Ионизирующее излучение. Природа ионизирующего излучения

Оглавление:

1.Введение: Ионизирующее излучение. Природа ионизирующего излучения

2. Источники ионизирующего  излучения

     2.1. Наведённая  радиоактивность

     2.2. Цепочка  ядерных превращений

3. Измерение ионизирующих  излучений

     3.1. Способы и приборы измерения

     3.2. Единицы  измерения

4. Физические свойства  ионизирующих излучений

     4.1. Воздействие  на конструкционные материалы

     4.2. Воздействие  на полупроводники

5. Химическое действие  ионизирующего излучения

6. Биологическое действие  ионизирующих излучений

     6.1. Единицы  измерения

     6.2. Механизмы  биологического воздействия

7. Применение ионизирующих  излучений

     7.1 В технике

     7.2 В медицине

     7.3 В аналитической  химии

     7.4. В нанотехнологиях

8.Заключение

9.Литература 
1.Введение: Ионизирующее излучение. Природа ионизирующего излучения.

Ионизи́рующее излуче́ние — в самом общем смысле — поток микрочастиц, способных ионизировать вещество. В более узком смысле к ионизирующему излучению не относят ультрафиолетовое излучение и излучение видимого диапазона света, которое в отдельных случаях также может быть ионизирующим. Инфракрасное излучение, излучение сантиметрового и радиодиапазонов не является ионизирующим, поскольку его энергии недостаточно для ионизации атомов и молекул в основном состоянии.

Ионизирующее излучение – это любое излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию электрических зарядов разных знаков.

При ядерном взрыве, авариях на АЭС и других ядерных превращениях появляются и действуют не видимые и не ощущаемые человеком излучения. По своей природе ядерное излучение может быть электромагнитным, как например, гамма-излучение, или представлять поток быстро движущихся элементарных частиц – нейтронов, протонов, бета и альфа-частиц. Любые ядерные излучения, взаимодействуя с различными материалами, ионизируют их атомы и молекулы. Ионизация среды тем сильнее, чем больше мощность дозы проникающей радиации или радиоактивность излучения и длительное их воздействие.

Действие ионизирующих излучений на людей и животных заключается в разрушении живых клеток организма, которое может привести к различной степени заболеваниям, а в некоторых случаях и к смерти. Чтобы оценить влияние ионизирующих излучений на человека (животное), надо учитывать две основных характеристики: ионизирующую и проникающую способности. Давайте рассмотрим эти две способности для альфа-, бета-, гамма- и нейтронного излучений. Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия с двумя положительными зарядами. Ионизирующая способность альфа-излучений в воздухе характеризуется образованием в среднем 30 тыс. пар ионов на 1 см. пробега. Это очень много. В этом главная опасность данного излучения. Проникающая способность, наоборот, очень не велика. В воздухе альфа-частицы пробегают всего 10 см. Их задерживает обычный лист бумаги.

Бета-излучение представляет собой поток электронов или позитронов со скоростью, близкой к скорости света. Ионизирующая способность невелика и составляет в воздухе 40 – 150 пар ионов на 1 см. пробега. Проникающая способность намного выше, чем у альфа-излучения, и достигает в воздухе 20 см.

Гамма-излучение представляет собой электромагнитное излучение, которое распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность в воздухе – всего несколько пар ионов на 1 см. пути. А вот проникающая способность очень велика – в 50 – 100 раз больше, чем у бета-излучения и составляет в воздухе сотни метров.

Нейтронное излучение – это поток нейтральных частиц, летящих со скоростью 20 - 40 тыс. км/с. Ионизирующая способность составляет несколько тысяч пар ионов на 1 см. пути. Проникающая способность чрезвычайно велика и достигает в воздухе нескольких километров.

Рассматривая ионизирующую и проникающую способность, можно сделать вывод. Альфа-излучение обладает высокой ионизирующей и слабой проникающей способностью. Обыкновенная одежда полностью защищает человека. Самым опасным является попадание альфа-частиц во внутрь организма с воздухом, водой и пищей. Бета-излучение имеет меньшую ионизационную способность, чем альфа-излучение, но большую проникающую способность. Одежда уже не может полностью защитить, нужно использовать любое укрытие. Это будет намного надежней. Гамма- и нейтронное излучение обладают очень высокой проникающей способностью, защиту от них могут обеспечить только убежища, противорадиационные укрытия, надежные подвалы и погреба.

