Курсовая работа: Основные свойства ионизирующих излучений

РЕФЕРАТ

по дисциплине: Защита населения и хозяйственных объектов в чрезвычайных ситуациях. Радиационная безопасность

на тему: Основные свойства ионизирующих излучений и их сравнительная характеристика

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Ионизирующими излучениями называются виды лучистой энергии, которые, попадая в определенные среды или проникая через них, производят в них ионизацию, т.е. взаимодействие которых со средой приводит к образованию положительно и отрицательно заряженных частиц, называемых ионами. Такими свойствами обладают радиоактивные излучения, излучения высоких энергий, космические и рентгеновские лучи, и др. Ионизирующее излучение любого вида и происхождения является в наше время грозной опасностью для человечества. Среди источников ионизирующих излучений наибольшую долю (около 70 %) составляют природные источники, в то время как доля источников, связанных с приборами медицинских учреждений - 29%, а всех остальных - около 1 %. Уровень радиационного загрязнения биосферы повышается.
Ионизирующие излучения часто приводят к разрушению клеток, изменению состава крови, ожогам и другим тяжелым последствиям. Радиоактивные излучения вызывают ионизацию атомов и молекул живых тканей, в результате чего происходит разрыв нормальных связей и изменение химической структуры, что влечет за собой либо гибель клеток, либо мутацию организма. Действие мощных доз ионизирующих излучений вызывает гибель живой природы.

Различают следующие виды радиоактивных излучений: альфа, бета, нейтронное, рентгеновское, гамма. Первые три вида излучений являются корпускулярными излучениями, т. е. потоками частиц, два последних – электромагнитными.

Ионизирующие излучения применяются в различных отраслях:

• интроскопия;
• стерилизация медицинских инструментов, расходных материалов и продуктов питания;
• в медицине (рентгенография, рентгеноскопия, лучевая терапия, некоторые виды томографии);
• источники света;
• датчики пожара (задымления);
• датчики и счетчики предметов.

Для лечения опухолей и других патологических очагов используют облучение гамма-квантами, рентгеном, электронами, тяжёлыми ядерными частицами, такими как протоны, тяжёлые ионы, отрицательные р-мезоны и нейтроны разных энергий. Используется также введение в организм радиофармацевтических препаратов, как с лечебными, так и с диагностическими целями. Широкое использование атомной энергии в мирных целях обусловило распространенность ионизирующих излучений в народном хозяйстве.

1 Виды ионизирующих излучений, их свойства и характеристика

По механизму образования бывает первичное (рождённое в источнике) и вторичное (образованное в результате взаимодействия излучения другого типа с веществом) ионизирующее излучение.

Наиболее разнообразны по видам ионизирующих излучений так называемые радиоактивные излучения, образующиеся в результате самопроизвольного радиоактивного распада атомных ядер элементов с изменением физических и химических свойств последних. Элементы, обладающие способностью радиоактивного распада, называются радиоактивными. Они могут быть естественными, такие, как уран, радий, торий и другие (всего около 50 элементов), и искусственными, для которых радиоактивные свойства получены искусственным путем (более 700 элементов).

Все виды ионизирующих излучений отличаются друг от друга различными зарядами, массой и энергией. Различия имеются и внутри каждого вида ионизирующих излучений, обусловливая большую или меньшую проникающую и ионизирующую способность, и другие их особенности. Интенсивность всех видов радиоактивного облучения, как и при других видах лучистой энергии, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника излучения, то есть при увеличении расстояния вдвое или втрое интенсивность облучения уменьшается соответственно в 4 и 9 раз.

Радиоактивные элементы могут присутствовать в виде твердых тел, жидкостей и газов, поэтому, помимо своего специфического свойства излучения, они обладают соответствующими свойствами этих трех состояний. Они могут образовывать аэрозоли, пары, распространяться в воздушной среде, загрязнять окружающие поверхности, включая оборудование, спецодежду, кожный покров рабочих и т. д., проникать в пищеварительный тракт и органы дыхания.

По механизму взаимодействия с веществом выделяют непосредственно потоки заряженных частиц и косвенно ионизирующее излучение (потоки нейтральных элементарных частиц — фотонов и нейтронов).

Непосредственными являются корпускулярные излучения — заряженные частицы с кинетической энергией, достаточной для того, чтобы вызвать ионизацию при столкновении с атомами вещества; косвенными — электромагнитное излучение, в частности рентгеновское и Т-излучение, потоки нейтронов и незаряженных мезонов и гиперонов.

Различают следующие виды радиоактивных излучений: альфа, бета, нейтронное, рентгеновское, гамма. Первые три вида излучений являются корпускулярными излучениями, т. е. потоками частиц, два последних - электромагнитными излучениями.

К электромагнитным излучениям относятся коротковолновые излучения (например, СВЧ), рентгеновское, гамма-излучение, электромагнитные волны оптического диапазона (например, лазерное) и тормозное излучение, возникающее при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц (получают искусственно в синхрофазотронах).

К фотонному ионизирующему излучению, относится гамма-излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер или аннигиляции частиц, тормозное излучение, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц, характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома и рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучений.

