Механизмы размена энергии электромагнитных ИИ.

Типы ядерных превращений

Ядра многих изотопов являются неустойчивыми из-за нарушения энергии связи между нуклонами. Обладая излишком энергии, такие ядра претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется их первоначальный состав. Ядро атома материнского элемента превращается в ядро другого (дочернего) атома, имеющего новые физико-химические свойства. Переход нестабильных ядер в устойчивое состояние сопровождается α-, β- и γ-излучениями.

Существует три типа ядерных превращений:

1). α-распад. Теория альфа-распада была разработана в 1928 г. независимо друг от друга советским (а затем американским) физиком Георгием (Джорджем) Гамовым, английским ученым Р. Гёрни иамериканским физиком Эдвардом Кондоном.

При этом типе происходит испускание лучей ядром нестабильного атома, представляющих собой поток α-частиц. Вследствие потери с альфа-частицей 2p и 2n ядро материнского элемента превращается в ядро дочернего, в котором заряд (порядковый номер) уменьшается на 2, а массовое число - на 4 единицы.

Например: ₈₈ Ra ²²⁶ ® ₂ He ⁴ + ₈₆ Rn ²²² + Q

В результате α-распада может образоваться дочерний элемент с также неустойчивым ядром. В таком случае он вновь претерпевает либо α, либо другой тип распада.

В основном альфа-распад наблюдается у большинства тяжелых по массе элементов как естественного, так и искусственного происхождения. Известно более 200 α-активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы, за свинцом, которым заканчивается заполнение протонной ядерной оболочки с Z=82.

2). β-распад. Этот тип встречается у легких и средних по массе ядер. При этом существуют β⁺ (позитронный) и β^- (электронный) распады. Бета-распад имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к β-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости изотопа. Известно около 1500 β-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы, кроме самых тяжёлых (Z ≥ 102).

Позитронный распад происходит с ядрами тех элементов, в которых количество нейтронов меньше, чем в ядрах стабильных изотопов. При этом один из протонов превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. Нейтрон остается в ядре дочернего элемента, а позитрон и нейтрино вылетают из него.

Поэтому в новом ядре образованного при этом элемента будет на один протон меньше и на один нейтрон больше при равной атомной массе.

Например: ₆ C ¹¹ ® ₅ B ¹¹ + e ⁺ + υ + Q

Данный тип распада наблюдается также у N¹³, O¹⁵, F¹⁸, Na²², Co^56,58 и др.

Позитроны были открыты в 1932 г. в потоке космических лучей американским физиком Карлом Андерсоном (Нобелевская премия по физике, 1936).

Позитрон стабилен, но в веществе существует лишь короткое время из-за аннигиляции с электроном. Так, например, в свинце позитроны аннигилируют, в среднем, за 5×10^-11 сек.

В физике термин «аннигиляция» буквально означающий «исчезновение», принят для наименования процесса, в котором частица и отвечающая ей античастица превращаются в электромагнитное излучение - фотоны или кванты физического поля иной природы. Так, при соударении электрона и его античастицы - позитрона - оба могут исчезнуть, образовав два фотона (γ-кванта).

Электронный распад наблюдается у изотопов тех элементов, в ядрах которых имеется большее число нейтронов в сравнении со стабильными изотопами. В этом случае один из нейтронов превращается в протон, электрон и антинейтрино. При этом протон остается в ядре, а электрон и антинейтрино вылетают из него. Таким образом, в ядре нового элемента при той же атомной массе будет на один протон больше и на один нейтрон меньше, чем у материнского.

Например: ₁₅P ³² ® ₁₆ S ³² + e ^- + υ ^~ + Q

Такой тип распада присущ также радиоизотопам Be¹⁰, Mg²⁷, Si³¹, Cl³⁶, Zr⁸⁶ и др.

3). электронный ( K -, L -, М-) захват был открыт в 1937 г. американским физиком Луисом Альваресом (Нобелевская премия по физике, 1968), хотя был предсказан еще в 1935 г. японскими учеными Х.Юкавой и С.Сакатой.

Он происходит в том случае, когда масса (в единицах энергии) материнского атома больше массы дочернего атома на величину, большую энергии связи захватываемого электрона. Если это превышение больше, чем 2 mc² =1,02 МэВ (где m - масса покоя электрона, а с - скорость света), то с электронным захватом начинает конкурировать позитронный, т.е. β⁺- распад.

При этом типе распада происходит захват ядром атома электрона с одной из ближайших орбит. К-захват происходит в 100 раз чаще, чем L. Захваченный ядром электрон, соединяясь с протоном, превращается в нейтрон, а из ядра вылетает нейтрино.