Природа ионизирующего излучения

Наиболее значимы следующие типы ионизирующего излучения:

1)Коротковолновое  электромагнитное излучение (поток  фотонов высоких энергий):а)рентгеновское излучение;б)гамма-излучение.

2)Потоки частиц:а)бета-частиц (электронов и позитронов);б)альфа-частиц (ядер атома гелия-4);в)нейтронов;г)протонов, других ионов, мюонов и др.;д)осколков деления (тяжёлых ионов, возникающих при делении ядер).

2. Источники ионизирующего излучения

Источники ионизирующего излучения

1)Природные источники  ионизирующего излучения:а)Спонтанный радиоактивный распад радионуклидов.б)Термоядерные реакции, например на Солнце.в)Индуцированные ядерные реакции в результате попадания в ядро высокоэнергетичных элементарных частиц или слияния ядер.г)Космические лучи.

Искусственные источники ионизирующего излучения:а)Искусственные радионуклиды.б)Ядерные реакторы.в)Ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение).г)Рентгеновский аппарат как разновидность ускорителей, генерирует тормозное рентгеновское излучение.

2.1. Наведённая  радиоактивность

Многие стабильные атомы в результате облучения и соответствующей индуцированной ядерной реакции превращаются в нестабильные изотопы. В результате такого облучения стабильное вещество становится радиоактивным, причем тип вторичного ионизирующего излучения будет отличаться от первоначального облучения. Наиболее ярко такой эффект проявляется после нейтронного облучения.

2.2. Цепочка ядерных превращений

В процессе ядерного распада или синтеза возникают новые нуклиды, которые также могут быть нестабильны. В результате возникает цепочка ядерных превращений. Каждое превращение имеет свою вероятность и свой набор ионизирующих излучений. В результате интенсивность и характер излучений радиоактивного источника может значительно меняться со временем.

3. Измерение ионизирующих излучений

3.1. Способы  и приборы измерения

 

Приборы для измерения ионизирующих излучений

Исторически первыми датчиками ионизирующего излучения были химические светочувствительные материалы, используемые в фотографии. Ионизирующие излучения засвечивали фотопластинку, помещенную в светонепроницаемый конверт. Однако от них быстро отказались из-за длительности и затратности процесса, сложности проявки и низкой информативности.

В качестве датчиков излучения в быту и промышленности наибольшее распространение получили дозиметры на базе счётчиков Гейгера. Счетчик Гейгера - газоразрядный прибор, в котором ионизация газа излучением превращается в электрический ток между электродами. Как правило, такие приборы корректно регистрируют только гамма-излучение. Некоторые приборы снабжаются специальным фильтром, преобразующим бета-излучение в гамма-кванты за счет тормозного излучения. Счетчики Гейгера плохо селектируют излучения по энергии, для этого используют другую разновидность газоразрядного счетчика, т.н. пропорциональный счётчик.

Существуют полупроводниковые датчики ионизирующего излучения. Принцип их действия аналогичен газоразрядным приборам с тем отличием, что ионизируется объем полупроводника между двумя электродами. В простейшем случае это обратносмещенный полупроводниковый диод. Для максимальной чувствительности такие детекторы имеют значительные размеры.

Широкое применение в науке получили сцинтилляторы. Эти приборы преобразуют энергию излучения в видимый свет за счет поглощения излучения в специальном веществе. Вспышка света регистрируется фотоэлектронным умножителем. Сцинтилляторы хорошо разделяют излучение по энергиям.

Для исследования потоков элементарных частиц применяют множество других методов, позволяющих полнее исследовать их свойства, например пузырьковая камера, камера Вильсона.

Также стоит рассказать о дозиметрах. Дози́метр — прибор для измерения эффективной дозы или мощности ионизирующего излучения за некоторый промежуток времени. Само измерение называется дозиметрией. Их основными элементами являются воспринимающее устройство, усилитель ионизационного тока, измерительный прибор, преобразователь напряжения, источник тока.

Типы дозиметров:а)Профессиональный (помимо измерения дозы излучения могут измерять активность радионуклида в каком либо образце: предмете, жидкости, газе и т. д. Дозиметры-радиометры могут измерять плотность потока ионизирующих излучений для проверки на радиоактивность различных предметов или оценки радиационной обстановки на местности).б)Бытовой (недорогие индивидуальные дозиметры, которые измеряют мощность дозы ионизирующего излучения на бытовом уровне с не высокой точностью измерения— для проверки продуктов питания, строительных материалов и т. д.). Бытовые дозиметры в основном различаются по следующим параметрам:1)типы регистрируемых излучений — только гамма, или гамма и бета;2)тип блока детектирования ионизирующего излучения — газоразрядный счетчик (также известен как счетчик Гейгера, или усовершенствованный его аналог, счетчик Гейгера-Мюллера) или сцинтилляционный кристалл/пластмасса; количество газоразрядных счетчиков варьируется от 1 до 4-х;размещение блока детектирования — выносной или встроенный;3)наличие цифрового и/или звукового индикатора;4)время одного измерения — от 3 до 40 секунд;5)габариты и вес;

Способы измерения ионизирующих излучений

Методы измерения ионизирующих излучений основаны на различных физико-химических принципах.

В результате взаимодействия радиоактивного излучения со внешней средой происходит ионизация и возбуждение ее нейтральных атомов и молекул. Эти процессы изменяют физико-химические свойства облучаемой среды. Взяв за основу эти явления, для регистрации и измерения ионизирующих излучений используют ионизационный, химический и сцинтилляционный методы.

Ионизационный метод. Сущность его заключается в том, что под воздействием ионизирующих излучений в среде (газовом объеме) происходит ионизация молекул, в результате чего электропроводность этой среды увеличивается. Если в нее поместить два электрода, к которым приложено постоянное напряжение, то между электродами возникает направленное движение ионов, т.е. Проходит так называемый ионизационный ток, который легко может быть измерен. Такие устройства называют детекторами излучений. В качестве детекторов в дозиметрических приборах используются ионизационные камеры и газоразрядные счетчики различных типов.

Химический метод. Его сущность состоит в том, что молекулы некоторых веществ в результате воздействия ионизирующих излучений распадаются, образуя новые химические соединения. Количество вновь образованных химических веществ можно определить различными способами. Наиболее удобным для этого является способ, основанный на изменении плотности окраски реактива, с которым вновь образованное химическое соединение вступает в реакцию.

Сцинтилляционный метод. Этот метод основывается на том, что некоторые вещества (сернистый цинк, йодистый натрий, вольфрамат кальция) светятся при воздействии на них ионизирующих излучений. Возникновение свечения является следствием возбуждения атомов под воздействием излучений: при возвращении в основное состояние атомы испускают фотоны видимого света различной яркости (сцинтилляции). Фотоны видимого света улавливаются специальным прибором – так называемым фотоэлектронным умножителем, способным регистрировать каждую вспышку.

Одним из вариантов химического метода является фотографический метод. В его основе лежит восстановление атомов металлического серебра из галоидной соли под влиянием излучений. Плотность почернения фотопленки после проявления зависит от дозы излучения. Данный метод часто используется в приборах контроля профессионального облучения.

Сущность люминесцентных методов состоит в том, что под действием ионизирующего излучения в некоторых твердотельных изоляторах (кристаллах и стеклах) носители электрических зарядов (электроны и дырки) изменяют свое положение и частично задерживаются в местах, где имеются дефекты кристаллической решетки с соответствующими максимумами или минимумами электрического поля. Центры, образованные в результате захвата носителей заряда, обладают некоторыми разрешенными энергетическими уровнями, между которыми возможны квантовые переходы носителя заряда, соответствующие испусканию или поглощению энергии.

 Трековый метод, так же как и активационный метод, позволяет оценить флюенсы нейтронов в определенных энергетических диапазонах с последующим расчетным определением дозы. Из-за своей сложности эти методы применяются главным образом в лабораторных условиях.

Существуют и другие методы дозиметрии, применяемые в научных исследованиях и гигиеническом нормировании профессионального облучения. Некоторые из них, например, основанные на изменении электрических свойств полупроводников при действии излучения, перспективны для разработки полевых и индивидуальных средств дозиметрии.

3.2. Единицы  измерения

Эффективность взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависит от типа излучения, энергии частиц и сечения взаимодействия облучаемого вещества. Важные показатели взаимодействия ионизирующего излучения с веществом:а)линейная передача энергии (ЛПЭ), показывающая, какую энергию излучение передаёт среде на единице длины пробега при единичной плотности вещества;б)поглощённая доза излучения, показывающая, какая энергия излучения поглощается в единице массы вещества.

В Международной системе единиц СИ единицей поглощённой дозы является грэй (Гр, англ. gray, Gy), численно равный поглощённой энергии в 1 Дж на 1 кг массы вещества. Иногда встречается устаревшая внесистемная единица рад (англ. rad): доза, соответствующая поглощенной энергии 100 эрг на 1 грамм вещества. 1 рад = 0,01 Гр.