РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕРРИТОРИЙ Лащёнова Татьяна Николаевна Д-р биол.наук, канд.хим. наук, Профессор экологического факультета РУДН

Тема 1. Физические основы радиоактивности 2. Общие положения и основные требования обеспечения радиационной безопасности

Основные характеристики ионизирующего излучения Излучение процесс испускания и распространения энергии в виде волн и частиц. Радиация – синоним излучения.

Основные характеристики ионизирующего излучения Ионизирующее излучение - потоки фотонов, а также заряженных или нейтральных частиц, взаимодействие которых с веществом среды приводит к его ионизации. Неионизирующее излучение - излучения с длиной волны более 1000 нм и энергией меньше 10 кэВ, заведомо недостаточной, чтобы ионизировать вещество.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Радиоактивности Радиоактивность - способность атомных ядер к самопроизвольному превращению в другие ядра с испусканием одной или нескольких заряженных частиц и фотонов. Активность - это количество актов распада в единицу времени. Период полураспада (T1/2)- время, в течение которого половина радиоактивных атомов распадается. Удельная активность - активность радионуклида (или смеси радионуклидов) в единице веса или объёма вещества. Постоянная радиоактивного распада - доля атомов, распадающихся в 1 секунду, λ.

Энергетические строение атома Из периодической системы для любого элемента по номеру периода можно определить число энергетических уровней атома, и какой энергетический уровень является внешним. Главное квантовое число n – определяет энергетический уровень внешнего электрона, удаленность уровня от ядра, размер электронного облака. Принимает целые значения (n = 1, 2, 3...) и соответствует номеру периода. Главное квантовое число n = Обозначение энергетического уровня K L M N O P Q Орбитальное квантовое число – определяет форму электронного облака и энергию электрона на подуровне. Свойства элементарных частиц определяются местом положения в атоме: в ядре атома и на внешней оболочке

Свойства атомов Строение атома определяется расположением атома в периодической таблице Д. И. Менделеева. Свойства и основные характеристики зависят s-элементы p-элементы d-элементы f-элементы Пример. Элемент стронций Sr-90 расположен в пятом периоде. В его атоме электроны распределены по пяти энергетическим уровням (n = 1, n = 2, n = 3, n = 4, n = 5); внешним будет пятый уровень (n = 5). Н внешней орбите 2 электрона

Элементарные частицы название символ заряд масса протона+11 нейтронn°01 электроне, β0 позитроне+, β++10 нейтриноn00 антинейтриноn˜00 фотонγ00 альфа- частица α+24

Строение атома Нуклон Нуклон - протон и нейтрон, входящие в состав атомного ядра Массовое число Массовое число, А – общее число нуклонов A = Z + N Z – число протонов, атомный номер, N - число нейтронов Изотопы Изотопы - нуклиды с одинаковыми Z, но различными A и N Изобары Изобары - нуклиды с одинаковыми A, но различными Z и N Изотоны Изотоны - нуклиды с одинаковыми N, но различными Z и A

Виды радиоактивного распада -излучение - ионизирующее излучение,состоящее из -частиц (ядер гелия), испускаемых при ядерных превращениях. -излучение - электронное (позитронное) ионизирующее излучение с непрерывным энергетическим спектром, испускаемое при ядерных превращениях. - излучение - фотонное (электромагнитное) ионизирующее излучение, испускаемое при ядерных превращениях или аннигиляции частиц.

-излучение это поток -частиц (ядра гелия) -излучение это поток -частиц (ядра гелия) Пробег -частиц практически прямолинеен. При прохождении -частиц через вещество происходит взаимодействие с электронами атомов. При этом она либо выбивает электроны из оболочки атомов, либо либо переводит на более удаленную орбиту. Если при движении - частица выбивает электрон, образуется положительно заряженный ион, происходит ионизация среды. На ионизацию расходуется часть энергии - частиц, она теряет скорость и постепенно останавливается. При этом она присоединяет к себе 2 электрона и становится электронейтральным атомом - атомом гелия.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВЕЩЕСТВОМ Альфа-частицы Неупругие и упругие столкновения. Альфа-частицы распространяются от источника прямолинейно, теряют энергию главным образом при взаимодействии с электронами атомов. При этом происходят: ионизация атомов или молекул; возбуждение атомов или молекул; выбивание атомов. Тяжёлая частица может вызвать ядерную реакцию.

