Механизмы передачи энергии корпускулярных ИИ.

Корпускулярные ИИ представляют собой поток частиц (корпускул), характеризующихся массой, зарядом и скоростью, в соответствии с чем, они подразделяются на легкие и тяжелые, заряженные и незаряженные, быстрые и медленные.

При взаимодействии заряженных частиц с веществом выделяют упругое и неупругое взаимодействие.

При упругом взаимодействии суммарная кинетическая энергия частиц до взаимодействия равна суммарной кинетической энергии после их взаимодействия. Следствие такого взаимодействия – лишь изменение направления движения частиц.

W₁ + W₂ = W₁^’ + W₂^’, где W₁ и W₂ – кинетическая энергия до взаимодействия, W₁^’ и W₂^’ – кинетическая энергия после взаимодействия.

Неупругое взаимодействие – это процесс, при котором часть кинетической энергии частиц расходуется на ионизацию и возбуждение атомов, возбуждение ядер, расщепление ядер или тормозное излучение. При таком взаимодействии суммарная кинетическая энергия частиц до взаимодействия будет равна суммарной кинетической энергии частиц после взаимодействия плюс энергия Е, затраченная на ионизацию и возбуждение атомов, возбуждение и расщепление ядер или тормозное излучение.

W₁ + W₂ = W₁^’ + W₂^’ + Е.

Взаимодействие заряженных частиц с веществом

Механизм передачи энергии при взаимодействии с веществом для всех заряженных частиц одинаков. При прохождении через вещество заряженные частицы взаимодействуют с электронными оболочками и ядрами атомов. В результате взаимодействия с быстрой заряженной частицей электрон получает дополнительную энергию и переходит на более отдаленный от ядра энергетический уровень, либо совсем покидает атом. В первом случае происходит возбуждение, а во втором – ионизация атома. Этот процесс продолжается до тех пор, пока запас энергии частицы не уменьшится настолько, что она потеряет ионизирующую способность.

В зависимости от знака заряда при прохождении частицы через вещество она испытывает электростатическое взаимодействие, то есть притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер атомов. Поскольку α-частица положительно заряжена, то при упругом взаимодействии с ядром возникают кулоновские силы и частица отталкивается, изменяя направление своего движения. Неупругое взаимодействие с атомными ядрами наблюдается, если α-частица обладает достаточной энергией для преодоления кулоновских сил взаимодействия (тогда она проникает в ядро). При этом образуется промежуточное ядро, которое распадается с испусканием заряженных частиц, нейтронов или γ-квантов.

Упругое взаимодействие β-частиц с веществом наблюдается при электрическом взаимодействии β-частиц с орбитальными электронами. β-частица отталкивается о отрицательно заряженных электронов, изменяя направление своего движения. Упругое взаимодействие β-частиц с атомными ядрами наблюдается в результате притяжения β-частиц к положительно заряженным ядрам атомов (электрическое взаимодействие). Следствие такого взаимодействия – изменение направления движения частиц.

При неупругом взаимодействии β-частиц с орбитальными электронами происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул среды. β-частицы расходуют свою энергию до тех пор, пока общий запас энергии не уменьшится до такой степени, что частица теряет ионизационную способность. Неупругое рассеяние β-частиц на атомных ядрах наблюдается, если β-частиц имеет высокую энергию, а поглотителем служит материал большой плотности. При этом β-частица тормозится в электрическом поле ядра атома и теряет часть своей энергии. Следствие такого взаимодействия – возникновение тормозного (электромагнитного) излучения. Интенсивность тормозного излучения определяется энергией β-частиц и атомным номером поглотителя.

Траектория движения заряженных частиц зависит от их массы – чем больше масса летящей частицы, тем менее она отклоняется от первоначального направления. Поэтому протоны, дейтроны, α-частицы и более тяжелые ядерные частицы двигаются практически прямолинейно, а траектория электронов (β-частиц) сильно изломана в результате рассеяния на орбитальных электронах и ядрах атомов.

1.Закон радиоактивного распада.

Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается вследствие радиоактивного распада (превращения ядер). Радиоактивный распад идет непрерывно, скорость этого процесса и его характер определяются строением ядра. Поэтому на этот процесс нельзя повлиять никакими обычными физическими или химическими способами, не изменив состояния атомного ядра. Кроме того, распад носит вероятностных характер, то есть нельзя точно определить, когда и какой именно атом распадется, но в каждый промежуток времени распадается в среднем какая-то определенная часть атомов.

Для каждого радиоактивного изотопа средняя скорость распада его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Постоянная радиоактивного распада λ для определенного изотопа показывает, какая доля ядер распадется в единицу времени. Постоянную распада выражают в обратных единицах времени с^-1, мин^-1, ч^-1 и т.д., чтобы показать, что количество радиоактивных ядер со временем убывает, а не растет.

Самопроизвольное превращение ядер любого радиоактивного изотопа подчиняется закону радиоактивного распада, который устанавливает, что за единицу времени распадается одна и та же доля имеющихся в наличии ядер.

Математическое выражение этого закона, описывающее процесс убывания количества радиоактивных ядер со временем, отображается следующей формулой:

 

N_t = N₀e^{- λ t} , (N_t = N₀e^{-0,693t/ Т} )

 

где, N_t – число радиоактивных ядер, оставшихся по прошествии времени;

N₀ – исходное число радиоактивных ядер в момент времени t=0;

е – основание натуральных логарифмов (е=2,72);

λ – постоянная радиоактивного распада (=0,693/Т);

t – время, в течение которого распадался радиоизотоп;

Т – период полураспада данного радиоизотопа.

По этой формуле можно рассчитать число не распавшихся радиоактивных атомов в данный момент времени.

Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов на практике пользуются периодом полураспада.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Он обозначается буквой Т и выражается в единицах времени.

Для различных радиоактивных изотопов период полураспада имеет значения от долей секунды до миллионов лет. Причем у одного и того же элемента могут быть изотопы с различным периодом полураспада. Соответственно и радиоактивные элементы разделяются на короткоживущие (часы, дни) – ¹³¹₅₃I (8,05 суток), ²¹⁴₈₄Po (1,64*10^-4сек.) и долгоживущие (годы) – ²³⁸₉₂U (T=4.47 млрд. лет), ¹³⁷₅₅Cs (30 лет), ⁹⁰₃₈Sr (29 лет).

Между периодом полураспада и постоянной распада существует обратная зависимость, т.е. чем больше λ, тем меньше Т, и наоборот.

Графически закон радиоактивного распада выражается экспоненциальной кривой (см.рис.1). Как видно из рисунка, с увеличением числа периодов полураспада число нераспавшихся атомов убывает, постепенно приближаюсь к нулю [Белов А.Д. и др., 1999].

 

 

Рис. 1. Графическое изображение закона радиоактивного распада.

 

Дозы излучения

 

Для оценки радиационного эффекта необходимо знать, как количественную сторону процесса – величину поглощенной энергии, так и качественную его сторону – распределение этой энергии в пространстве и времени.

 

Дозы ионизирующих излучений и единицы их измерения.

Доза – количество поглощенной энергии излучения от ионизации в рассматриваемом объеме (массе) вещества.

Так как имеются существенные различия между действием радиации на неживое и живое вещество, а также реакциями различных органов и тканей на разные виды излучения, то принято различать несколько разновидностей доз: экспозиционная, поглощенная, эквивалентная, эффективная и др.

Экспозиционная доза ( D _э ) служит количественной мерой действия ионизирующего излучения, падающего на объект. Она характеризует ионизирующую способность рентгеновских и гамма-лучей в воздухе. Экспозиционную дозу определяют по ионизирующему действию квантового излучения в определенной массе воздуха и только при значениях энергии рентгеновских и гамма-лучей в диапазоне от десятков кэВ до 3 МэВ.

