Солнечное излучение (ультрафиолетовые лучи), излучение от медицинских приборов, бытовой техники, в зависимости от количества лучистой энергии, может быть полезным, нейтральным, опасным.
Что такое альфа-излучение
Каждое вещество на земле в той или иной форме радиоактивно. Альфа-излучение — это поток тяжелых частиц с положительным зарядом, состоящих из протонов и нейтронов. Ученые постоянно исследуют применение радиационных нуклидов в медицине и успешно используют их для лечения рака. Однако к альфа-частицам следует относиться с особой осторожностью, поскольку они обладают очень высокой биологической активностью. Что означает термин «альфа-излучение», как оно было обнаружено и опасно ли оно для человека?
Альфа-излучение было впервые открыто сэром Эрнестом Резерфордом, британским ученым из Новой Зеландии. Благодаря его экспериментам миру была представлена модель атома. Резерфорду удалось обнаружить состав радиации, подвергнув радиоактивный препарат воздействию магнитного поля. Он поместил фотопластинку в полностью герметичный свинцовый цилиндр, радиоактивный препарат и подверг его воздействию магнитного поля на выходе. Под его воздействием излучение распалось на три части. Два луча, которые отклонялись в противоположные стороны, были названы альфа- и бета-лучами. Излучение, которое оставалось нейтральным и преломлялось под прямым углом, было названо гамма-излучением. Альфа-лучи заряжены положительно, бета-лучи — отрицательно.
После детального изучения альфа-излучения ученый выяснил, в чем его суть. Альфа-частица — это частица, которая по своей структуре очень похожа на атом гелия и имеет положительный заряд.
Что характерно для излучения
- Масса альфа-частицы составляет около 4,0015 атомной единицы массы;
- Альфа-частица обладает значительной энергией – от 2 до 9 МэВ;
- Проникающая способность излучения очень низкая – это основная отличительная черта альфа-лучей;
- Основные источники излучения – радиоактивные изотопы;
- Путь луча очень короткий – в воздушной среде его длина, как правило, не превышает 11 см.
Свойства альфа-лучей
Альфа-лучи образуются в результате воздействия магнитного поля на тяжелый радиоактивный химический элемент. При взрыве источником выброса радионуклидов является остаток невзорвавшегося атомного заряда урана или плутония. Диапазон энергии альфа-лучей составляет от 2-9 МэВ, в зависимости от радиоактивного элемента, используемого для его получения. Уран, например, испускает альфа-лучи с энергией около 4,5 МэВ. Однако их начальная скорость составляет около пятнадцати тысяч километров в секунду. По мере движения лучей через среду скорость альфа-частиц уменьшается и в конечном итоге равна скорости молекул исследуемого вещества. После замедления положительные альфа-частицы притягивают электрон и образуют атом гелия.
Полная энергия альфа-лучей используется для ионизации атома. Альфа-лучи считаются самыми ионизирующими из радиоактивных лучей. Когда частицы перемещаются на один сантиметр в воздухе, они производят около 30 тысяч пар ионов. Однако ионизация альфа-частиц неодинакова для разных длин пути. Динамика силы ионизации наблюдается не в начале пути, а к концу. Наибольшие значения наблюдаются в самом конце пути, когда излучение сталкивается с наибольшим количеством атомов в последних нескольких сантиметрах.
Именно из-за высокой ионизирующей способности скорость альфа-частиц довольно низкая, а длина пути в воздухе составляет не более 11 см. В твердых телах величина пути альфа-излучения составляет не более одной сотой миллиметра. Радионуклиды урана или плутония с трудом проникают в ткани человеческого тела. Обычный лист бумаги или одежда становятся для них непреодолимым препятствием.
Сведения по ядерной физике. Проникающая способность и защита
Расстояние, на которое ионизирующее излучение может проникнуть в вещество, называется проникающей способностью. Она зависит от энергии излучения и свойств вещества, в которое оно проникает.
Из-за своего относительно большого размера и электрического заряда альфа-частицы вступают в контакт со всеми атомами на своем пути и слегка замедляются за счет потери энергии при контакте с веществом. В воздухе они перемещаются на несколько сантиметров. Толстый лист бумаги может полностью остановить частицу.
В живой человеческой ткани частица проходит менее 0,7 мм. Альфа-излучение, попадая на незащищенную часть тела, не может проникнуть даже через внешний слой кожи, состоящий из мертвых клеток, и не причиняет организму никакого вреда.
Поэтому альфа-излучение опасно только тогда, когда альфа-частицы проникают в организм (в воздухе, в питьевой воде и в пище), действуют непосредственно на клетки органов и вызывают их повреждение.
Бета — излучение
Проникающая способность бета-частицы намного больше, чем у альфа-частицы, поскольку электрический заряд бета-частицы в два раза меньше, чем у альфа-частицы. Кроме того, масса бета-частицы примерно в 7000 раз меньше массы альфа-частицы.
Из-за малой массы и заряда ионизация, вызванная бета-частицей, меньше, и, следовательно, энергия бета-частицы излучается на большее расстояние.
Проникающая способность бета-частицы в воздухе варьируется от 0,1 до 20 метров, в зависимости от начальной энергии частицы.