К корпускулярному ионизирующему излучению относят альфа-излучение, электронное, протонное, нейтронное и мезонное излучения. Корпускулярное излучение, состоящее из потока заряженных частиц (альфа-частиц, бета-частиц, протонов, электронов), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и другие элементарные частицы непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую проходят. Соответственно, корпускулярное излучение, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением.

Применительно к ситуации вокруг аварии на ЧАЭС наибольший интерес представляют лишь два вида излучений из вышеперечисленных: рентгеновское излучение с длиной волны 10-10м, испускаемое при торможении быстрых электронов в веществе и при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние, и гамма-излучение с длиной волны менее 10 м, возникающее при распаде радиоактивных ядер и элементарных частиц, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, при аннигиляции (взаимном уничтожении с высвобождением фотона) электронно-позитронных пар. Таким образом, волновые характеристики этих излучений сходны, они перекрываются в диапазоне 10-10м.

Человек подвергается двум видам облучения: внешнему и внутреннему. Внутреннее облучение происходит при попадании радиоактивных веществ внутрь организма, что может произойти при вдыхании паров, газов и аэрозолей радиоактивных веществ, занесении их в пищеварительный тракт или попадании в ток крови (в случаях загрязнения ими поврежденных кожи и слизистых). Внутреннее облучение более опасно, так как, во-первых, при непосредственном контакте с тканями даже излучения незначительных энергий и с минимальной проникающей способностью все же оказывают действие на эти ткани; во-вторых, при нахождении радиоактивного вещества в организме продолжительность его воздействия (экспозиция) не ограничивается временем непосредственной работы с источниками, а остается непрерывной до его полного распада или выведения из организма. Кроме того, при попадании внутрь некоторые радиоактивные вещества, обладая определенными токсическими свойствами, кроме ионизации, оказывают местное или общее токсическое действие.

Фоновое облучение организма человека создается космическим излучением, искусственными и естественными радиоактивными веществами, которые содержатся в теле человека и окружающей среде.

Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц — ядер гелия-4. Альфа-частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде, могут быть легко остановлены листом бумаги. Бета-излучение — это поток электронов, возникающих при бета-распаде; для защиты от бета-частиц энергией до 1 МэВ достаточно алюминиевой пластины толщиной в несколько миллиметров. Бета-излучение характеризуется большей, чем у альфа-излучения, длиной свободного пробега, но меньшей ионизирующей способностью. Гамма-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, поскольку состоит из высокоэнергичных фотонов, не обладающих зарядом; для защиты эффективны тяжёлые элементы (свинец и т. д.), поглощающие МэВ-ные фотоны в слое толщиной несколько см. Проникающая способность всех видов ионизирующего излучения зависит от энергии.

Альфа-частицы, обладающие значительно большей массой, чем бета-частицы, при столкновениях с электронами атомных оболочек испытывают очень небольшие отклонения от своего первоначального направления и движутся почти прямолинейно. Пробеги альфа-частиц в веществе очень малы. Например, у альфа-частицы с энергией 4 МэВ длина пробега в воздухе примерно 2,5 см, в воде или в мягких тканях животных и человека сотые доли миллиметра.

Благодаря небольшой проникающей способности альфа-излучения и бета-излучения обычно не представляют большой опасности при внешнем облучении. Плотная одежда может поглотить значительную часть бета-частиц и совсем не пропускает альфа-частицы. Однако при попадании внутрь человеческого организма с пищей, водой и воздухом или при загрязнении радиоактивными веществами поверхности тела альфа-излучения и бета-излучения могут причинить человеку серьезный вред. Бета-частицы могут проникать в ткани организма на глубину один – два сантиметра, наиболее высокоэнергетические бета-частицы могут пройти через слой алюминия до 5 мм, в зависимости от энергии излучения они могут двигаться со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с).

Нейтроны, не имеющие электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. При столкновениях с атомными ядрами они могут выбивать из них заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды. В силу того, что эти частицы не имеют заряда, из трех корпускулярных видов излучения данное обладает наибольшей проникающей способностью, а по ионизирующей способности находится между альфа-излучениями и бета-излучениями. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, ядерных реакторов и т. д. Задерживаются нейтроны веществами, содержащими в своей молекуле водород (вода, парафин и др.).

Гамма-кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам - это явления фотоэффекта, эффекта Комптона или рождения электронно-позитронных пар. Возникающие быстрые электроны производят ионизацию атомов среды.

Пути пробега гамма-квантов и нейтронов в воздухе измеряются сотнями метров, в твердом веществе - десятками сантиметров и даже метрами. Проникающая способность гамма-излучения увеличивается с ростом энергии гамма-квантов и уменьшается с увеличением плотности вещества-поглотителя.

Потоки гамма-квантов и нейтронов - наиболее проникающие виды ионизирующих излучений, поэтому при внешнем облучении они представляют для человека наибольшую опасность и являются электромагнитными излучениями. Ионизирующий эффект действия гамма-излучения обусловлен в основном как непосредственным расходованием собственной энергии, так и ионизирующим действием электронов, выбиваемых из облучаемого вещества.

По характеру рентгеновские лучи во многом сходны с гамма-лучами и отличаются от них происхождением и иногда длиной волны: рентгеновские лучи, как правило, имеют большую длину волны и более низкие частоты, чем гамма-лучи. Ионизация вследствие воздействия рентгеновских лучей происходит в большей степени за счет выбиваемых ими электронов и лишь незначительно за счет непосредственной траты собственной энергии. Эти лучи (особенно жесткие) также обладают значительной проникающей способностью.

Частицы и кванты, образующиеся при радиоактивном распаде ядер элементов, по-разному взаимодействуют с окружающей средой. Эти взаимодействия абсолютно не зависят от вида элемента, а лишь от свойств (масса, энергия, заряд, частота и т.д.) самих частиц.

Основными свойствами радиоактивных излучений являются:

• способность проникать через вещества;
• ионизация вещества среды;
• выделение тепла при радиоактивном распаде;
• действие на фотоэмульсию;
• способность вызывать свечение люминесцирующих веществ;
• способность вызывать химические реакции и распад молекул (при длительном воздействии излучений изменяется окраска окружающих предметов).

Все эти свойства и используются при обнаружении и регистрации излучений, т.к. ни одно из шести чувств человека воздействие ионизирующих излучений не улавливает.

Неспособность человека обнаружить радиацию, создает вокруг радиоактивных излучений целую ауру таинственности и опасности, и значительно усложняет взаимоотношения общества с предприятиями и органами управления атомной промышленностью.

2 Источники ионизирующего излучения

Различают естественные (природные) и искусственные (техногенные) источники ионизирующих излучений.

Источником ионизирующего излучения называют объект, содержащий радиоактивный материал, или техническое устройство, испускающее или способное (при определенных условиях) испускать ионизирующее излучение. Современные ядерно-технические установки обычно представляют собой сложные источники излучений. Например, источниками излучений действующего ядерного реактора, кроме активной зоны, являются система охлаждения, конструкционные материалы, оборудование и др. Поле излучения таких реальных сложных источников обычно представляется как суперпозиция полей излучения отдельных, более элементарных источников.

Любой источник излучения характеризуется видом излучения. Основное внимание уделяется наиболее часто встречающимся на практике источникам гамма-излучения, нейтронов, альфа-излучения, бета-частиц, бета -частиц.

Геометрически (формой и размерами) источники могут быть точечными и протяженными. Протяженные источники представляют суперпозицию точечных источников и могут быть линейными, поверхностными или объемными с ограниченными, полубесконечными или бесконечными размерами. Физически точечным можно считать такой источник, максимальные размеры которого много меньше расстояния до точки детектирования и длины свободного пробега в материале источника (ослаблением излучения в источнике можно пренебречь). Поверхностные источники имеют толщину много меньшую, чем расстояние до точки детектирования и длина свободного пробега в материале источника. В объемном источнике излучатели распределены в трехмерной области пространства.

Мощностью и ее распределением по источнику источники излучения наиболее часто распределяются по протяженному излучателю равномерно, экспоненциально, линейно или по косинусоидальному закону.

Энергетическим составом - энергетический спектр источников может быть моноэнергетическим (испускаются частицы одной фиксированной энергии), дискретным (испускаются моноэнергетические частицы нескольких энергий) или непрерывным (испускаются частицы разных энергий в пределах некоторого энергетического диапазона).

Угловым распределением излучения – среди многообразия угловых распределений излучений источников для решения большинства практических задач достаточно рассматривать следующие: изотропное, косинусоидальное, моно-направленное. Иногда встречаются угловые распределения, которые можно записать в виде комбинаций изотропных и косинусоидальных угловых распределений излучений. На практике источники встречаются в неограниченном многообразии указанных характеристик.

В природе ионизирующее излучение обычно генерируется в результате спонтанного радиоактивного распада радионуклидов, ядерных реакций (синтез и индуцированное деление ядер, захват протонов, нейтронов, альфа-частиц и др.), а также при ускорении заряженных частиц в космосе (природа такого ускорения космических частиц до конца не ясна). Искусственными источниками ионизирующего излучения являются искусственные радионуклиды (генерируют альфа-излучения, бета-излучения и гамма-излучения), ядерные реакторы (генерируют главным образом нейтронное и гамма-излучение), радионуклидные нейтронные источники, ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение), рентгеновские аппараты (генерируют тормозное рентгеновское излучение)

Ионизирующими свойствами обладают космические лучи, которые в основном приходят из глубин Вселенной, но некоторая их часть рождается на Солнце во время солнечных вспышек. Эти лучи могут достигать поверхности Земли или взаимодействовать с ее атмосферой, порождая вторичное излучение и приводя к образованию различных радионуклидов. Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает чуть меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации.

Природными источниками ионизирующих излучений на Земле являются и естественно распределенные на ней радиоактивные вещества. Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, – это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало соответственно от урана-238 и тория-232 – долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения. Уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры.