Не нужно пугаться этого слова: оно обозначает попросту радиоактивные изотопы. Иногда в речи можно услышать слова «радионуклеид», или еще менее литературный вариант - «радионуклеотид». Правильный термин - именно радионуклид. Но что такое радиоактивный распад? Каковы свойства разных видов излучения и чем они отличаются? Обо всем - по порядку.

Определения в радиологии

С тех времен, когда произошел взрыв первой атомной бомбы, многие понятия из радиологии претерпели изменения. Вместо фразы «атомный котел» принято говорить «атомный реактор». Вместо словосочетания «радиоактивные лучи» пользуются выражением «ионизирующие излучения». Словосочетание «радиоактивный изотоп» заменено на «радионуклид».

Долгоживущие и короткоживущие радионуклиды

Альфа-, бета- и гамма-излучения сопровождают процесс распада атомного ядра. Что такое Ядра радионуклидов не являются стабильными - этим они и отличаются от других устойчивых изотопов. В определенный момент запускается процесс радиоактивного распада. Радионуклиды при этом превращаются в другие изотопы, в процессе чего испускаются альфа-, бета- и гамма-лучи. Радионуклиды имеют разный уровень нестабильности - некоторые из них распадаются в течение сотен, миллионов и даже миллиардов лет. К примеру, все изотопы урана, которые встречаются в природе, являются долгоживущими. Есть и такие радионуклиды, которые распадаются в течение секунд, дней, месяцев. Они зовутся короткоживущими.

Выброс альфа-, бета- и гамма-частиц сопровождает не любой распад. Но на самом деле радиоактивный распад сопровождается только выбросом альфа- или бета-частиц. В некоторых случаях этот процесс происходит в сопровождении гамма-лучей. Чистое гамма-излучение в природе не встречается. Чем больше скорость распада радионуклида, тем выше его уровень радиоактивности. Некоторые считают, что в природе существует альфа-, бета-, гамма- и дельта-распад. Это неверно. Дельта-распада не существует.

Единицы измерения радиоактивности

Однако в чем измеряется эта величина? Измерение радиоактивности позволяет выразить интенсивность распада в цифрах. Единица измерения активности радионуклида - беккерель. 1 беккерель (Бк) означает, что 1 распад происходит в 1 сек. Когда-то для этих измерений использовалась гораздо более крупная единица измерения - кюри (Ки): 1 кюри = 37 млрд беккерелей.

Естественно, сопоставлять необходимо одинаковые массы вещества, например 1 мг урана и 1 мг тория. Активность взятой единицы массы радионуклида называется удельной активностью. Чем больше период полураспада, тем меньше удельная радиоактивность.

Какие радионуклиды представляют собой большую опасность?

Свойства гамма-лучей

Этот вид излучения имеет ту же природу, что и ультрафиолетовое излучение, инфракрасные лучи или радиоволны. Гамма-лучи представляют собой фотонное излучение. Однако с чрезвычайно высокой скоростью фотонов. Этот тип излучения очень быстро проникает сквозь материалы. Чтобы задержать его, обычно используют свинец и бетон. Гамма-лучи способны преодолевать тысячи километров.

Миф об опасности

Сравнивая альфа-, гамма- и бета-излучение, люди обычно считают гамма-лучи наиболее опасными. Ведь они образуются при ядерных взрывах, преодолевают сотни километров и вызывают лучевую болезнь. Все это верно, однако не имеет непосредственного отношения к опасности лучей. Так как в этом случае говорят именно об их проникающей способности. Конечно, альфа-, бета- и гамма-лучи различаются в этом отношении. Однако опасность оценивается не проникающей способностью, а поглощенной дозой. Этот показатель высчитывается в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Таким образом, измеряется дробью. В ее числителе находится не количество альфа-, гамма- и бета-частиц, а именно энергия. К может быть жестким и мягким. Последнее обладает меньшей энергией. Продолжая аналогию с оружием, можно сказать: значение имеет не только калибр пули, важно и то, из чего производится выстрел - из рогатки или из дробовика.

Мы уже упоминали о многочисленных попытках повлиять на способность радия излучать радиоактивные лучи. Эти попытки не привели ни к какому результату. Однако, пытаясь воздействовать на радий магнитным полем, Пьер и Мария Кюри обнаружили, что хотя лучеиспускающая способность радия при помещении его в магнитное поле не меняется (интенсивность излучения остаётся неизменной), сами радиоактивные лучи претерпевают сильное изменение при прохождении через магнитное поле. Однородный до вступления в магнитное поле луч разделяется полем на два луча. Один из этих лучей рас-пространяется так, как если бы магнитное поле на него совершенно не действовало; другой луч под влиянием поля резко изменяет направление своего движения.

Ко времени опытов Беккереля физикам уже были известны лучи, способные отклоняться в магнитном поле. Это были лучи, образованные потоком электрически заряженных частиц, движущихся в одном направлении. Из направления отклонения можно определить знак заряда, т. е. установить, является ли заряд частицы положительным или отрицательным. Более подробные сведения могли быть получены при наблюдении движения этих частиц в магнитном и электрическом полях. Как мы увидим далее, в этом случае возможно определить не только заряд, но и его отношение к массе движущейся частицы. Из опытов Кюри вытекало, что движущиеся заряды отрицательны, а измеренное отношение заряда к массе оказа-лось равным 5,3-10 17 электростатических единиц на грамм. Таким же отношением заряда к массе обладают электроны, имеющие отрицательный электрический заряд. Из этого сопо-ставления можно было заключить, что по крайней мере часть лучей, испускаемых радием, представляет собой поток движу-щихся электронов.