Освободившееся место на К-, L- или М- орбите сразу же заполняется электроном с более отдаленной от ядра орбиты, а сам атом дополнительно испускает квант характеристического рентгеновского излучения.

Например: ₂₅ Mn ⁵⁴ + e ^- _K ® ₂₄ Cr ⁵⁴ +υ + C-квант + Q

Такой тип распад присущ также Na²², Al²⁶, Ca⁴¹, Fe⁵², Zn⁶² и ряду др.

Ядра некоторых изотопов могут одновременно подвергаться нескольким

типам распада. Так, у самого распространенного на Земле радиоизотопа К⁴⁰

наблюдаются электронный и позитронный распады:

₁₉ K ⁴⁰ ® ₂₀ Ca ⁴⁰ + υ ^~ + + Q или ₁₉ K ⁴⁰ ® ₁₈ Ar ⁴⁰ + e ⁺ + υ + Q

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом.

Обнаружение и регистрация всех видов ядерных излучений, выбор материала для защиты, оценка биологического действия излучений основаны на эффектах, которые возникают при взаимодействии излучений с веществом. Для понимания принципов этих явлений необходимо знать, каким образом различные по природе излучения взаимодействуют с веществом.

Результатом взаимодействия ИИ с веществом является ионизация и возбуждение атомов и молекул. Ионизация атомов и молекул происходит тогда, когда передаваемая кинетическая энергия частицы или фотона выше энергии связи электрона с ядром, если же энергия ниже определенного уровня – то происходит только возбуждение.

К ионизирующим излучениям относятся электромагнитные излучения высоких энергий и потоки заряженных и незаряженных частиц. Механизм передачи энергии веществу зависит от типа излучения и его энергии.

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).

 

Конец формы

Типы ядерных превращений

Ядра многих изотопов являются неустойчивыми из-за нарушения энергии связи между нуклонами. Обладая излишком энергии, такие ядра претерпевают самопроизвольные радиоактивные превращения, в результате которых изменяется их первоначальный состав. Ядро атома материнского элемента превращается в ядро другого (дочернего) атома, имеющего новые физико-химические свойства. Переход нестабильных ядер в устойчивое состояние сопровождается α-, β- и γ-излучениями.

Существует три типа ядерных превращений:

1). α-распад. Теория альфа-распада была разработана в 1928 г. независимо друг от друга советским (а затем американским) физиком Георгием (Джорджем) Гамовым, английским ученым Р. Гёрни иамериканским физиком Эдвардом Кондоном.

При этом типе происходит испускание лучей ядром нестабильного атома, представляющих собой поток α-частиц. Вследствие потери с альфа-частицей 2p и 2n ядро материнского элемента превращается в ядро дочернего, в котором заряд (порядковый номер) уменьшается на 2, а массовое число - на 4 единицы.

Например: ₈₈ Ra ²²⁶ ® ₂ He ⁴ + ₈₆ Rn ²²² + Q

В результате α-распада может образоваться дочерний элемент с также неустойчивым ядром. В таком случае он вновь претерпевает либо α, либо другой тип распада.

В основном альфа-распад наблюдается у большинства тяжелых по массе элементов как естественного, так и искусственного происхождения. Известно более 200 α-активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы, за свинцом, которым заканчивается заполнение протонной ядерной оболочки с Z=82.

2). β-распад. Этот тип встречается у легких и средних по массе ядер. При этом существуют β⁺ (позитронный) и β^- (электронный) распады. Бета-распад имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к β-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости изотопа. Известно около 1500 β-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы, кроме самых тяжёлых (Z ≥ 102).

Позитронный распад происходит с ядрами тех элементов, в которых количество нейтронов меньше, чем в ядрах стабильных изотопов. При этом один из протонов превращается в нейтрон, позитрон и нейтрино. Нейтрон остается в ядре дочернего элемента, а позитрон и нейтрино вылетают из него.

Поэтому в новом ядре образованного при этом элемента будет на один протон меньше и на один нейтрон больше при равной атомной массе.

Например: ₆ C ¹¹ ® ₅ B ¹¹ + e ⁺ + υ + Q

Данный тип распада наблюдается также у N¹³, O¹⁵, F¹⁸, Na²², Co^56,58 и др.

Позитроны были открыты в 1932 г. в потоке космических лучей американским физиком Карлом Андерсоном (Нобелевская премия по физике, 1936).

Позитрон стабилен, но в веществе существует лишь короткое время из-за аннигиляции с электроном. Так, например, в свинце позитроны аннигилируют, в среднем, за 5×10^-11 сек.

