11.6: Іонізуюче випромінювання

Last updated
Save as PDF

Page ID: 21896

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Знати відмінності між іонізуючим та неіонізуючим випромінюванням та їх впливом на речовину.
Для виявлення природних і штучних джерел випромінювання.

Оскільки ядерні реакції зазвичай не впливають на валентні електрони атома (хоча захоплення електронів витягує електрон з орбіти найнижчого енергетичного рівня), вони безпосередньо не викликають хімічних змін. Тим не менш, частинки і фотони, що виділяються під час ядерного розпаду, дуже енергійні, і вони можуть побічно виробляти хімічні зміни в речовині, що оточує розпад ядра. Наприклад,\(α\) частка може виступати потужним окислювачем.

Іонізуюче проти неіонізуючого випромінювання

Вплив випромінювання на речовину визначається в першу чергу енергією випромінювання, яка залежить від виробленої нею реакції ядерного розпаду. Неіонізуюче випромінювання є відносно низьким рівнем енергії; коли воно стикається з атомом в молекулі або іоні, більша або вся його енергія може бути поглинена, не викликаючи структурних або хімічних змін. Натомість кінетична енергія випромінювання передається атому або молекулі, з якою воно стикається, змушуючи його обертатися, вібрувати або рухатися швидше. Оскільки ця енергія може передаватися сусіднім молекулам або іонам у вигляді тепла, багато радіоактивних речовин теплі на дотик. Наприклад, високорадіоактивні елементи, такі як полоній, використовувалися як джерела тепла в космічній програмі США. Поки інтенсивність неіонізуючого випромінювання недостатньо велика, щоб викликати перегрів, вона відносно нешкідлива, і його вплив можна нейтралізувати охолодженням.

На відміну від цього, іонізуюче випромінювання вище за енергією, і частина його енергії може передаватися одному або декільком атомам, з якими воно стикається при проходженні через речовину. Якщо передається достатня кількість енергії, електрони можуть збуджуватися до дуже високих енергетичних рівнів, в результаті чого утворюються позитивно заряджені іони:

\[\mathrm{atom + ionizing\: radiation \rightarrow ion^+ + \, {e^-}\label{Eq1}}\]

Молекули, які були іонізовані таким чином, часто мають високу реакцію, і вони можуть розкладатися або піддаватися іншим хімічним змінам, які створюють каскад реактивних молекул, які можуть пошкодити біологічні тканини та інші матеріали (рис.\(\PageIndex{1}\)). Оскільки енергія іонізуючого випромінювання дуже висока, ми часто повідомляємо про її енергію в таких одиницях, як мегаелектронвольт (МеВ) на частинку:

\[\text{1 MeV/particle} = \text{96 billion J/mol}.\]

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Радіаційний збиток. Коли високоенергетичні частинки, що виділяються радіоактивним розпадом, взаємодіють з речовиною, вони можуть розривати зв'язки або іонізувати молекули, що призводить до зміни фізичних властивостей, таких як пластичність або колір. Скляний електроізолятор зліва не піддавався опроміненню, але ізолятор праворуч отримував інтенсивні дози опромінення протягом тривалого періоду часу. Радіаційні пошкодження змінили хімічну структуру скла, в результаті чого воно стало яскраво-синім.

Вплив іонізуючого випромінювання на речовину

Вплив іонізуючого випромінювання залежить від чотирьох факторів:

Тип випромінювання, який диктує, наскільки далеко воно може проникнути в речовину
Енергія окремих частинок або фотонів
Кількість частинок або фотонів, які вражають задану площу за одиницю часу
Хімічна природа речовини, що піддається впливу випромінювання

Через свого високого заряду і маси\(α\) випромінювання сильно взаємодіє з речовиною. Отже, він не проникає глибоко в який-небудь предмет, і його можна зупинити папірцем, одягом або шкірою. На відміну від цього,\(γ\) промені, без заряду і по суті без маси, не взаємодіють сильно з речовиною і глибоко проникають в більшість об'єктів, включаючи людське тіло. Кілька дюймів свинцю або більше 12 дюймів спеціального бетону потрібні для повної зупинки\(γ\) променів. Оскільки\(β\) частинки є проміжними по масі і заряджаються між\(α\) частинками і\(γ\) променями, їх взаємодія з речовиною також є проміжним. Бета-частинки легко проникають в папір або шкіру, але їх можна зупинити шматочком дерева або відносно тонким листом металу.

Через свою велику проникаючу здатність\(γ\) промені на сьогоднішній день є найнебезпечнішим видом випромінювання, коли вони надходять від джерела поза тілом. Однак альфа-частинки є найбільш шкідливими, якщо їх джерело знаходиться всередині організму, оскільки внутрішні тканини поглинають всю їх енергію. Таким чином, небезпека від радіації сильно залежить від типу випромінюваного випромінювання та ступеня опромінення, що дозволяє вченим безпечно поводитися з багатьма радіоактивними матеріалами, якщо вони вживають запобіжних заходів, щоб уникнути, наприклад, вдихання дрібнодисперсного пилу, що містить альфа-випромінювачі. Деякі властивості іонізуючого випромінювання зведені в табл\(\PageIndex{1}\).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Деякі властивості іонізуючого випромінювання
Тип	Енергетичний діапазон (МеВ)	Відстань проникнення у воду*	Відстань проникнення в повітря*
* Відстань, на якій половина випромінювання була поглинена.
\(\alpha\)частинки	3—9	< 0,05 мм	< 10 см
\(\beta\)частинки	≤ 3	< 4 мм	1 м
рентгенівські промені	<10 ⁻²	< 1 см	< 3 м
\(\gamma\)промені	10 ⁻² —10 ¹	< 20 см	> 3 м

Існує багато різних способів вимірювання радіаційного опромінення або дози. Рентген (R), який вимірює кількість енергії, поглиненої сухим повітрям, може бути використаний для опису кількісного впливу. Названий на честь німецького фізика Вільгельма Рентгена (1845—1923; Нобелівська премія з фізики, 1901), який відкрив рентгенівські промені. Рентген фактично визначається як кількість випромінювання, необхідне для отримання електричного заряду 2,58 × 10 ⁻⁴ С в 1 кг сухого повітря. Пошкодження біологічних тканин, однак, пропорційно кількості енергії, що поглинається тканинами, а не повітрям. Найбільш поширеною одиницею, яка використовується для вимірювання впливу радіації на біологічну тканину, є рад (поглинена радіацією доза); еквівалент СІ - сірий (Gy). Рад визначається як кількість випромінювання, яке призводить до поглинання 0,01 Дж енергії на 1 кг речовини, а сірий визначається як кількість випромінювання, яке призводить до поглинання 1 Дж енергії на кілограм:

\[\mathrm{1\: rad = 0.010\: J/kg \hspace{25 pt} 1\: Gy = 1\: J/kg \label{Eq2}}\]

Таким чином, 70 кг людина, яка отримує дозу 1,0 рад над усім тілом, поглинає 0,010 Дж/70 кг = 1,4 × 10 ⁻⁴ Дж, або 0,14 мДж. Щоб поставити це в перспективі, 0,14 мДж - це кількість енергії, що передається вашій шкірі крапелькою окропу 3,8 × 10 ⁻⁵ г. Оскільки енергія крапельки води переноситься на відносно велику площу тканини, вона нешкідлива. Радіоактивна частинка, однак, передає свою енергію одній молекулі, що робить її атомним еквівалентом кулі, випущеної з потужної гвинтівки.

Оскільки\(α\) частинки мають набагато більшу масу і заряд, ніж\(β\) частинки або\(γ\) промені, різниця в масі між частинками\(α\) та\(β\) частинками аналогічна удару м'ячем для боулінгу замість м'яча для настільного тенісу, що рухається з тією ж швидкістю. При цьому кількість пошкоджень тканин, викликаних 1 радом\(α\) частинок, набагато більше, ніж пошкодження, спричинене 1 радом\(β\) частинок або\(γ\) променів.

Вільгельм Рентген

Народився в провінції Нижній Рейн Німеччини, Рентген був єдиною дитиною виробника тканини і торговця. Його сім'я переїхала до Нідерландів, де він не виявляв особливих здібностей у школі, але де він любив бродити по сільській місцевості. Рентген був виключений з технічної школи в Утрехті після того, як його несправедливо звинуватили у малюванні карикатури на одного з вчителів. Він почав вивчати машинобудування в Цюріху, куди міг вступити, не маючи повноважень звичайного студента, і отримав ступінь доктора філософії в Цюріхському університеті в 1869 році. У 1876 році він став професором фізики.

Резюме

Неіонізуюче випромінювання відносно мало енергії і може використовуватися як джерело тепла, тоді як іонізуюче випромінювання, яке вище за енергією, може проникати в біологічні тканини і є високореактивним. Вплив випромінювання на речовину залежить від енергії випромінювання. Неіонізуюче випромінювання відносно мало енергії, а енергія передається речовині у вигляді тепла. Іонізуюче випромінювання порівняно високо в енергії, і при зіткненні з атомом воно може повністю видалити електрон, утворюючи позитивно заряджений іон, який може пошкодити біологічні тканини. Альфа-частинки не дуже далеко проникають всередину речовини, тоді як\(γ\) промені проникають глибше. Загальними одиницями опромінення, або дози, є рентген (R), кількість енергії, поглиненої сухим повітрям, і рад (поглинена випромінюванням доза), кількість випромінювання, яке виробляє 0,01 Дж енергії в 1 кг речовини. Рем (еквівалент рентгену у людини) вимірює фактичну кількість пошкоджень тканин, спричинених заданою кількістю випромінювання.