 |
Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом
|
|
|
|
Поток a - частиц возникает при α - распаде ряда тяжелых нуклидов, например: 
Свободный пробег a - частиц чрезвычайно мал: так частицы с энергией 0,05 МэВ имеют пробег в воздухе 0,6 мм, а с энергией 5 МэВ - 35 мм. В биологической ткани их пробег в 1000 раз меньше. С веществом a - частицы взаимодействуют следующим образом:
1. Упругое рассеяние, происходящее за счет взаимодействия с электрическим полем ядра. Ядра легких элементов получают ускорение, которое может приводить к потере электрона с внешней оболочки. Это взаимодействие для a - частиц вносит исчезающей малый вклад в ионизацию.
2. Неупругое рассеяние, происходящее за счет взаимодействия с электронами атома. За счет обмена энергиями, электроны атома могут быть сорваны с орбиты.
3. Неупругое взаимодействие, происходящее за счет торможения a - частицы в электрическом поле тяжелого ядра, что приводит к тормозному излучению электромагнитных квантов (рентгеновское и g - излучения). Неупругие рассеивания лежат в основе ионизация вещества.
b - излучение сопровождает распад большинства радионуклидов. Для потока свободных электронов (позитронов) характерны те же взаимодействия с атомами, что и для a - частиц, с той разницей, что вклад упругого рассеяния β частиц в ионизации молекул вещества значительно более заметен. Основную роль в ионизации молекул вещества играет тормозное излучение электронов высоких энергий в электрическом поле ядер. Пробег b - частиц в воздухе значительно больше: так электроны с энергией 6 МэВ пробегают в воздухе до 200 м, а в биологической ткани лишь 20мм.
Взаимодействие g - квантов с анергией от 0,02 до 10 МэВ сводится к фотоэффекту, Комптон - эффекту и образованию электрон-позитронных пар.
|
|
|
При взаимодействии g - кванта с низким уровнем энергии (менее 0,1 МэВ) с орбитальным электроном происходит передача всей энергии кванта электрону, в результате чего электрон покидает орбиту. При более высокой энергии g - кванта, такое взаимодействие приводит к тому, что электрону передается только часть, энергии, достаточной для того, чтобы выбить электрон с орбиты. Образование электрон-позитронных пар возможно только для высокоэнергетических квантов (свыше 1,02 МэВ) в электрическом поле ядра. Свободный пробег g - лучей в воздухе составляет тысячи метров.
Для простых химических веществ и неорганических соединений прекращение ионизирующего облучения сопровождается также процессом рекомбинации - и атомы, и молекулы приходят в равновесие.
Сложнее взаимодействие ионизирующего излучения с белковыми молекулами организма. Их ионизация сопровождается разрушением белковых молекул, строение которых насчитывает до 2 тыс. атомов водорода, кислорода, углерода и др. Разрушенная белковая молекула не восстанавливается. Но еще более сильным влияющим фактором является радиолиз воды с образованием ионов Н и ОН. Эти ионы рекомбинируют с образованием сильнейших окислителей Н2О2 и НО2 (перекиси водорода и гидратного оксида). Радиолиз вода нарушает обмен веществ, работу лимфатических узлов, желез внутренней секреции, кроветворных органов. Уже при умеренном облучении организма уровень лейкоцитов в крови снижается, а РОЭ растет.
Разрушение белковых молекул может привести к искажению их генетического, кода и появлению раковых клеток. Облучение вызывает мутацию, т.е. генетические изменения у потомства.
После однократного облучения организма человека, на четвертый день, начинается снижение уровня радиационных поражений таким образом, что этот уровень опускается до 10% от исходного и дальше не снижается. Это - остаточная доза радиации. Очевидно, что радиационные поражения организма будут определяться энергией ионизирующего излучения, поглощенной организмом, а также количеством ионов, которые образуются в организме.
|
|
|
Дозовые характеристики
Разрыв внутримолекулярных связей и радиолиз волы возможны лишь при подвода энергии высокого уровня. В системе СИ за единицу поглощенной дозы принимается Грей (Гр) - это энергия ионизирующего излечения в 1Дж, поглощенный 1 кг массы, Гр = Дж/кг на практике пользуются дробной единицей рад. 1 рад = 10-2 Гр. Очевидно, что атомы различных элементов требуют различной энергии для ионизации: от 9 до 60 электрон-вольт на один акт ионизации. Поэтому поглощенная доза не может полностью характеризовать радиационные повреждения организма.
Более объективно оценить радиационные повреждения можно с помощью экспозиционной дозы, т.е. по количеству образованных пар ионов в единице объема или по суммарному заряду ионов одного знака в единице массы. В системе СИ принята следующая единица экспозиционной дозы: кулон/кг (Кл/кг).