Была измерена величина скорости электронов, испускаемых радием. Она оказалась весьма большой. Некоторые из элек-тронов имели скорость, близкую к скорости света, т. е. около 3.00 000 км в секунду.

Эти исследования немного приоткрыли таинственное покры-вало, окутывающее радиоактивные лучи, - оказалось, что часть их представляет собой поток движущихся электронов. Но что же представляет собой другая часть лучей, которая не отклоняется магнитным полем?

За её исследование взялся Резерфорд. Он заметил, что неотклоняемая в магнитном поле часть радиоактивных лучей обладает такими же странными особенностями в поглощении, как и весь пучок. Хорошо было известно и раньше, что при прохождении радиоактивных лучей через вещество различной толщины они поглощаются сначала очень сильно, а затем медленно, так что, в общем, они могут проходить через зна-чительные толщи вещества. Поэтому можно было думать, что радиоактивные лучи неоднородны и представляют собой «смесь» различных лучей, одни из которых поглощаются сильно, а другие слабо. Такая мысль до опытов Пьера и Марии Кюри никем не высказывалась. Однако, когда опыты Кюри подтвер-дили сложность состава радиоактивного излучения, естественно было предположить, что сильно поглощаемая часть излучения является потоком электронов, а другая часть этих лучей, которая, подобно лучам Рентгена, не отклоняется магнитом, так же как и лучи Рентгена, сравнительно слабо поглощается веществом. Опыт, однако, показал, что эта часть радиоактив-ных лучей ведёт себя в отношении поглощения так же, как и весь пучок. Уже очень тонкие слои вещества резко ослаб-ляют её интенсивность, а затем даже сравнительно толстые слои вещества поглощают остающиеся лучи незначительно.

Это различие и побудило Резерфорда к дальнейшим ис-следованиям.

А что, если и та часть лучей радия, которую Пьер и Ма-рия Кюри не смогли отклонить магнитным полем, тоже не-однородна? Что, если они пользовались слабым магнитным полем? Может быть, сильное магнитное поле окажет иное действие? И Резерфорд повторяет их опыты, но при этом он создаёт магнитное поле, гораздо более сильное, чем в их опытах.

Результат опытов Резерфорда оказался поразительным. Пучок лучей, который в опытах Кюри не отклонялся магнит-ным полем, в магнитном поле Резерфорда в свою очередь расщепился на две части. Одна из них по-прежнему не откло-нялась магнитным полем, а другая часть под действием силь-ного магнитного поля слегка отклонялась от своего первона-чального направления. Весьма интересным оказалось то, что эти лучи отклоня-лись в сторону, противоположную отклонению электронов. Следовательно, и эта часть радиоактивных лучей представ-ляет собой поток заряженных частиц (ибо на движение не-заряженных частиц магнитное поле не действует) и притом заряженных положительно. Опыт показал, что новые состав-ляющие радиоактивных лучей в отношении поглощения вели себя вполне определённым образом.

Рис. 1.

1 --радиоактивное вещество; 2 -- свинцовая коробочка с тонким каналом, в котором помещается радиоактивное вещество; 3 -- лучи, не отклонённые магнитным полем (гамма-лучи); 4 -- лучи, слабо отклоняемые магнитным полем (альфа-лучи); 5 -- лучи, сильно отклоняемые магнитным полем (бе-та-лучи); 6 --область, в которой создано магнитное поле.

Та часть радиоактивного излучения, которая совершенно не отклонялась магнитным полем, поглощалась очень незна-чительно. Та же часть радиоактивного излучения, которую

Резерфорду впервые удалось отклонить, поглощалась чрез-вычайно сильно.

Создавалось впечатление, что лучи, наблюдавшиеся вначале Беккерелем, пред-ставляют собой смесь трёх типов лучей.

На рис. 1 приведено схе-матическое изображение раз-деления радиоактивных лу-чей магнитным полем.

Радиоактивные лучи со-стоят из лучей трёх различ-ных типов. Каждый из них получил своё особое название и обозначение. Их обозначили и назвали тремя первыми бук-вами греческого алфавита: альфа (), бета () и гамма (). Альфа-лучами назвали те лу-чи, которые магнитным полем отклоняются слабо и представляют собой поток положительно заряженных ча-стиц. Бета-лучами стали назы-вать те лучи, которые сравни-тельно сильно отклоняются магнитным полем и представ-ляют собой поток электронов. Гамма-лучами стали называть лучи, которые совсем не отклоняются магнитным полем. Следует отметить, что альфа-лучи отклоняются в маг-нитном поле в виде узкого пучка, в то время как бета-лучи отклоняются магнитным полем в виде широкого размы-того пучка. Это обстоятельство говорит о том, что альфа-лучи, вылетающие из радия, имеют одинаковую энергию, а бета-лучи представляют собой поток электронов различной энергии.

Разделение радиоактивных лучей на альфа-, бета- и гамма--лучи позволило исследовать их свойства отдельно. Вот неко-торые результаты этих исследований.

