Файл: Пучеров, Н. Н. Покоренная радиация.pdf

гаснет, потому что столкновений на ее пути очень много. Каждая альфа-частица теряет в среднем одинаковое ко­ личество энергии на единицу пути. При определенной энергии альфа-частица проходит в веществе определен­ ное расстояние. Энергию альфа-частицы можно характе­ ризовать длиной ее пробега в данном веществе. Рассмот­ рим такой пример: если разогнать автомашину до определенной скорости и выключить мотор, то она, вре­ завшись в поле, где много колосков пшеницы, и потеряв запас энергии, остановится. Чем больше будет скорость движения, тем дальше в поле она углубится.

Так и в случае альфа-частиц: чем больше их началь­ ная скорость, тем больший путь в веществе они проходят. Величина пробега зависит не только от энергии частицы, но и от плотности вещества, в котором частица движется.

Пробег альфа-частиц в атмосфере значительно боль­ ше, чем, например, в алюминии. С увеличением плотно­ сти вещества пробег уменьшается. Альфа-частицы, воз­ никающие в процессе распада, обладают энергией 4— 9 Мэе. При энергии 5 Мэе альфа-частица продвигается в атмосфере на 3,5 см (давление атмосферы 760 мм рт. ст., температура 15° С). Пробег же в алюминии составляет лишь 25 микрон (мк). В биологической ткани альфа-ча­ стицы продвигаются лишь на десятки микронов.

Эти частицы вызывают значительную ионизацию, что и обусловливает их сравнительно малый пробег в веще­ стве (например, альфа-частица с энергией 6 Мэе образу­ ет в атмосфере около 200000 пар ионов).

Электроны также представляют собой заряженные частицы. Масса электрона очень мала по сравнению с альфа-частицей, поэтому при одинаковой энергии послед­ няя движется значительно медленнее, чем электрон. Так, при энергии 1—2 Мэе скорость движения электрона при­ ближается к скорости света.

26

Процессы взаимодействия электронов с веществом очень разнообразны. Прежде всего, как и в случае аль­ фа-частиц, возникает возбуждение, а также ионизация атомов, с той существенной разницей, что сталкиваются частицы с одинаковой массой — электрон с электроном. А это определяет долю энергии, которая передается при столкновении.

Электроны могут подвергаться упругому рассеянию на атомных ядрах и электронах атомных оболочек. При таком взаимодействии изменение направления первона­ чального движения электрона будет существенным.

При одинаковой массе частиц, которые сталкиваются, изменение направления движения может быть особенно сильным. Электрон движется в веществе не по прямой линии, как альфа-частица, а зигзагоподобно. Путь элек­ трона может в 1,5—4 раза превышать расстояние, кото­ рое он прошел бы, двигаясь в направлении первоначаль­ ного перемещения.

Электрон теряет энергию и за счет тормозного излучения (радиационные потери). Классической элект­ ромагнитной теорией доказано, что при ускорении или замедлении скорости движения заряда происходит излу­ чение электромагнитных волн. Двигаясь в электрическом поле ядра, электрон изменяет скорость как по величине, так и по направлению. Именно этим объясняется тормоз­ ное рентгеновское излучение.

Энергетический спектр тормозных рентгеновских лу- ) чей непрерывный. При взаимодействии с ядром энергия ) электрона изменится. Электрон может потерять всю энер­ гию целиком, однако в других случаях он частично ее со­

храняет.

Появление рентгеновских лучей при торможении дви­ жения электронов следует учитывать при проектировании защиты от бета-излучения.

27

При прохождении тяжелых заряженных частиц через вещество радиационные потери невелики. Однако для легких электронов, которые движутся с большими скоро­ стями, они могут составлять значительную часть общих потерь энергии. Например, при поглощении свинцом элек­ тронов с энергией 10 Мэе радиационные потери могут составить около 50% кинетической энергии электрона.

В конце концов электрон полностью задерживается в веществе, остается в виде свободного электрона или'по­ глощается каким-либо ионом.