Но исторически сложилось так, что в основе измерительной техники была заложена внесистемная единица - рентген (Р). 1Р такая экспозиционная доза g - излучений, при которой в 1см3 сухого воздуха при стандартных условиях образуется 2,08 миллиарда пар ионов. С учетом заряда электрона и плотности воздуха при стандартных условиях:
Между поглощенной и экспозиционной дозами можно установить соотношение, которое для различных элементов окажется различным. Для воздуха среднее значение энергии ионизации составляет 34 электрон-вольта на 1 акт ионизации. Следовательно, с учетом плотности воздуха при стандартных условиях и соотношения 1 электрон-вольт = 1,6*10-19 Дж, получается:
или 0,877рад.
Для сухого воздуха (при стандартных условиях) при рентгеновском и g - излучениях Дэксп = 0,877Дпогл, если экспозиционная доза измеряется в рентгенах, а поглощенная - в радах.
При одинаковых поглощенных дозах радиационные поражения, причиняемые различными дозами ионизирующего излучения не одинаковы. Поэтому вводится понятие - биологический эквивалент рентгена. Для каждого вида излучения вводится коэффициент, учитывавший биологическую опасность излучения:
|
|
|
Таблица 4
| вид излучения | Коэффициент биологической опасности |
| β - излучение | |
| a - излучение | |
| нейтронное излучение | 7.... 17 |
т.е., если по измерению экспозиционной дозы a - излучения в сухом воздухе ее значение составит n рентген, то для организма это составит 20*n бэр.
Очевидно, что при воздействии ионизирующего излучения на организм доза облучения со временем накапливается.
В целях ведения разведки необходимы методы, позволяющие определять какие-либо параметры ионизационного излучения мгновенно.
Для этого применяется один из распространенных методов - определение производной дозы по времени - мощность дозы (чаще употребляют "уровень радиации"’); обозначается Р: 
, если известен закон изменения dД/dτ по времени: P = P(t), то за время от t1 до t2 значение дозы составит 
Наиболее распространенные приборы дозиметрической разведки градуированы в 
или 
При облучении организма ионизирующим излучением развивается лучевая болезнь, тяжесть которой определяется поглощенной дозой и равномерностью облучения. Характеристики лучевой болезни при равномерном облучении тела человека приведены в таблице 5.
Таблица 5
| Доза Гр= Дж/кг | Степень лучевой болезни | Первичная реакция на облучение | Характер первичной реакции | Латентный скры-тый период | Разгар болез-ни | Изменения состава крови в разгар болезни | Клиническая реакция в разгар болезни | Последствия |
| 1...2 | легкая | через 2... 3ч выражена у 30...50% пораженных. | одно-двух кратная рвота в те-чение суток. | 4... 5 недель. | на 5-7 неделе. | снижение лейкоцитов до 1,5... 3 тыс/мм РОЭ - 10-25 мм/час | Астеничес-кие явления | 100% выздо-ровление без специального лечения 12 - 14 недель |
| 2...4 | средняя | черев 1...2ч у 70... 80% пораженных. | 2 - 3-крат-ная рвота, недомога-ние, суб-фибриль-ная темпе-ратура в теч. суток. | 3... 4 недель | на 4 - 6 неделе | лейкоцитов до 0,6...1,5 тыс/мм3, тромбоцитов до 20...40 тыс/мм3 РОЭ-до 25-40 мм/час. | Инфекционные осложнения, повышенная кровоточивость, астения. | при лечении полное выздоров-ление у 100%, 13... 20 недель. |
| 4...6 | тяжелая | через 20... 30 минут. | многократная рвота, недомога-ние, темпе-ратура до 30°С в течение 2-х суток. | 2 недели с 1 неде-ли эрозия слизис-тых обо-лочек, эритема кожи. | на 2 - 5 неделе | Лейкоцитов до 0,1 тыс/мм3 тромбоцитов до 10 тыс/мм3 РОЭ до 80мм/ч. | тяжелые инфекции, лихорадка, осложнения на печень | при специа-лизирован-ном лечении возможно выздоровле-ние у 50% пораженных |
| 6...10 | Крайне тяжелая | через 10... 20 минут | Эритема кожи, температу-ра выше 30°С в течение 3...4 суток. | Выражен не четко. | на 8 - 12 сутки | Тяжелое пора-жение крове-творных орга-нов с исчезно-вением тромбоцитов. | Кровавый понос, расст-ройство всех функций организма, вплоть до слепоты. | при раннем начале лече-ния в спец. клиниках (от-делениях) возможно выздоровле-ние у 30% пораженных. |
| 10 и более | Практически мгновенный (2... 3 часа) летальный исход у 100% пораженных. |
|
|
|
|
|
|