Альфа-лучи поглощаются наиболее сильно. Тонкий листо-чек слюды или алюминия толщиной всего лишь в 0,05 мм поглощает альфа-лучи почти полностью. Достаточно завер-нуть радий в обыкновенную писчую бумагу, чтобы поглотить все альфа-лучи. Альфа-лучи сильно поглощаются воздухом. Слой воздуха толщиной всего лишь в 7 см поглощает альфа-лучи радия почти нацело.

Бета-лучи поглощаются веществом значительно слабее. Они в состоянии ещё в заметном количестве пройти через пластинку алюминия толщиной в несколько миллиметров.

Гамма-лучи поглощаются во много раз слабее бета-лучей. Они проходят через пластинку алюминия толщиной в несколько десятков сантиметров. Пластинка свинца толщиной в 1,3 см ослабляет интенсивность гамма-лучей всего лишь в два раза.

Помимо различия в степени поглощения, между альфа-, бета- и гамма-лучами существует большое различие в характере поглощения. Наиболее отчётливо оно проявляется в изменении интенсивности этих лучей при постепенном возрастании тол-щины поглощающего вещества.

Бета- и гамма-лучи поглощаются постепенно. Уже самые небольшие слои вещества в некоторой мере поглощают эти лучи. Число электронов и интенсивность гамма-лучей постепенно падают с увеличением толщины фильтрующего слоя.

Альфа-лучи ведут себя совершенно иначе. При прохожде-нии через малые слои вещества число альфа-частиц не изме-няется. Уменьшается только энергия этих частиц. С возра-станием толщины поглощающего слоя энергия частиц про-должает уменьшаться, но число их сохраняется. Так будет происходить до тех пор, пока толщина поглощающего слоя не достигнет некоторой определённой величины. Фильтр та-кой толщины задержит сразу все альфа-частицы.

Таким образом, каждая альфа-частица проходит в дан-ном веществе вполне определённый путь. Этот путь принято называть пробегом альфа-частицы. Пробег альфа-частицы за-висит от её энергии и от природы вещества, в котором она движется. Установив связь между пробегом и энергией альфа-частиц, можно в дальнейшем по величине пробега определять энергию альфа-частиц. Таким методом измерения энергии альфа-частиц широко пользуются на практике.

Сильное поглощение альфа-частиц может быть использовано для изучения их свойств.

Если взять радиоактивное вещество в виде шарика, то альфа-лучи, выходящие из всего объёма этого шарика, по-глощаются в самом шарике. Лишь очень тонкий поверхностный слой этого вещества испускает альфа-лучи, способные выйти наружу. Поэтому вне такого шарика должны наблюдаться главным образом бета- и гамма-лучи. Если же радиоактив-ное вещество распределить очень тонким слоем, то будут дей-ствовать почти- в одинаковом количестве все три рода лучей.

Сравнением действия радиоактивных лучей от толстого ра-диоактивного источника с действием радиоактивного препарата, распределённого в виде очень тонкого слоя, было установлено, что именно альфа-лучи ответственны за то, что радиоактивные лучи вызывают флюоресценцию и делают воздух проводником электричества.

Хорошо известно, что воздух делается проводником элек-тричества в том случае, если в нём образуются заряженные атомы - ионы. Альфа-лучи ионизуют воздух примерно в сто раз сильнее, чем бета- и гамма-лучи от того же радиоактив-ного источника. Но на образование ионов - на ионизацию воздуха требуется энергия. Было установлено, что на обра-зование одной пары ионов в воздухе требуется вполне опреде-лённая энергия, равная 33 электрон-вольтам В ядерной физике очень употребительна единица энергии, которую принято называть электрон-вольтом. Один электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон, проходящий в электри-ческом поле разность потенциалов в 1 вольт. Один электрон-вольт - очень малая единица энергии, равная всего лишь 1,6-10- 1Э джоуля. Так как альфа-частицы образуют много ионов, то при своём движении в воздухе они тратят большое количество энергии. Этим и объясняется описанное ранее свойство альфа-лучей сильно поглощаться различными веществами. Впоследствии мы расска-жем, как было измерено число пар ионов, создаваемых одной альфа-частицей. Сейчас мы ограничимся только указанием этой цифры. Оказалось, что одна альфа-частица создаёт в воз духе около 200000 пар ионов. Это позволяет нам оценить энергию одной альфа-частицы. Энергия альфа-частицы оказа-лась приблизительно равной 6000000 электрон-вольт.

Введение.

Радиационная медицина ‑ наука, изучающая действие ионизирующих излучений (ИИ) на организм человека, принципы лечения лучевых повреждений и профилактики возможных последствий облучения.

Среда обитания человека ‑ мир излучений, которые представляют собой перенос энергии через пространство в виде электромагнитных волн или субатомных частиц . Спектр электромагнитных излучений чрезвычайно широк. К ним относятся и свет, и звук. Они составная часть жизни. Человек адаптирован к излучениям в определенном диапазоне.

