Главная Коллекция "Otherreferats" Сельское, лесное хозяйство и землепользование Характеристика радиоактивных излучений

Характеристика радиоактивных излучений

Характеристика понятия радиоактивных излучений. Ознакомление с процессом осаждения радиоактивных аэрозолей на поверхности почвы, воды и растительного покрова под действием атмосферных явлений. Рассмотрение основных типов измерений радиационных явлений.

Рубрика Сельское, лесное хозяйство и землепользование
Вид контрольная работа
Язык русский
Дата добавления 03.04.2012
Размер файла 225,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

  • 1 Характеристика радиоактивных излучений
  • 2 Осаждение радиоактивных аэрозолей на земную поверхность
  • 3 Единицы измерений радиоактивности
  • Список литературы

1 Характеристика радиоактивных излучений

Радиоактивное излучение невидимо. Оно обнаруживается с помощью различных явлений, происходящих при его действии на вещество (свечение люминофоров или флуоресцирующих экранов, ионизация вещества, почернение фотоэмульсии после проявления и т. п.). Характер испускаемого радиоактивными веществами излучения изучен как по поглощению его в веществе, так и по отклонению этих лучей в электрическом и магнитном поле. Было обнаружено, что радиоактивное излучение в поперечном магнитном поле разделяется обычно на три пучка (рис. 1). Пока не была выяснена природа этих излучений, лучи, отклоняющиеся к отрицательно заряженной пластинке, условно были названы альфа-лучами, отклоняющиеся к положительно заряженной пластинке -- бета-лучами, а лучи, которые совсем не отклонялись, были названы гамма-лучами. Такое разделение радиоактивного излучения в электрическом поле позволило установить, что только гамма-лучи представляют собой истинные лучи, так как они даже в сильном электрическом или магнитном поле не отклоняются; альфа- и бета-лучи являются заряженными частицами и способны отклоняться.

Альфа-частицы (б-частицы) представляют собой ядра атомов гелия и состоят из двух протонов и двух нейтронов; они имеют двойной положительный заряд (2 * 4,8 * 10-10 = 9,6 * 10-10 ед. СГСЭ) и относительно большую массу, равную 4,003 а.е.м. Масса этих частиц превышает массу электрона в 7300 раз; энергия их колеблется в пределах 2... 11 МэВ. Для каждого данного изотопа энергия альфа-частиц постоянна. В спектре альфа-излучения очень незначительный процент короткопробежных и длиннопробежных частиц, поэтому альфа-излучение считают монохроматическим. Пробег альфа-частиц в воздухе составляет в зависимости от энергии 2...10 см, в биологических тканях -- несколько десятков микрометров.

Так как альфа-частицы массивны и обладают сравнительно большой энергией, путь их в веществе прямолинеен; они вызывают сильно выраженные эффекты ионизации и флуоресценции. В воздухе на 1 см пути альфа-частица образует 100...250 тыс. Ларионов. Поэтому альфа-излучатели при попадании в организм крайне опасны для человека и животных. Вся энергия альфа-частиц передается клеткам организма, что наносит им вред.

Бета-частицы (в-частицы) представляют собой поток частиц (электроны или позитроны) ядерного происхождения. Позитрон -- элементарная частица, подобная электрону, но с положительным знаком заряда. Физическая характеристика электронов ядерного происхождения (масса, заряд) такая же, как и у электронов атомной оболочки. Бета-частицы обозначаются символом Р- или e-, в+ или е+.

В отличие от альфа-частиц одного и того же радиоактивного элемента бета-частицы обладают различным запасом энергии (от нуля до некоторого максимального значения). Это объясняется тем, что при бета-распаде из атомного ядра вылетают одновременно с бета-частицей нейтрино** Нейтрино -- электронейтральная частица, которая движется со скоростью света, имеет массу покоя и обладает большой проникающей способностью: зарегистрировать ее очень трудно. Частица, испускаемая вместе с позитроном (в+), названа нейтрино и обозначается (н+), а испускаемая вместе с электроном (в-) -- антинейтрино (н-)..

Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между бета-частицей и нейтрино. Если бета-частица вылетает из ядра с большим запасом энергии, то нейтрино испускается с малым уровнем энергии и наоборот. Поэтому энергетический спектр*** Распределение частиц по энергиям называется спектром радиоактивного излучения.* бета-излучения сплошной или непрерывный. Средняя энергия бета-частиц в спектре равна примерно 1/3 их максимальной энергии. Максимальную энергию обозначают Емакс, среднюю -- Е (рис. 2).

Поскольку бета-частицы одного и того же радиоактивного элемента имеют различный запас энергии, то величина их пробега в одной и той же среде будет неодинаковой. Путь бета-частиц в веществе извилист, так как, имея крайне малую массу, они легко изменяют направление движения под действием электрических полей встречных атомов. Бета-излучение обладает меньшим эффектом ионизации, чем альфа-излучение. Оно образует 50... 100 пар ионов на 1 см пути в воздухе и имеет "рассеянный тип ионизации".

Пробег бета-частиц в воздухе может составлять в зависимости от энергии до 25 м, в биологических тканях -- до 1 см. Скорость движения бета-частиц в вакууме равна 1 * 1010...2,9 * 1010 см/с (0,3...0,99 скорости света).

Различные радиоактивные изотопы значительно отличаются друг от друга по уровню энергии бета-частиц. Максимальная энергия бета-частиц различных элементов имеет широкие пределы -- от 0,015...0,05 МэВ (мягкое бета-излучение) до 3...12 МэВ (жесткое бета-излучение).

Гамма-излучение (г) представляет собой поток электромагнитных волн, так же как радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, рентгеновское излучение.

Различные виды электромагнитного излучения отличаются условиями образования и определенными свойствами (длиной волны, энергией).

Рентгеновское излучение возникает при торможении электронов в электрическом поле ядер атомов вещества (тормозное рентгеновское излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновское излучение). При различных переходах атомов и молекул из возбужденного состояния в невозбужденное может происходить испускание видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.

Гамма-кванты -- это излучение ядерного происхождения. Они испускаются ядрами атомов при альфа- и бета-распаде природных и искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- и бета-частицей). Это избыток мгновенно высвечивается в виде гамма-квантов.

Гамма-кванты лишены массы покоя. Это значит, что фотоны существуют только в движении. Они не имеют заряда и поэтому в электрическом и магнитном полях не отклоняются. В веществе и вакууме гамма-лучи распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Скорость распространения их в вакууме равняется скорости света (3 * 1010 см/с).

Энергия гамма-кванта Ег пропорциональна частоте колебаний и определяется по формуле

Eг = hv,

где А -- универсальная постоянная Планка, или энергетический эквивалент (6,62 * 10-27 эрг/с, или 4,13 * 10-21 МэВ/с); v -- частота колебаний, с-1.

Частота колебаний гамма-квантов связана с длиной их волны. Чем больше длина волны, тем меньше частота колебаний, и наоборот, т. е. частота колебаний обратно пропорциональна длине волны. Чем меньше длина волны и больше частота колебаний излучения, тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма-излучения естественных радиоактивных элементов колеблется от нескольких килоэлектронвольт до 2...3 МэВ и редко достигает 5... 6 МэВ.

Гамма-излучатели редко имеют однозначную энергию квантов (моноэнергетический или монохроматический спектр). В состав потока гамма-излучения чаще входят кванты различной энергии. Однако "набор" их для каждого изотопа постоянен и образует линейчатый спектр излучения. Примером моноэнергетического гамма-излучателя может служить 137Cs. При изомерном переходе его дочернего ядра 137Ва высвечиваются кванты с энергией 0,661 МэВ. Линейчатый спектр излучения наблюдается при распаде изотопа йода (131I), когда высвечиваются пять групп квантов с энергиями 0,08; 0,163; 0,364; 0,637 и 0,722 МэВ. Бром (82Вr) излучает 11 групп гамма-квантов с энергией в пределах 0,248...1,453 МэВ, акадмий (115Cd) -- 13 групп от 0,335 до 1,28 МэВ.

Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизирующее действие, но обладают большой проникающей способностью. Путь пробега в воздухе достигает 100... 150 м.

2. Осаждение радиоактивных аэрозолей на земную поверхность

После наземного ядерного взрыва радиоактивные частицы, находящиеся в нижних слоях атмосферы, осаждаются на растительный и почвенный покров в течение нескольких часов. Это объясняется сравнительно большим размером радиоактивных частиц при наземных ядерных взрывах (1--0,01 мм). Вначале выпадают более крупные частицы, затем -- более мелкие и в конце пути радиоактивного облака -- самые мелкие частицы. Крупные частицы в основном оседают под действием силы тяжести. Радиоактивные аэрозоли оседают на поверхности почвы, воды и растительного покрова под действием атмосферных явлений (осадки, гравитационные силы, вертикальное движение воздушных масс, турбулентная диффузия и др.). Роль отдельных атмосферных явлений в процессе отложения радиоактивных частиц на земную поверхность зависит прежде всего от размеров частиц и от того, в каких слоях атмосферы они находятся.

Радиоактивные выпадения стратосферного происхождения, попадая в тропосферу, в дальнейшем оседают на поверхности земли в основном в результате вымывания атмосферными осадками. Атмосферные осадки играют основную роль в очистке тропосферы (рис. 3). Однако удаление радиоактивных частиц из атмосферы с осадками -- не единственный путь очищения тропосферы.

Различают "мокрое" и "сухое" отложение радионуклидов. Первый процесс состоит в выпадении радионуклидов с дождем, снегом на поверхность земли. Процесс вымывания с атмосферными осадками обусловлен не только захватом радиоактивных частиц падающими каплями, но прежде всего тем, что сами частицы, попавшие в зону облаков, становятся центрами конденсации и, кроме того, могут захватываться растущими каплями в результате возникновения градиента давления на поверхности капель. Эти факторы являются решающими для частиц размером 0,02--0,2 мкм (наиболее вероятный размер стратосферных частиц).

"Сухое" отложение состоит в выпадении самих аэрозольных частиц и определяется в основном гравитационными силами, вертикальным движением воздушных масс и турбулентной диффузией. На процесс "сухого" отложения влияют топография района, высота над уровнем моря и т. п. Количественное соотношение между "мокрым" и "сухим" отложением радиоактивных аэрозолей в различных частях земной поверхности зависит от климатических условий. В умеренных широтах в среднем за год за все дни с осадками выпадало примерно в 9 раз больше радионуклидов, чем за все дни без осадков. В отдельных засушливых районах "сухие" выпадения могут вносить большой вклад в суммарное загрязнение территории.

Количество выпадающих на земную поверхность радиоактивных осадков зависит от времени года. Максимальное выпадение наблюдается в весенне-летний период, а более низкое -- осенью и зимой. За 4--5 весенне-летних месяцев в средних широтах выпадает около 60 % годового отложения радионуклидов. Скорость отложения радионуклидов принято выражать в кюри на 1 км2 за единицу времени. Известно, что основное количество долгоживущих радионуклидов стронция и цезия попало в атмосферу до заключения в 1963 г. Московского договора о запрещении испытаний ядерного оружия в трех средах: в атмосфере, космическом пространстве и под водой (рис. 4). В период с 1963 до середины 1967 г. в атмосферу поступило незначительное количество долгоживущих радионуклидов в результате подземных ядерных взрывов с выбросом грунта. За это время содержание 137Cs в стратосфере уменьшалось с периодом полувыведения, равным примерно одному году. Соответственно годовое отложение 137Cs на поверхность земли ежегодно уменьшалось на 50 % в Северном полушарии и с несколько меньшей скоростью в Южном полушарии.

Рис. 4. Динамика поступления 90Sr в стратосферу (1963-- 1975 гг.): 1 -- в стратосферу в целом; 2 - в Северном полушарии; 3 -- в Южном полушарии (данные Научного комитета ООН по действию атомной радиации, 1978)

3. Единицы измерений радиоактивности

радиоактивный излучение аэрозоль осаждение

Существуют два типа измерений радиационных явлений: а) измерение активности источника излучения; б) измерение дозы излучения.

Активность - это количество ядер, распадающихся в единицу времени. Традиционно применяемая единица активности - беккерель (Бк). 1 Бк = 1 распад/с. В международной системе единиц (СИ) эта единица носит название обратная секунда или секунда в минус первой степени (с1). 1 с1 = 1 Бк. Внесистемная единица активности - кюри (Ки). 1 Ки = 3.7 х 1010 Бк (или столько же распадов в секунду).

