Реферат (Ионизирующие излучения 2)

16

Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э.Баумана

Реферат на тему:

«Ионизирующие излучения »

Выполнил: Рубцов М.А.

Группа МТ11-71

Проверил: Ксенофонтов Б. С.

Москва, 2014 г.

Ионизирующее излучение – излучение, которое создается при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образует при взаимодействии со средой ионы разных знаков.

Радиоактивное вещество или устройство, испускающее или способное испускать ионизирующее излучение, называют источником ионизирующего излучения.

Источник ионизирующего излучения природного происхождения называется природным источников излучения.

Источник ионизирующего излучения, специально созданный для его полезного применения или являющийся побочным продуктов этой деятельности, называется техногенным источником излучения.

Источники ионизирующих излучений используются в различных отраслях промышленности, строительстве и других областях. В машино- и приборостроении ионизирующее излучение применяют для определения износа деталей, качества сварных швов, структуры металла и т.д. Радиоактивные изотопы применяют в строительстве и промышленности строительных материалов при дефектоскопии, в контрольно-измерительных и регулирующих приборах (толщиномеры, плотномеры, регуляторы уровня). Радиоактивные вещества в металлургии применяют для технологических целей (в контрольно-измерительных приборах – измерители толщины прокатных профилей) и при проведении исследований (изучении распределения деформаций при прокатке, распределения и поведения вредных примесей в литом и деформированном металле).

Источники ионизирующих излучений представляют потенциальную угрозу здоровью и жизни людей, которые их используют.

1. Виды ионизирующих излучений

В промышленности встречаются следующие виды ионизирующих излучений:

1. корпускулярное (-, - и нейтронное излучение) – потоки частиц;

2. фотонное (- и рентгеновское излучение) – электромагнитные волны высокой частоты.

-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых при радиоактивном распаде ядер некоторых химических элементов. Атомы таких химических элементов называют радионуклидами. Энергия -частиц лежит в диапазоне 3...9 МэВ. Длина пробега -частицы в воздухе составляет 2...12 см, а с повышением плотности материала проникающая способность -излучения резко уменьшается. В твердых веществах длина пробега -частицы не превышает нескольких микрон, а в мягкой биологической ткани – нескольких десятков микрометров; задерживается листом бумаги. -частицы обладают высокой ионизирующей способностью.

-излучение состоит из потока электронов или позитронов ядерного происхождения, возникающих при радиоактивном распаде ядер. Масса -частиц в несколько тысяч раз меньше -частиц. Максимальная энергия -частиц, испускаемых различными радионуклидами, составляет 0,1…3,5 МэВ. Длина пробега электрона в воздухе – 0,2…1,6 м, а в биологических тканях – 2,5 см, свинце – 0,04 см. Ионизирующая способность -частиц низка, а проникающая выше, чем -частиц. Поток -частиц задерживается металлической фольгой.

Нейтронное излучение является потоком электронейтральных частиц ядра. Масса нейтрона примерно в 4 раза меньше массы -частицы.

В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее
1 кэВ), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 кэВ) и быстрые нейтроны (от 500 кэВ до 20 МэВ). Среди медленных нейтронов различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у - и -частиц. Так, длина пробега нейтронов промежуточной энергии составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов: соответственно 120 м и 10 см. Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения.

Так называемое вторичное излучение нейтрона, когда он сталкивается с каким-либо ядром или электроном, оказывает сильное ионизирующее воздействие. Ослабление нейтронного излучения эффективно осуществляется на ядрах легких элементов, особенно водорода, а также на материалах, содержащих такие ядра: воде, парафине, полиэтилене и др.

-излучение представляет собой электромагнитное излучение частотой около 10²⁰ Гц и длиной волн приблизительно 10^–12 м с высокой энергией. Оно испускается при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Высокая энергия (0,01...3 МэВ) и малая длина волны обусловливают большую проникающую способность -излучения. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем - и -излучения.

Рентгеновское излучение возникает в среде, окружающей источник
-излучения, в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и т.п. и представляет собой совокупность тормозного и характеристического излучений, энергия фотонов которых составляет не более 1 МэВ. Характеристическое излучение – это фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атома. Тормозное излучение – это фотонное излучение с непрерывным спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц. Ионизирующая способность рентгеновского излучения примерно как у -излучения, но большая проникающая способность.

Замедление рентгеновского и -излучения наиболее интенсивно происходит на тяжелых элементах, например, свинце (пробег 20–25 см), железе, тяжелом бетоне и др.

2. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом

Возникающие в процессе радиоактивного распада излучения, проходя через вещество, взаимодействуют с атомами и молекулами среды, передавая им свою энергию. - и -излучения, представляющие собой поток заряженных частиц, проходя через вещество, в основном взаимодействуют с электронами атомов, передавая им свою энергию, которая расходуется на ионизацию (отрыв электронов от атома) и возбуждение атома (перевод электрона на более удаленную от ядра оболочку). Число ионизированных и возбужденных атомов, образуемых -частицей на единице длины пути в среде в сотни раз больше, чем у -частицы. Это обусловлено тем, что масса -частицы примерно в 7000 раз больше массы -частицы (электрона), а скорость значительно меньше, чем у -частицы при одной и той же энергии, а значит, тем больше вероятность ее взаимодействия с атомами среды.

Нейтроны при прохождении через вещество взаимодействуют с ядрами атомов среды, передавая им часть своей энергии. Ядра, получившие от нейтрона часть кинетической энергии, «вылетают» из электронной оболочки и, будучи положительно заряженными, производят ионизацию атомов среды. Этот процесс называется упругим рассеянием. Доля энергии, переданная нейтроном в процессе упругого рассеяния, тем больше, чем меньше масса атомов среды. Поэтому наиболее эффективными поглотителями энергии нейтронов являются водород, углерод, бор.

Наряду с упругим возможно неупругое рассеяние нейтронов. В этом случае нейтрон захватывается ядрами атомов среды, происходит перераспределение энергии между частицами во вновь образуемом ядре, и из него вылетает нейтрон с меньшей энергией и фотон. Следовательно, при упругом и неупругом взаимодействиях нейтронов с веществом образуются либо заряженные частицы, которые непосредственно производят ионизацию атомов, либо фотонное излучение, ионизирующая способность которого обусловлена вторичными электронами.

Фотоны взаимодействуют с электронами атома и с электрическим полем ядра. Проходя через вещество, фотонное излучение ослабляется по экспоненциальному закону, т.е. никогда не поглощается полностью. В этом его принципиальное отличие от корпускулярного излучения.

Передача энергии фотонного излучения происходит в процессе фотоэлектрического поглощения, в результате которого фотон исчезает, расходуя всю свою энергию на отрыв электрона от атома среды (преимущественно с К-оболочки) и сообщая ему кинетическую энергию; при этом чем больше атомный номер атомов среды, тем выше вероятность фотоэффекта.

Другим типом взаимодействия фотона с электронами является комптон-эффект, когда фотон передает электрону только часть своей энергии, в основном электронам высшей оболочки. Сам же фотон меняет направление своего движения, или как говорят, рассеивается. Чем выше энергия фотона, тем меньше вероятность комптоновского рассеивания, однако она возрастает с увеличением количества электронов на пути фотона, т.е. с повышением атомного номера элемента и плотности вещества.

В результате взаимодействия фотона с электрическим полем ядра фотон исчезает и образуется пара частиц: ­ электрон и позитрон. Этот процесс возможен, если энергия фотона больше суммы энергий покоя электрона и позитрона, т.е. больше 1,02 МэВ.

Таким образом, фотонное излучение непосредственно ионизации не производит, но в процессе взаимодействия с атомами среды передает часть своей энергии или полностью всю энергию электронам, которые затем производят ионизацию.

Следовательно, и для корпускулярного, и для -излучения, испускаемого при радиоактивном распаде, конечным эффектом взаимодействия с веществом является ионизация и возбуждение. Поэтому разные биологические эффекты, наблюдаемые под воздействием - и -частиц, нейтронов или -излучения, обусловлены не их физической природой, а закономерностями пространственного распределения ионизированных и возбужденных атомов в облучаемом объекте.

3. Основные характеристики ионизирующих излучений

Воздействие излучения на вещество будет тем больше, чем больше распадов ядер происходит в единицу времени.

Для характеристики числа распадов вводится понятие активности.

Активность – мера радиоактивности какого-либо количества радионуклида, находящегося в данном энергетическом состоянии в данный момент времени:

 ,

где dN – ожидаемое число спонтанных ядерных превращений из данного энергетического состояния, происходящих за промежуток времени dt. Единицей активности является беккерель (Бк).

Использовавшаяся ранее внесистемная единица активности кюри (Ки) составляет 3,7  10¹⁰ Бк (ядерных превращений в секунду).

Для характеристики воздействия ионизирующего излучения на вещество введено понятие дозы излучения.

Количественной характеристикой взаимодействия ионизирующего излучения и вещества является поглощенная доза излучения.

Поглощенная доза Д – величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу:

где – средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; dm – масса вещества в этом объеме.

Поглощенная доза – основная дозиметрическая величина. В системе Си в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр). 1 Гр соответствует поглощению в среднем 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества, равной 1 кг, т.е. 1 Гр = 1 Дж/кг. Используемая ранее внесистемная единица рад равна 0,01 Гр.

До недавнего времени за количественную характеристику только рентгеновского и -излучения, основанную на их ионизирующем действии в сухом атмосферном воздухе, принималась экспозиционная доза.