Учебный материал для выполнения задания. Радиоактивность - самопроизвольное превращение ядер атомов одних элементов в другие, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений

Радиоактивность - самопроизвольное превращение ядер атомов одних элементов в другие, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений. Мера радиоактивности - скорость распада ядер атомов. Единицы радиоактивности: беккерель (Бк) - в Международной системе единиц (SI): 1 Бк = 1 распад/сек; кюри (Ки) - внесистемная единица радиоактивности: 1 Ки = 3,7 · 10¹⁰ расп/сек = 2,2 · 10¹² расп/мин; милиграмм-эквивалент радия (мг-экв Ra) - непрямая единица активности, соответствующая активности источника, создающего в окружающем воздухе такую же ионизацию, как g-излучение 1 мг радия. Удельная радиоактивность воды и других жидкостей выражается в Бк/л или Ки/л; пищевых продуктов и других твердых веществ – в Бк/кг или Ки/кг.

Закон радиоактивного распада ядер неустойчивых изотопов: 1. Радиоактивный распад отдельного ядра не зависит от распада других ядер. 2. Для процесса радиоактивного распада любого ядра характерен экспоненциальный закон уменьшения во времени среднего числа активных ядер (рис. 11). Период полураспада Т_1/2 – это промежуток времени, за который число (радио)активных ядер снизится на 50%.

Рис. 11. Зависимость количества ядер неустойчивых изотопов в

источнике излучения от времени (Т_1/2 – период полураспада)

Излучения могут иметь корпускулярную или фотонную (электромагнитную) природу. Корпускулярные излученияпредставляют собой поток элементарных частиц: α-лучи (ядра гелия), b-лучи (электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино и пр.), протоны (¹p₁), нейтроны (¹n₀) и др.; фотонное излучение (поток квантов энергии hν) представлено g-излучением и сходным с ним по физико-химическим свойствам и биологическому действию рентгеновским (R- или Х-лучи).

Тип спонтанного превращения неустойчивого изотопа определяется типом испускаемых ядерных частиц:

1. Альфа-распад - характерен для естественных радиоактивных изотопов с большими порядковыми номерами и малыми энергиями внутриатомных связей. Выделяется a-частица и g-квант: ²²⁶₈₈Ra ® ⁴₂a + ²²²₈₆Rn + g.

2. Электронный бета-распад возможен у естественных и искусственных изотопов. Выделяются электрон, нейтрино и энергия: ⁴⁰₁₉K®e _–1+⁴⁰₂₀Ca+n+ g.

3. Позитронный бета-распад имеет место у некоторых искусственных изотопов. Выделяются позитрон, нейтрино и g-квант: ³²₁₅P®e ₊₁+³²₁₄Si+n+g.

4. К-захват ядром электрона с К-орбиты атома. Выделяются нейтрино и g-квант: ⁶⁴₂₉Cu + e _–1 ® ⁶⁴₂₈ Ni + n + g.

5. Деление ядеру радиоактивных элементов с большим атомным номером при ядерных реакциях с нейтронами. Выделяются нейтроны и энергия, идет цепная реакция: ²³⁵₉₂U + ¹₀n ® ⁹⁰₃₆Kr + ¹⁴⁰₅₆Ba + 5 ¹₀ n + Е.

Рентгеновское излучение (Х-лучи) - это тормозное электромагнитное излучение или поток квантов энергии (hn), возникающих в результате торможения быстрых электронов (ß^--излучения) ядрами атомов вещества (рис. 12). Рентгеновское излучение занимает спектральную область между гамма- и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн от 10^-4 до 10^{3 0}А (ангстрем). Источники рентгеновских лучей – солнечное и космическое излучение; рентгеноизлучающие изотопы; рентгеновская трубка, в которой в результате бомбардировки металлической мишени электронами возникает тормозное рентгеновское излучение.

Рис. 12. Схема возникновения рентгеновского излучения

Рентгеновская трубка – это электровакуумный прибор, в котором катод испускает электроны, ускоряемые сильным электрическим полем между катодом и анодом. Электроны ударяются об анод и тормозятся, что вызывает испусканием анодом рентгеновских лучей. При этом энергия электронов частично преобразуется в энергию рентгеновских лучей. Рентгеновские трубки разнообразны и различаются по способу получения потока электронов (с термоэмиссионным катодом, с автоэмиссионным (острийным) катодом, с катодом, подвергаемым бомбардировке катионами и с радиоактивным источником бета-лучей); по способу вакуумирования (отпаянные, разборные); по времени излучения (непрерывные, импульсные); по способу охлаждения анода; по области излучения в рентгеновском диапазоне.

