Взаємодія іонізуючого випромінювання з речовиною

Іонізуюче випромінювання, проходячи крізь речовину, розтрачує свою енергію на іонізацію та збудження зустрічних атомів і поглинається цією речовиною. Енергію, витрачену зарядженою частинкою або фотоном електромагнітного випромінювання на одиницю довжини їх пробігу в речовині, називають лінійною передачею енергії (ЛПЕ). В системі СІ її виражають в джоулях на метр, або в кілоелектронвольтах (кеВ) на мікрометр шляху у воді (1кеВ/мкм=0,16нДж/м).

Довжина пробігу залежить від енергії фотонного випромінювання, заряду, маси і швидкості частинок; причому ця залежність різко збільшується із зниженням швидкості і збільшенням маси частинки.

За особливостями взаємодії можна виділити 4 групи часток: електрони і позитрони; протони, альфа-частинки і важкі іони; гамма-кванти; нейтрони.

1. Характер взаємодії електронів й позитронів з атомами речовини аналогічний, розходження зв'язане лише з тим, що позитрон, зштовхнувши з електроном, може викликати анігіляцію. Проходячи через речовину, електрони взаємодіють як з електронами, так і з нуклідами атомів. Однак визначальним є взаємодія електронів, що налітають, з електронами речовини, тому що, по-перше, електронів у речовині в Z раз більше, ніж нуклідів (Z - заряд нукліда), а по-друге, при взаємодії з електронами атома втрати енергії первинного електрона складають у середньому половину первісної енергії, а при взаємодії з нуклідом набагато менше. Процес взаємодії електрона з речовиною має статистичний характер, тобто в одному випадку електрон, пройшовши якийсь шлях, в одному чи декількох актах може лише збудити атом і втратити незначну частину своєї енергії і тому не змінити напрямку свого руху, в іншому акті (чи декількох) – навіть викликати іонізацію, але знов-таки не змінити напрямку руху, і лише пройшовши значний шлях і випробувавши багато незначних (з погляду втрати енергії) взаємодій, випробувати таке, котре різко змінить напрямок його руху. В іншому випадку електрон при одній з перших взаємодій може втратити значну частину енергії і різко змінити напрямок свого руху. Це означає, що при проходженні через речовину рівнобіжного пучка електронів останні не тільки безупинно утрачають свою кінетичну енергію, але і постійно вибувають з пучка. При взаємодії пучка електронів з речовиною знижується як енергія електронів за рахунок іонізаційних і радіаційних утрат, так і інтенсивність пучка.

2. Важкі заряджені частки (протони, дейтрони, альфа-частинки, важкі іони), проходячи через речовину, взаємодіють (як і електрони) головним чином з електронами атомів і молекул, збуджуючи їх і іонізуючи. Характеристики взаємодії важких заряджених часток з речовиною істотно відрізняються від характеристик взаємодії електронів. Найбільш істотним ці розходження виявляються в трьох характеристиках: середній втраті енергії на один акт взаємодії, питомих іонізаційних і радіаційних утратах. В основі цих розходжень лежить велика різниця в масах електрона і важких часток. Значно менше вплив на характер проходження електронів і важких заряджених часток через речовину роблять викликані ними ядерні реакції. Пучок важких заряджених часток практично не змінює своєї інтенсивності протягом усього пробігу. Внаслідок численних зіткнень важкої частки з електронами її енергія поступово зменшується і частка зупиняється. Незважаючи на те, що початкові енергії всіх часток однакові, їхні пробіги різні. Поява розкиду пробігів обумовлена статистичним характером взаємодії часток з атомами речовини і розкидом його локальної щільності.

3. Незважаючи на те, що гамма-квантам, як і зарядженим часткам, властива електромагнітна взаємодія, їхня взаємодія з речовиною докорінно відрізняється. Насамперед для гамма-квантів неодмінне поняття уповільнення. Швидкість їх не залежить від енергії, крім того, вони не мають заряду і тому не випробують дальнодіючої кулонівської взаємодії. γ-кванти, не маючи заряду і маси спокою, викликають слабку існуючу дію, утворюючи 2-6 пар іонів на 1 см пробігу в повітрі. В залежності від величини енергії при взаємодії з речовиною вони можуть викликати такі ефекти:

- фотоелектричне поглинання – вибивання електронів з електронної оболонки атома з передачею їм всієї своєї енергії;

- комптон – ефект – вибивання електронів із зовнішньої електронної оболонки атома з передачею їм частини своєї енергії та зміною напрямку руху фотона – розсіювання;

- утворення пар – перетворення під дією сильного електричного поля ядра атома в пару «електрон – позитрон» з наступною анігіляцією.

Вид взаємодії гама - квантів з речовиною визначається атомним номером опромінюваної речовини та величиною їх енергії. При всьох трьох видах взаємодії гама-кванта з речовиною утворюються швидкі вторинні електрони, які й викликають основну іонізацію атомів середовища.

У зв’язку з тим, що ймовірність зустрічі γ-квантів з електронами атома мала, вони мають великі проникаючі властивості. В повітрі γ-кванти проходять шлях у декілька сотень метрів, в деревині – до 25 см, у свинці – до 5 см, в бетоні – до 10 см, у воді – десятки метрів, а живі організми вони пронизують наскрізь.

4. Через відсутність заряду, проходячи через речовину, нейтрон взаємодіє тільки з ядрами атомів і не взаємодіє з електронами. Основними процесами цієї взаємодії є:

- пружне розсіювання; непружне розсіювання; ядерні реакції (викликання реакції поділу важких ядер, радіаційне захоплення або реакція активації). Передача енергії нейтронів опромінюваній речовині відбувається безпосередньо через утворені ними вторинні частинки, в основному це ядра віддачі, протони, β-частинки. Таким чином, кінцевий біологічний ефект взаємодії нейтронів з речовиною, пов’язаний з іонізацією, котру викликають ці частинки.

Тип взаємодії нейтронів з атомними ядрами залежить від хімічного складу опромінюваної речовини (від співвідношення у ній атомів різних елементів), а також від енергії нейтронів.

 

Методи радіометрії

 

Поле випромінювання створюється у певному середовищі (повітрі, воді, тканинах організму), де відбуваються взаємодія випромінювання з атомами й молекулами, внаслідок чого речовина отримує енергію.

Для дослідження дії іонізуючих випромінювань потрібна точна специфікація радіаційного поля, тобто простору, в якому реєструється випромінювання. Цю специфікацію визначають методами радіометрії.

До головних радіометричних параметрів належать:

· число частинок N, випромінених, перенесених або поглинутих опромінюваним об’єктом;

· енергія іонізуючого випромінювання Е (без урахування енергії спокою частинок);

· потік іонізуючих частинок J_P – відношення числа dN іонізуючих частинок, що проходять крізь дану поверхню за інтервал часу dt, до цього інтервалу: J_P=dN/dt;

· потік іонізуючого випромінювання J_r – відношення енергії DE іонізуючого випромінювання, що проходить крізь дану поверхню за інтервал часу dt, до цього інтервалу: J_r=dE/dt;

· перенесення (флюенс) іонізуючих частинок Ф_r – відношення числа DN іонізуючих частинок, що проникають в елементарну сферу, до площі dS центрального перерізу цієї сфери: Ф_Р=dN/dS;

· перенесення (флюенс) енергії іонізуючого випромінювання Ф_r – відношення енергії dE іонізуючого випромінювання, що проникає в елементарну сферу, до площі dS центрального перерізу цієї сфери: Ф_r=dE/dS; [Ф_r]=1 Дж/м²;

· щільність потоку іонізуючих частинок _р – відношення потоку dJ_p іонізуючих частинок, що проникають в елементарну сферу, до площі dS центрального перерізу цієї сфери:

φ _р =dФ_p/dS=dФ_р/dt=d²N(dSdt);

[ φ _р]=1 с^-1*м^-2;

· щільність потоку іонізуючого випромінювання _r – відношення потоку енергії J_r іонізуючого випромінювання, що проникає в елементарну сферу, до площі dS центрального перерізу цієї сфери:   

Контрольні запитання до теми 3:

 1. Природа радіоактивності.

 2. Закон радіоактивного розпаду.

 3. Поняття „радіоактивний ізотоп”, „радіоактивний елемент”, „радіоактивна речовина”, „радіонуклід”.

 4. Типи ядерних перетворень.

 5. Види іонізуючих випромінювань.

 6. Види і загальна характеристика електромагнітних іонізуючих випромінювань.

 7. Види і загальна характеристика корпускулярних іонізуючих випромінювань.

 8. Порівняльна проникна здатність іонізуючих випромінювань.

 9. Основні процеси, що відбуваються при взаємодії іонізуючих випромінювань з речовиною.

10. Лінійна втрата енергії випромінювань. Рідко- та щільноіонізуючі випромінювання.

11. Відносна біологічна ефективність іонізуючих випромінювань.

12. Експозиційна, поглинута та еквівалентна дози іонізуючих випромінювань.

13. Одиниці радіоактивності та доз іонізуючих випромінювань.

14. Перехід від позасистемної одиниці радіоактивності та доз іонізуючих випромінювань до одиниць у системі СІ.

15. Залежність ефективності дії іонізуючих випромінювань від фактору часу опромінення.  Види опромінення у цьому аспекті.

5. Види іонізуючих випромінювань.

6. Види і загальна характеристика електромагнітних іонізуючих випромінювань.

7. Види і загальна характеристика корпускулярних іонізуючих випромінювань.

8. Порівняльна проникна здатність іонізуючих випромінювань.

9. Основні процеси, що відбуваються при взаємодії іонізуючих випромінювань з речовиною.

10. Лінійна втрата енергії випромінювань. Рідко- та щільноіонізуючі випромінювання.

11. Відносна біологічна ефективність іонізуючих випромінювань.

 

Рекомендована література

 

Белов А.Д., Косенко А.С., Пак В.В., Лысенко Н.П., Рогожина Л.В. Практикум по ветеринарной радиобиологии. - М.: Агропромиздат, 1988. – 240 с.

Гудков І.М., Віннічук М.М. Сільськогосподарська радіобіологія. - Житомир: ДАУ, 2003. – 472 с.

Гудков І.М., Ткаченко Г.М. Основи сільськогосподарської радіобіології та радіоекології. – К.: Вища школа, 1993. – 257 с.

Гудков И.Н., Ткаченко Г.М., Кицно В.Е., Практикум по сельскохозяйственной радиобиологии. - К.: УСХА, 1992. - 207 с.

5. Довідник для радіологічних служб Мінсільгосппроду України. – К.: Вид-во “Нора-прінт”, 1997. – 200 с.

6. Ильин Л.А., Кириллов В.Ф., Коренков И.П. Радиационная гигиена. – М.: Медицина, 1999. – 380 с. или Кириллов В.Ф., В.А.Книжников, И.П.Куренков. Радиационная гигиена. - М.: Медицина, 1988. - 336 с.

7. Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. - М.: Энергоатомиздат, 1987. – 192 с.