Вес радиоактивного вещества, соответствующего 1 Ки, различен у медленно распадающихся и быстро распадающихся изотопов. Например, для радия активность в 1 Ки соответствует 1 г, а для короткоживущего радиоактивного натрия - 10-7 г. Существуют и более мелкие единицы активности: милликюри (мКи) = 103 Ки; микрокюри (мкКи) = 106 Ки; нанокюри (нКи) = 109 Ки; пикокюри (пкКи) = 1012 Ки.

На практике широко пользуются еще единицами удельной активности (удельной концентрации радиоактивного вещества). Они означают активность единицы площади, объема или массы какой-либо среды. Например: кюри на квадратный километр (Ки/км2); беккерель на -1 г вещества (Бк/г); беккерель на 1 моль (Бк/моль).

Довольно часто для характеристики активности пользуются понятием "плотности потока частиц". Это количество частиц, пересекающих единицу площади за единицу времени.

Например: част/м2 мин; част/см2 мин.

Доза излучения. Источник излучения, обладая определенной активностью, взаимодействует с облучаемой средой, вызывая ее ионизацию. Энергия, поглощаемая при этом облучаемой средой, определяет так называемый радиационный эффект. Количественная характеристика радиационного эффекта определяется дозой излучения. Таким образом доза излучения - это результат действия радиоактивности (активности).

При взаимодействии радиоактивных частиц с веществом происходит образование ионов, фотопоглощение и упругое рассеяние. Для эталонной характеристики эффекта ионизации принято ионизирующее действие рентгеновского и гамма-излучения на сухой атмосферный воздух, находящийся при температуре 18° С и атмосферном давлении. Величина ионизации воздуха характеризуется экспозиционной дозой (Дэ), для измерения которой издавна применяют внесистемную единицу, называемую рентгеном (Р) в честь немецкого физика В.К.Рентгена. Дозе в 1 рентген соответствует 2,08 х 109 пар ионов/см3 воздуха. Это означает, что в результате облучения 1 см3 воздуха, находящегося при указанных выше параметрах, в нем возникло 2,08 х 109 пар ионов. Эти ионы несут одну электростатическую единицу электричества каждого знака (1 ед. СГС). В 1 г воздуха появится соответственно 1,61 х 1012 пар ионов. Доза в 1 рентген накапливается за 1 час на расстоянии 1 м от источника радия массой 1 г., т.е. активностью 1 Ки. На практике часто применяют единицу в 1000 раз меньшую рентгена (миллирентген, мР) и в миллион раз меньшую рентгена (микрорентген, мкР).

Рентген - внесистемная единица. В международной системе единиц (СИ) экспозиционная доза измеряется в кулонах на килограмм (Кл/Кг). Кулон на килограмм - это экспозиционная доза рентгеновского и гамма-излучения, при которой в одном килограмме сухого атмосферного воздуха образуются ионы, несущие заряд в один кулон электричества каждого знака. Соотношение рентгена и кулона на килограмм: 1 Р = 2,57976 х 104 Кл/Кг (воздуха), или 1 Кл/Кг = 3876 Р.

Ионизирующее действие гамма-излучения любого радиоактивного вещества оценивается сравнением его с действием эталонного источника радия и выражается в миллиграмм-эквивалентах радия (мг-экв. Ra) или грамм-эквивалентах радия (г-экв Ra).

Экспозиционная доза, полученная за единицу времени, называется интенсивностью (мощностью) излучения. Она измеряется в следующих единицах: рентген в час (Р/ч), миллирентген в час (мР/ч), микрорентген в час (мкР/ч).

Соотношение между экспозиционной дозой (Дэ), интенсивностью дозы (Р) и временем облучения (Т) выглядит так:

Дэ=РхТ

Таким образом, экспозиционная доза характеризует радиационное поле, т.е.потенциальный уровень воздействия ионизирующего излучения наживой организм. Но степень лучевого воздействия, глубина и форма лучевых поражений зависят от величины поглощенной энергии излучения, или, иначе говоря, оттого количества энергии, которое вносится в облучаемое вещество или ткань человека ионизирующим излучением. Энергию, поглощенную единицей массы облучаемого тела, принято характеризовать поглощенной дозой (Дп). Поглощенная доза - это отношение энергии, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе вещества в этом объеме. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж/Кг) и имеет специальное название - грей (Гр) в честь английского ученого С.Грея. 1 Гр = 1 Дж/Кг. Внесистемная единица поглощенной дозы - рад. 1 рад соответствует энергии излучения 100 эрг, поглощенной веществом в 1 г: 1 рад = 100 эрг/г = 1 х 102 Дж/Кг = 1 х 102 Гр. 1 Гр= 100 рад. Соотношение между поглощенной дозой излучения, выраженной в радах и экспозиционной дозой рентгеновского и гамма излучений, выраженной в рентгенах, для сухого воздуха и мягких тканей организма имеет вид:

Дэ=0,877Дп.

Как известно, элементарные частицы обладают неодинаковой ионизационной способностью. Следовательно, при облучении живых организмов разными частицами радиобиологический эффект будет различным даже при одинаковых поглощенных дозах. Поэтому для измерения величины облучения живых организмов введено понятие эквивалентной дозы (Дэкв), учитывающей коэффициент качества излучения (КК). Эту величину еще называют коэффициентом относительной биологической эффективности (ОБЭ). Эквивалентная доза - это поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий коэффициент качества для данного типа лучей:

Дэкв=ДпхКК,

где КК для рентгеновского и гамма-излучения = 1

для электронов, позитронов и бета-лучей = 1

для протонов с энергией менее 10 МэВ = 10

для нейтронов с энергией менее 10 кэВ = 5

от 10 до 100 кэВ =10

от 100 кэВ до 2 МэВ = 20

от 2 МэВ до 20 МэВ =5

для альфа-частиц = 20

Для смешанного излучения эквивалентная доза определяется путем суммирования произведений поглощенных доз каждого вида излучения на соответствующий КК.

Традиционно эквивалентная доза измеряется в особых единицах - бэрах (расшифровывается как биологический эквивалент рентгена). Эта единица сейчас является внесистемной. Соотношение между радом и бэром имеет вид:

1 бэр = 1 рад х КК.

В международной системе единиц СИ есть крупная единица эквивалентной дозы - зиверт (Зв):

13в=1Гр х КК

Соотношение между бэром и зивертом:

1 Зв = 100 бэр.

В случае радиационного поражения группы людей рассчитывают коллективную эквивалентную дозу, измеряемую в человеко-зивертах (чел - Зв). Для обозначения дозы, полученной в единицу времени, применяют единицы мощности дозы, например: бэр/ч; Зв/ч; Гр/с; Зв/с. В радиоэкологии используется еще одно понятие - доза эквивалентная эффективная. Эта величина является мерой риска возникновения отдаленных последствий облучения человека с учетом радиочувствительности его органов. Она представляет собой сумму произведений эквивалентных доз в органах на соответствующие взвешивающие коэффициенты для данных органов:

Дэкв. эф =Дэкв.1 х К1 +Дэкв.2 х К2+…Дэкв.n х Кn, где

Дэкв1, Дэкв2, Дэкв.n - эквивалентные дозы облучения разных органов в зивертах; К1, К2, Кn- взвешивающие коэффициенты (см. табл. 1)

Эквивалентная эффективная доза измеряется в зивертах.

Для оценки возможного ущерба здоровью человека от хронического воздействия ионизирующего излучения рассчитывают ожидаемую эффективную эквивалентную дозу. Ее выражают в зивертах и рассчитывают на 50 лет для взрослых и на 70 лет для детей (доза за жизнь). Принято, что доза за жизнь для современного человека составляет 0,1 -0,2 Зв.

Таблица 1 Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эквивалентной эффективной дозы (НРБ - 99)

Орган или ткань

Взвешивающий коэффициент (К)

Гонады

0,20

Красный костный мозг

0,12

Толстый кишечник

0,12

Легкие

0,12

Желудок

0,12

Мочевой пузырь

0,05

Грудная железа

0,05

Печень

0,05

Пищевод

0,05

Щитовидная железа

0,05

Кожа

0,01

Клетки костных поверхностей

0,01

Остальное

0,05

Список литературы

1. Анненков Б. Н., Юдиннева Е. В. Основы сельскохозяйственной радиологии.-- М.: Агропромиздат, 1991. -- 287 с: ил.

2. Радиобиология/ А. Д. Белов, В. А. Киршин, Н. П. Лысенко, В. В. Пак и др.; Под ред. А. Д. Белова. -- М.: Колос, 1999. -- 384 с: ил.

3. Старков В.Д., Мигунов В.И. Радиационная экология. Тюмень: ФГУ ИПП "Тюмень", 2003, 304 с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены