Ионизирующее излучение

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от , проверенной 11 октября 2021; проверки требуют .

Ионизи́рующее излуче́ние (неточный синоним с более широким значением — радиа́ция) — потоки фотонов и других элементарных частиц или атомных ядер, способные ионизировать вещество.

К ионизирующему излучению не относятся видимый свет и ультрафиолетовое излучение, которые в отдельных случаях могут ионизировать вещество. Инфракрасное излучение и излучение радиодиапазонов не являются ионизирующими, поскольку их энергии недостаточно для ионизации атомов и молекул в основном состоянии[1][2][3][4][5].

Краски с использованием урановых и других радиоактивных материалов применялись еще задолго до начала нашей эры, но их излучение было так незначительно, что его не могли заметить. Серьёзный шаг в открытии радиоактивности был произведен немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом в 1789 году. Он получил из смоляной руды тёмное неизвестное вещество и назвал его Уран, правда со временем выяснилось, что это был не чистый уран, а его окисел[6][7]. В 1804 году химик Адольф Гелен открыл светочувствительность раствора хлорида уранила в эфире, данный эффект его заинтересовал, но дать ему реальное объяснение он так и не смог, так что это открытие осталось тогда незамеченным в научной среде[8]. Доказательством ионизирующего излучения стало открытие в 1860-х годах катодных лучей (потоков электронов, ускоряемых в вакуумной трубке высоким напряжением). Следующим открытым видом ионизирующего излучения стали рентгеновские лучи (Вильгельм Рентген, 1895). В 1896 году Анри Беккерель обнаружил ещё один вид ионизирующего излучения — невидимые лучи, испускаемые ураном, проходящие сквозь плотное непрозрачное вещество и засвечивающие фотоэмульсию (в современной терминологии — гамма-излучение)[9][10]. В результате дальнейшего исследования явления радиоактивности было обнаружено (Эрнест Резерфорд, 1899), что в результате радиоактивного распада испускаются альфа-, бета- и гамма-лучи, отличающиеся по ряду свойств, в частности, по электрическому заряду. Впоследствии были обнаружены и другие виды ионизирующей радиации, возникающие при радиоактивном распаде ядер: позитроны, конверсионные и оже-электроны, нейтроны, протоны, осколки деления, кластеры (лёгкие ядра, испускаемые при кластерном распаде). В 1911—1912 годах были открыты космические лучи.

Наиболее значимы следующие типы ионизирующего излучения:[1][2][11][12]

Многие стабильные атомы в результате облучения и соответствующей индуцированной ядерной реакции превращаются в нестабильные изотопы. В результате такого облучения стабильное вещество становится радиоактивным, причём тип вторичного ионизирующего излучения будет отличаться от первоначального облучения. Наиболее ярко такой эффект проявляется после нейтронного облучения.

В процессе ядерного распада или синтеза возникают новые нуклиды, которые также могут быть нестабильны. В результате возникает цепочка ядерных превращений. Каждое превращение имеет свою вероятность и свой набор ионизирующих излучений. В результате интенсивность и характер излучений радиоактивного источника может значительно меняться со временем.

Исторически первыми датчиками ионизирующего излучения были химические светочувствительные материалы, используемые в фотографии. Ионизирующие излучения засвечивали фотопластинку, помещённую в светонепроницаемый конверт. Однако от них быстро отказались из-за длительности и затратности процесса, сложности проявки и низкой информативности.

В качестве датчиков ионизирующего излучения в быту и промышленности наибольшее распространение получили дозиметры на базе счётчиков Гейгера. Счётчик Гейгера — газоразрядный прибор, в котором ионизация газа излучением превращается в электрический ток между электродами. Как правило, такие приборы корректно регистрируют только гамма-излучение. Некоторые приборы снабжаются специальным фильтром, преобразующим бета-излучение в гамма-кванты за счёт тормозного излучения. Счётчики Гейгера плохо селектируют излучения по энергии, для этого используют другую разновидность газоразрядного счётчика, т. н. пропорциональный счётчик.

Существуют полупроводниковые датчики ионизирующего излучения. Принцип их действия аналогичен газоразрядным приборам с тем отличием, что ионизируется объём полупроводника между двумя электродами. В простейшем случае это обратносмещенный полупроводниковый диод. Для максимальной чувствительности такие детекторы имеют значительные размеры.[14]

Широкое применение в науке получили сцинтилляторы. Эти приборы преобразуют энергию излучения в видимый свет за счёт поглощения излучения в специальном веществе. Вспышка света регистрируется фотоэлектронным умножителем. Сцинтилляторы хорошо разделяют излучение по энергиям.

Для исследования потоков элементарных частиц применяют множество других методов, позволяющих полнее исследовать их свойства, например, пузырьковая камера, камера Вильсона.

Эффективность взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависит от типа излучения, энергии частиц и сечения взаимодействия облучаемого вещества. Важные показатели взаимодействия ионизирующего излучения с веществом:

В Международной системе единиц (СИ) единицей поглощённой дозы является грэй (русское обозначение: Гр, международное: Gy), численно равный поглощённой энергии в 1 Дж на 1 кг массы вещества. Иногда встречается устаревшая внесистемная единица рад (русское обозначение: рад; международное: rad): доза, соответствующая поглощённой энергии 100 эрг на 1 грамм вещества. 1 рад = 0,01 Гр. Не следует путать поглощённую дозу с эквивалентной дозой Перейти к разделу «#Биологическое действие ионизирующих излучений».

Также широко применяется устаревшее понятие экспозиционная доза излучения — величина, показывающая, какой заряд создаёт фотонное (гамма- или рентгеновское) излучение в единице объёма воздуха. Для этого обычно используют внесистемную единицу экспозиционной дозы рентген (русское обозначение: Р; международное: R): доза фотонного излучения, образующего ионы с зарядом в 1 ед. заряда СГСЭ ((1/3)⋅10−9 кулон) в 1 см³ воздуха. В системе СИ используется единица кулон на килограмм (русское обозначение: Кл/кг; международное: C/kg): 1 Кл/кг = 3876 Р; 1 Р = 2,57976⋅10−4 Кл/кг[15].

Активность радиоактивного источника ионизирующего излучения определяется как среднее количество распадов ядер в единицу времени. Соответствующая единица в системе СИ беккерель (русское обозначение: Бк; международное: Bq) обозначает количество распадов в секунду. Применяется также внесистемная единица кюри (русское обозначение: Ки; международное: Ci). 1 Ки = 3,7⋅1010 Бк. Первоначальное определение этой единицы соответствовало активности 1 г радия-226.

Корпускулярное ионизирующее излучение также характеризуется кинетической энергией частиц. Для измерения этого параметра наиболее распространена внесистемная единица электронвольт (русское обозначение: эВ, международное: eV). Как правило радиоактивный источник генерирует частицы с определённым спектром энергий. Датчики излучений также имеют неравномерную чувствительность по энергии частиц.

По механизму взаимодействия с веществом выделяют непосредственно потоки заряженных частиц и косвенно ионизирующее излучение (потоки нейтральных элементарных частиц — фотонов и нейтронов). По механизму образования — первичное (рождённое в источнике) и вторичное (образованное в результате взаимодействия излучения другого типа с веществом) ионизирующее излучение.

Энергия частиц ионизирующего излучения лежит в диапазоне от нескольких сотен электронвольт (рентгеновское излучение, бета-излучение некоторых радионуклидов) до 1015—1020 и выше электронвольт (протоны космического излучения, для которых не обнаружено верхнего предела по энергии).

Длина пробега и проникающая способность сильно различаются — от микрометров в конденсированной среде (альфа-излучение радионуклидов, осколки деления) до многих километров (высокоэнергетические мюоны космических лучей).

Длительное воздействие корпускулярных излучений или фотонных излучений сверхвысоких энергий может существенно изменять свойства конструкционных материалов. Изучением этих изменений занимается инженерная дисциплина радиационное материаловедение. Раздел физики, занимающийся исследованием поведения твёрдых тел под облучением, получил название радиационная физика твёрдого тела.[16] Наиболее значимыми типами радиационных повреждений является:

Учёт радиационных повреждений инженерных конструкций наиболее актуален для ядерных реакторов и полупроводниковой электроники, рассчитанной на работу в условиях радиации.

Современные полупроводниковые технологии чувствительны к ионизирующей радиации[17][18][19][20]. Тем не менее они широко применяются в военной и космической технике, в ядерной индустрии. При этом используется ряд технологических, схемотехнических и программных решений, уменьшающих последствия радиационного воздействия.

Основные типы радиационных повреждений, приводящих к разовым или необратимым отказам полупроводниковых приборов:

Ионизирующее излучение может вызывать химические превращения вещества. Такие превращения изучает радиационная химия. Под действием ионизирующего излучения могут происходить такие превращения как например[21]:

Разные типы ионизирующего излучения обладают разным разрушительным эффектом и разным способом воздействия на биологические ткани. Соответственно, одной и той же поглощённой дозе соответствует разная биологическая эффективность излучения. Поэтому для описания воздействия излучения на живые организмы вводят понятие . Для заряженных частиц[источник не указан 1373 дня] биологическая эффективность прямо связана с линейной передачей энергии данного типа частиц (средняя потеря энергии частицей на единицу длины пробега частицы в ткани).

Для учёта биологического эффекта поглощённой дозы была введена эквивалентная доза ионизирующего излучения, численно равная произведению поглощённой дозы на взвешивающий коэффициент излучения. Для рентгеновского, гамма- и бета-излучений коэффициент принят за 1. Для альфа-излучения и осколков ядер коэффициент 20. Нейтроны — 5…20 в зависимости от энергии. В системе СИ эффективная и эквивалентная доза измеряется в зивертах (русское обозначение: Зв; международное: Sv).

Ранее широко применялась единица измерения эквивалентной дозы бэр (от биологический эквивалент рентгена для гамма-излучения; русское обозначение: бэр; международное: rem). Первоначально единица определялась как доза ионизирующего излучения, производящего такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или гамма-излучения, равная 1 Р. После принятия системы СИ под бэром стали понимать единицу, равную 0,01 Дж/кг. 1 бэр = 0,01 Зв = 100 эрг[23].

Помимо биологической эффективности, необходимо учитывать проникающую способность излучений. Например, тяжёлые ядра атомов и альфа-частицы имеют крайне малую длину пробега в сколько-нибудь плотном веществе, поэтому радиоактивные альфа-источники опасны не при внешнем облучении, а лишь при попадании внутрь организма. Наоборот, гамма-излучение обладает значительной проникающей способностью.

Некоторые радиоактивные изотопы способны встраиваться в процесс обмена веществ живого организма, замещая стабильные элементы. Это приводит к удержанию и накоплению радиоактивного вещества непосредственно в живых тканях, что существенно увеличивает опасность контакта. Например, широко известны йод-131, изотопы стронция, плутония и т. п. Для характеристики этого явления используется понятие период полувыведения изотопа из организма.

Прямое действие ионизирующих излучений — это прямое попадание ионизирующих частиц в биологические молекулярные структуры клеток и в жидкие (водные) среды организма.

Непрямое или косвенное действие — действие свободных радикалов, возникающих в результате ионизации, создаваемой излучением в жидких средах организма и клеток. Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести как к массовой гибели клеток, так и канцерогенезу и мутагенезу. Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.

После действия излучения на организм в зависимости от дозы могут возникнуть детерминированные и стохастические радиобиологические эффекты. Например, порог появления симптомов острой лучевой болезни у человека составляет 1—2 Зв на всё тело.

В отличие от детерминированных, стохастические эффекты не имеют чёткого дозового порога проявления. С увеличением дозы облучения возрастает лишь частота проявления этих эффектов. Проявиться они могут как спустя много лет после облучения (злокачественные новообразования), так и в последующих поколениях (мутации)[25].

Основным источником информации о стохастических эффектах воздействия ионизирующего излучения являются данные наблюдений за здоровьем людей, переживших атомные бомбардировки или радиационные аварии. Специалисты наблюдали 87 500 человек, переживших атомные бомбардировки. Средняя доза их облучения составила 240 миллизиверт. При этом прирост онкологических заболеваний за последующие годы составил 9 %. При дозах менее 100 миллизиверт различий между ожидаемой и наблюдаемой в реальности заболеваемостью никто в мире не установил.[26]

Нормирование осуществляется по санитарным правилам и нормативам СанПин 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)». Устанавливаются дозовые пределы эффективной дозы для следующих категорий лиц:

Основные пределы доз и допустимые уровни облучения персонала группы Б равны четверти значений для персонала группы А.

Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) 1000 мЗв, а для обычного населения за всю жизнь — 70 мЗв. Планируемое повышенное облучение допускается только для мужчин старше 30 лет при их добровольном письменном согласии после информирования о возможных дозах облучения и риске для здоровья.

Международный условный знак радиационной опасности («трилистник», «вентилятор») имеет форму трёх секторов шириной 60°, расставленных на 120° друг относительно друга, с небольшим кругом в центре. Выполняется чёрным цветом на жёлтом фоне.

В таблице символов Юникод есть символ знака радиационной опасности — ☢ (U+0x2622).

В 2007 году был принят новый знак радиационной опасности, в котором «трилистник» дополнен знаками «смертельно»череп с костями») и «уходи!» (силуэт бегущего человека и указывающая стрелка). Новый знак призван стать более понятным для тех, кто не знаком со значением традиционного «трилистника».

Фон ионизирующего излучения (или радиационный фон) — суммарное излучение от природных и техногенных источников[33][34].

В России радиационный мониторинг окружающей среды осуществляют федеральная служба Росгидромет и государственная корпорация Росатом[35]. На международном уровне сбором информации и оценкой влияния радиоактивного излучения на человека и окружающую среду занимается Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР) при Организации объединённых наций.

Основными составляющими естественного (природного) радиационного фона являются космические лучи и излучение от радионуклидов земного происхождения, повсеместно содержащихся в земной коре[36].

Согласно данным НКДАР среднемировая мощность эффективной дозы от действия космических лучей (включая вторичное нейтронное излучение) на поверхности земли вне укрытий составляет 0,036 мкЗв/ч[37]. С увеличением высоты над уровнем моря это значение существенно меняется и в зоне полётов гражданской авиации (9—12 км) может составлять 5—8 мкЗв/ч. Исходя из этого эффективная доза от действия космических лучей при трансатлантическом перелёте из Европы в Северную Америку достигает 30—45 мкЗв[38]. Кроме того мощность дозы рассматриваемого излучения зависит от геомагнитной широты и состояния 11-летнего цикла солнечной активности. Вклад каждого из двух факторов в мощность дозы излучения составляет около 10 % [39].

Второй существенной составляющей естественного радиационного фона является γ-излучение от радионуклидов земного происхождения таких как 40K и продуктов распада урана-238 и тория-232 (226Th, 228Ac, 214Pb, 214Bi)[40][41]. Средняя мощность эффективной дозы от внешнего облучения этими радионуклидами в зависимости от региона находится в диапазоне от 0,030 до 0,068 мкЗв/ч[42]. Как исключения, в мире имеются регионы с повышенным естественным радиационным фоном, обусловленным наличием монацитового песка с большим содержанием тория (города Гуарапари в Бразилии, Янцзян в Китае, штаты Керала и Мадрас в Индии, дельта Нила в Египте), вулканическими почвами (штат Минас-Жерайс в Бразилии, остров Ниуэ в Тихом океане) или наличием радия-226 в пресной воде (город Рамсар в Иране)[43].

По данным Росгидромета[44] на территории Российской Федерации мощность экспозиционной дозы γ-излучения (МЭД)[примечание 1] находится в основном в пределах колебаний естественного радиационного фона (9—16 мкР/ч).

Превышение значений МЭД зафиксировано на загрязнённых после аварии на ЧАЭС территориях в Брянской, Калужской, Курской, Орловской и Тульской областях в диапазоне 19—25 мкР/ч. В 100-км зонах радиохимических предприятий и АЭС наблюдаются кратковременные повышения МЭД до 20 мкР/ч, однако среднегодовые значения находятся в пределах колебания фона — 9—14 мкР/ч.

Средняя годовая эффективная доза, получаемая человеком и обусловленная природными факторами, составляет 2400 мкЗв, в эту цифру кроме внешнего облучения от источников рассмотренных выше, входит внутренне облучение от радионуклидов попадающих в организм человека с воздухом, пищей и водой (суммарно 1500 мкЗв)[51]. В последнее время техногенное облучение в развитых странах приближается к вкладу от естественных источников. При этом доза от медицинских исследований и терапии с использованием источников ионизирующего излучения составляет 95 % всего антропогенного радиационного воздействия на человека[52].