пов'язані між собою таким співвідношенням: v = 0,693 / λ

Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі становить 2,998 х 10⁸ м/с.

Хвильові властивості електромагнітного випромінювання — інтерференція, дифракція, поляризація — проявляються тим виразніше, чим більша довжина хвилі.

Електромагнітні хвилі можна описувати як потік квазічастинок — фотонів, енергії яких Е пропорційна частоті коливань v:

Е=h v,

де h — стала Планка (квант дії), h = 6,626176 х 10^-34 Дж • с.

Спін фотона дорівнює одиниці, маса спокою — нулю. Квантові властивості електромагнітних хвиль виявляються тим виразніше, чим менша довжина хвилі.

Фотони, які є квантами електромагнітного поля, в разі поширення виявляють хвильові властивості, а в разі взаємодії з речовиною — корпускулярні. До явищ, в яких виявляється корпускулярна природа електромагнітних хвиль, належать фотоефект і напівпружне співударяння (комптонівський ефект).

Електромагнітні випромінювання характеризуються дуже широким інтервалом довжин хвиль.

До іонізуючого електромагнітного випромінювання належать ультрафіолетові промені (λ = 400...50 нм), рентгенівські промені (λ = 50...0,01 нм) і гамма-випромінювання (λ < 0,01 нм).

Рентгенівські промені. Під час гальмування зарядженої частинки в електричному полі генерується електромагнітне випромінювання, яке дістало назву гальмівного. Його інтенсивність пропорційна квадрату прискорення зарядженої частинки. Оскільки прискорення обернено пропорційне масі частинки, то в одному й тому самому полі гальмівне випромінювання електрона в мільйони разів більше, ніж випромінювання протона. Внаслідок розсіяння, гальмування електронів у електростатичному полі атомних ядер і електронів виникають рентгенівські промені.

Рентгенівські промені — це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі 50...0,01 нм, чому відповідають значення енергії фотонів 0,12... 1237 кеВ. Енергія фотонів рентгенівського випромінювання пов'язана з довжиною хвилі λтаким співвідношенням:

h v = = 1,237 / λ

Рентгенівські промені виникають за умов гальмування швидких електронів у певних речовинах, переважно металах, де індукуються енергетичні переходи внутрішніх електронів атома після їх збудження електронами, іонами або фотонами. Рентгенівським випромінюванням супроводжується також захоплення електронів із глибинних орбіталей ядром атома.

Поглинання енергії швидкого електрона або рентгенівського фотона атомом приводить до виривання одного з електронів його внутрішніх орбіталей, що спричинює негайні переходи електронів вищих орбіталей на вакансії, які виникають у нижчих електронних орбіталях. Ці переходи супроводжуються випромінюванням низки фотонів із різними значеннями енергії.

Для генерації рентгенівського випромінювання застосовують рентгенівські апарати, в яких прискорені у вакуумі електрони потрапляють на мішень із вольфраму або молібдену, де внаслідок гальмування швидких електронів і виникають рентгенівські промені. Чим вища напруга на променевій трубці, в якій прискорюються електрони, тим менша довжина хвилі й більша енергія фотонів рентгенівського випромінювання.

Короткохвильове рентгенівське випромінювання належить до «жорсткого», а довгохвильове — до «м'якого».

Гамма-випромінювання — це короткохвильове електромагнітне випромінювання, яке виникає в разі зміни енергетичного стану атомних ядер, що утворюються в результаті радіоактивного розпаду.

Енергетичний перехід здійснюється з вищих збуджених рівнів на нижчі. Крім цього, гамма-фотони (γ-фотони) генеруються в разі анігіляції пари електрон—позитрон, а також унаслідок розпаду деяких елементарних частинок, наприклад π°-мезона.

Перехід ядра зі збудженого стану в основний може відбуватися шляхом випромінювання γ -фотона або групи γ -фотонів. Гамма-фотони, виділенням яких супроводжується радіоактивний розпад, мають енергію 2...10 МеВ.

Як джерело у-випромінювань часто використовують радіоактивні ізотопи кобальту (⁶⁰Со) і цезію (¹³⁷Сs). Зазначені радіоактивні ізотопи застосовують і в більшості гамма-опромінювальних установок. Це різні за конструкцією пристрої, однак усі вони мають потужний екран, що захищає персонал від опромінення, й таке розташування джерел випромінювання, яке дає змогу регулювати потужність дози й разом із тим забезпечувати рівномірність дозового поля в просторі, в котрий уводиться опромінюваний об'єкт.