Выше было сказано, что пробег альфа-частицы с оп­ ределенной энергией в веществе является вполне опре­ деленным (отклонения могут достигать 1—2%).

Разные электроны, которые сначала обладали одина­ ковой энергией, могут иметь разную длину пробега в данном веществе. Можно выбрать такую тодгцину погло­ тителя, при которой ни один электрон не выйдет за его границы. Минимальная толщина поглотителя и будет определять максимальный пробег бета-частиц. Эта вели­ чина важна для практической дозиметрии, для опреде­ ления условий безопасности работы с радиоактивным из­ лучением.

Максимальный пробег бета-частиц с энергией 5 Мэе в атмосфере— 1900 см, а в алюминии — около 1 см. Электроны обладают большей проникающей способ­ ностью, чем альфа-частицы, а наиболее проникающим является гамма-излучение.

Если альфа-частицы можно характеризовать опреде^ ленным пробегом, а электроны — каким-то максималь­ ным пробегом, то этого нельзя сделать в отношении гам­ ма-лучей. Проходя через вещество, поток гамма-лучей по­ степенно ослабляется и медленно приближается к нулю.

В зависимости от энергии гамма-лучей изменяются

28

вероятности разных процессов, которые могут происхо­ дить при взаимодействии гамма-лучей с веществом.

Взаимодействуя с электронами и ядрами атомов ве­ щества, гамма-лучи теряют энергию вследствие многих процессов: рассеяния гамма-квантов с изменением и без изменения энергии (то есть частоты), действительно­ го поглощения гамма-лучей, когда кинетическая энергия

тате гамма-квант исчезает, а из атома выбрасывается электрон. Описанный процесс носит название фотоэффек­ та (рис. 4).

Фотоэлектрическое взаимодействие играет важную роль для тяжелых элементов (например, свинца) и при энергиях гамма-квантов меньше 0,5 Мэе.

При энергиях гамма-квантов больше 100 кэв возра­ стает вероятность взаимодействия гамма-квантов с элек­ тронами внешних оболочек атома. Происходит как бы столкновение двух частиц: гамма-кванта и одного свобод­ ного электрона (при больших энергиях энергию связи электрона можно не брать во внимание). Гамма-квант передает часть своей энергии электрону и отклоняется на какой-то угол. Чем больше угол рассеяния, тем боль­ шая часть энергии передается электрону. Такой процесс носит название комптон-эффекта (рис. 5).

Наконец, при энергиях гамма-квантов выше 1,02 Мэе

29

могут образовываться пары частиц. Гамма-квант исче­ зает, однако вместо него, за счет его энергии, появляется электрон и позитрон (рис. 6). Образование пары наибо­ лее вероятно вблизи атомного ядра. Электрон и позитрон разлетаются так, что геометрическая сумма количества их движения вместе с количеством движения ядра, вбли-

зи которого возникла пара, равна количеству движения гамма-кванта. Процесс образования пар играет суще­ ственную роль при высоких энергиях гамма-квантов и для тяжелых элементов.

Биологическое действие ядерных излучений

Ядерное излучение в больших дозах вредно действует на организм человека и вызывает целый ряд заболева­ ний. У человека нет специального органа чувств, который бы выявлял присутствие ядерного излучения и степень его опасности. Находясь под действием излучения, чело­

30

век на протяжении длительного времени не испытывает никаких неприятных или болезненных ощущений. Симп­ томы лучевого заболевания (поражение кожи, болезнен­ ность) проявляются не сразу. Все это требует большой осторожности при работе с радиоактивными веществами. Необходимо помнить об опасности излучения для всех окружающих.

Человек всегда подвергался и подвергается действию радиации. Она поступает к нам из космоса в виде косми­ ческих лучей или вторичных частиц, порожденных косми­ ческими лучами в атмосфере. К этой радиации добавля­ ются также излучения от природного радиоактивного загрязнения почвы, камней, воздуха и воды. Подсчитано, что на протяжении жизни человек получает дозу в не­ сколько десятков рад *. Для сравнения укажем, что при обыкновенном рентгеновском просвечивании доза рав­ няется 2—10 рад.