Альфа-излучение – поток ядер гелия

Источник Энергия, кэВ 226 Ra4781,82,4 210 Po5304,50,5 212 Bi6049,60,7 214 Po7688,40,6 212 Po8785,00,8

Взаимодействие - излучения с веществом При движении в веществе электронов, они взаимодействуют с электронами оболочек атома, происходит ионизация среды. - частица в 7000 раз меньше -частицы, она движется непрямолинейно, имеет место эффект рассеяния - частиц на электронах атома. Если - частица проходит вблизи ядра атома, то она тормозится в поле ядра, теряет скорость, энергию в виде тормозного излучения. Для бета-частиц существенное значение имеет неупругое взаимодействие с атомными ядрами, приводящее к испусканию жёсткого электромагнитного излучения.

Бета-излучение представляет собой поток электронов или позитронов ядерного происхождения. Физические параметры электронов ядерного происхождения (масса, заряд) такие же, как и у электронов атомной оболочки. Обозначаются бета-частицы символами Β - или е -, B + или е +. Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между бета- частицей и нейтрино.

Cs-137

Sr-90

Взаимодействие ИИ с веществом ОСЛАБЛЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ГАММА- ИЗЛУЧЕНИЯ В ВЕЩЕСТВЕ

Взаимодействие ИИ с веществом

Взаимодействие - излучения с веществом Гамма-кванты по пути перемещения передают часть энергии заряженным частицам, которые при своём движении ионизируют вещество. Теряют энергию за счёт процессов фотоэффекта, комптоновского рассеяния и образования электрон- позитронных пар.

Взаимодействие - излучения с веществом. Фотоэффект При фотоэффекте гамма-квант (он же - фотон), попадая в вещество, поглощается и передает всю свою энергию одному из атомных электронов и выбивает его из атома. При этом кинетическая энергия вылетевшего электрона равна энергии гамма-кванта за вычетом энергии связи электрона в ядре. После выбивания электрона свободный уровень заполняется электроном с другой оболочки ядра и акт фотопоглощения (поглощения попавшего в вещество фотона) завершается испусканием вторичного низкоэнергетического гамма-излучения - флуоресценцией. Как правило, электроны выбиваются с ближайшей к ядру К- оболочки. Если энергия гамма-кванта меньше энергии связи К- электрона, то выбиваются электроны с других оболочек. Фотоэффект наиболее вероятен при взаимодействии гамма-квантов небольшой энергии (до 200 кэВ) с веществами с большим Z (атомным номером).

Взаимодействие - излучения с веществом. Эффект комптоновского рассеяния (Комтон-эффект) При комптон-эффекте, в отличие от фотоэффекта гамма- квант не поглощается полностью в результате одного акта взаимодействия, а теряет свою энергию постепенно, путем упругого рассеяния на атомных электронах. Упругое рассеяние - это когда сумма кинетических энергий частиц до взаимодействия и после него остается постоянной. Итак, при упругом рассеянии на атомном электроне гамма-квант передает ему часть своей энергии и изменяет направление своего движения (по аналогии с движением биллиардных шаров). И так далее, взаимодействуя с другими электронами, пока не потеряет энергию полностью. Комптон-эффект преобладает над другими процессами взаимодействия гамма-квантов: от 0,5 до 5 МэВ в свинце, от 0,1 до 10 МэВ в железе, от 0,05 до 15 МэВ в алюминии и от 0,02 до 23 МэВ в воздухе.

Взаимодействие - излучения с веществом. Эффект образования пар В поле ядра или атомного электрона гамма-квант может превратиться в электронно-позитронную пару, которой передается вся его энергия. Суммарная кинетическая энергия электрона и позитрона равна энергии гамма-кванта за вычетом энергии покоя образованной пары - 2 m0*c2=1,022 МэВ m-масса электрона, с - скорость света в вакууме Поэтому эффект образования пар имеет энергетический порог - 1,022 МэВ. Образованный свободный позитрон нестабилен в присутствии электронов среды и быстро рекомбинирует с одним из них. При этом выделяется энергия 1,022 МэВ в виде двух аннигиляционных гамма-квантов(энергия каждого из них - 0,511 МэВ). Аннигиляционное излучение имеет наибольшее значение для гамма-квантов с энергией более 6 МэВ и сред с атомным номером более 25.