Нейтронное излучение возникает в результате ядерных реакций, например, при бомбардировке атомных ядер a-частицами. В первичном комплексе космических лучей нейтроны отсутствуют в силу нестабильности, но генерируются при их взаимодействии с атомами атмосферы[3]. Нейтроны в стабильных ядрах устойчивы, в свободном виде - нестабильны (распадаются на протоны, электроны и антинейтрино) и крайне реакционноспособны. Среднее время жизни нейтрона около 16 мин., в плотных средах – сотни микросекунд (мксек). Свободные быстрые нейтроны (с энергией > 0,5 Мэв) как и g-лучи обладают большой проникающей способностью. При столкновении с ядрами углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей живого организма, нейтроны теряют 10-15%, с ядрами водорода – 50% энергии. Поэтому вещества с большим числом атомов водорода (вода, парафин) замедляют нейтронный поток. При упругом столкновении в атомами нейтроны выбивают протоны, ионизирующие среду, и превращаются в медленные (тепловые) нейтроны, которые проникают в ядро и выбивают альфа-частицы, также вызывающие ионизацию среды. При неупругом столкновении «нейтрон - ядро атома» нейтрон поглощается атомом вещества с образованием тяжелого изотопа, подвергающегося бета-распаду с выделением g-лучей. Таким образом, исчезая, нейтрон вызывает ядерные реакции, приводящие в ряде случаев к образованию радиоактивных изотопов. Поэтому основным эффектом нейтронного излучения является т.н. "наведенная радиоактивность" (искусственная радиоактивность, возникающая в результате ядерной реакции стабильного изотопа вещества с быстрыми нейтронами).

Характер взаимодействия лучей с облучаемым веществом и физические эффекты взаимодействия:α-лучи и протоны - возбуждение и ионизация атомов;b-лучи - возбуждение, ионизация, тормозное рентгеновское излучение; g-лучи – ионизация атомов, фотоэффект, люминесцентный эффект, рассеяние атомными электронами, образование пар «электрон+позитрон»; быстрые нейтроны - ядерные реакции и наведенная (искусственная) активность; медленные нейтроны – тепловой эффект. (табл. 17).

Таблица 17 Свойства различных видов ионизирующего излучения

Биологическое действие ионизирующих излучений на ядро и органеллы клетки на 1-м («физическом») этапе заключается в ионизации молекул воды и образовании химически активных центров («первичных радикалов»: О^-2, ОН^-, Н₂О₂^-2, НО₂^-3), обладающих высоким окислительным потенциалом. Одновременно могут разрушаться SH-группы белков, группы тимина в ДНК, ненасыщенные связи липидов.

2-й этап («химический») – взаимодействие активных радикалов с биомолекулами белков, нуклеиновых кислот и углеводов, что ведет к их деструкции. При взаимодействии с липидами образуются перекиси («вторичные радикалы»), играющие большую роль в развитии лучевого поражения: нарушается структура биологических мембран, высвобождаются многие ферменты.

3-й этап – биохимические изменения в клетках: возрастание активности ферментов ведет к распаду нуклеиновых кислот и белков, повреждается структура митохондрий и лизосом клеток. В результате физического, химического и биохимического усиления радиационного эффекта даже ничтожно малая поглощенная энергия губительна для отдельных клеток. При больших дозах происходит пикноз и исчезновение клеточного ядра, протоплазматические структуры набухают, клетки разрушаются. Радиочувствительны клетки в период роста, деления и дифференцировки и интенсивно пролиферирующие ткани. Органы, облучение которых данной дозой причиняет наибольший вред живому организму, называются критическими органами. В качестве критических органов принято рассматривать кожу, кроветворные органы, гонады и хрусталик глаза (помутнение вследствие отмирания клеток хрусталика). Гаплоидные организмы менее устойчивы к радиации, чем диплоидные. В целом видовая чувствительность возрастает по мере усложнения организма. Наиболее чувствительны к облучению новорожденные и пожилые люди, а также беременные женщины.

Различают «пороговые» и «беспороговые» эффекты действия ионизирующего излучения (ИИ) на организм.