В физике термин «аннигиляция» буквально означающий «исчезновение», принят для наименования процесса, в котором частица и отвечающая ей античастица превращаются в электромагнитное излучение - фотоны или кванты физического поля иной природы. Так, при соударении электрона и его античастицы - позитрона - оба могут исчезнуть, образовав два фотона (γ-кванта).

Электронный распад наблюдается у изотопов тех элементов, в ядрах которых имеется большее число нейтронов в сравнении со стабильными изотопами. В этом случае один из нейтронов превращается в протон, электрон и антинейтрино. При этом протон остается в ядре, а электрон и антинейтрино вылетают из него. Таким образом, в ядре нового элемента при той же атомной массе будет на один протон больше и на один нейтрон меньше, чем у материнского.

Например: ₁₅P ³² ® ₁₆ S ³² + e ^- + υ ^~ + Q

Такой тип распада присущ также радиоизотопам Be¹⁰, Mg²⁷, Si³¹, Cl³⁶, Zr⁸⁶ и др.

3). электронный ( K -, L -, М-) захват был открыт в 1937 г. американским физиком Луисом Альваресом (Нобелевская премия по физике, 1968), хотя был предсказан еще в 1935 г. японскими учеными Х.Юкавой и С.Сакатой.

Он происходит в том случае, когда масса (в единицах энергии) материнского атома больше массы дочернего атома на величину, большую энергии связи захватываемого электрона. Если это превышение больше, чем 2 mc² =1,02 МэВ (где m - масса покоя электрона, а с - скорость света), то с электронным захватом начинает конкурировать позитронный, т.е. β⁺- распад.

При этом типе распада происходит захват ядром атома электрона с одной из ближайших орбит. К-захват происходит в 100 раз чаще, чем L. Захваченный ядром электрон, соединяясь с протоном, превращается в нейтрон, а из ядра вылетает нейтрино.

Освободившееся место на К-, L- или М- орбите сразу же заполняется электроном с более отдаленной от ядра орбиты, а сам атом дополнительно испускает квант характеристического рентгеновского излучения.

Например: ₂₅ Mn ⁵⁴ + e ^- _K ® ₂₄ Cr ⁵⁴ +υ + C-квант + Q

Такой тип распад присущ также Na²², Al²⁶, Ca⁴¹, Fe⁵², Zn⁶² и ряду др.

Ядра некоторых изотопов могут одновременно подвергаться нескольким

типам распада. Так, у самого распространенного на Земле радиоизотопа К⁴⁰

наблюдаются электронный и позитронный распады:

₁₉ K ⁴⁰ ® ₂₀ Ca ⁴⁰ + υ ^~ + + Q или ₁₉ K ⁴⁰ ® ₁₈ Ar ⁴⁰ + e ⁺ + υ + Q

Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом.

Обнаружение и регистрация всех видов ядерных излучений, выбор материала для защиты, оценка биологического действия излучений основаны на эффектах, которые возникают при взаимодействии излучений с веществом. Для понимания принципов этих явлений необходимо знать, каким образом различные по природе излучения взаимодействуют с веществом.

Результатом взаимодействия ИИ с веществом является ионизация и возбуждение атомов и молекул. Ионизация атомов и молекул происходит тогда, когда передаваемая кинетическая энергия частицы или фотона выше энергии связи электрона с ядром, если же энергия ниже определенного уровня – то происходит только возбуждение.

К ионизирующим излучениям относятся электромагнитные излучения высоких энергий и потоки заряженных и незаряженных частиц. Механизм передачи энергии веществу зависит от типа излучения и его энергии.

Механизмы размена энергии электромагнитных ИИ.

Ионизирующие электромагнитные излучения различаются по происхождению и энергии, но обладают рядом общих характеристик. При прохождении через вещество излучения испытывают три вида взаимодействия:

· Фотоэлектрическое поглощение (Фотоэффект),

· Комптоновское рассеяние (Комптонэффект),

· Процесс образования электронно-позитронных пар.

Вид взаимодействия электромагнитного излучения с веществом зависит от величины энергии кванта и от атомного номера облучаемого вещества.

