Швидкий розвиток ядерної енергетики і широке впровадження джерел іонізуючих випромінювань у різних областях науки, техніки і народного господарства створили потенційну погрозу радіаційної небезпеки для людини і забруднення навколишнього середовища радіоактивними речовинами. Слід мати на увазі, що в основному людина підвергається іонізуючим опромінюванням природного походження (космічного та земного). На частку земного опромінювання припадає 5/6 природного опромінювання, в основному в наслідок дії радіоактивних нуклідів, що попадають в організм з їжею, водою та повітрям. Радіоактивні ізотопи міститися у гірничих породах (калій-40, уран-238, торій- 232 та ін.), які широко використовуються в будівництві та інших галузях господарства. Останні досліджування показали, що значна частка природного опромінювання припадає на газ радон, якій утворюється при розпаду урану та торию і виділяється з породи, при розпилу води та спалюваній газу. В закритих приміщеннях концентрація радону може досягати кількох тисяч Бк/м3 . Додаткове опромінювання людина долучає за рахунок викидів твердих часток, які вміщують радіоактивні сполуки при спалюванні вугілля і мазуту. Середи штучних джерел іонізуючого опромінювання важливим для сучасної людини є медичні дослідження та радіотерапія. Так, при рентгенографії зубів доза опромінювання у черепі може досягати 60 – 130 мкЗв. Середнє мирової рівень додаткової дози від медичних процедур дорівнюється 0,4мЗв на рік, що складає 20% від фонового опромінювання. Тому питання захисту від іонізуючих випромінювань (чи радіаційна безпека) перетворюються в одну з найважливіших проблем.
Радіоактивність — мимовільне перетворення (розпад) атомних ядер деяких хімічних елементів (урану, торію, радію, та ін.), що приводить до зміни їхнього атомного номера і масового числа. Такі елементи називаються радіоактивними,
Радіоактивні речовини розпадаються зі строго визначеною швидкістю, вимірюваної періодом напіврозпаду, тобто тимчасовий, протягом якого розпадається половина всіх атомів. Радіоактивний розпад не може бути зупинений чи прискорений яким-небудь способом.
У результаті радіоактивних перетворень можуть виникати різні частки з різною енергією a,b, n, фотони (g,R).
Альфа-випромінювання— потік позитивно заряджених часток (ядер атомів гелію), що відтворюються при розпаду ядер або при ядерних реакціях. Вони мають велику іонізуючу дію, але малу проникаючу здатність.
Бета-випромінювання — потік негативно заряджених часток (електронів) або позитивних (позитронів), що відтворюються при розпаді ядер або нестабільних часток. Пробіг b- часток в повітрі складає приблизно 3,8м/МєВ. Іонізуюча здатність b- часток на два порядки нижче α – часток.
Гамма випромінювання являють собою короткохвильове електромагнітне випромінювання (фотонне випромінювання). Воно відтворюються при змінах енергетичного стану атомних ядер, а також при ядерних утвореннях.
Рентгенівське випромінювання також є електромагнітне (фотонне) випромінювання, яке відбувається при змінах енергетичного стану електронів атома, або при зменшенні кінетичної енергії заряджених часток (гальмове випромінювання). Гамма та рентгенівські випромінювання мають невелику іонізуючу дію, але дуже велику проникаючу здатність.
Основні характеристики іонізуючих випромінювань
| Вид випромінювань | Фізична природа | Швид-кість розповсюдження | Енергія випромінювань | Глибина проникнення | Іонізуюча здібність, пар іонів на 1 мм в повітрі | |
| Повіт-ря | Біологіч-на тканина | |||||
| Альфа (α) | Ядра гелію Не+ | 20000 км/с | 3-10 МэВ | 2,5-11 см | 30-130 мкм | 1000 –3000 |
| Бета (β) | Електроні, позитроні | 290000 км/с | 0,0005-8 МэВ | 0,002-34 м | 0,003-41,3 мм | 30-50 |
| Протони(ρ) | Ядра водню Н+ | 200000 км/с | 1-15 МэВ | 2,3 –238 см | 23 – 2380 мкм | 900- 6300 |
| Гамма (γ) | Фотонне, ЕМВ (довжина хвилі 0,01-0,0005 нм) | км/с | 0,01-10 МэВ | 4,6-0,014* | 4,9-0,015* | 2-4 |
| Рентгенів-ське (R) | Фотонне, ЕМВ (довжина хвилі 6-0,01 нм) | 300000 км/с | 0,001-1 МэВ | 50 – 0,028* | 52 – 0,03* | 1-2 |
* - коефіцієнт ослаблення енергії фотонів (масовий коефіцієнт передачі енергії ).
Іонізуючі випромінювання мають ряд загальних властивостей, два з який — здатність, проникати через матеріали різної товщини й іонізувати повітря і живі клітки організму.
Іонізуючі випромінювання, проходячи через різні речовини, взаємодіють з їхніми атомами і молекулами. Така взаємодія приводить до порушення атомів і вириванню окремих електронів з електронних оболонок нейтрального атома. У результаті атом, позбавлений одного чи декількох електронів, перетворюється в позитивно заряджений іон — відбувається іонізація. Електрони, що втратили в результаті багаторазових зіткнень свою енергію, залишаються вільними чи приєднуються, до якого-небудь нейтрального атома, утворити негативно заряджені іони. Таким чином, енергія випромінювання при проходженні через речовину витрачається в основному на іонізацію середовища. Число пар іонів, створюваних іонізуючим випромінюванням у речовині на одиниці шляху пробігу, називається питомою іонізацією, а середня енергія, затрачувана іонізуючим випромінюванням на утворення одні пари іонів, — середньою роботою іонізації.
В міру просування у середовище заряджена частка утрачає свою енергію. Відстань, пройдена часткою від місця утворення до місця втрати нею надлишкової енергії, називається довжиною пробігу.
Мимовільний розпад радіоактивних ядер супроводжується іонізуючим випромінюванням. Кожен радіонуклід (радіоізотоп) розпадається зі своєю швидкістю.
Як відомо, ця швидкість розпаду А пропорційна числу ядер радіонукліда
А=lN,
де N-число ядер радіонукліда; l- постійна розпаду, що характеризує імовірність розпаду за одиницю часу (частка загального числа атомів ізотопу, що розпадаються щосекунди). Чим більше вона, тим швидше відбувається розпад.
Постійна розпаду l зв'язана з періодом напіврозпаду співвідношенням
Т12=0,693l
Для кожного ізотопу маються свої значення l і Т1/2. Наприклад, для калію-40 (β, γ випромінювання ) Т1/2=1,28*109 лет , цезію - 137 Т1/2(β, γ випромінювання )Т1/2=30 лет, стронцію – 90 (β, випромінювання) Т1/2=28 лет, йоду – 131(β, γ випромінювання) Т1/2=8 діб.
На підставі викладеного можна дати наступне визначення активності як кількісної характеристики джерела випромінювань.
Активністю називається міра кількості радіоактивної речовини, що виражається числом радіоактивних перетворень в одиницю часу.
У системі одиниць СИ за одиницю активності прийняте одне ядерне перетворення в секунду . Ця одиниця одержала назву бекереля (Бк). Позасистемної одиницею виміру активності є кюрі (Ки). Це одиниця активності радіонукліда в джерелі, рівне активності нукліда в який відбувається 3,7*1010 актів розпаду в одну секунду.
Одиниця активності кюрі відповідає активності 1 г Ra.
Випускаються радіоактивним джерелом частки утворять потік, вимірюваний числом часток у 1 с. Число часток, що приходяться на одиницю поверхні (квадратний чи метр квадратний сантиметр), являє собою щільність потоку часток [частий./ (мін/м2), частий./(мін*см2), частий./(с*см2) і т.д.].
У дозиметрії застосовуються питома Ат (Бк/кг), об'ємна Аv (Бк-м3), молярна Амол (Бк/моль) і поверхнева Аs (Бк/м2) активності джерел.
Ступінь, глибина і форма променевих поразок, що розвиваються серед біологічних об'єктів при впливі на них іонізуючого випромінювання, у першу чергу залежать від величини поглиненої енергії випромінювання. Для характеристики цього показника використовується, поняття поглиненої дози, тобто енергії поглиненою одиницею маси речовини, що опромінюється. За одиницю поглиненої дози опромінення приймається джоуль на кілограм (Дж/кг)—Грей (Гр). Грей —поглинена доза випромінювання, передана масі речовини, що опромінюється, у 1 кг і вимірювана енергією в 1 Дж будь-якого іонізуючого випромінювання (1 Гр = 1 Дж/кг).
У радіобіології і радіаційній гігієні широке застосування одержала позасистемна одиниця поглиненої дози — рад. Рад — це така поглинена доза, при якій кількість поглиненої енергії в 1 г будь-якої речовини складає 100 ерг незалежно від виду й енергії випромінювання, 1 рад = 0,01 Гр.
Потужність дози (потужність поглиненої дози) Р- прирощення дози в одиницю часу. Вона характеризує швидкість нагромадження дози і може чи збільшуватися зменшуватися згодом. Якщо за деякий проміжок часу Dt збільшення дози дорівнює DD, то середнє значення потужності дози:
Р =DD/Dt
Для характеристики дози по ефекті іонізації, викликуваному в повітрі, використовується так називана експозиційна доза рентгенівського g- випромінювань — кількісна характеристика рентгенівського і g-випромінювань, заснована на їхній іонізуючому дії і виражена сумарним електричним зарядом іонів одного знака, утворених в одиниця об'єму повітря в умовах електронної рівноваги. За одиницю експозиційної дози рентгенівського і g- випромінювань приймається кулон на кілограм (Кл/кг).
Кулон на кілограм — експозиційна доза рентгенівського(R) або гамма (g)-випромінювань, при якій сполучена з цим випромінюванням корпускулярна емісія на кілограм сухого атмосферного повітря робить у повітрі іони, що несуть заряд у 1 Кл електрики кожного знака.
Позасистемної одиницею експозиційної дози рентгенівського (R) і гамма (g)- випромінювань є рентген (Р).
Рентген-одиниця експозиційної дози фотонного випромінювання, при проходженні якого через 0,001293 г повітря в результаті завершення всіх іонізаційних процесів у повітрі створюються іони, що несуть одну електростатичну одиницю кількості електрики кожного знака. Помітимо, що 0,001293 г-маса 1 см3 сухого атмосферного повітря при нормальних умовах [температура 0 оС і тиск 1013 м Па (1 атм фізична чи 760 мм рт. ст.)], у якій відбуваються первинні процеси взаємодії фотонів з повітрям. По визначенню, 1 Р відповідає заряд 1 СГСЭ = nq, де n— число іонів, q-заряд іона (q=4,8 10-10 СГСЭ).
Таким чином, для одержання експозиційної дози в 1 Р потрібно, щоб витрачена на іонізацію в 1 см3 (чи в 1 г) повітря енергія була відповідно дорівнює
1Р=0.114 ерг/см3=87.7 ерг/г.
Величини 0,114 ерг/см3 і 87,7 ерг/г прийнятий називати енергетичними еквівалентами рентгена. Співвідношення між поглиненою дозою випромінювання, вираженої в радах, і експозиційною дозою рентгенівського і g-випромінювань, вираженої в рентгенах, для повітря має вид
Dэксп=0,877Dпогл
Поглинена й експозиційна дози випромінювань, віднесені до одиниці часу, називаються потужністю поглиненої й експозиційної доз.
Вивчення процесів взаємодії випромінювань з речовиною необхідно для розуміння принципів дії дозиметричної і радіометричної апаратури і фізики захисту від випромінювань.