Иондаушы сәулеленулер және олардың сипаттамасы

Өндірістік орта жағдайында және күнделікті тіршілік етуі барысында, адам ағзасына ультракүлгін, инфрақызыл, лазерлік, оптикалық және радиожиілік диапазондарындағы электромагниттік сәулеленумен қатар, иондаушы (иондандырғыш) сәулеленулер (ИС) де әсер етуі мүмкін.

Рентген сәулеленуінің және радиактивті ыдыраудың ашылуымен қатар адам бір уақытта - иондаушы сәулеленудің зақымдаушы әсерінен қорғану туралы мәселеге кездесті.

XIX ғасырдың аяғы мен XX ғасырдың бірінші жартысы ИС-ге байланысты көрнекті жаңалықтар ашылуымен есте қалды:

- 1895 ж Вюрцбург университетінің физика ғылымының профессоры Вильгельм Конрад Рентген қатты денелерден өтетін, ауада бірнеше метрге таралатын қабілеті бар Х- сәулеленуді ашты. Кейін бұл сәулеленулер рентген сәулелері деп аталды, ал адамзат тарихындағы бірінші рентгенограмма Рентгеннің әйелі – Бертаның қол ұшының бейнесі болды;

- 1896 ж Анри Беккерель уранның өздігінен көзге көрінбейтін сәулелер шығаратынын байқады. Бұл құбылыс белсенділік деп, ал сәулеленудің өзі – иондаушы сәулелену деп аталды;

- 1899 ж француз физигі Пьер Кюри және оның әйелі, Польшаның көрнекті ғалымы Мария Склодовская-Кюри радий мен полонийдің белсенділік қасиетін ашты. Пьер Кюри радийдің әсерін өз қолының терісінде зерттеді, ал Мария Склодовская-Кюри зерттеу үрдісі кезінде ол затты және зертханалық ыдысты жиі қолында ұстады. Олардың ғылыми қол жазбаларының радиация деңгейі қазіргі уақытқа дейін үлкен екені белгілі;

- 1899 ж көрнекті ағылшын физигі Эрнест Резерфорд белсенді заттардың (РЗ) ыдырауы кезінде шығатын альфа- және бета-сәулеленулерді ашты. Мұнан әрі қарай ол РЗ-нің ыдырау теориясын құрды, ал одан кейінгі жылдарда азот атомдарын альфа – бөлшектерімен сәулеленуге ұшыратқанда оттегі атомдары пайда болатыны байқады, яғни алғаш рет жасанды ядролық айналымдардың мүмкіндігі ашылды.

- 1930 ж бериллий, литий және бордың ядроларын бомбалау (сәулеленумен әсер ету) кезінде протондармен қатар сәулеленудің өзгеше белгісіз түрі пайда болатыны анықталды, оны алғашында бериллий сәулелері деп атап, кейін ағылшын физигі Дж. Чедвик және онымен бір уақытта осы сәулеленуді зерттеген Фредерик Жолио-Кюри, олардың бейтарап бөлшектер күйінде болатынын көрсетіп, нейтрондар деп атады;

- 1935 ж Ирэн Кюри және Фредерик Жолио-Кюри жасанды белсенділік саласында жаңалықтар ашты;

1928 ж Стокгольмде болған радиологтардың II Халықаралық конгресінде рентген сәулелері мен радий сәулелерінен қорғау жөнінде Халықаралық комиссия құрылды, ол 1950 жылы радиациядан қорғау жөніндегі Халықаралық комиссия (РҚХК) деп қайта аталып, халықтың әр түрлі санаттарының сәулелену әсеріне ұшырауының рұқсат етілген деңгейлері бойынша ұсыныстар дайындауда маңызды роль атқарады.

Сонымен, иондағыш сәулелену – бұл, затпен өзара әрекеттескен кезде, заттың атомдары мен молекулаларының иондануына және қозуына әкеп соғатын сәулелену. Иондаушы сәулеленулер өзінің физикалық табиғатына байланысты электромагниттік (фотондық) және корпускулярлық (бөлшектер) болып бөлінеді.

