Некоторые свойства ионизирующих излучений. Радиоактивность и ядерные реакции

Введение. В этой книге рассмотрены вопросы взаимодействия ионизирующих излучений с живой материей. Биологические эффекты ионизирующего излучения — результат поглощения энергии излучения тканями и распространения этой энергии в тканях.

Если бы излучение проходило через ткани, не отдавая им части своей энергии, оно не производило бы никакого биологического эффекта. Для наглядности наиболее часто применяющиеся в радиобиологии виды ионизирующих излучений и их основные свойства приведены в табл. 1.1 и 1.2.

Эффекты, вызываемые различными видами излучений, тесно связаны с их энергетическими характеристиками, которые, в свою очередь, зависят от массы, заряда и энергии данного вида излучения. В гл. 1 обсуждаются некоторые основные физические и химические стадии, предшествующие биологическим эффектам ионизирующего излучения. Однако в ней не дается исчерпывающего анализа всех сторон этого чрезвычайно разнообразного процесса, а рассматриваются только основные понятия об атомной структуре и свойствах α-, β- и γ-излучений.

Радиоактивность и ядерные реакции. Материя состоит из элементов, среди которых 92 — естественные, несколько получены искусственно. Элементы состоят из атомов, которые имеют положительно заряженное ядро и вращающиеся вокруг него отрицательно заряженные электроны. Ядро состоит из протонов (заряженных положительно) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Протоны и нейтроны имеют одинаковую массу, которая приблизительно в 1800 раз больше массы электронов. Обычно атомы электрически нейтральны, так как число вращающихся вокруг ядра электронов равно числу протонов в ядре.

Атомный номер элемента, т. е. число протонов в ядре, Z и атомная масса А обозначаются слева от элемента. Например, в ядре которого находятся 53 протона и 78 нейтронов. В настоящее время известно приблизительно 1600 изотопов. Изотопом называется разновидность одного и того же химического элемента, отличающаяся массой атома. Например, Большинство изотопов стабильны, но некоторые из них неустойчивы и подвержены радиоактивному распаду, в результате которого образуются более устойчивые элементы. Каждый радиоактивный изотоп (нуклид) распадается специфическим образом, испуская одну или несколько определенных порций энергии. Существует несколько типов распада, включающих α-, β- и у- излучение, внутреннюю конверсию и захват электронов.

Когда ядро теряет α-частицу, его атомный номер уменьшается на 2 а атомная масса — на 4. Например, распад ²³⁸U с испусканием α-частиц приводит к образованию изотопа тория:

т. е. ²³⁸U - ²³⁴Th + α-частица, где α-частица (ядро гелия) имеет энергию около 4,18 МэВ*. Большинство α-излучателей являются элементами с большим атомным номером; α-частицы обладают энергией от 4 до 9 МэВ. β-Частицы, или электроны, испускаются из ядра с превращением нейтрона в протон. Поэтому, когда атом испускает β-частицу, атомный номер увеличивается на единицу, а атомная масса не изменяется. Например, ⁵⁹Fe при распаде испускает β-частицы, превращаясь при этом в ⁵⁹Со — устойчивый изотоп кобальта:

Следует обратить внимание на то, что β-частица имеет атомную массу, равную нулю, так как не содержит протонов или нейтронов и имеет отрицательный заряд, равный единице, чем и объясняется изменение атомного номера изотопа.

После испускания α- или β-частицы ядра могут находиться в состоянии возбуждения и перестраиваться, выделяя энергию возбуждения в виде γ-квантов. Это не приводит к изменению атомного номера или атомной массы, поскольку γ-излучение - коротковолновое электромагнитное излучение. Например, при распаде ⁶⁰Со с испусканием β-частиц выделяется два γ-кванта с энергией 1,332 и 1,172 МэВ:

Выход из возбужденного состояния может происходить и иначе — путем "внутренней конверсии", при которой энергия γ-квантов передается одному из внутренних орбитальных электронов. Электрон получает энергию, равную энергии γ-кванта минус энергия связи электрона.

После внутренней конверсии будет испускаться характеристическое рентгеновское излучение, так как орбитальные электроны перераспределяются, чтобы заполнить пустоты, оставленные конвертированными электронами. Если часть этого рентгеновского излучения поглощается орбитальными электронами, то может произойти дальнейшая эмиссия электронов, называемых оже-электронами.

В нуклидах, где отношение нейтронов к протонам слишком низко для стабильности ядра, происходят следующие явления: протон ядра захватывает электроны с одной из внутренних орбит — обычно глубоко лежащей К-оболочки. Протон, таким образом, превращается в нейтрон и излучает нейтрино. Таким образом, характеристическое рентгеновское излучение всегда испускается в том случае, когда заполняется пустота в К-оболочке путем перераспределения орбитальных электронов.

Распад радиоактивного образца — случайный процесс, происходящий по определенному закону: число распадов в 1 с пропорционально активности, имеющей место в каждый данный момент:

где А₀ — активность во время 0; А — активность во время t; λ — константа распада.

Этот экспоненциальный распад имеет соответствующий период полураспада, который определяется как время, необходимое для того, чтобы активность образца уменьшилась за данное время вдвое. В последнем выражении, используя период полураспада (t _1/2), можно заменить А на 1/2 А₀:

Прологарифмировав это выражение, получим:

Период полураспада различных радиоизотопов находится в диапазоне от микросекунд до более чем 10¹¹ лет.