В большинстве случаев защитные очки и средства индивидуальной защиты (СИЗ — костюм, ботинки, перчатки, рукавицы, головной убор) обеспечивают адекватную защиту от внешнего воздействия бета-частиц. Существует высокий риск воздействия бета-частиц при проглатывании во время еды в результате плохой гигиены.
Гамма-излучение
Защита от гамма-излучения сложнее, чем от альфа- и бета-частиц. Их проникающая способность очень высока, а гамма-излучение может проникать в живые человеческие ткани.
Нельзя однозначно утверждать, что ткань любой толщины полностью остановит воздействие гамма-излучения. Некоторые виды радиации прекратятся, некоторые — нет. Однако, чем толще защита и чем выше удельный вес и атомный номер материала, используемого в качестве защиты, тем эффективнее она будет.
Толщина материала, необходимая для уменьшения излучения в два раза, называется полузатухающим слоем. Его толщина, конечно, варьируется в зависимости от используемого защитного материала и энергии излучения.
Один сантиметр свинца, 5 см бетона или 10 см воды могут снизить энергию гамма-излучения на 50%. Этот пример относится к излучению от кобальта-60, который является основным источником гамма-излучения на атомных электростанциях.
Альфа-излучение
Альфа-лучи были описаны как положительно заряженные частицы, которые слабо отклоняются магнитным полем. Альфа-лучи обладают самой низкой проникающей способностью, но при этом сильнее всего ионизируют вещество. На основе отклонения альфа-частиц было установлено, что соотношение между зарядом и массой этих частиц в два раза меньше, чем у протона, а их масса в четыре раза больше, чем у протона.
Предполагалось (позже было доказано), что альфа-частицы были ядрами гелия. Большой заряд и масса частиц были определяющими для их высокой ионной силы. Однако частицы быстро теряют энергию, поэтому проникающая способность альфа-частиц очень мала.
Слой вещества порядка миллиметра полностью останавливает поток альфа-частиц. Альфа-частицы не могут проникнуть в живую ткань, например, потому что их перехватывает кожа. Однако высокая ионизирующая способность приводит к сильным ожогам кожи. Еще более опасным является прием альфа-радиоактивных препаратов.
Бета-излучение
Бета-излучение — это термин, используемый для лучей, которые сильно отклоняются в противоположном направлении магнитным полем (по сравнению с a-излучением). Это отклонение привело к тому, что бета-частицы имеют отрицательный заряд, а их отношение заряда к массе намного выше, чем у альфа-частиц и протонов.
Дальнейшие исследования бета-излучения показали, что оно обладает теми же свойствами, что и катодные лучи, а в 1897 году Дж. Томсон открыл электрон и доказал, что бета-частицы — это электроны, летящие с большой скоростью.
Бета-излучение обладает меньшим ионизирующим эффектом, чем альфа-излучение, но оно глубже проникает в вещество.
Гамма-излучение
Гамма-излучение обладает самой высокой проникающей способностью. Этот компонент радиоактивного излучения не взаимодействует с магнитным полем, поэтому гамма-частицы не имеют электрического заряда. Детальное изучение гамма-частиц показало, что их свойства соответствуют очень коротковолновым электромагнитным квантам с высокой энергией (фотонам).
Гамма-излучение имеет самую низкую мощность ионизации и самую высокую проникающую способность: для защиты от гамма-излучения требуется очень толстый слой материала.
Сравнимые свойства радиоактивных пучков можно легко свести в таблицу:
Бета-излучение
Это поток электронов (частиц с отрицательным зарядом) или позитронов (или с положительным зарядом). Электрон образуется в результате преобразования нейтрона в протон, а позитрон — в результате обратного процесса преобразования.
Электроны намного меньше, чем ядро атомов гелия. Они могут проникать в тело человека примерно на 15 сантиметров. Попадая на кожу живого организма, частицы вызывают сильные ожоги. Для защиты от бета-излучения достаточно тонкого куска плексигласа. Когда вещество, испускающее электроны или позитроны, попадает в организм, ткани облучаются.
Бета-излучение используется в медицине в качестве лучевой терапии.
Гамма-излучение
Это волны огромной энергии, которые генерируются внутри ядра.
Он генерируется, когда:
- распаде ядра;
- переходе его из возбужденного состояния в стабильное;
- взаимодействии ионов;
- аннигиляции электрона и позитрона.
Гамма-лучи могут проходить значительные расстояния и постепенно терять свою энергию. Они обладают чрезвычайно высокой проникающей способностью.
Очень интенсивное излучение повреждает не только кожу, но и внутренние органы человека. Особая опасность заключается в том, что он может повредить ДНК и вызвать раковые опухоли.
Для гашения потока гамма-излучения достаточно использовать вещества с высоким числом атомных масс и плотным составом.
Нейтронное излучение
Это поток нейтронов без заряда и без ионизирующего эффекта. Он возникает в результате рассеяния на атомных ядрах вещества.
Вещества, облученные нейтронами, могут приобретать радиоактивные свойства. Это свойство называется индуцированной радиоактивностью.
Нейтроны обладают самой высокой проникающей способностью. Материалы, содержащие атомы водорода, могут быть защищены от них. Излучение быстрых нейтронов губительно для любой формы жизни в радиусе 2,5 км.