Нейтронное излучение Нейтрон не имеет электрического заряда, в свободном состоянии неустойчивая частица и претерпевает превращение. Масса покоя - 1,6748 *10-27 кг. n, 0 - заряд нейтрона, 1 - масса Излучение, обусловленное крупными незаряженными частицами, которые сами по себе не вызывают ионизации, но, выбивая электроны из их стабильных состояний, создают наведенную радиоактивность в материалах или тканях, сквозь которые они проходят.

Понятие о дозе Доза излучения (поглощенная доза) - энергия излучения, поглощенная в единице массы вещества. При одинаковых условиях облучения поглощенная доза зависит от состава облучаемого вещества и от вида излучения.

Поглощённая доза (D) - величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу: где de– средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объёме, а dm – масса вещества в этом объёме В системе СИ единица измерения: Грей [Дж/кг] = [Гр] Внесистемная единица 1 рад=100 эрг/г 1 рад = 10 –2 Дж/кг 1Гр=100 рад

Льюис Харольд Грэй ( ) британский физик, один из основателей радиобиологии. Исследовал биологическую эффективность излучений, ввёл понятие поглощённой дозы

Рольф Максимилиан Зиверт ( ) шведский радиофизик, изучавший воздействие радиационного излучения на биологические организмы, один из родоначальников радиобиологии.

Дозы излучения ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА (Н) зиверт [Зв] 1 Зв = 100 бэр ЭФФЕКТИВНАЯ ДОЗА (Е) зиверт [Зв] 1 Зв = 100 бэр

Эквивалентная доза Произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения. Введена для характеристики неблагоприятных последствий воздействия излучения на человеческий организм. Единица измерения - бэр (биологический эквивалент рада). Эквивалентная доза характеризует максимальное воздействие излучения на все тело (органы или ткани). Для бета (гамма)-излучения коэффициент качества излучения равен 1. Для альфа-излучения -20.

Эффективная доза. Мощность дозы. Эффективная доза - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий всего тела человека и отдельных его органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органе Н T на соответствующий взвешивающий козффициент для данного органа или ткани: Е= WT* Н, где Н - эквивалентная доза в ткани Т за время, WT - взвешивающий коэффийиент для ткани Т. Единица измерения эффективной дозы - Дж/кг, которая имеет специальное наименование -зиверт (Зв).

Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчете эквивалентной дозы (WR) - используемые в радиационной защите множители поглощенной дозы, учитывающие относительную эффективность различных видов излучения в индуцировании биологических эффектов. Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффективной дозы (WТ) - множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учета различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации.

Взвешивающие коэффициенты W R для отдельных видов излучения ИзлучениеWRWR Фотоны любых энергий 1 Электроны любых энергий 1 Нейтроны с энергией <10 кэВ от 10 кэВ до 100 кэВ от 100 кэВ до 2 МэВ от 2 МэВ до 20 МэВ более 20 МэВ Протоны с энергией более 2 МэВ5 Альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра 20

Взвешивающие коэффициенты W T для тканей и органов Ткани и органыWTWT Гонады 0,2 Красный костный мозг 0,12 Лёгкие 0,12 Щитовидная железа 0,05 Кожа 0,01 Всё тело 1

Доза излучения - величина, используемая для оценки воздействия ИИ на любые вещества, ткани и живые организмы Экспозиционная доза (Х) – мера ионизирующей способности фотонного излучения в воздухе, [Кл/кг]. 1 Р = 2,58 · 10 – 4 Кл/кг Мощность экспозиционной дозы - мкР/ч 1 мкР/ч=0,01 мк Зв/ч

Экспозиционная доза. Мощность дозы. Экспозиционная доза - мера ионизационного действия фотонного излучения, определяемая по ионизации воздуха в условиях электронного равновесия, т.е. тогда, когда поглощенная энергия излучения в единице объема равна суммарной кинетической энергии ионизирующих частиц (электронов и позитронов), образованных в том же объеме. Непосредственно измеряемой физической величиной при определении экспозиционной дозы фотонного излучения является общий электрический заряд ионов одного знака, образованных в воздухе за время облучения. Внесистемная единица измерения - Рентген (Р). 1 Рентген - такая доза фотонного (рентгеновского и гамма- излучения), при которой в 1 см 3 сухого атмосферного воздуха, в результате процессов ионизации образуется количество пар ионов (2,08*109) с суммарным зарядом, равным одной электростатической единице электричества. 1Р=2,58*10-4 Кл/кг. Экспозиционная доза применяется только для воздуха и энергий фотонного излучения не выше 3 МэВ (мегаэлектронвольт)

Спасибо за внимание!