Однако все упомянутые виды облучения очень сла­ бые, они не приводят к болезненным явлениям. Измене­ ния, которые они вызывают в организме, носят обратимый характер, то есть нарушения со временем проходят. Кро­ ме того, организм человека на протяжении веков приспо­ собился к слабому излучению.

То же самое можно сказать о животных и раститель­ ных организмах. Больше того, некоторые исследования подтверждают, что радиоактивные излучения играют важную роль в жизни, например, микроорганизмов почвы.

Под влиянием облучения в организме происходят сложные физические, химические и биологические про-

* Название единицы рад происходит от первых букв англий­ ского выражения radiation absorbed dose — поглощенная доза излу­ чения.

31

цессы. Рассмотрим некоторые особенности биологическо­ го действия разных видов излучения.

Излучение альфа-частиц — малопроникающее. При взаимодействии с альфа-частицами органические соеди­ нения типа углеводов испытывают сложные преобразова­ ния. Альфа-излучение даже сравнительно небольшой ин­ тенсивности оказывает сильное влияние на кожу и особенно на слизистые оболочки, вызывая ожоги и дру­ гие воспалительные процессы.

Химическое действие бета-частиц более слабое. Бетаизлучения вызывают ионизацию атомов й молекул веще­ ства. Под влиянием таких излучений вода, которой в ор­ ганизме содержится до 75—80%, разлагается с выделе­ нием водорода, кислорода и перекиси водорода. Взаимо­ действие этих продуктов с тканями приводит к появле­ нию окислительных процессов и разрушению органиче­ ских веществ.

Ионизирующее действие гамма-лучей обусловлено главным образом электронами, которые возникают при взаимодействии гамма-лучей с веществами ткани. Гам­ ма-излучение имеет высокую проникающую способность, и его действие охватывает больший объем вещества, не­ жели действие бета-лучей. Глубоко проникая в ткань, гамма-лучи достигают кровообразующих и других внут­ ренних органов и разрушают их. Действие рентгеновских лучей аналогично действию гамма-лучей.

Степень опасности лучевого воздействия для человека зависит от характера облучения, размера облученной по­ верхности, состояния организма и целого ряда других факторов.

Облучение может быть внешним и внутренним. При внешнем облучении атомы и молекулы в организме иони­ зируются, происходит разрыв молекулярных связей и из­ менение химической структуры различных соединений.

32

Ионизирующая радиация вызывает и расщепление моле­ кул воды. В организме появляются химические соедине­ ния, которые не встречаются в нормальных условиях. Все это вместе взятое приводит к изменению химической сре­ ды внутри организма человека и нарушению функциони­ рования некоторых внутренних органов и систем.

Внутреннее облучение бывает, когда радиоактивные вещества попадают внутрь человеческого организма. Би­ ологическое действие излучения при этом будет зависеть от того, каким путем это вещество попало в организм, от его химических свойств, периода полураспада, скорости и путей выведения из организма.

Радиоактивные вещества могут попасть в организм через дыхательные органы и пищевой тракт. Разные ра­ диоактивные вещества концентрируются в определенных органах или тканях, что приводит к их повреждению. Так, стронций сосредотачивается в костях, кобальт — в селе­ зенке, цезий — в мышцах.

Наиболее чувствительны к действию радиации тка­ ни, которые состоят из быстрорастущих клеток (костный мозг, лимфатические железы и т. п.). Ткани, состоящие из клеток, которые растут медленно (например, мышеч­ ная ткань), меньше поражаются.

Часть радиоактивных веществ выводится из организ­ ма в неизменном виде через почки, потовые и желудоч­ ные железы, кишечник и печень. Другие радиоактивные вещества выводятся таким же образом в виде продуктов радиоактивного распада. Химические соединения выво­ дятся из организма с неодинаковой скоростью. Легче все­ го из организма выводятся газоподобные радиоактивные вещества (через легкие), наиболее тяжело — концентри­ рующиеся в костях.

Действие нестойких радиоизотопов, попавших в ор­ ганизм, прекращается относительно быстро, но если в