Детерминированные эффекты (рис. 13-А) проявляются после определенного дозового порога и тяжесть поражения зависит от дозы: 1) непосредственные эффекты (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта), 2) отдаленные эффекты (лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и пр.). Детерминированные эффекты возникают при кратковременном воздействии больших доз и мощностей доз ИИ и в высокой степени персонифицированы. Пороговые дозы для тканей и органов, пороги доз острого и хронического облучения существенно различаются (облучение в аналогичных суммарных дозах, растянутое во времени, в общем повышает уровень порога и острое воздействие ИИ всегда опаснее хронического в аналогичных дозах.). Детерминированные эффекты являются в основном предметом клинической медицины.

Рис. 13. Зависимости тяжести детерминированного эффекта (А) и вероятности стохастического эффекта среднестатистического веловека (В) от дозы облучения

Таблица 18. Оценка порогов детерминированных эффектов у взрослых людей

(МКРЗ, 1990, Публикация №60)

Для стохастических эффектов (рис. 13-В) порога не существует, их реализация возможна при сколь угодно малых дозах облучения. От полученной дозы линейно зависит вероятность их возникновения у среднестатистического индивидуума и в популяции, но не тяжесть проявления. К стохастическим эффектам относят соматические (злокачественные опухоли, лейкозы) и генетические эффекты (наследственные болезни у потомства облученных), которые всегда носят отдаленный характер, т.к. реализуются после латентного периода (для лейкемии - 2-3 года с максимумом частоты через 7-10 лет, для большинства видов рака – 10 лет, в среднем 20-25 лет). Стохастические эффекты являются предметом профилактической медицины.

Гигиеническая оценка радиоактивного загрязнения объектов производится по уровню предельного годового поступления определенных радиоактивных изотопов с вдыхаемым воздухом, питьевой водой и пищей (ПГП) - показателю внутреннего облучения человека инкорпорированными радионуклидами (табл.19). При поступлении радионуклидов через органы дыхания изотопы подразделяют на 3 класса в зависимости от длительности эффективного периода: класс М (медленный) – при Т_эфф > 100 суток; П (промежуточный) – при Т_эфф = 10-100 сут. и Б (быстрый) при Т_эфф< 10 сут.

Таблица 19. Пределы годового поступления некоторых радионуклидов с воздухом, водой и пищей для населения (НРБ-99)

Эффективный период – это период снижения активности изотопа в 2 раза за счет распада и выведения из организма:

Т_эфф. = (Т_{1/2 распада} · Т_{1/2 выведения}) / (Т_{1/2 распада} + Т_{1/2 выведения}),

где Т_{1/2 распада} – период полураспада изотопа, Т_{1/2 выведения} – период полувыведения изотопа из организма (для некоторых изотопов значительно зависит от возраста, например, Т_{1/2выведения Сs-137} = 9 дней (дети до 1 года) и 90 дней (пожилые 70 лет)). Чем выше эффективный период изотопа, тем больше его радиотоксичность (табл. 20).

Таблица 20. Эффективный период некоторых изотопов

Принципы радиометрии. Определение радиоактивности объектов среды называется радиометрией, методы которой основаны на способности ИИ вызывать ионизацию молекул среды (ионизационный метод) или некоторых химических веществ (люминофоров) преобразовывать энергию ИИ в световую (люминесцентный метод).

При работе с радиометром учитывают, что число импульсов, регистрируемых счетчиков в единицу времени несколько меньше числа истинных распадов, т.к. часть частиц и квантов не попадает в счетчик из-за хаотического характера распадов атомов и направления их движения, а также ввиду возможности одновременного попадания в счетчик двух и более частиц или квантов, которые вызовут один импульс тока. Газоразрядный счетчик Гейгера-Мюллера в ионизационном методе служит детектором ИИ (рис. 14).

Рис. 14. Схема счетчика Гейгера-Мюллера

Счетчик Гейгера-Льюиса представляет собой стеклянную или металлическую трубку, заполненную инертным газом с примесью паров спирта, в которую впаян анод в виде нити, а его стенка – катод (напряжение на электродах 800-2000 вольт). Образовавшиеся при ионизации газа ионы приобретают огромную кинетическую энергию и, устремляясь к противоположно заряженным электродам, производят вторичную ионизацию молекул газа. Одна частица или квант излучения вызывают полную мгновенную ионизацию газа в газоразрядной трубке, а декатронные или электронные счетчики радиометра фиксируют количество возникающих импульсов тока за секунду или минуту.

Сцинтилляционный детектор представляет собой цилиндр, внутренняя поверхность которого покрыта органическим (антрацен, стильбен, нафталин), либо неорганическим (ZnS, NaI, BaF₃) веществом, испускающим фотоны света под действием радиации. Вспышки света регистрируются фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) в виде импульсов тока.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: