Ионизирующее излучение и его виды¶

Ионизирующее излучение — поток частиц или квантов электромагнитного излучения, взаимодействие которого со средой приводит к ионизации её атомов и молекул, то есть к отрыву электронов и образованию положительно или отрицательно заряженных ионов. К ионизирующему излучению относятся альфа-частицы, бета-частицы, гамма-излучение, рентгеновское излучение и нейтронное излучение. Способность вызывать ионизацию отличает этот тип излучения от неионизирующего (радиоволн, видимого света, ультрафиолета), которое не обладает достаточной энергией для отрыва электронов. Термин «радиация» в бытовом и техническом контексте чаще всего употребляется именно для обозначения ионизирующего излучения.

¶Физическая природа и виды

Ионизирующее излучение делится на две основные категории по природе частиц: корпускулярное и фотонное.

Корпускулярное излучение состоит из частиц, обладающих массой покоя. К нему относятся:

• Альфа-излучение — поток ядер гелия-4, состоящих из двух протонов и двух нейтронов. Обладает высокой ионизирующей способностью, но крайне малой проникающей способностью: задерживается листом бумаги или верхним слоем кожи.
• Бета-излучение — поток электронов или позитронов, возникающих при бета-распаде радиоактивных ядер. Проникающая способность выше, чем у альфа-частиц: задерживается слоем алюминия толщиной в несколько миллиметров.
• Нейтронное излучение — поток нейтронов, образующихся в ядерных реакциях. Не имеет заряда и ионизирует вещество косвенно, через столкновения с ядрами атомов. Обладает очень высокой проникающей способностью, ослабляется материалами, содержащими водород (вода, полиэтилен, бетон).

Фотонное излучение представляет собой поток квантов электромагнитного поля, не имеющих массы покоя:

• Гамма-излучение — испускается при ядерных переходах и аннигиляции частиц. Обладает высокой энергией и проникающей способностью, ослабляется толстыми слоями свинца или бетона.
• Рентгеновское излучение — возникает при торможении быстрых электронов в веществе или при переходах электронов на внутренние оболочки атомов. По свойствам близко к гамма-излучению, но обычно имеет меньшую энергию.

¶История открытия

В 1895 году Вильгельм Конрад Рёнтген обнаружил неизвестные лучи, способные проходить через непрозрачные материалы и вызывать свечение люминофоров, назвав их X-лучами (в русскоязычной традиции — рентгеновским излучением). В 1896 году Анри Беккерель, исследуя фосфоресценцию солей урана, обнаружил самопроизвольное испускание излучения, названное радиоактивностью. В 1898 году Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри открыли полоний и радий и ввели термин «радиоактивность». Эрнест Резерфорд в 1899 году установил, что радиоактивное излучение состоит из двух компонентов (альфа и бета), а в 1900 году Поль Виллар обнаружил третий компонент — гамма-излучение. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон, что позволило объяснить природу нейтронного излучения.

¶Единицы измерения

Для количественной оценки ионизирующего излучения применяется система единиц, разделяющая характеристики поля излучения и его воздействия на вещество.

Активность радиоактивного источника измеряется в беккерелях (Бк) — количество распадов в секунду. Ранее использовалась внесистемная единица кюри (Ки), равная 3,7×10¹⁰ Бк.

Экспозиционная доза (для фотонного излучения) характеризует ионизацию воздуха и измеряется в рентгенах (Р) — внесистемная единица. В системе СИ используется кулон на килограмм (Кл/кг).

Поглощённая доза — энергия излучения, переданная единице массы вещества. Измеряется в греях (Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг. Внесистемная единица — рад (1 рад = 0,01 Гр).

Эквивалентная доза учитывает различную биологическую эффективность разных видов излучения через взвешивающие коэффициенты. Измеряется в зивертах (Зв). Для гамма- и бета-излучения коэффициент равен 1, для альфа-излучения — 20, для нейтронов — от 5 до 20 в зависимости от энергии. Внесистемная единица — бэр (1 бэр = 0,01 Зв).

Мощность дозы — доза за единицу времени, выражается в зивертах в час (Зв/ч) или греях в секунду (Гр/с).

¶Воздействие на живые организмы

Ионизирующее излучение поражает клетки живых организмов двумя путями: прямым (повреждение молекул ДНК) и косвенным (через радиолиз воды с образованием свободных радикалов). Биологический эффект зависит от полученной дозы, мощности дозы, вида излучения и радиочувствительности тканей.

Различают детерминированные эффекты, возникающие при превышении пороговой дозы (лучевая болезнь, лучевые ожоги, катаракта), и стохастические эффекты, вероятность которых растёт с дозой без выраженного порога (рак, генетические мутации). Средняя годовая эффективная доза облучения человека от естественных источников (космическое излучение, радон, калий-40 в пище) составляет около 2,4 мЗв. Доза в 1 Зв однократного облучения вызывает острую лучевую болезнь, доза свыше 4–5 Зв без медицинской помощи в большинстве случаев смертельна.

¶Применение

Ионизирующее излучение широко используется в различных сферах деятельности человека.

В медицине применяется для диагностики (рентгенография, компьютерная томография, позитронно-эмиссионная томография) и терапии онкологических заболеваний (лучевая терапия, брахитерапия). Радиоизотопы используются для стерилизации медицинских инструментов и оборудования.

В промышленности ионизирующее излучение применяется для неразрушающего контроля сварных швов и конструкций (дефектоскопия), измерения толщины материалов, стерилизации продуктов питания и медицинских изделий. Радиоизотопные источники энергии устанавливаются на космических аппаратах, работающих вдали от Солнца.

В науке методы радиометрии и радиоуглеродного анализа (по углероду-14) используются для датирования археологических находок и геологических образцов. Нейтронное излучение применяется для анализа структуры материалов.

В энергетике управляемая цепная реакция деления ядер урана и плутония используется на атомных электростанциях для производства электроэнергии.

¶Защита от излучения

Защита от ионизирующего излучения основывается на трёх принципах: защита временем (сокращение времени пребывания в поле излучения), защита расстоянием (интенсивность излучения от точечного источника убывает пропорционально квадрату расстояния) и защита экранированием (использование поглощающих материалов). Выбор материала экрана зависит от вида излучения: для альфа-частиц достаточно тонкого слоя вещества, для бета-излучения применяются лёгкие материалы с низким атомным номером (алюминий, оргстекло) для избежания тормозного излучения, для гамма-излучения — свинец, сталь, бетон, для нейтронов — водородсодержащие материалы (вода, парафин, полиэтилен) и бор.

Нормирование облучения в России регламентируется Федеральным законом «О радиационной безопасности населения» и санитарными правилами СП 2.6.1.2612-10 (НРБ-99/2009). Основные пределы эффективной дозы для персонала, работающего с источниками излучения, составляют 20 мЗв в год, для населения — 1 мЗв в год.

¶Естественные и техногенные источники

Естественный радиационный фон формируется космическим излучением, природными радионуклидами (уран-238, торий-232, калий-40), содержащимися в земной коре и строительных материалах, и радоном, накапливающимся в помещениях. Техногенные источники включают медицинские процедуры, ядерный топливный цикл, последствия испытаний ядерного оружия и аварий на радиационно опасных объектах. Крупнейшими радиационными авариями в истории являются авария на Чернобыльской АЭС в 1986 году и авария на АЭС Фукусима-1 в Японии в 2011 году.