Альфа-, бета-, гамма-излучения – свойства, характеристика и показатели

Образование[ | ]

Альфа-частицы возникают при альфа-распаде ядер, при ядерных реакциях и в результате полной ионизации атомов гелия-4. Например, в результате взаимодействия ядра лития-6 с дейтроном могут образоваться две альфа-частицы: 6Li

+
2H
=
4He
+
4He
. Альфа-частицы составляют существенную часть первичных космических лучей; большинство из них являются ускоренными ядрами гелия из звёздных атмосфер и межзвёздного газа, некоторые возникли в результате ядерных реакций скалывания из более тяжёлых ядер космических лучей. Альфа-частицы высоких энергий могут быть получены с помощью ускорителей заряженных частиц.

Альфа излучение

Некоторые радионуклиды с высокой атомной массой (Ra226, U238, Pu239) распадаются под действием излучения альфа-частиц. Эти альфа-частицы представляют собой тесно связанные единицы из двух нейтронов и двух протонов в каждой (ядро He4) и имеют положительный заряд. Эмиссия альфа-частицы из ядра приводит к уменьшению двух единиц атомного номера (Z) и четырех единиц массового числа (A). Альфа-частицы испускаются с дискретными энергиями, характерными для конкретного преобразования, из которого они происходят. Все альфа-частицы от конкретного преобразования радионуклидов будут иметь одинаковые энергии.

Проникающая способность[ | ]

Тяжёлые заряженные частицы взаимодействуют в основном с атомными электронами и поэтому мало отклоняются от направления своего первоначального движения. Вследствие этого пробег тяжёлой частицы R

измеряют расстоянием по прямой от источника частиц до точки их остановки. Обычно пробег измеряется в единицах длины (м, см, мкм), а также поверхностной плотности материала (или, что равнозначно, длины пробега, умноженной на плотность) (г/см2). Выражение пробега в единицах длины имеет смысл для фиксированной плотности среды (например, часто в качестве среды выбирается сухой воздух при нормальных условиях). Физический смысл пробега в терминах поверхностной плотности — масса единицы площади слоя, достаточного для остановки частицы.
Длина пробега α-частицы в зависимости от её энергии и среды

Скорость распада изотопа (период полураспада)

Каждый радионуклид распадается со своей уникальной скоростью, которая не может быть изменена никаким химическим или физическим процессом. Полезным показателем этой скорости является период полураспада радионуклида.

Период полураспада определяется как время, необходимое для снижения активности какого-либо конкретного радионуклида до половины его первоначального значения. Другими словами, половина атомов вернулась в более стабильное состояние материала.

Периоды полураспада радионуклидов варьируются от микросекунд до миллиардов лет.

Период полураспада двух широко используемых промышленных изотопов составляет 74 дня для иридия-192 и 5,3 года для кобальта-60. Более точные вычисления могут быть сделаны для периода полураспада этих материалов, однако, эти времена обычно используются.

Обратите внимание, что углерод-14 не используется в радиографии, но является одним из многих полезных радиоактивных изотопов, используемых для определения возраста окаменелостей.

Детектирование[ | ]

Детектируются альфа-частицы с помощью сцинтилляционных детекторов, газоразрядных детекторов, кремниевых pin-диодов (поверхностно-барьерных детекторов, нечувствительных к бета- и гамма-излучению) и соответствующей усилительной электроники, а также с помощью трековых детекторов. Для детектирования альфа-частиц с энергиями, характерными для радиоактивного распада, необходимо обеспечить малую поверхностную плотность экрана, отделяющего чувствительный объём детектора от окружающей среды. Например, в газоразрядных детекторах может устанавливаться слюдяное окно с толщиной в несколько микрон, проницаемое для альфа-частиц. В полупроводниковых поверхностно-барьерных детекторах такой экран не нужен, рабочая область детектора может непосредственно контактировать с воздухом. При детектировании альфа-активных радионуклидов в жидкостях исследуемое вещество смешивается с жидким сцинтиллятором.

В настоящее время наиболее распространены кремниевые поверхностно-барьерные детекторы альфа-частиц, в которых на поверхности полупроводникового кристалла с проводимостью p

-типа создаётся тонкий слой с проводимостью
n
-типа путём диффузионного введения донорной примеси (например, фосфора). Приложение обратного смещения к
p-n
-переходу обедняет чувствительную область детектора носителями заряда. Попадание в эту область альфа-частицы, ионизирующей вещество, вызывает рождение нескольких миллионов электронно-дырочных пар, которые вызывают регистрируемый импульс тока с амплитудой, пропорциональной количеству родившихся пар и, соответственно, кинетической энергии поглощённой альфа-частицы. Поскольку обеднённая область имеет очень малую толщину, детектор чувствителен лишь к частицам с высокой плотностью ионизации (альфа-частицы, протоны, осколки деления, тяжёлые ионы) и малочувствителен к бета- и гамма-излучению.

Типы излучения

Типы излучения вызванного радиоактивным распадом. Когда атом подвергается радиоактивному распаду, он испускает одну или несколько форм излучения с достаточной энергией для ионизации атомов, с которыми он взаимодействует. Более подробно ознакомиться с историей излечения.

Ионизирующее излучение может состоять из высокоскоростных субатомных частиц – выбрасываемых из ядра, или электромагнитного излучения (гамма-излучения), испускаемого либо ядром, либо орбитальными электронами.

Воздействие на человека[ | ]

Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8—15 МэВ[3]. При движении альфа-частицы в веществе, она создаёт сильную ионизацию окружающих атомов, и в результате этого очень быстро теряет энергию. Энергии альфа-частиц, возникающих в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует. Внешнее альфа-облучение опасно для здоровья только в случае высокоэнергичных альфа-частиц (с энергией выше десятков МэВ), источником которых является ускоритель. Однако проникновение альфа-активных радионуклидов внутрь тела, когда облучению подвергаются непосредственно живые ткани организма, весьма опасно для здоровья, поскольку большая плотность ионизации вдоль трека частицы сильно повреждает биомолекулы. Считается[4], что при равном энерговыделении (поглощённой дозе) эквивалентная доза, набранная при внутреннем облучении альфа-частицами с энергиями, характерными для радиоактивного распада, в 20 раз выше, чем при облучении гамма- и рентгеновскими квантами. Однако следует отметить, что линейная передача энергии высокоэнергичных альфа-частиц (с энергиями 200 МэВ и выше) значительно меньше, поэтому их относительная биологическая эффективность сравнима с таковой для гамма-квантов и бета-частиц.

Таким образом, опасность для человека при внешнем

облучении могут представлять α-частицы с энергиями 10 МэВ и выше, достаточными для преодоления омертвевшего рогового слоя кожного покрова. В то же время большинство исследовательских ускорителей α-частиц работает на энергиях ниже 3 МэВ[5].

Гораздо бо́льшую опасность для человека представляют α-частицы, возникающие при альфа-распаде радионуклидов, попавших внутрь

организма (в частности, через дыхательные пути или пищеварительный тракт)[6]. Достаточно микроскопического количества α-радиоактивного вещества (например полония-210), чтобы вызвать у пострадавшего острую лучевую болезнь, зачастую с летальным исходом[6].

Что такое радиоактивность в физике

Любой атом имеет ядро и вращающиеся вокруг него отрицательные заряженные частицы – электроны.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Причем число протонов всегда одинаково и соответствует порядковому номеру химического элемента в периодической системе Менделеева. Ядра, в которых количество нейтронов отличается, называются изотопами.

Некоторые атомные ядра могут превращаться в разные изотопы с выделением элементарных частиц или легких ядер. Собственно этот процесс и называется радиоактивностью.

Можно дать такое определение этому явлению: способность атомного ядра бесконтрольно распадаться с испусканием проникающих частиц.

Распад ядер возможен в том случае, если он сопровождается выделением энергии. Сегодня известно около 3 тыс. атомных ядер. Из них не являются радиоактивными всего лишь 264.

В физике существуют такие виды радиоактивного распада:

• α-распад с выделением α-частицы;
• β-распад с испусканием электрона и антинейтрино, позитрона и нейтрино, а также поглощение ядром электрона с выделением нейтрино;
• γ-распад – излучение атомным ядром кванта ионизирующих лучей;
• бесконтрольное деление ядра на осколки.

Ответы

Состав атомного ядра. Ядерные реакции →

← Дисперсия света. Линза. Фокусное расстояние линзы. Глаз как оптическая система. Оптические приборы

Радиоактивность. Альфа-, бета-, гамма-излучения. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома

Оценка

Основные источники

Источники альфа-излучения.

Главными источниками альфа-радиации являются:

1. Образование изотопов гелия. Наблюдается при распаде тяжелых атомов.
2. Межзвездный газ. Образуется при увеличении скорости движения ядер гелия в космосе. Эти частицы пытаются преодолеть силу притяжения.
3. Научные эксперименты. Опыты проводятся с использованием ускорителей в лабораторных условиях. Аппаратура вырабатывает излучение с нужными характеристиками.
4. Промышленность. Источниками становятся объекты атомной энергетики и урановой индустрии.

Как бета-излучение воздействует на человека

При непосредственном контакте лучей с кожей возникают ожоги. Тяжесть повреждения зависит от длительности, интенсивности и структуры облучения. Чаще всего образующиеся при распаде частиц электроны повреждают органы зрения и слизистые оболочки.

При попадании в органы дыхания и пищеварения элементы распространяются по всему организму.

Процесс сопровождается ионизацией молекул, выделением токсинов и гибелью клеток. Развивающаяся на фоне лучевой болезни интоксикация становится причиной летального исхода.

Существуют нормы, помогающие определить интенсивность облучения. Безопасным считается показатель 0,20 мкЗв/ч.

Если радиационный фон превышает норму в 2 раза, находиться в данной местности можно не более получаса.

Область применения

Основной областью применения рассматриваемого вида излучения является медицина. Речь идет о радиоизотопной диагностике и лечении некоторых заболеваний.

Практическое использование осуществляется:

1. В терапевтических целях. На пораженные области накладывают аппликации, излучающие нужные для лечения частицы.
2. Для устранения злокачественных новообразований. Терапия может быть внутритканевой или внутриполостной (источник излучения вводится в пораженный опухолью орган). Выделяющиеся при радиационном распаде электроны отрицательно воздействуют на процессы деления раковых клеток.
3. В диагностических целях. Метод основывается на накоплении радиоактивных изотопов в опухолевых тканях. Такое исследование помогает выявить мельчайшие злокачественные новообразования.

Бета-излучение применяется и в химической промышленности, например в контроле протекающих автоматически процессов. Облучение используется при ремонте транспортной и строительной техники, ведении археологических раскопок. Применение лучей помогает установить точный возраст горной породы.

Какие радионуклиды представляют собой большую опасность?

Это достаточно провокационный вопрос. С одной стороны, более опасными являются короткоживущие, ведь они более активны. Но ведь после их распада сама проблема радиации теряет актуальность, в то время как долгоживущие представляют опасность в течение многих лет.

Удельную активность радионуклидов можно сравнить с оружием. Какое оружие будет более опасным: то, что делает пятьдесят выстрелов за минуту, или то, что стреляет один раз в полчаса? На этот вопрос ответить нельзя – все зависит от того, каков калибр оружия, чем оно заряжено, долетит ли пуля до цели, каким будет повреждение.

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.