Основные характеристики ионизирующих излучений

Вид излучения	Начальная скорость, км/с	Масса покоя, а.е.м.	Электрический заряд1	Пробег в воздухе, м	Ионизирующая способность в воздухе, атомов/мм	Материал защитных экранов2	Опасность для организма при облучении: внешнем, внутреннем, комбинированном	Способность вызывать наведенную радиоактивность, да/нет
α-частицы
β-частицы
γ-лучи
X-лучи
n (нейтроны)

¹ Электрический заряд указывать в элементарных единицах, например +2, –1, 0.

² На выбор предлагаются следующие материалы защитных экранов: бумага, алюминиевая фольга, свинцовые пластины, парафиновые блоки (разместить в соответствующих ячейках таблицы).

Единицы измерения радиоактивности

Радиоактивные вещества обладают различными характеристиками, отличающими их друг от друга. В свою очередь, ионизирующие излучения по-разному влияют на облучаемое вещество. Радиометрия и дозиметрия – науки, изучающие характеристики радиоактивных веществ и ионизирующих излучений.

 

Радиометрические величины

 

Радиометрия – наука, позволяющая точно определять содержание и концентрацию радиоактивных веществ в различных средах, в том числе в организме человека. Ниже приведены основные радиометрические характеристики и величины.

Одни радионуклиды распадаются относительно быстро, другие – медленно. Каждый радионуклид имеет индивидуальную характеристику, называемую периодом полураспада.

Период полураспада (T_1/2) – время, в течение которого распадается половина исходного числа ядер радиоактивных атомов.

Время это для различных радионуклидов изменяется в широких пределах: от 10^-7 секунды до 10 ¹¹лет. Например: T_1/2 йода-131 – 8 суток, стронция-90 – 29,1 года, цезия-137 – 30 лет, урана-238 – 4,5 миллиарда лет. Радионуклиды, период полураспада которых не превышает нескольких недель, называются короткоживущими; имеющие период полураспада от нескольких месяцев до миллиардов лет – долгоживущими.

Допустим, в каком-либо веществе, например, в одном грамме почвы, содержится 1000 атомов стронция-90. Через 29,1 года останутся неизменными только 500 атомов, а остальные 500 распадутся, испустив β-частицы. Еще через 29,1 года останутся неизменными 250 атомов и так далее. С каждым последующим периодом все меньше и меньше испускается β-частиц – радиоактивность почвы уменьшается.

В реальной жизни количество радиоактивных атомов в веществе огромно и точно сосчитать их практически невозможно – поэтому количество радионуклидов в веществе определяется косвенно, по интенсивности излучения.

Активность радионуклида (A) – величина, характеризующая число радиоактивных распадов в единицу времени.

Чем больше распадается атомов в единицу времени, тем выше активность (а следовательно, и опасность) радионуклида.

В качестве единицы измерения активности в Международной системе единиц (СИ) принят один распад в секунду – эта единица получила название беккерель (Бк), в честь французского физика Анри Беккереля, открывшего явление радиоактивности: 1 Бк = 1 расп./с.

Допустим, специалисты провели анализ почвы и получили результат: в образце почвы есть стронций-90. Активность – 600 Бк: это означает, что в образце почвы каждую секунду распадается 600 ядер этого радионуклида. Поскольку при распаде одного ядра испускается одна β-частица, можно утверждать, что каждую секунду в пространство испускается 600 β-частиц.

Один беккерель – очень маленькая величина. Часто на практике применяется другая (внесистемная) единица измерения активности – кюри (Ки) (названа в честь французских физиков Пьера Кюри и Марии Склодовской-Кюри):

1 Ки = 3,7 ·10¹⁰ Бк; 1 Бк = 2,7 ·10^–11 Ки.

Активность 1 Ки имеет один грамм чистого радия-226 (следовательно, килограмм радия-226 будет иметь активность 1000 Ки, то есть в этом образце каждую секунду будет распадаться 370 триллионов атомов).

Масса радиоактивного вещества не является мерой его радиоактивности. Препарат с меньшей массой может быть намного более радиоактивным, чем препарат с большей массой. Поэтому специалисты не измеряют количество радиоактивных веществ в килограммах или литрах. Но, зная активность чистого изотопа, можно вычислить его массу с помощью эмпирической формулы:

M = 8,9 ·10^-14 ·Am ·T_1/2, (1)

где М – масса изотопа активностью в 1 Ки, г; Аm – атомная масса, а.е.м.; T_1/2 – период полураспада, с.

Например, три тонны урана-238 и 0,9 миллиграмма кобальта-60 имеют одинаковую активность – 1 Ки.

Радиоактивное вещество может быть распылено на большой территории, а может быть сосредоточено в малом объеме. Концентрация радиоактивного вещества обычно характеризуется концентрацией его активности. Концентрация активности подразделяется на три разновидности:

1. Удельная активность a – концентрация РВ на единицу массы. Измеряется в Бк/кг или Ки/кг.

2. Объемная активность Av – концентрация РВ на единицу объема. Измеряется в Бк/м³ или Ки/м³. Часто измеряется также в Бк/л или Ки/л.