ИС-тің бірінші тобына энергиясы жоғары рентген және γ-сәулеленулері жатады. Физикалық қасиеттері бойынша, рентген және γ-сәулелері арасында негізінде айырмашылық жоқ. Фотондық сәулеленудің шығу тегіне байланыссыз, энергиясы олардың 250 кэВ дейін болған кезде, олар рентген сәулесіне, ал 250 кэВ – тан жоғары болғанда, гамма- сәулеленуге жатады.

Егер, ИС-тің бұл түрлерінің шығу тегіне келсек, сәулеленудің тежелулік және характеристикалық(характеристические) деп аталатынтүрлерге бөлінетінін айта кету керек. Тежелулік сәулелену жылдамданған зарядталған бөлшектердің (электрондардың) атом ядроларының электрлік өрістерінде тежелуі кезінде пайда болады. Характеристикалық сәулелену электронның сыртқы орбиталарының бірінен ішкі орбитада пайда болған бос орынға өтуі кезінде пайда болады. Негізінен, тежелулік және характеристикалық сәулеленуді рентген сәулелеріне, ал ядролардың өзгеруі кезінде пайда болатындарын – гамма-сәулеленуге жатқызады. Мұндай бөліну кезінде рентген және γ- сәулелерінің спектрлері бірінің спектрін бірі жабады.

ИС-тің екінші тобына, яғни, корпускулярлық сәулеленулерге, кеңістікте жоғары жылдамдықпен қозғала алатын және атомдардың иондануымен қозуын тудыратын, кинетикалық энергиясының қоры үлкен, зарядталған бөлшектер жатады. Бұл топқа электрондар мен позитрондар (β-бөлшектер), протондар (сутегі ядролары), дейтрондар (дейтерий ядролары), α-бөлшектер (гелий ядролары) және ауыр иондар (басқа элементтердің ядролары) кіреді. Бұлардан басқа, корпускулярлық сәулеленуге заряды жоқ нейтрондар және теріс зарядты мезондар жатады.

Иондаушы сәулеленудің әр түрлі түрлері - белгілі бір иондағыштық және енгіштік қабілетімен сипатталады.

α-бөлшектерінің иондандырғыш қабілеті үлкен, енгіштік қабілеті аз, ауада өтетін жолының ұзындығы 3 см – 11 см, ал адам ағзасының тіндерінде – бірнеше микронды құрайды. Д. И. Менделеев кестесінің 83 қатарынан (висмут-83) бастап, табиғи белсенді изотоптар альфа–белсенділікке ие. Жоғарыда келтірілген қасиеттеріне байланысты, альфа–сәулесін сәулелендіретіндер сыртқы сәулеленуге ұшырататындар ретінде мүлде қауіпсіз, бірақ ағзаға түскен кезде (ингаляциялық жолмен, тағам өнімдерімен, сумен) аса қауіпті.

Бета-сәулесін сәулелендіретіндер жеңіл элементтер арасында да, ауыр элементтер арасында да кездеседі. β-сәулеленудің иондағыш қабілеті, альфа-сәулеленуге қарағанда төмен, бірақ енгіштік қабілеті жоғары. Бета-бөлшектердің ауада өтетін жолының ұзындығы 10 м – 15 м, ал ағза тіндерінде – бірнеше миллиметрді құрайды.

Рентген және γ-сәулелері қасиеттері бойынша бірдей. Рентген және гамма-кванттардың ауада өтетін жолдарының ұзындығы жүздеген метрмен, ал биологиялық орталарда – ондаған метрмен есептеледі. Бұл сәулеленулердің иондағыш қабілеті жоғары емес, бірақ олардың енгіштік қабілеті жоғары болғандықтан, нысанның терең жатқан бөлігіндегі заттыңатомдарымен әсерлесе алады.

Аталған иондаушы сәулелену түрлерінің «иондандырғыш қабілеті» бойынша келесі арақатынастары белгілі:

α: β: γ = 10000: 100: 10;

сондай-ақ, «енгіштік қабілеті» бойынша:

α: β: γ = 10: 100: 10000.

Нейтрондық сәулелену ядролық реакторларда - уран, плутоний ядролары ның бөлінуі үрдісінде пайда болады. Заряды болмағандықтан, нейтрондардың енгіштік қабілеті жоғары. Олардың қауіптілігі: нейтрондар тұрақты атомдардың ядроларына оңай еніп, оларды радиобелсенді етеді, нәтижесінде туындаған радиация пайда болады. Нейтрондардың бұл қасиеті жасанды радиобелсенді изотоптар алуда қолданылады.

Иондаушы сәулеленуді сипаттау үшін, сондай-ақ, «сәулеленудің энергиясы» деген түсінік қолданылады. Сәулеленулердің енгіштік қабілеті олардың энергиясына байланысты. Сәулеленудің энергиясыэлектрон-вольтпен (эВ) көрсетіледі. 1эВ – бұл электрондардың, айырмашылығы 1 вольт, электр өрісі арқылы өткен кезде алатын энергиясы. Бұл өлшем бірліктің туындылары:

1 килоэлектрон – вольт (КэВ) = 1 х 10³ эВ;

1 мегаэлектрон – вольт (МэВ) = 1 х 10⁶ эВ.

Иондаушы сәулелену энергиясы жүздеген КэВ-тен бірнеше ондаған МэВ-ке дейін өзгеріп отырады.

ИС тіркеу әдістері. Иондаушы сәулеленулер заттармен (иондану, атомдардың қозуы, екіншілік сәулеленудің пайда болуы және т.б.) әрекеттесуі кезінде жүретін, өзіне тән физикалық үрдістер бойынша өлшенеді және анықталады. Барлық жағдайда да, иондануы немесе сонымен байланысты екіншілік эффектілері тіркеледі. Иондану эффектісін тікелей тіркеуге негізделген әдісі иондандыру (ионизационный)әдісі деп аталады.

Ионданудың екіншілік эффектілері фотографиялық, люминесценттік, химиялық және басқа да әдістердің көмегімен өлшенуі мүмкін.

Иондаушы сәулеленуді тіркеудің фотографиялық әдісі, олардың, көрінетін жарыққа ұқсас, фотоэмульсияны қарайтатын қасиетіне негізделген. Бұл әдіс корпускулалық сәулеленудің сыртқы ағындарын өлшеу үшін, кванттық сәулеленулердің дозаларын анықтау үшін, белсенділікті және оның әр түрлі нысандарда таралуын зерттеу үшін қолданылады.

Аралас ағындар болған жағдайда (β-, γ- сәулеленулер және басқалар) әр түрлі сәулеленудің әсерінен қараю тығыздығын жеке-жеке тіркеу үшін пленкаларды көп жолдыкассетаға салып қояды.

Фотографиялық әдісті нейтрондарды тіркеу үшін де қолдануға болатынын айта кету керек. Бұл кезде фотопленка нейтрондардың кадмий сүзгісімен өзара әсерлесуі кезінде пайда болған қайта берілетін протондар д ы тіркейді. Бұл сияқты өлшеулерге арнайы қалың қабатты («ядролы») эмульсиясы бар пленкаларды таңдап алады.

Тіркеудің сцинтиллялық әдісінде негізгі роль атқарындар иондаушы сәулеленудің әсерінен пайда болатын қозған атомдар мен молекулалар. Қозған атомдардың негізгі (бастапқы) жағдайына өтуі жарықтың жарқ етуімен жүреді. Иондағыш сәулеленудің кейбір заттардан жарық (сәуле) шығаратын қасиеті сәулеленуді тіркеу үшін қолданылады. Осы қағидаға негізделген детекторлар сцинтилляциялық есептегіштер деп аталады. Сцинтилляцилық детекторлар, көбінесе α-, β- және γ-сәулеленуді тіркеу үшін қолданылады.

Соңғы жылдарда иондаушы сәулелену әсерінен кейбір қатты денелерде жүретін ерекше физикалық құбылыстарды пайдалануға негізделген дозиметрия әдістері дами бастады. Бұл құбылыстың мәні мынада: иондаушы сәулеленудің әсерінен қатты денеде (люминофорда) сіңген энергия жиналады, бұл энергия люминофорды қосымша қоздырған кезде босап шығуы мүмкін. Қосымша қоздырудың түрлеріне байланысты люминесценцияның келесі әдістерін ажыратады: радиофотолюминесценция (алдын ала сәулеленуге ұшыратылған затты жарықпен қоздыру); радиотермолюминесценция (алдын ала сәулеленуге ұшыратылған затты қыздыру) және хемилюминесценция (химиялық реакциялар кезінде бөлінетін энергияның әсерінен қозуы).