Для досліджень тривалої дії у-променів на рослини облаштовують гамма-поля. Це польові ділянки, обладнані джерелом γ -випромінювання, яке створює поле випромінювання на території, де вирощуються рослини або підтримуються певні типи біоценозів. Існують γ -поля з одним центральним джерелом випромінювання або кількома, розподіленими по ділянці. Зазвичай джерелом γ -випромінювання є ⁶⁰Со. Гамма-поля використовують у дослідженнях із радіаційної генетики, а також для вивчення наслідків хронічного опромінення штучних і природних біоценозів.

Гамма-випромінювання великих значень енергії одержують також гальмуванням електронів високої енергії на прискорювачах елементарних частинок. Під час деяких ядерних реакцій виникають γ -фотони, енергія яких може досягати 20 МеВ.

Гальмівне випромінювання. Як уже зазначалося, електромагнітне випромінювання, котре генерується зарядженими частинками, що зазнають розсіяння, гальмування в електричному полі, найчастіше в електростатичному полі ядер атомів, називають гальмівним. Очевидно, рентгенівські промені слід розглядати як гальмівне випромінювання, бо вони виникають унаслідок гальмування прискорених електронів у матеріалі анода в рентгенівському апараті. Гальмівним випромінюванням є й гамма-промені, що супроводжують проходження прискорених електронів крізь будь-яку речовину. Гальмівним випромінюванням супроводжується проходження крізь речовину швидких електронів будь-якого походження (в прискорювачах елементарних частинок, під час радіоактивного розпаду, в матеріалах контура охолодження ядерного реактора тощо).

Енергетичний спектр гальмівного випромінювання безперервний. Максимальне значення енергії фотонів гальмівного випромінювання відповідає максимальному значенню енергії електронів або інших заряджених частинок, розсіяння яких породжує це випромінювання.

Синхротронне випромінювання — це електромагнітне випромінювання, що належить до гальмівного, бо джерелом його є електрони, прискорені до таких швидкостей, коли проявляються релятивістські ефекти (зростання маси в міру наближення швидкості частинки до швидкості світла).

Заряджені частинки, які рухаються в магнітному полі з релятивістськими швидкостями (близькими до швидкості світла), в разі нелінійності траекторї генерують магнітогальмівне випромінювання електромагнітних хвиль. Оскільки саме такі умови руху заряджених частинок створюються в циклічних резонансних прискорювачах електронів — синхротронах, то випромінювання дістало назву синхротронного.

Спектр синхротронного випромінювання безперервний, розтягнутий на дуже широкий інтервал електромагнітних хвиль — від вакуумного ультрафіолету до рентгенівських променів. Максимум спектра розташований в області довжини хвилі близько 0,1 нм, чому відповідають значення енергії фотонів близько 10 кеВ. Взаємодія синхротронного випромінювання з речовиною відзначається високою ефективністю.

Корпускулярне випромінювання — це потік частинок, які мають ненульове значення маси спокою. До цього випромінювання належать потоки елементарних частинок (електронів, протонів), ядер різних елементів (гелію, кисню тощо), а також нейтронів — незаряджених елементарних частинок.

Бета-випромінювання є потоком прискорених електронів (β-частинок) або античастинок електрона —позитронів (β ⁺-частинок), які виникають під час розпаду відповідних радіоактивних ізотопів. Бета-випромінювання мають складний безперервний спектр, і форма кривої розподілу β-частинок за їхньою енергією залежить від типу β-розпаду, хоча в цілому подібна для різних радіоізотопів, що зазнають радіоактивного перетворення цього типу.

Протон є стабільною елементарною частинкою з масою 1836,13 т_е, де т_е — маса електрона, з позитивним зарядом.

Потоки протонів генеруються в прискорювачах заряджених частинок — синхрофазотронах та протонних синхротронах. До джерел швидких протонів належать багато ядерних реакцій. У відкритому космосі є потужні потоки швидких протонів із дуже великими значеннями енергії.

Як іонізуюче випромінювання розглядають також потоки дейтронів (ядер дейтерію — ізотопів водню з масовим числом 2: р + n) або тритію (ізотоп водню з масовим числом 3: р + 2п).

Альфа-промені. Випромінювання, що складається з альфа-частинок (ά-частинок), які утворюються під час альфа-розпаду радіоактивних ізотопів, називають альфа-променями. Альфа-частинки — це ядра атомів гелію, що складаються з чотирьох нуклонів — двох протонів і двох нейтронів.

Відомо понад 25 природних і більш як 100 штучних радіоактивних ізотопів, розпад яких супроводжується випромінюванням ά -частинок. Основним джерелом ά -променів є важкі радіоактивні елементи, зокрема ²²⁶Rа, ^222Rn, ²¹⁰Ро, ізотони U.

Виявляється загальна тенденція до збільшення енергії а-частинок зі зменшенням періоду напіврозпаду радіоактивного ізотоу.

Штучні ά -промені генеруються в прискорювачах заряджених частинок із використанням ядер гелію Не. При цьому енергетичний спектр є безперервним, а не лінійчастим.

Як приклад наведемо число ά -частинок, що випромінюються деякими важкими радіоактивними елементами за 1 с: 1 г чистого ²²⁶ Rа випромінює 3,68 х 10¹⁰ ά -частинок; 1 г природної суміші ізотопів урану — 2,51 х 10⁴; 1 г урану в рівновазі з продуктами розпаду (до ²¹⁰Ро включно) — 9,89.

Енергія а-частинок (МеВ) деяких природних радіоактивних ізо­топів досить велика: ²³⁸U —4,180; ²²⁶Rа —4,777; ²¹⁰Ро — 5,298; ²³²Th — 3,980.

Швидкі ядра хімічних елементів. У прискорювачах різних типів генерують потоки позитивно заряджених ядер практично всіх хімічних елементів, починаючи з дейтерію, ³Не, ⁴Не і завершуючи трансурановими елементами. Ці потоки ядер є іонізуючим випромінюванням дуже інтенсивної дії. Енергії прискорених ядер можуть бути доведеними до дуже великих значень — порядку десятків мільярдів електрон-вольт.

Мезони —це нестабільні елементарні частинки, маса яких більша за масу електрона, але менша від маси протона. Є мезони як електрично нейтральні, так і заряджені. Розрізняють пі-мезони (піони) і К-мезони (каони). Подібно до фотонів електромагнітного поля, піони є квантами ядерного поля. Завдяки цим частинкам здійснюється зв'язок нуклонів у атомних ядрах.

Час існування мезонів дуже короткий: значно менший за мільйонну частку секунди. Внаслідок розпаду мезонів із негативним зарядом виникають електрон і нейтрино.

Нейтрони —електрично нейтральні елементарні частинки масою 1838 m_e,. Нейтрони разом із протонами входять до складу ядер будь-яких хімічних елементів, крім найлегшого ізотопу водню — протію (¹Н). Потоки нейтронів відрізняються від інших корпускулярних випромінювань значно більшою проникністю в шари речовин.

У вільному стані нейтрон є нестабільною елементарною частинкою й досить швидко перетворюється на протон, електрон і антинейтрино. Середній період існування вільного нейтрона ста­новить 12,5 хв.

Оскільки за низкою ознак нейтрон і протон подібні, вважають, що ці елементарні частинки є різними станами однієї й тієї самої частинки, яку названо нуклоном.

Потоки нейтронів одержують в ядерних реакторах і в спеціальних генераторах нейтронів на основі ядерних реакцій, наприклад ⁹Ве (ά, п)^І2С, із використанням як джерела ά -частинок радіоізотопів ²²⁶Ra або ²¹⁰Ро. При цьому застосовують суміші берилію з препаратами радію або полонію. В прискорювачах заряджених частинок нейтронне випромінювання дістають опроміненням берилієвої або дейтерієвої мішені потоком ядер гелію або дейтронів. Джерелом нейтронів є ізотоп трансуранового елемента каліфорнію (²⁵²Cf), який спонтанно розпадається з виділенням нейтронів із середньою енергією 2,3 МеВ. Нейтрони є важливою складовою частиною випромінювань, що супроводжують атомний вибух.

Нейтрони можуть мати різну кінетичну енергію — порядку від сотих часток до десятків мільярдів електрон-вольт. Розрізняють такі енергетичні групи нейтронів: надшвидкі нейтрони з енергією понад 20 МеВ, швидкі з енергією від 200 кеВ до 20 МеВ, проміжні з енергією, що не перевищує 200 кеВ, й так звані надтеплові й теплові з енергією, меншою за 0,1...0,2 еВ. Теплові нейтрони перебувають у тепловій рівновазі з атомами оточуючого середовища, й найімовірніше

 

Рис. Класифікація іонізуючих випромінювань

Дати відповіді на запитання.

1. У чому різниця між електромагнітним і корпускулярним випромінюванням?

2. Дати характеристику ультрафіолетовим променям

3. Охарактеризувати рентгенівські промені

4. Що таке гамма-випромінювання?

5. Дати характеристику поняттям: іонізування,потенціал іонізації, збуджений стан молекули.

Література.

1. Бак З., Александер П. Основы радибиологии. - М.:Изд-во иностр. лит., 1963. - 500 с.
2. Гродзинский Д.М. Радибиология растений. - К.: Наук. думка, 1990. - 326 с.
3. Гродзинський Д.М. Радіобіологія: Підручник. – 2-ге вид. – К.: Либідь, 2001. – 448 с.
4. Кудряшов Ю. Б., Беренфельд Б. С. Основы радиационной биофизики. - М.:Моск. Ун-та, 1982. - 304 с.