Фотоэффект заключается в том, что квант электромагнитного излучения полностью передает свою энергию электрону атома, облучаемого вещества, в одном акте взаимодействия. В результате такого взаимодействия возникает свободный электрон (электрон отдачи), кинетическая энергия (Е_к) которого равна энергии кванта (hv) за вычетом энергии связи (W) электрона в атоме:

E_k = hv – W

Вероятность фотоэффекта тем выше, чем ближе совпадают значения hv и W. Фотоэлектрическое поглощение преобладает тогда, когда энергия кванта не превышает 0,05 МэВ, а поглотитель представляет собой вещество с большим атомным номером (например, свинец). Для атомов, входящих в состав воды и органических веществ, максимальное значение W может быть принято равным 500 эВ. В сравнении с энергией излучения для которого характерен фотоэффект (до 200 кэВ) эта энергия довольно мала. Поэтому почти вся энергия кванта передается электрону отдачи, который покидает оболочку атома и на своем пути вызывает ионизацию атомов и молекул вещества.

Фотоэффект невозможен на слабосвязанных и свободных электронах, так как они не могут поглощать гамма-кванты. В тканях живых организмов фотоэффект характерен только для низкоэнергетических электромагнитных излучений – длинноволнового рентгеновского и γ-излучения с энергией ниже 100 кэВ. С увеличением энергии облучения вероятность фотоэлектрического взаимодействия с веществом уменьшается, и при энергиях значительно превышающих энергии связи электронов в атоме (более 1 МэВ) им можно пренебречь. В этом случае излучение фотонов ослабляется за счет комптоновского рассеяния.

Эффект Комптона, упругое рассеяние падающих фотонов излучения на свободных (или слабо связанных электронах внешней оболочки атома) электронах, которым передается лишь часть энергии фотона, при этом фотон изменяет направление своего движения. Следовательно, при комптоновском рассеянии энергия падающего кванта распределяется между выбиваемым из атома электроном отдачи и вторичным рассеянным фотоном. Вследствие соударения с фотонами электроны отдачи приобретают значительную кинетическую энергию и расходуют ее на ионизацию вещества (вторичная ионизация).

Поскольку электроны у всех веществ одинаковы, то и изменение длины волны вторичного фотона не зависит от свойств вещества, а зависит только от угла рассеяния, а следовательно и энергия электрона отдачи может изменяться в широких пределах: от 0 до некоторого максимального значения, при этом образовавшийся быстрый электрон ведет себя подобно фотоэлектрону.

Узкий пучок излучения в результате комптоновского рассеяния становится более широким, а само излучение более мягким. В последующих соударениях вторичный фотон ступенчато передает свою энергию электронам вещества до тех пор, пока ее остаток, близкий по значению к энергии связи электрона в атоме не будет передан электрону путем фотоэффекта.

Образование электронно-позитронных пар происходит при взаимодействии с веществом γ-квантов большой энергии (>1,02 МэВ). Этот процесс наблюдается при прохождении γ-кванта вблизи атомного ядра в поле которого и образуется пара заряженных частиц – электрон и позитрон. Вероятность такого типа размена энергии больше для тяжелых элементов, чем для легких.

Данный эффект может быть объяснен только с помощью представлений квантовой механики. Из закона сохранения энергии следует, что энергия кванта должна быть более суммы энергии покоя частиц (2*0,511 МэВ), из чего вытекает, что 1,022 МэВ расходуется на образование «массы покоя» электрона и позитрона, а остаток энергии кванта переходит в их кинетическую энергию.

(Е_γ = hv ≥ 2m_ec² ≈ 1,022 МэВ; Е_к = Е_γ – 2m_ec² = hv – 1,022 МэВ)

Позитрон, встретившись с любым свободным или орбитальным электроном (вероятность этого возрастает с уменьшением кинетической энергии позитрона) взаимодействует с ним, что приводит к возникновению аннигиляционного[1] γ-излучения. В этом процессе, которому, в конце концов, подвергаются все позитроны, энергия массы покоя частицы сообщается образовавшимся двум квантам аннигиляционного излучения. Следовательно энергия каждого вторичного γ-кванта вдвое меньше энергии исходного γ-кванта, но не менее 0,511 МэВ. Аннигиляционное γ-излучение поглощается в веществе путем комптоновского рассеяния и затем фотоэффекта.

Таким образом, в зависимости от энергии падающего электромагнитного излучения преобладает один из трех видов его взаимодействия с веществом. В веществах, в состав которых входят атомы элементов с низкими массовыми числами, что характерно для низкомолекулярных органических веществ и биополимеров, при энергии электромагнитного ИИ 0,15-20 МэВ наибольшее значение в поглощении энергии имеет значение упругое рассеяние, при меньших энергиях квантов – фотоэффект, и соответственно при больших – преобладает образование электрон-позитронных пар.

При всех трех видах первичного взаимодействия электромагнитного ИИ происходит ионизация и возбуждение атомов и молекул вещества, появляются несущие разную энергию быстрые электроны, которые в свою очередь взаимодействуют с веществом, также ионизируя и возбуждая атомы и молекулы.