Излучения с длиной волны 10 ‑14 ‑10 ‑9 м представляют собой рентгеновское и гамма-излучения, с длиной около 10 ‑8 ‑10 ‑7 м (10–400 нм) – ультрафиолетовый свет, около 10 ‑6 м (400‑700 нм) ‑ видимый свет, около 10 ‑6 ‑10 ‑3 м (0,740‑1000 мкм) ‑ инфракрасный свет, 10 ‑3 ‑10 4 м ‑ радиоволны, 10 5 ‑10 8 м ‑ излучения, сопровождающие электричество. Электромагнитные волны нашли широкое применение в жизни общества ‑ промышленной рентгенографии и лучевой терапии (10 ‑14 ‑10 ‑13 м), медицинской рентгенографии (10 ‑12 ‑10 ‑10 м), фотографии (видимый и инфракрасный свет), радарах (10 ‑3 ‑10 ‑2 м), телевидении (10 ‑1 ‑10 0 м), радио (10 1 ‑10 4 м) и т.д.

Все виды излучений подразделяют на:

Ионизирующие излучения – альфа-, бета-, гамма-, рентгеновское излучения, коротковолновая часть ультрафиолетового света.

Неионизирующие излучения – длинноволновая часть ультрафиолетового света, видимый, инфракрасный свет, радиоволны.

Ионизирующие излучения обладают свойством ионизировать атомы. Излучение отрывает электроны и переносит их на оболочки других атомов. Например:

Н 2 О + hν → Н 2 О + + е –

Ионизированные атомы существуют доли секунд, т.к. электроны под действием электростатических сил возвращаются назад. В эти доли секунд ионизированные атомы запускают ряд патологических реакций, которые могут привести даже к гибели организма. Различие между ионизирующим излучением и неионизирующим в энергии. Если энергия излучения равна или больше 34 электрон-вольт (эВ), ‑ это ионизирующее излучение.

Электрон-вольт – единица, применяемая в ядерной физике для измерения энергии элементарных частиц и электромагнитных излучений. 1 эВ соответствует кинетической энергии, которую приобретет частица с зарядом равным заряду электрона (элементарный электрический заряд), проходя через электрическое поле с разностью потенциалов 1 В.

1эВ = 1,6∙10 ‑19 Дж.

Классификация ионизирующих излучений.

Различают два вида ИИ:

- Корпускулярные .

- Электромагнитные волны (квантовое или фотонное излучение).

Корпускулярные ИИ представляют собой поток частиц: электронов, протонов, нейтронов и т.д. Частицы могут быть нейтральными (нейтроны) и заряженными (альфа-частицы, бета-частицы, протоны). Существуют еще такие частицы как нейтрино, мезоны и другие, но как они действуют на организм человека изучено недостаточно.

К ИИ в виде электромагнитных волн относятся гамма- и рентгеновское излучения, коротковолновая часть ультрафиолетового света.

Краткая характеристика отдельных видов ионизирующих излучений (источники, энергия, проникающая способность, биологические эффекты, защита).

Альфа-излучение.

Альфа-частица представляет собой ядро атома гелия, которое состоит из 2 протонов и 2 нейтронов, заряд ядра +2, масса 4. Источником α-частиц всегда является распад радиоактивных веществ (РВ), но не все РВ являются α-излучателями. Естественный распад является способом самоуничтожения РВ. Нерадиоактивные вещества не распадаются. РВ при распаде дают дочерние продукты, очень часто радиоактивные благородные газы, последние являются короткоживущими, существуют всего несколько часов.

Существуют естественные (природные) и искусственные источники альфа-излучения . Например, к естественным источникам относятся радиоизотопы урановой группы. Родоначальник – уран-238 (238 U), который появился с момента образования планеты. Скорость его распада очень мала, он дожил до наших дней и присутствует везде ‑ в почве, воде, продуктах, теле человека. В крови, моче он доступен для количественного определения. Продукты распада 238 Uдают цепочку из 18 наименований, последнее вещество, свинец, является стабильным.

Искусственные α-излучателиобразуются в ядерных реакторах, в которых происходит синтез изотопов, часто не существующих в природе. Примером может быть плутоний-239 (239 Pu), используемый как ядерная взрывчатка. В природе в естественных условиях он не существует, имеет период полураспада 40000 лет, дороже золота.

Каждый радионуклид характеризуется энергией излучения. По энергии излучения радионуклиды можно идентифицировать с помощью спектрометра. Например, у 239 Puэнергия α-излучения равна 3,8 мегаэлектрон-вольт (МэВ). У большинства радионуклидов α-излучателей энергия α-излучения находится в диапазоне от 3 до 5 МэВ. Одна α-частица может ионизировать много атомов, число которых можно рассчитать. Например, α-частица с энергией 3,8 МэВ образует более 100 тысяч пар ионов (3,8 МэВ: 34 эВ).

Проникающая способность α-частиц низкая. Эта крупная, заряженная частица не может преодолеть даже лист бумаги. Пробег α-частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, в жидкостях и биологических тканях ‑ от 10 до 100 мкм. Например, проникающая способность в биологическом материале α-излучения 226 Racэнергией 4,8 МэВ близка к 40 мкм. Любые материалы, включая биологические ткани, полностью поглощают α-частицы. Эпидермис кожи поглощает α-излучение своими ороговевшими чешуйками, и живые клетки обычно не повреждаются. Ожогов кожи α-излучением не бывает. Даже слизь роговицы, слизистых оболочек защищает от воздействия α-частиц. Не описано случаев отравления 239 Puу рабочих атомной промышленности. При приеме внутрь он практически не всасывается при неповрежденной слизистой желудочно-кишечного тракта, выделяется с калом и не облучает в значительной степени слизистую.

Альфа-излучатели опасны при вдыхании, так как альвеолы не имеют защитного слоя. Если происходит их диффузия в кровь, возможно развитие острой лучевой болезни, вследствие высокой ионизирующей способности с образованием нескольких десятков тысяч пар ионов на одну частицу (от 20000 в начале пробега до 80000 в конце).

Принципы защиты. При работе с α-излучателями надо предотвратить их поступление во внутреннюю среду организма, в основном, путем защиты органов дыхания марлевой повязкой, респиратором, противогазом, изолирующим костюмом и другими средствами.

Бета-излучение.

Существует 2 разновидности бета-частиц: электроны (е -) и позитроны (е +). Они различаются зарядом, в остальном их свойства схожи.

Источники:

1. Радиоактивные вещества ‑ бета-излучатели (более 100). При естественном распаде излучают электроны или позитроны.

2. Бетатроны. Приборы, которые излучают электроны.

Существуют естественные и искусственные радионуклиды ‑ бета-излучатели . Главные из естественных:

Калий-40, присутствует в большом количестве в земной коре, особенно много его в минеральных удобрениях. Калий-40 ‑ смешанный излучатель (бета и гамма), поэтому возможна его регистрация портативными приборами. С помощью спектрометра излучения человека (СИЧ) можно определить количество калия-40 в организме. Так как соотношение между калием-40 и стабильным калием постоянное, можно определить общее содержание калия в организме.

Углерод-14 присутствует в организме человека. По содержанию в ископаемом объекте можно определить его возраст, для чего сравнивают с содержанием в живом объекте.

Искусственные бета-излучатели попали в окружающую среду в результате испытаний ядерного оружия в воздухе. Наиболее значимыми из них являются йод-125, стронций-90, цезий-137. Сейчас испытания ядерного оружия в воздухе запрещены и проводятся только под землей. Подземные взрывы вызывают землетрясения. На поверхность могут диффундировать только радиоактивные газы, которые быстро распадаются. Самая мощная бомба в 50 мегатонн (американцы назвали ее "большой Иван") была взорвана в 1962 г. Мощность атомной бомбы взорванной в Хиросиме – 4 килотонны.

Энергия бета-излучения меньше чем у альфа-излучения и составляет 10-100 килоэлектрон-вольт (кэВ). Бета-излучение обладает меньшей ионизирующей способностью при сравнении с альфа-излучением (несколько десятков пар ионов на микрометр пробега). При торможении электронов в веществе возникает тормозное рентгеновское излучение.

Проникающая способность бета-частиц больше, чем у альфа-частиц, а заряд и масса меньше. По воздуху бета-частицы распространяются до нескольких метров, в биологических тканях до нескольких сантиметров. Проникающая способность в биологическом материале β-излучения с энергией 2-5 МэВ равна 1-2,5 см. Бета-частицы имеют малую массу и при столкновении с другими элементарными частицами отклоняются, их путь извилист. Любые ткани поглощают бета-частицы. У пострадавших в результате чернобыльской аварии не было выявлено ожогов стоп, так как обувь эффективно поглощает бета- излучение. Без защиты бета-частицы могут проникать до росткового слоя кожи и поражать его. Ожоги, как правило, поверхностные, 1-2 степени. При внешнем облучении костный мозг не повреждается, и депрессии кроветворения, как правило, не наблюдается.

Бетатроны. Есть медицинские бетатроны, которые дают пучок электронов, направляемый на больной орган (опухоль). При контакте с пучком происходит локальное повреждение органов. У бетатрона энергия пучка может быть до 50 МэВ. Пучок электронов с энергией до 25 МэВ создает в тканях ионизацию с максимумом ее на глубине 1-3 см, затем доза быстро падает и на глубине 10 см практически близка к нулю. При уменьшении энергии электронов до 5-6 МэВ максимум дозы сдвигается ближе к поверхности тела. Костная ткань более значительно уменьшает пробег электронов.

Принципы защиты от бета-излучения. Основная задача защитить от поверхностного облучения кожу и видимые слизистые. Должно быть меньше открытых частей тела. Сухие хлопчатобумажные ткани защищают кожу не хуже, чем резина, мокрые пропускают бета-излучение. Необходимо защитить органы дыхания. Сложенный вчетверо носовой платок защищает в 8 раз, респиратор – в 100 раз.

Протоны (р) имеют массу, равную 1 а.е.м., заряд +1. Протоны являются составной частью космического излучения, однако, в основном, поглощаются атмосферой. Протоны образуются также на ускорителях тяжелых заряженных частиц промышленного и медицинского назначения типа синхроциклотрона. Ускоритель протонов представляет собой сложное инженерное сооружение. Двигаясь по спирали в однородном магнитном поле, протоны достигают больших энергий. Их пробег в воздухе достигает десятков метров. Длину пробега протонов и место их остановки в тканях пациента регулируют с помощью выбора толщины тормозящего фильтра, который изменяет энергию пучка. Это позволяет формировать пучок протонов с необходимыми лечебными свойствами.

Протоны постепенно теряют свою энергию при столкновении с ядрами атомов и внешними электронами. Так как масса протонов, как и масса альфа-частиц, значительно превышает массу электронов атомов, с которыми они соударяются, их траектория почти прямолинейна до конца пробега. Пробег протонов сэнергией 120 и 140 МэВ в тканях составляет соответственно 11 и 14 см. Ионизирующая способность пучка протонов резко возрастает в конце пробега (пик Брегга). Это позволяет подвести высокую дозу к облучаемой опухоли (до 100-200 Гр) без существенного облучения здоровых тканей. Ускорители протонов позволяют облучать строго ограниченные объемы тканей от 1 см 3 и более. На ускорителях протонов работает ограниченное число людей. Описаны несчастные случаи с непреднамеренным попаданием протонного пучка в голову. При этом наблюдается эффект воздействия как от укола иглой. Исход зависел от того, что было повреждено.

Нейтроны.

Нейтроны (n) имеют массу, равную 1 а.е.м., заряд 0. Источник нейтронного потока ‑ цепные ядерные реакции (ЦЯР). Эти реакции идут на солнце и дают солнечную энергию. Нейтроны доходят от солнца до верхних слоев атмосферы земли и поглощаются парами и воздухом. В обычных условиях человек не подвергается воздействию нейтронов. Нейтроны возникают при ядерном взрыве, вызывают тяжелое поражение, хотя действие длится секунды. Нейтроны поддерживают ЦЯР в ядерных реакторах, где их удерживают отражателями, чтобы они не выходили из активной зоны.

Энергия нейтронов колеблется в очень широком диапазоне от 0,025 эВ до 300 и более МэВ. По энергии различают медленные и быстрые нейтроны , между которыми граница находится в области 1 МэВ. К медленным относятся нейтроны с небольшой энергией, которые получили название тепловых нейтронов . Нейтроны с энергией в сотни и тысячи эВ называются промежуточными . Нейтроны с энергией более 1МэВ – быстрые . Нейтроны с энергией более 20 Мэв – сверхбыстрые .

В ускорителях нейтронов – пучковые потоки. Пучки нейтронов с энергией 10-15 МэВ имеют максимум ионизации непосредственно на поверхности тела. Энергия определяет проникающую способность . Нейтроны не имеют заряда, проникают вглубь атома и взаимодействуют непосредственно с ядрами. Теоретически нейтроны распространяются до бесконечности, но препятствиями поглощаются. Проникающая способность в биологическом материале нейтронов с энергией 14 МэВ составляет 10 см. Содержащие водород соединения хорошо поглощают нейтроны (вода, парафин, пластмассы). Нейтрон имеет массу, равную массе протона, при столкновении с водородом наблюдается эффект равных шаров (упругое рассеяние ). Нейтрон передает протону половину энергии, последний (протон отдачи ) начинает двигаться и ионизировать другие атомы. При столкновении нейтрона с крупными ядрами эффектотражения (неупругое рассеяние ) . При этом часть энергии нейтрона возбуждает ядро отдачи , которое переходит в стабильное состояние, излучая гамма-квант.

При определенных условиях нейтроны могут поглощаться ядрами (радиационный захват ), переводя их в возбужденное состояние, и вызывать ЦЯР (деление или синтез ядер). Нейтроны способны вызывать наведенную активность , превращая нерадиоактивные в радиоактивные атомы. Нейтроны могут образовывать радиоактивные золото, железо и др. Наводиться могут все металлы (золотые зубы, кольца, расчески). Описан ожог языка от прилегающей коронки зуба после облучения нейтронами. По степени наведенной активности физики могут определить дозу облучения. Нейтронная бомба была создана как противотанковое оружие, так как наводит радиоактивность. Это самая дорогая бомба, сейчас ее производство прекращено.

Биологические эффекты нейтронов . Воздействие кратковременно. Так как нейтроны проникают везде, характерно повреждение кроветворной ткани. Отмечается односторонность повреждения. Большую дозу получает часть тела, повернутая к источнику, и на стороне поражения будет краснота кожи. В случае неравномерного поражения прогноз по кроветворению благоприятный, так как костный мозг сам себя пересадит в пораженные участки, и трансплантация костного мозга не требуется.

Для защиты используют экраны из воды, парафина, пластмасс. У свинца – меньшая защитная эффективность от нейтронов.

Рентгеновское излучение.

Различают характеристическое рентгеновское излучение и тормозное. Характеристическое излучение возникает при изменении энергетического состояния электрона в атоме с переходом его на более энергетически выгодную орбиталь. Тормозное рентгеновское излучение образуется при столкновении заряженных частиц (электронов) с частицами вещества, через которое они проходят. Этот принцип возникновения рентгеновского излучения при торможении электронов на аноде используется в рентгеновских трубках.

Рентгеновское излучение имеет длину волны 10 ‑14 ‑10 ‑9 м. Чем меньше длина волны, тем выше энергия излучения и больше проникающая способность . При прохождении через ткани рентгеновское излучение быстро поглощается, и доза, полученная тканями и органами, зависит от расстояния до источника. Повреждающее действие рентгеновского излучения на ткани сходно с описанным ниже действием гамма-излучения. К защитным материалам относятся тяжелые металлы (свинец), бетон, грунт.

Гамма-излучение.

Источники гамма-излучения разные. Образуется при ядерных превращениях, имеет длину волны 10 ‑14 ‑10 ‑10 м. Гамма-излучение сопровождает бета-излучение (b+g). Отдельные альфа-излучатели также могут быть источниками гамма-излучения (a+g). Гамма-излучение может сопровождать и ЦЯР с нейтронным излучением. Гамма-фон за счет космического и земного излучения существует с момента зарождения планеты и уменьшается со временем. Гамма-излучение обладает повреждающим действием, которое особенно биологически значимо для хромосомного аппарата. Человек в определенной степени адаптирован к гамма-фону. Более того, некоторые считают, что, повышая изменчивость, гамма-фон способствовал возникновению жизни и ускорению эволюции.

На земле гамма-фон находится в пределах от 5 до 50 мкР/час. Уровень гамма-фона местности зависит от высоты над уровнем моря, присутствия горных пород. В Бразилии, Индии есть территории, где наблюдается еще более высокий гамма-фон, но там живет мало людей. Важно знать гамма-фон своей местности. В Витебске гамма-фон составляет 10-15 мкР/час. В горах гамма-фон выше, так как поверхность земли ближе к солнцу и разреженная атмосфера меньше поглощает космическое гамма-излучение. Там, где есть гранитные породы, гамма-фон также выше.

Гамма-излучение обладает высокой проникающей способностью. Длина пробега в воздухе составляет несколько сот метров. При прохождении тела человека γ-излучение теряет половину энергии. Ослабление гамма-излучения осуществляется путем фотоэффекта, эффекта Комптона и путем образования пары электрон-позитрон.

При фотоэффекте энергия фотона полностью поглощается и расходуется на отрыв электрона и придание ему кинетической энергии. Электрон, вырванный из поля атома, производит ионизацию ткани. Место выбитого электрона занимает электрон с более высокой орбитали с испусканием характеристического рентгеновского излучения. Чем ближе электрон к ядру, тем большая энергия его связи с ядром. Фотоэффект характерен для мягкого гамма-излучения с энергией до 0,5 МэВ.

При энергии от 0,5 до 1 МэВ фотон передает выбитому электрону только часть своей энергии, меняя направление своего движения, что получило название комптоновского рассеяния . Фотон с энергией более 1 МэВ, взаимодействуя с ядром, преобразуется в его поле в пару электрон и позитрон , которые производят ионизацию других ядер. Позитрон, встречаясь с электроном, превращается в два фотона (аннигиляция ), которые поглощаются средой.

Эффекты . Характерно повреждение кроветворной ткани (костного мозга, лимфоидной ткани, периферической крови), репродуктивных органов и эпителиальной ткани. Другие органы и ткани менее чувствительны.

Защита. Существует 3 принципа защиты. Защита расстоянием . По мере удаления от источника доза уменьшается пропорционально квадрату расстояния. Надо отойти на максимально возможное расстояние от источника излучения. Иногда в защите жизни решающим оказывается один шаг. При аварии на ЧАЭС так и не было аварийного сигнала. Люди находились на рабочих местах и облучались с 1 20 до 8 00 , до конца рабочей смены. Если бы была сирена, люди бы ушли в убежище. Защита временем . Доза облучения пропорциональна времени контакта. Чтобы уменьшить дозу вдвое, надо сократить время контакта вдвое. Защита экраном . Используются свинцовые, бетонные, грунтовые экраны. Для всех материалов есть свой процент (коэффициент) ослабления.

Основные понятия и единицы измерения в радиационной медицине.

Активность (А) характеризует количество атомов, распадающихся единицу времени. Скорость радиоактивного распада – величина постоянная для каждого радионуклида. Радиоактивный распад до полного самоуничтожения описывается уравнением:

N t = N 0 ×e - 0,693 × t/T ,

где N 0 – исходное количество активных атомов, N t – количество активных атомов через время t, и Т – период полураспада вещества.

Существует 2 основные единицы активности.

Первоначально, за единицу Кюри (Ки) была принята активность 1 г радия-226. 1 кюри = 3,7×10 10 распадов в секунду. Кюри – крупная единица, поэтому на практике часто используют дольные производные.

§ 1. Ионизирующие излучения, их определение и свойства. Радиоактивность.

Альфа-лучи. Бета-лучи. Гамма-лучи. Рентгеновские лучи.

Радиоактивность - самопроизвольное превращение ядер одних атомов в ядра других атомов, сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений.

Радиоактивное излучение называют ионизирующим, так как при взаимодействии с веществом оно способно прямо или косвенно создавать в нем заряженные атомы и молекулы (ионы). К ионизирующим излучениям относятся рентгеновские лучи, радио- и гамма-лучи, альфа-лучи, бета-лучи, потоки нейтронов и других ядерных частиц, космические лучи.

Альфа-лучи представляют собой поток α-частиц положительно заряженных ядер атомов гелия и характеризуются большой ионизирующей и малой проникающей способностями. Вследствие этих свойств α-частицы не проникают через внешний слой кожи. Вредное воздействие на организм человека проявляется при нахождении его в зоне действия вещества, излучающего α-частицы.

Бета-лучи представляют собой поток электронов или позитронов, излучаемых ядрами атомов радиоактивных веществ. По сравнению с α-частицами они обладают большей проникающей способностью и поэтому одинаково опасны как при непосредственном прикосновении к излучающему веществу, так и на расстоянии.

Гамма-лучи характеризуются наименьшей ионизирующей и наибольшей проникающей способностью. Это высокочастотное электро-магнитное излучение, возникающее в процессе ядерных реакций или радиоактивного распада.

Рентгеновские лучи, возникающие при бомбардировке вещества потоком электронов, являются также электромагнитным излучением. Они могут возникнуть в любых электровакуумных установках, обладают малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.

Для количественной оценки действия, производимого любыми ионизирующими излучениями в среде, пользуются понятием поглощенная доза излучения Д п =W/m,

где W - энергия ионизирующего излучения, поглощенная облученным веществом, Дж; m - масса облученного вещества, кг. Внесистемной единицей поглощенной дозы является рад. 1 рад соответствует поглощению энергии 0,01 Дж веществом массой 1 кг.

Количественной характеристикой рентгеновского и гамма-излучений является экспозиционная доза (Кл/кг): Д э = Q/m,

где Q - суммарный электрический заряд ионов одного знака, Кл; m - масса воздуха, кг.

За единицу экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений принимают кулон на килограмм (Кл/кг). Кулон на килограмм - экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой сопряженная с этим излучением корпускулярная эмиссия на 1 кг сухого атмосферного воздуха создает в воздухе ионы, несущие заряд 1 Кл электричества каждого знака.

Внесистемной единицей экспозиционной дозы рентгеновского и гамма-излучений является рентген. Рентген -это такая доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой сопряженная с этим излучением корпускулярная эмиссия в 1,293*10 -6 г сухого воздуха при нормальных условиях (при температуре 0° С и давлении 760 мм рт. ст.) образует ионы, несущие 1 ед. заряда СГС каждого знака; 1 рентген (Р) = 10 3 миллирентген (мР) = 10 6 микрорентген (мкР).

Экспозиционная и поглощенная дозы, отнесенные ко времени, определяются как мощности доз и измеряются соответственно рентген в секунду (Р/с) и рад в секунду (рад/с).

Воздействие различных радиоактивных излучений на живые ткани зависит от проникающей и ионизирующей способности излучения. Разные виды излучений при одинаковых значениях поглощенной дозы вызывают различный биологический эффект. Поэтому для оценки радиационной опасности введено понятие эквивалентной дозы Д экв, единицей которой является бэр (биологический эквивалент рада) *

Д экв =Д и /k,

* 1 бэр - эквивалентная доза любого ионизирующего излучения в биологической ткани, которая создает такой же биологический эффект, что и доза в 1 рад рентгеновского или гамма-излучения,

где k - качественный коэффициент, показывающий отношение биологической эффективности данного вида излучений к биологической эффективности рентгеновского излучения, принятого за единицу.

Радиоактивностью называют свойство самопроизвольного излучения каких – либо веществ, при отсутствии внешних влияний.

Радиоактивные свойства впервые были обнаружены у урана в 1896 г французским физиком Анри Беккерелем (опыт с солями урана)

Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.

Свойства радиоактивных излучений

1. Вызывают ионизацию газов

2. Оказывают химическое действие

3. Радиоактивность представляет собой не молекулярное явление, а внутреннее свойство атомов радиоактивного элемента

4. Радиоактивность препарата с любым химическим составом равна радиоактивности чистых радиоактинвых элементов, взятых в количестве, в котором они содержатся в этом препарате

5. Радиоактивные излучения не зависят от внешних воздействий (нагревания, увеличение давления), химические реакции, в которые вступают радиоактивные вещества не влияют на интенсивность излучения.

6. В результате радиоактивного излучения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального. Цепочка радиоактивных превращений заканчивается образованием нерадиоактивного (стабильного) изотопа.

7. Для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза. Этот интервал носит название периода полураспада.

Период полураспада Т – это время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов.

– закон радиоактивного распада

N 0 – число радиоактивных атомов в начальный момент времени

N – число радиоактивных атомов в конечный момент времени

t – время

T – период полураспада

8. Различают естественную радиоактивность (радиоактивность элементов встречающихся в природе) и искусственную радиоактивность) радиоактивность элементов получаемых при ядерных реакциях).

Чтобы обнаружить сложный состав радиоактивного излучения был проведен следующий опыт: радиоактивный препарат помещался на дно узкого канала в куске свинца. Против канала находилась фотопластинка. На выходе из канала на излучение действовало сильное магнитное поле, линии индукции которого перпендикулярны лучу. Вся установка помещалась в вакууме.

В отсутствии магнитного поля на фотопластинке после проявления обнаруживалось одно темное пятно, точно против канала.

В магнитном поле пучок распадался на три пучка.

Альфа излучение

Это поток положительно заряженных частиц – ядер атомов гелия. Скорости альфа частиц значительно меньше скорости бета частиц и лежат в пределах 10000- 20000 км/с. Кинетическая энергия альфа частиц велика: 4-10 Мэв.

Альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью. Слой бумаги толщиной около 0,1 мм полностью их задерживает.

Бета – излучение

Это поток быстрых электронов, вылетающих из атомов радиоактивного вещества. Скорости бета частиц огромны и составляют 0,99 скорости света. Энергия бета частиц доходит до нескольких мегаэлектронвольт.

Бета излучение является средним по свое проникающей способности. Их задерживает алюминиевая пластинка толщиной в несколько милиметров.

Гамма – излучение

Это поток электромагнитных волн очень малой длины (10 -8 - 10 -11 см). Скорость распространения гамма лучей в вакууме такая же, как у других электромагнитных волн 300000 км/с.

Гамма – излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Слой свинца толщиной в 1 см уменьшает интенсивность гамма – излучение вдвое.

Гамма излучение и рентгеновское излучение равной длины волны, кроме способа получения, ничем друг от друга не отличаются.