Физическое воздействие любого ионизирующего излучения на вещество связано, прежде всего, с ионизацией атомов и молекул. Исходя из этого, экспозиционная доза равна отношению электрического заряда ионов одного знака, возникающих в сухом воздухе, при его облучении фотонами, к массе воздуха:

 

D _э = q /М

За единицу экспозиционной дозы в Международной системе единиц (СИ) принят кулон на килограмм (Кл/кг). 1Кл/кг равен экспозиционной дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1кг сухого атмосферного воздуха создаются ионы, несущие электрический заряд каждого знака, равный 1 Кл

До настоящего времени используется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р).

1Р = 2,58*10^-4 Кл/кг

1 рентген равен экспозиционной дозе рентгеновского или гамма-излучения, при которой в 1 см³ воздуха (0,001293г сухого воздуха) при нормальных условиях (t=0°С и р=1013 ГПа) в результате завершения всех ионизационных процессов, вызванных этим излучением, образуется 2,08*10⁹ пар ионов. Такая доза накапливается за 1ч на расстоянии 1м от радиоактивного препарата радия массой 1г.

Поскольку на образование одной пары ионов в воздухе в среднем затрачивается 34 эВ, то энергетический эквивалент рентгена в 1 см³ воздуха составляет 2,08*10⁹*34 = 7,08*10⁴ МэВ = 0,114 эрг/см³, или в 1г воздуха 88 эрг (0,114/0,001293г = 88 эрг).

Производные единицы рентгена: килорентген (1кР = 10³Р), миллирентген (1мР = 10^-3Р), микрорентген (1мкР = 10^-6Р).

Для измерения экспозиционной дозы существует простой физический метод, заключающийся в измерении суммарного заряда ионов, образовавшихся под действием радиации в воздушной ионизационной камере.

В биологическом отношении очень важно знать не просто дозу излучения, которую получил объект, а дозу, полученную в единицу времени. Скорость приращения экспозиционной дозы (накопление дозы в единицу времени) в поле излучения называется мощностью экспозиционной дозы (Р_э):

Р_э = D _э / t

Единицей мощности экспозиционной дозы в СИ служит ампер на килограмм (А/кг), внесистемная единица – рентген в час (Р/ч) или рентген в минуту (Р/мин) и т.д. Часто используют мР/ч, мкР/ч. Иногда в качестве единицы мощности экспозиционной дозы используют кулон на килограмм в секунду (Кл/кг*с^-1). Так, если в облученном воздухе измерен ток в 1 мкА/кг, это соответствует 1 мкКл/кг*с^-1.

 

Для оценки действия излучения на конкретный объект гораздо важнее определить энергию поглощенную им, чем энергию, падающую на объект или прошедшую через него. В данном случае универсальной мерой воздействия любого вида излучения на вещество является поглощенная доза.

Поглощенная доза ( D _п ) – энергия ионизирующего излучения, переданная массе вещества.

D _п = Е/ m

 

Единицей измерения поглощенной дозы в СИ является грей (Гр). Один грей соответствует поглощению 1 джоуля энергии (Дж) в килограмме поглощенного вещества:

1 Гр = 1 Дж/кг

Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. Один рад соответствует поглощенной веществом энергии любого ионизирующего излучения, равной 100 эрг/г:

1 рад = 2,39*10^-6 кал/г = 0,01 Дж/кг

Соотношение новой единицы к старой выражается так:

1 Гр = 100 рад (1 рад = 0,01 Гр).

Поглощенная доза несомненно зависит от экспозиционной дозы. Если известны величины экспозиционной дозы и коэффициента поглощения ткани, то можно рассчитать поглощенную дозу. Экспериментально установить величину поглощенной дозы сложно. Выполнить это можно, если тканеэквивалентные дозиметры с детекторами установить в полости тела или в его модели – фантоме.

Мощность поглощенной дозы определяется как приращение дозы в единицу времени и рассчитывается по отношению поглощенной дозы излучения ко времени облучения:

Р_п = D _п / t

Единица мощности поглощенной дозы – грей в секунду (Гр/с), а внесистемная единица – рад в секунду (рад/с).