3. Плотность загрязнения территории σ – концентрация РВ на единицу площади. Измеряется в Бк/м² или Ки/км².

 

Три примера:

1. Мясо, привезенное на колхозный рынок, заражено стронцием-90: удельная активность его – 370 Бк/кг. Это означает, что каждую секунду в каждом килограмме мяса распадается 370 ядер стронция-90.

2. В воздухе подвального помещения, как показали замеры, присутствует радиоактивный газ радон-222. Его концентрация (объемная активность) – 185 Бк/л). Это означает, что в каждом литре воздуха каждую секунду распадается 185 ядер радона-222.

3. После аварии на Чернобыльской АЭС загрязненность некоторых районов Российской Федерации цезием-137 составляет 15 Ки/км. Если предположить, что загрязнение равномерно, можно утверждать, что над каждым квадратным километром загрязненной территории рассеяно 172,5 мг чистого цезия-137 (один кюри чистого цезия-137 имеет массу 11,5 мг).

С загрязненной радионуклидами поверхности будет идти непрерывный поток ионизирующих излучений. Интенсивность этого потока характеризуется его плотностью.

Плотность потока частиц I – число частиц, испускаемых в единицу времени с единицы площади.

Измеряется плотность потока в частицах в секунду с квадратного метра (част./с·м²). Например, плотность потока составляет 8000 β-част./с·м² – это означает, что каждую секунду с каждого квадратного метра площади испускается 8000 β-частиц.

 

Дозиметрические величины

 

Частицы и гамма-излучение, испускаемые радионуклидами, ионизируют окружающую среду: воздух, если радионуклид окружен воздухом, воду, строительные материалы, продукты питания. Когда радионуклиды находятся в человеческом организме, излучения ионизируют биологические ткани. Все это не проходит бесследно для облучаемого вещества.

Дозиметрия – наука, изучающая взаимодействие ионизирующих излучений с облучаемым веществом.

Для оценки эффекта воздействия ионизирующих излучений на окружающую среду и биологические ткани используется несколько дозиметрических величин.

Экспозиционная доза X – энергия ионизирующего излучения, поглощенная в единице массы облучаемого воздуха за время облучения.

При облучении атомы газов, из которых состоит воздух, ионизируются, что приводит к появлению заряженных частиц. Единицей измерения экспозиционной дозы (в СИ) является Кулон на килограмм (Кл/кг). Внесистемной единицей измерения является рентген (Р), названный в честь немецкого физика Вильгельма Рентгена. 1 Р соответствует такой энергии ионизирующего излучения, при поглощении которой в одном кубическом сантиметре облучаемого сухого воздуха (при температуре 0 С и давлении 760 мм ртутного столба) образуется 2,08 миллиардов пар ионов (ионизируется 2,08 млрд. атомов).

Доза 1 Р накапливается в кубическом сантиметре воздуха в течении часа на расстоянии 1 м от радиоактивного источника – образца чистого радия-226 массой 1 г (рис. 5).

 

Рис. 5. Накопление дозы величиной 1 Р в воздухе

Единица измерения рентген применяется только для рентгеновского и гамма-излучения и только при облучении ими воздуха.

1 Р = 2,58 ·10^–4 Кл/кг; 1 Кл/кг = 3,9 ·10³ Р.

Когда излучение ионизирует воду, почву, строительные материалы (любые неживые объекты), применяется другая дозиметрическая величина – поглощенная доза.

Поглощенная доза D – энергия ионизирующего излучения, поглощенная в единице массы облучаемого вещества за время облучения.

Единицей измерения поглощенной дозы в СИ принят один джоуль энергии ионизирующего излучения, переданный одному килограмму облучаемого вещества. Этой единице дозы облучения присвоено наименование грей (Гр), в честь английского физика Льюиса Грея: 1 Гр = 1 Дж/кг.

Внесистемной единицей измерения поглощенной дозы является один рад (аббревиатура от английского словосочетания "radiation absorbed dose" – rad):

1 рад = 0,01 Гр; 1 Гр = 100 рад.

Эта единица измерения применяется для любого вида ионизирующих излучений.

До конца сороковых годов ХХ века дозу, полученную человеком, измеряли в радах. Допустим, дозиметр показывает 50 рад – следовательно, человек, постоянно имевший при себе этот дозиметр, тоже получил 50 рад. Но часто встречались ситуации, когда один человек оставался жив и здоров, а другой человек, получивший такую же дозу, быстро погибал. Выяснилось, что эти люди работали с различными источниками излучения. Многочисленные опыты на животных выявили, что разные виды излучения представляют неодинаковую опасность для живых организмов. Дозиметристы ввели особый коэффициент, учитывающий эту опасность – коэффициент качества излучения.

Таблица 2

Коэффициент качества излучения Q:

гамма-излучения
рентгеновского излучения
бета-излучения
нейтронного излучения: тепловые нейтроны быстрые нейтроны
альфа-излучения

 

Следовательно, для живых организмов необходимо ввести новую величину – она получила название эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза H – энергия ионизирующего излучения, поглощенная в единице массы облучаемого живого организма за время облучения с учетом качества излучения.

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ принят один зиверт (Зв), названный в честь шведского радиолога Рольфа Зиверта, определившего значения коэффициентов качества излучения для многих видов ионизирующих излучений. Зиверт равен эквивалентной дозе излучения, при которой поглощенная доза равна 1 Гр и коэффициент качества излучения равен единице:

1 Зв = 1 Гр ·Q = 1 Дж/кг ·1 = 1 Дж/кг.

Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является один бэр (биологический эквивалент рада):

1 бэр = 0,01 Зв; 1 Зв = 100 бэр.

Определить эквивалентную дозу просто: нужно умножить величину поглощенной дозы, измеренную дозиметром, на коэффициент качества излучения:

H = D ·Q. (2)

Пример: человек работал с источником гамма-излучения – его дозиметр показал 50 рад. Этот человек получил дозу H = 50 ·Q = 50 ·1 = 50 бэр.

Для рентгеновского, гамма- и бета-излучения эквивалентная доза равна по величине поглощенной дозе.

Доза, поглощенная организмом, никогда не уменьшается – она может только увеличиваться, медленно или быстро. Скорость накопления дозы характеризует физическая величина – мощность дозы.

Мощность дозы – приращение дозы в единицу времени. Мощность экспозиционной дозы X':

X' = X/t, (3)

где X – экспозиционная доза излучения, Кл/кг; t – время передачи экспозиционной дозы излучения сухому атмосферному воздуху, с.

Единицей измерения мощности экспозиционной дозы в СИ является один ампер на килограмм облучаемого воздуха (А/кг). Внесистемной единицей измерения мощности экспозиционной дозы является рентген в час (Р/ч).

Мощность экспозиционной дозы, измеренная на высоте 1 метр от поверхности земли, называется уровнем радиации на местности. Уровень радиации измеряется в Р/ч, либо в производных единицах: мР/ч и мкР/ч.

Мощность поглощенной дозы D':

D' = D/t, (4)

где D – поглощенная обученным веществом доза излучения за время t.

Единицы измерения: в СИ – 1 Гр/с; внесистемная – 1 рад/ч.

Мощность эквивалентной дозы H':

H' = H/t, (5)

где H – эквивалентная доза излучения.

Единицы измерения: в СИ – 1 Зв/с; внесистемная – 1 бэр/ч.

Для упрощения процедуры определения дозы, полученной организмом человека в зараженной зоне, можно принять следующее допущение: для мягких тканей в поле рентгеновского или гамма-излучения поглощенная доза 1 рад примерно соответствует экспозиционной дозе 1Р – 1 Р ≈ 1 рад (точно 1 Р = 0,88 рад; 1 рад = 1,12 Р). Следовательно, учитывая коэффициент качества излучения, равный 1, можно утверждать, что 1 Р ≈ 1 бэр (только для рентгеновского и гамма-излучения).

Когда уровень радиации с течением времени не меняется (естественный фон), задача определения дозы, полученной организмом человека за некоторый промежуток времени, решается просто. Допустим, мощность экспозиционной дозы (уровень радиации) гамма-излучения на местности составляет 10 мкР/ч. Для гамма-излучения коэффициент качества излучения Q равен единице. Следовательно, мощность эквивалентной дозы будет приблизительно равна мощности экспозиционной дозы – примерно 10 мкбэр/ч. Это означает, что люди, постоянно находящие на этой местности, будут получать каждый час дозу 10 мкбэр. Например, человек пребывал на такой местности три часа – доза, поглощенная его организмом, составит 30 мкбэр (0,3 мкЗв).

Радиометрические и дозиметрические величины, перечисленные выше, тесно взаимосвязаны:

1. Концентрация любых радиоактивных веществ в продуктах питания, воде, воздухе или в организме человека измеряется в беккерелях на килограмм (литр) (Бк/кг(л)) или в кюри на килограмм (литр) (Ки/кг(л)). Загрязненность радионуклидами поверхностей измеряется в беккерелях на сантиметр квадратный (Бк/см²) или в кюри на километр квадратный (Ки/км²).

2. Испускаемые альфа-, бета- или нейтронным источником частицы образуют поток, плотность (интенсивность) которого определяется числом частиц, покидающих каждый квадратный метр излучающей поверхности в секунду (част./с·м²).

3. Пространство вокруг радиоактивного источника "заполнено" излучением, интенсивность которого характеризуется мощностью дозы (или уровнем радиации). Измеряется мощность дозы в рентгенах в час (Р/ч) (для воздуха) или в бэрах в час (бэр/ч) (для живых организмов).

4. Преодолев определенное расстояние, излучение достигает организма человека (если человек подвергается внешнему облучению) и поглощается в нем. Количество поглощенного организмом излучения характеризуется эквивалентной дозой, которая измеряется в зивертах (Зв) или в бэрах (бэр). Эта величина характеризует и внутреннее облучение (когда радиоактивные вещества облучают организм изнутри, проникнув туда вместе с водой, воздухом или продуктами питания) (рис. 6).

Таблица 3