Общая характеристика взаимодействия радиоактивных излучений с веществом

Обладающие высокой кинетической энергией - и -частицы проникают в вещество, при прохождении через которое они расходуют свою энергию на ионизацию и возбуждение встречных атомов и молекул. Ионизация происходит в том случае, если энергия частицы больше энергии связи орбитального электрона с ядром. При этом элек­трон отрывается с оболочки, а атом превращается в положительно заряженный ион. Освободившийся электрон обладает энергией и может так­же ионизовать встречные атомы (вторичная ионизация) и при опреде­ленных условиях захватывается нейтральным атомом, который превра­щается в отрицательно заряженный ион (рис. 4). Таким образом, каждый акт ионизации сопровождается возникновением пары ионов противополож­ного знака.

Положительный ион

Отрицательный ион

Рис. 4

Прохождение частицы через вещество может вызывать также сме­щение электронов в атоме на более высокие энергетические уровни, что приводит к возбуждению атомов. Этот процесс может вызывать возникновение вторичного излучения ( -излучения, рентгеновского, ультрафиолетового и даже видимого) при возвращении электрона в исходное состояние. В некоторых сложных молекулах при возбужде­нии образуются химически активные соединения- радикалы, вступаю­щие в различные химические реакции.

По мере проникновения излучения в вещество кинетическая энер­гия - и -частиц уменьшается до энергии теплового движения и ионизация вещества прекращается. При этом - частица захватывает 2 электрона и превращается в атом гелия. -частица остается в свободном состоянии, а позитрон может соединяться со свободным, электроном, образуя при этом 2 -кванта.

Испускаемые при радиоактивном распаде - частицы обладают ско­ростью 20 000 км/с и движутся в веществе прямолинейно, вызывая при этом ионизацию всех атомов на своем пути. Масса -частиц в 7000 раз меньше массы -частиц, а скорость движения достигает 20 000 км/с, поэтому -частицы испытывают многократное от­клонение от первоначального направления движения и вызывают ионизацию только отдельных атомов.

Взаимодействие -излучения с веществом происходит совершенно по-иному. Принципиальным отличием -излучения является тот факт, что оно при прохождении через вещество никогда не поглощается, а только ослабляется по экспоненциальному закону.

При этом передача энергии -излучения осуществляется тремя основными путями: за счет фотоэффекта, эффекта Комптона и образо­вания электрон-познтронных пар. Перечисленные процессы приводят к частичной или полной передаче энергии -излучения электронам, которые затем производят ионизацию вещества.

Наибольшую глубину проникновения излучения в вещество называют пробегом R.

Ионизирующая способность частицы оценивается средним числом пар ионов, образуемых на пути пробега R =1 см в воздухе. Чем выше кинетическая энергия частицы и ее заряд, тем выше ее ионизирующая способность. Чем выше ионизирующая способность частицы, тем быстрее она растрачивает свою энергию и, следовательно, тем меньше ее пробег в веществе.

Для - частиц ионизирующая способность составляет от 30 до 100 тыс. пар ионов на 1 см, пробег в воздухе до 10 см, в биоткани до 0,1 мм. Защитой от - излучения является тонкий слой любого ве­щества (одежда, бумага и т.д.).

Для -частиц ионизирующая способность – (20-300) пар ионов на 1 см, пробег в воздухе - от десятков см до 25 м, в биоткани - до 1 см. Защитой служит слой любого вещества толщиной –(1-2) см.

Для -излучения – (2-3) пары ионов на 1 см, высокая проникающая способность (несколько сот метров в воздухе), тело человека пронизывает насквозь. Защитой от -излучений могут служить толстые слои бетона, земли, воды или слой свинца толщиной несколько см.

3. 2. Основные дозиметрические понятия и величины

Доза излучения

По аналогии с понятием, используемым в фармакологии, для оценки уровня лучевого воздействия было введено понятие дозы излучения.

Исторически первым критерием, примененным для измерения ИИ, стал суммарный заряд частиц с электрическим зарядом одного знака, образовавшихся в единичном объеме воздуха вследствие его ионизации излучением. Именно таков физический смысл экспозиционной дозы (Х), определяемой по формуле: Х = dQ / dm,,

где: dQ – суммарный заряд всех ионов одного знака, возникающих в воздухе при облучении его ионизирующим излучением (ИИ) в малом объеме пространства, dm – масса воздуха в этом объеме.

В системе СИ единицей экспозиционной дозы является Кулон, деленный на килограмм (Кл/кг). Более часто, однако, применяется внесистемная единица экспозиционной дозы – рентген (Р), соответствующая образованию 2,1 × 10⁹ пар ионов с зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона, в 1 см³ сухого воздуха при нормальных условиях.

1 Кл/кг = 3876 Р и наоборот 1 Р = 2,58 × 10^-4 Кл/кг.

Изменения, вызываемые излучением в воздухе и в других средах (в том числе в тканях организма), количественно различны. Это связано с разным количеством энергии, передаваемой излучением одинаковым по массе количествам разных веществ. Учесть этот фактор можно, выражая количество ИИ в единицах поглощенной дозы (D). Физический смысл поглощенной дозы – количество энергии dE, переданной излучением единичной массе вещества dm:

D = dE / dm, dm ® 0.

В системе СИ поглощенную дозу выражают в греях (Гр):

1 Гр = 1 Дж/кг. Часто применяют внесистемную единицу поглощенной дозы – рад (аббревиатура “radiation absorbed dose”). Рад равен сантигрею (1 рад = 10^-2 Гр).

Если поглощенная доза распределяется в каком-то одном участке тела говорят о локальном облучении, а если облучению подвергается все тело или большая его часть – о тотальном облучении. Вариантами тотального облучения являются равномерное (неравномерность по дозе на отдельные части тела не превышает 10 %) и неравномерное облучение.

Непосредственно измерить все биологически значимые величины поглощенных доз трудно из-за незначительности энергии, передаваемой организму излучением. Так, при облучении человека массой 76 кг в дозе 4 Гр его телу будет передана энергия 305 Дж. Ее достаточно лишь для подъема тела на высоту 40 см или для его нагревания на 0,001˚ С. Поэтому непосредственно измеряется, как правило, экспозиционная доза ИИ, а поглощенная доза рассчитывается с учетом свойств среды, на которую действует облучение. В воздухе 1 Р соответствует 0,89 рад, а в тканях организма в среднем составляет 0,95 рад.

Различные ИИ вызывают в биосистемах количественно различные эффекты даже при одной поглощенной дозе. Это связано, главным образом, с такими характеристиками излучений, как линейная передача энергии (ЛПЭ) и коэффициент ослабления m. Для малоразмерных биологических объектов (например, для клеток) при одной и той же поглощенной дозе излучения его биологический эффект тем больше, чем больше величина ЛПЭ. Однако для крупных организмов такая зависимость нарушается, поскольку проникающая способность излучения находится, как правило, в обратной зависимости от ЛПЭ, и при высоких значениях последней распределение энергии ИИ внутри облучаемого объема оказывается неравномерным. Для сравнительной оценки биологического действия различных видов ИИ введено понятие эквивалентной дозы (Н). Она определяется как поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвевающий коэффициент для данного вида излучения: H = D × Q,

где: D – поглощенная доза в данной точке ткани, а Q – средний коэффициент качества излучения, который устанавливается для каждого вида излучения в зависимости от его ЛПЭ. Эквивалентную дозу, как правило, используют для оценки опасности хронического лучевого воздействия на организм.

В системе СИ единицей эквивалентной дозы служит зиверт (Зв), а внесистемной единицей является бэр (аббревиатура слов биологический эквивалент рада). 1 Зв = 100 бэр. Для рентгеновского, g- и b-излучений 1 Зв соответствует поглощенной дозе в 1 Гр.

При кратковременных лучевых воздействиях эквивалентную дозу можно рассчитать по формуле:

H = D × ОБЭ,

где Н – эквивалентная доза, бэр; D – поглощенная доза, рад; ОБЭ – коэффициент относительной биологической эффективности ИИ, который для рентгеновского и g-излучения обычно принимают равным единице. Величина ОБЭ для других ИИ зависит от их природы и от выбранного критерия оценки биологической эффективности излучения. ОБЭ >1 у излучений, более эффективных по конкретному критерию, чем рентгеновское или g-излучения.

Следует также учитывать, что одни органы и ткани более чувствительны к действию радиации, чем другие. Например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения вероятность возникновения рака в легких больше, чем в щитовидной железе. Облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических последствий. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с различными коэффициентами. Это положение положено в основу определения эффективной дозы, которая также измеряется в зивертах (Зв). Эффективная доза – это величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности.

Мощности дозы излучения.

Для характеристики интенсивности ИИ используют величину мощности дозы излучения. Мощность дозы понимают как дозу (экспозиционную, поглощенную или эквивалентную), регистрируемую за единицу времени. Непосредственно измеряют, как правило, мощность экспозиционной дозы. Ее единицей в системе СИ является Кл / (кг × с), то есть А/кг. Весьма часто пользуются внесистемной единицей мощности экспозиционной дозы – Р/ч и ее производными (мР/час, мкР/ч). Единицами мощности поглощенной дозы служат Гр/с, рад/с и их производные. При хронических воздействиях недифференцированных потоков ИИ используют внесистемные единицы мощности эквивалентной дозы: Зв/год и бэр/год.

Поиск по сайту: