Определение, особенности, применение излучения в физике. Что такое тепловое излучение в физике

Для тех, кто не знаком с физикой или только начинает ее изучать, вопрос, что такое излучение, является сложным. Но с данным физическим явлением мы встречаемся практически каждый день. Если сказать просто, то излучение - это процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн и частиц или, другими словами, это энергетические волны, распространяющиеся вокруг.

Источник излучения и его виды

Источник электромагнитных волн может быть как искусственный, так и природный. Для примера, к искусственному излучению относят рентгеновские лучи.

Почувствовать излучение можно, даже не выходя из дома: стоит только подержать руку над горящей свечой, и сразу же вы ощутите излучение тепла. Его можно назвать тепловым, но кроме него в физике есть еще несколько видов излучений. Вот некоторые из них:

Ультрафиолетовое - это излучение человек может чувствовать на себе во время загорания на солнце.
Рентгеновское излучение обладает самыми короткими волнами, они называются рентгеновскими лучами.
Инфракрасные лучи может видеть даже человек, пример этого - обычный детский лазер. Этот вид излучения образуется при совпадении микроволновых радиоизлучений и видимого света. Часто инфракрасное излучение применяется в физиотерапии.
Радиоактивное излучение образуется во время распада химических радиоактивных элементов. Узнать подробнее о радиации можно из статьи .
Оптическое излучение - это не что иное, как световое излучение, свет в широком смысле слова.
Гамма-излучение - вид электромагнитного излучения с малой длиной волны. Используется, например, в лучевой терапии.

Ученым уже давно известно, что некоторые излучения пагубно влияют на организм человека. Насколько сильным будет это влияние, зависит от длительности и мощности излучения. Если подвергать себя длительное время излучению, это может привести к изменениям на клеточном уровне. Вся электронная техника, которая нас окружает, будь-то мобильный телефон, компьютер или микроволновая печь, - всё это оказывает влияние на здоровье. Поэтому нужно следить за тем, чтобы не подвергать себя лишнему излучению.

Реалии нашего времени таковы, что в естественную среду обитания людей все активнее вторгаются новые факторы. Одним из которых являются разнообразные виды электромагнитных излучений.

Естественный электромагнитный фон сопровождал людей всегда. А вот его искусственная составляющая, постоянно пополняется новыми источниками. Параметры каждого из них отличаются мощностью и характером излучения, длиной волны, а также степенью воздействия на здоровье. Какое же излучение является самым опасным для человека?

Как электромагнитное излучение влияет на человека

Электромагнитное излучение распространяется в воздухе в виде электромагнитных волн, которые представляют собой совокупность электрического и магнитного полей, изменяющихся по определённому закону. В зависимости от частоты его условно делят на диапазоны.

Процессы передачи информации внутри нашего организма имеют электромагнитную природу. Пришедшие электромагнитные волны вносят дезинформацию в этот отлаженный природой механизм, вызывая вначале нездоровые состояния, а затем и патологические изменения по принципу «где тонко там и рвётся». У одного - это гипертония, у другого - аритмия, у третьего - гормональный дисбаланс и так далее.

Механизм действия излучения на органы и ткани

Каков же механизм действия излучения на органы и ткани человека? При частотах меньших 10 Гц тело человека ведёт себя подобно проводнику. Особенно чувствительна к токам проводимости нервная система. С небольшим повышением температуры тканей вполне справляется механизм теплоотдачи, функционирующий в организме.

Иное дело электромагнитные поля высокой частоты. Их биологический эффект выражается в заметном повышении температуры облучаемых тканей, вызывающих обратимые и необратимые изменения в организме.

У человека, получившего дозу СВЧ-облучения свыше 50 микрорентген в час, могут появиться нарушения на клеточном уровне:

мертворождённые дети;
нарушения в деятельности различных систем организма;
острые и хронические заболевания.

Какой вид излучения обладает наибольшей проникающей способностью

Какой же диапазон электромагнитных излучений является самым опасным? Тут не всё так просто. Процесс излучения и поглощения энергии происходит в виде определённых порций - квантов. Чем меньше длина волны, тем большей энергией обладают её кванты и тем больше неприятностей он может натворить, попав в организм человека.

Самые «энергичные» кванты у жёсткого рентгеновского и гамма-излучения. Все коварство излучений коротковолнового диапазона в том, что самих излучений мы не чувствуем, а лишь ощущаем последствия их пагубного воздействия, которые в значительной степени зависят от глубины их проникновения в ткани и органы человека.

Какой же вид излучения обладает наибольшей проникающей способностью? Конечно, это излучение с минимальной длиной волны, то есть:

рентгеновское;

Именно кванты этих излучений обладают наибольшей проникающей способностью и самое опасное, они ионизируют атомы. В результате чего возникает вероятность наследственных мутаций, даже при малых дозах облучения.

Если говорить о рентгене, то его разовые дозы при медицинских обследованиях весьма незначительны, а максимально допустимая доза, накопленная за всю жизнь не должна превышать 32 Рентгена. Для получения такой дозы понадобятся сотни рентгеновских снимков, выполняемых с малыми интервалами времени.

Что может явиться источником гамма-излучения? Как правило, оно возникает при распаде радиоактивных элементов.

Жёсткая часть ультрафиолета способна не только ионизировать молекулы, но и вызвать очень серьёзное поражение сетчатки глаза. А, вообще, глаз человека наиболее чувствителен к длинам волн, соответствующих светло-салатному цвету. Им соответствуют волны 555–565 нм. В сумерках чувствительность зрения смещается в сторону более коротких - синих волн 500 нм. Это объясняется большим количеством фоторецепторов, воспринимающих эти длины волн.

Но самое серьёзное поражение органов зрения вызывает лазерное излучение видимого диапазона.

Как уменьшить опасность избытка излучения в квартире

И всё-таки какое излучение является самым опасным для человека?

Бесспорно, что гамма-излучение весьма «недружественно» относится к человеческому организму. Но и более низкочастотные электромагнитные волны способны причинить вред здоровью. Аварийное или плановое отключение электроэнергии дезорганизует наш быт и привычную работу. Вся электронная «начинка» наших квартир становится бесполезной, а мы, лишившись интернета, сотовой связи, телевидения оказываемся отрезанными от мира.

Весь арсенал электробытовых приборов в той или иной мере является источником электромагнитных излучений, снижающий иммунитет и ухудшающий функционирование эндокринной системы.

Была установлена связь между удалённостью места проживания человека от линий высоковольтных передач и возникновением злокачественных опухолей. В том числе и детской лейкемии. Эти печальные факты можно продолжать до бесконечности. Важнее выработать определённые навыки в их эксплуатации:

при работе большинства бытовых электроприборов старайтесь выдерживать расстояние от 1 до 1,5 метра;
располагайте их в разных частях квартиры;
помните, что электробритва, безобидный блендер, фен, электрическая зубная щётка - создают достаточно сильное электромагнитное поле, опасное своей близостью к голове.

Как проверить уровень электромагнитного смога в квартире

Для этих целей хорошо бы иметь специальный дозиметр.

Для радиочастотного диапазона существует своя безопасная доза излучения. Для России она определяется как плотность потока энергии, и измеряется в Вт/м² или мкВт/см².

Для частот начиная от 3 Гц и до 300 кГц доза излучения не должен превышать 25 Вт/м².
Для частот начиная от 300 Мгц до 30 ГГц 10 - 100 мкВт/см².

В различных странах критерии оценки опасности излучения, а также используемые для их количественной оценки величины, могут отличаться.

При отсутствии дозиметра существует достаточно простой и эффективный способ проверки уровня электромагнитного излучения от ваших домашних электроприборов.

Включите все электроприборы. Поочерёдно подходите к каждому из них с работающим радиоприёмником.
Уровень, возникающих в нём помех (треск, писк, шум) подскажет, какой из приборов является источником более сильного электромагнитного излучения.
Повторите эту манипуляцию около стен. Уровень помех и здесь укажет самые загрязнённые электромагнитным смогом места.

Может быть, есть смысл переставить мебель? В современно мире наш организм, итак подвергается избыточному отравлению, поэтому любые действия в защиту от электромагнитных излучений - это бесспорный плюс в копилку вашего здоровья.

Сегодня поговорим о том, что такое излучение в физике. Расскажем о природе электронных переходов и приведем электромагнитную шкалу.

Божество и атом

Строение вещества стало предметом интереса ученых более двух тысяч лет назад. Древнегреческие философы задавались вопросами, чем воздух отличается от огня, а земля от воды, почему мрамор белый, а уголь черный. Они создавали сложные системы взаимозависимых компонентов, опровергали или поддерживали друг друга. А самые непонятные явления, например, удар молнии или восход солнца приписывали действию богов.

Однажды, долгие годы наблюдая за ступенями храма, один ученый заметил: каждая нога, встающая на камень, уносит крошечную частичку вещества. Со временем мрамор менял форму, прогибался посередине. Имя этого ученого - Левкипп, и он назвал мельчайшие частицы атомами, неделимыми. С этого начался путь к изучению того, что такое излучение в физике.

Пасха и свет

Затем настали темные времена, науку забросили. Всех, кто пытался изучать силы природы, окрестили ведьмами и колдунами. Но, как ни странно, именно религия дала толчок к дальнейшему развитию науки. Исследование о том, что такое излучение в физике, началось с астрономии.

Время празднования Пасхи вычислялось в те времена каждый раз по-разному. Сложная система взаимоотношений между днем весеннего равноденствия, 26-дневным лунным циклом и 7-дневной неделей не позволяла составлять таблицы дат для празднования Пасхи более чем на пару лет. Но церкви надо было все планировать заранее. Поэтому Папа Римский Лев X заказал составление более точных таблиц. Это потребовало тщательно наблюдения за движением Луны, звезд и Солнца. И в конце концов Николай Коперник понял: Земля не плоская и не центр вселенной. Планета - шар, который вращается вокруг Солнца. А Луна - сфера на орбите Земли. Конечно, можно спросить: «Какое отношение все это имеет к тому, что такое излучение в физике?» Сейчас раскроем.

Овал и луч

Позже Кеплер дополнил систему Коперника, установив, что планеты движутся по овальным орбитам, и движение это неравномерное. Но именно тот первый шаг привил человечеству интерес к астрономии. А там недалеко было и до вопросов: «Что такое звезда?», «Почему люди видят ее лучи?» и «Чем одно светило отличается от другого?». Но сначала придется перейти от огромных объектов к самым маленьким. И затем подойдем к излучению, понятию в физике.

Атом и изюм

В конце девятнадцатого века накопилось достаточно знаний о малейших химических единицах вещества - атомах. Было известно, что они электронейтральны, но содержат как положительно, так и отрицательно заряженные элементы.

Предположений выдвигалось множество: и что положительные заряды распределены в отрицательном поле, как изюм в булке, и что атом - это капля из разнородно заряженных жидких частей. Но все прояснил опыт Резерфорда. Он доказал, что в центре атома находится положительное тяжелое ядро, а вокруг него располагаются легкие отрицательные электроны. И конфигурация оболочек для каждого атома своя. Тут-то и кроются особенности излучения в физике электронных переходов.

Бор и орбита

Когда ученые выяснили, что легкие отрицательные части атома - это электроны, встал другой вопрос - почему они не падают на ядро. Ведь, согласно теории Максвелла, любой движущийся заряд излучает, следовательно, теряет энергию. Но атомы существовали столько же, сколько вселенная, и не собирались аннигилировать. На выручку пришел Бор. Он постулировал, что электроны находятся на некоторых стационарных орбитах вокруг атомного ядра, и находиться могут только на них. Переход электрона между орбитами осуществляется рывком с поглощением или испусканием энергии. Этой энергией может быть, например, квант света. По сути, мы сейчас изложили определение излучения в физике элементарных частиц.

Водород и фотография

Изначально технология фотографии была придумана как коммерческий проект. Люди хотели остаться в веках, но заказать портрет у художника было не каждому по карману. А фотографии были дешевыми и не требовали таких больших вложений. Потом искусство стекла и нитрата серебра поставило себе на службу военное дело. А затем и наука стала пользоваться преимуществами светочувствительных материалов.

В первую очередь фотографировать стали спектры. Уже давно было известно, что горячий водород испускает конкретные линии. Расстояние между ними подчинялось определенному закону. Но вот спектр гелия был более сложным: он содержал тот же набор линий, что и водород, и еще один. Вторая серия уже не подчинялась закону, выведенному для первой серии. Тут на помощь пришла теория Бора.

Выяснилось, что электрон в атоме водорода один, и он может переходить из всех высших возбужденных орбит на одну нижнюю. Это и была первая серия линий. Более тяжелые атомы устроены сложнее.

Линза, решетка, спектр

Таким образом было положено начало применению излучения в физике. Спектральный анализ - один из самых мощных и надежных способов определения состава, количества и структуры вещества.

Электронный эмиссионный спектр расскажет, что содержится в объекте и каков процент того или иного компонента. Этот способ используют абсолютно все области науки: от биологии и медицины до квантовой физики.
Спектр поглощения расскажет, какие ионы и на каких позициях присутствуют в решетке твердого тела.
Вращательный спектр продемонстрирует, насколько далеко находятся молекулы внутри атома, сколько и каких связей присутствует у каждого элемента.

А уж диапазонов применения электромагнитного излучения и не счесть:

радиоволны исследуют структуру очень далеких объектов и недра планет;
тепловое излучение расскажет об энергии процессов;
видимый свет подскажет, в каких направлениях лежат самые яркие звезды;
ультрафиолетовые лучи дадут понять, что происходят высокоэнергетические взаимодействия;
рентгеновский спектр сам по себе позволяет людям изучать структуру вещества (в том числе и человеческого тела), а наличие этих лучей в космических объектах известят ученых, что в фокусе телескопа нейтронная звезда, вспышка сверхновой или черная дыра.

Абсолютно черное тело

Но есть особый раздел, который изучает, что такое тепловое излучение в физике. В отличие от атомного, тепловое испускание света имеет непрерывный спектр. И наилучшим модельным объектом для расчетов является абсолютно черное тело. Это такой объект, который «ловит» весь попадающий на него свет, но не выпускает обратно. Как ни странно, абсолютно черное тело излучает, и максимум длины волны будет зависеть от температуры модели. В классической физике тепловое излучение порождало парадокс Выходило, что любая нагретая вещь должна была излучать все больше и больше энергии, пока в ультрафиолетовом диапазоне ее энергия не разрушила бы вселенную.

Разрешить парадокс смог Макс Планк. В формулу излучения он ввел новую величину, квант. Не придавая ей особенного физического смысла, он открыл целый мир. Сейчас квантование величин - основа современной науки. Ученые поняли, что поля и явления состоят из неделимых элементов, квантов. Это привело к более глубоким исследованиям материи. Например, современный мир принадлежит полупроводникам. Раньше все было просто: металл проводит ток, остальные вещества - диэлектрики. А вещества типа кремния и германия (как раз полупроводники) ведут себя непонятно по отношению к электричеству. Чтобы научиться управлять их свойствами, потребовалось создать целую теорию и рассчитать все возможности p-n переходов.

Наиболее разнообразны по видам ионизирующих излучений так называемые радиоактивные излучения, образующиеся в результате самопроизвольного радиоактивного распада атомных ядер элементов с изменением физических и химических свойств последних. Элементы, обладающие способностью радиоактивного распада, называются радиоактивными; они могут быть естественными, такие, как уран, радий, торий и др. (всего около 50 элементов), и искусственными, для которых радиоактивные свойства получены искусственным путем (более 700 элементов).

При радиоактивном распаде имеют место три основных вида ионизирующих излучений: альфа, бета и гамма.

Альфа-частица - это положительно заряженные ионы гелия, образующиеся при распаде ядер, как правило, тяжелых естественных элементов (радия, тория и др.). Эти лучи не проникают глубоко в твердые или жидкие среды, поэтому для защиты от внешнего воздействия достаточно защититься любым тонким слоем, даже листком бумаги.

Бета-излучение представляет собой поток электронов, образующихся при распаде ядер как естественных, так и искусственных радиоактивных элементов. Бета-излучения обладают большей проникающей способностью по сравнению с альфа-лучами, поэтому и для защиты от них требуются более плотные и толстые экраны. Разновидностью бета-излучений, образующихся при распаде некоторых искусственных радиоактивных элементов, являются. позитроны. Они отличаются от электронов лишь положительным зарядом, поэтому при воздействии на поток лучей магнитным полем они отклоняются в противоположную сторону.

Гамма-излучение, или кванты энергии (фотоны), представляют собой жесткие электромагнитные колебания, образующиеся при распаде ядер многих радиоактивных элементов. Эти лучи обладают гораздо большей проникающей способностью. Поэтому для экранирования от них необходимы специальные устройства из материалов, способных хорошо задерживать эги лучи (свинец, бетон, вода). Ионизирующий эффект действия гамма-излучения обусловлен в основном как непосредственным расходованием собственной энергии, так и ионизирующим действием электронов, выбиваемых из облучаемого вещества.

Рентгеновское излучение образуется при работе рентгеновских трубок, а также сложных электронных установок (бетатронов и т. п.). По характеру рентгеновские лучи во многом сходны с гамма-лучами и отличаются от них происхождением и иногда длиной волны: рентгеновские лучи, как правило, имеют большую длину волны и более низкие частоты, чем гамма-лучи. Ионизация вследствие воздействия рентгеновских лучей происходит в большей степени за счет выбиваемых ими электронов и лишь незначительно за счет непосредственной траты собственной энергии. Эти лучи (особенно жесткие) также обладают значительной проникающей способностью.

Нейтронное излучение представляет собой поток нейтральных, то есть незаряженных частиц нейтронов (n) являющихся составной частью всех ядер, за исключением атома водорода. Они не обладают зарядами, поэтому сами не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходят за счет взаимодействия нейтронов с ядрами облучаемых веществ. Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так - называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, ядерных реакторов и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Задерживаются нейтроны веществами, содержащими в своей молекуле водород (вода, парафин и др.).

Все виды ионизирующих излучений отличаются друг от друга различными зарядами, массой и энергией. Различия имеются и внутри каждого вида ионизирующих излучений, обусловливая большую или меньшую проникающую и ионизирующую способность и другие их особенности. Интенсивность всех видов радиоактивного облучения, как и при других видах лучистой энергии, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника излучения, то есть при увеличении расстояния вдвое или втрое интенсивность облучения уменьшается соответственно в 4 и 9 раз.

Экспозиционная доза (X). В качестве количественной меры рентгеновского и -излучения принято использовать во внесистемных единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц (dQ), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех заряженных частиц:

Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р). Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и
-излучения, создающая в 1куб.см воздуха при температуре О°С и давлении 760 мм рт.ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую единицу количества электричества. Экспозиционной дозе 1 Р
соответствует 2.08·10 9 пар ионов (2.08·10 9 = 1/(4.8·10 -10)). Если принять среднюю энергию образования 1 пары ионов в воздухе равной 33.85 эВ, то при экспозиционной дозе 1 Р одному кубическому сантиметру воздуха передается энергия, равная:
(2.08·10 9)·33.85·(1.6·10 -12) = 0.113 эрг,
а одному грамму воздуха:
0.113/ возд = 0.113/0.001293 = 87.3 эрг.

Мощность дозы (интенсивность облучения) - приращение соответствующей дозы под воздействием данного излучения за единицу времени. Имеет размерность соответствующей дозы (поглощенной, экспозиционной и т. п.), делённую на единицу времени. Допускается использование различных специальных единиц (например, Зв/час, бэр/мин, сЗв/год и др.).

Интенсивность гамма-излучения характеризуется уровнем радиации. Он равен дозе,

создаваемой за единицу времени, т.е. характеризует скорость накопления дозы. Уровень

радиации измеряется в рентгенах в час (р/час) .

Эквивалентная доза (Н) . Для оценки возможного ущерба здоровью человека в условиях хронического облучения в области радиационной безопасности введено понятие эквивалентной дозы Н, равной произведению поглощенной дозы D r , созданной облучением - r и усредненной по анализируемому органу или по всему организму, на весовой множитель w r (называемый еще - коэффициент качества излучения)
(таблица 11).

Единицей измерения эквивалентной дозы является Джоуль на килограмм. Она имеет специальное наименование Зиверт (Зв).

Бэр (биологический эквивалент рентгена), англ. rem (roentgen equivalent man) - устаревшая внесистемная единица измерения эквивалентной дозы. До 1963 года эта единица понималась как «биологический эквивалент рентгена», в этом случае 1 бэр соответствует такому облучению живого организма данным видом излучения, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при экспозиционной дозе гамма-излучения в 1 рентген. В системе СИ бэр имеет ту же размерность и значение, что и рад - обе единицы равны 0,01 Дж/кг для излучений с коэффициентом качества, равным единице.

100 бэр равны 1 зиверту.

Поскольку бэр достаточно большая единица измерения, обычно эквивалентную дозу измеряют в миллибэрах (мбэр, 10 −3 бэр) или микрозивертах (мкЗв, 10 −6 Зв). 1 мбэр = 10 мкЗв.

36 вопрос.

Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина. Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

Единица поглощенной дозы - Грей (Гр). Внесистемная единица Рад определялась как поглощенная доза любого ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества.

Для количественной и качественной оценки ионизирующих излучений, необ-ходимой для обеспечения радиационной безопасности, применяются радиометры, дозиметры и спектрометры.
Радиометры предназначены для определения количества радиоактивных веществ (радионуклидов) или потока излучения (например, газоразрядные счетчики Геймера-Мюллера).
Дозиметры позволяют измерять мощность поглощенной или экспозиционной дозы.
Спектрометры служат для регистрации и анализа энергетического спектра и идентификации на этой основе излучающих радионуклидов.
Во всех приборах измерения и регистрации проникающих излучений исполь-зуется один и тот же принцип, позволяющий измерять эффекты, возникающие в процессе взаимодействия излучения с веществом.
Наиболее распространенным методом регистрации ионизирующих излуче-ний является ионизационный метод, основанный на измерении степени ионизации среды, через которую проходит излучение. Реализация этого метода осуществляет-ся с помощью ионизационных камер или счетчиков, служащих датчиком. Ионизаци-онная камера представляет собой конденсатор, состоящий из двух электродов, ме-жду которыми находится газ. Электрическое поле между электродами создается от внешнего источника. При отсутствии радиоактивного источника ионизации в камере не происходит и измерительный прибор тока показывает его отсутствие. Под воз-действием ионизирующего излучения в газе камеры возникают положительные и от-рицательные ионы. Под действием электрического поля отрицательные ионы дви-жутся к положительно зараженному электроду, а положительные – к отрицательному электроду. В результате возникает ток, который регистрируется измерительным прибором.
Сцинтилляционный метод регистрации излучений основан на измерении ин-тенсивности световых вспышек, возникающих в люминесцирующем веществе при прохождении через него ионизирующего излучения. Для регистрации световых вспышек используются фотоэлектронные умножители.
Сцинтилляционные счетчики применяются для измерения числа зараженных частиц, гамма-квантов, быстрых и медленных нейтронов, а также измерения мощно-сти дозы от бета-, гамма- и нейтронного излучений. Кроме того, такие счетчики при-меняются для исследования спектров гамма- и нейтронного излучений.
Фотографический метод основан на фотохимических процессах, возникаю-щих при воздействии излучений на фотографическую пленку или пластину. Способ-ность фотоэмульсии регистрировать излучение позволяет установить зависимость между степенью потемнения пленки и поглощенной дозой. Чаще всего этот метод используется для индивидуального контроля дозы рентгеновского, гамма-, бета– и нейтронного излучений.
Для измерения больших мощностей дозы применяют менее чувствительные методы, такие, например, как химические системы, в которых под воздействием из-лучения происходят изменения в окрашивании растворов и твердых тел, осаждении коллоидов, выделении газов из соединений. С этой же целью применяются различ-ные стекла, изменяющие свою окраску под воздействием излучения, а также кало-риметрические методы, основанные на измерении тепла, выделяемого в погло-щающем веществе.
В последнее время все большее распространение получают полупроводни-ковые, фото- и термолюминесцентные детекторы ионизирующих излучений

38-39 вопрос

Естественный радиационный фон Земли. Космическое излучение.

Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли, однако одни из них получают большие дозы, чем другие.Доза облучения зависит также от образа жизни людей. Некот стройматериалы, газ для приготовл пищи, открытые угольные жаровни, герметизация помещений и даже полеты на самолетах –это увеличив облуч за счет естеств источников радиации. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом путем внешнего облучения. Естественная ионизирующая радиация (ЕИР) возникает в космосе и в виде космических лучей достигает Землю. На самой Земле источниками ЕИР являются грунт, воздух, вода, продовольствие и тело. Дозы облучения человека от ЕИР вносят наибольш вклад в коллективную эффективную дозу, получаемую населением. Магнитное поле Земли создаёт 2 радиационных пояса: внешний – на расстоянии от 1 до 8 радиусов Земли и внутренний – на расстоянии 100-10 000 км. Они создаются заряжёнными частицами, движущимися вдоль магнитн силовых линий по спирали. Радиационные пояса Земли задерживают протоны и  их энергию.

Космические частицы обусловливают так называемое первичное излучение. Оно преобладает на высотах 45 км и выше. Космические лучи поглощаются и атмосферой Земли  вторичное излучение, содержащее почти все известные частицы и фотоны (-кванты, нейтроны, мезоны, - и др. частицы со значительно меньшей энергией, чем протоны). Вторичное излучение достигает макс. величины на высотах 20 – 25 км. На пути к земной поверхности поглощается и это вторичное излучение. До Земли оно почти не доходит. Но в высоких горах, где воздух разрежен, интенсивность космических лучей велика. В итоге, поверхности Земли достигает очень неоднородное излучение, состоящее из мезонов, электронов, позитронов, фотонов высоких энергий. Это излучение очень малой интенсивности составляет часть естественного радиационного фона Земли.

Земная радиация. Радионуклиды всегда встречаются в земной коре. Больше всего их в гранитах, глинозёмах, песчаниках, известняках.

Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, почвах и водах относятся к рядам урана, тория и актиния, также калий-40 и рубидий-87.

Семейство урана (уран-238 с Т=4,5 млрд. лет и др.).

Семейство тория (торий-232 Т=10 млрд. лет и др.).

Семейство актиния (уран-235 Т=700 лет).

Все эти радионуклиды являются источниками внешнего облучения.

Средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет примерно 350 мкЗв, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы облучения из-за радиационного фона, создаваемого космическими лучами на уровне моря.

Естественные источники обусловливают 85% дозы человека за счёт:

радона в зданиях - 50 %,

-лучей от земли и здания - 14 %,

пищи и напитков - 11,5 %,

космических лучей - 10 % .

Ионизирующее излучение (далее - ИИ) - это излучение, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации атомов и молекул, т.е. это взаимодействие приводит к возбуждению атома и отрыву отдельных электронов (отрицательно заряженных частиц) из атомных оболочек. В результате, лишенный одного или нескольких электронов, атом превращается в положительно заряженный ион - происходит первичная ионизация. К ИИ относят электромагнитное излучение (гамма-излучение) и потоки заряженных и нейтральных частиц - корпускулярное излучение (альфа-излучение, бета-излучение, а также нейтронное излучение).

Альфа-излучение относится к корпускулярным излучениям. Это поток тяжелых положительно заряженных а-частиц (ядер атомов гелия), возникающее в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. Поскольку частицы тяжелые, то пробег альфа-частиц в веществе (то есть путь, на котором они производят ионизацию) оказывается очень коротким: сотые доли миллиметра в биологических средах, 2,5—8 см в воздухе. Таким образом, задержать эти частицы способен обычный лист бумаги или внешний омертвевший слой кожи.

Однако вещества, испускающие альфа-частицы, являются долгоживущими. В результате попадания таких веществ внутрь организма с пищей, воздухом или через ранения, они разносятся по телу током крови, депонируются в органах, отвечающих за обмен веществ и защиту организма (например, селезенка или лимфатические узлы), вызывая, таким образом, внутреннее облучение организма. Опасность такого внутреннего облучения организма высока, т.к. эти альфа-частицы создают очень большое число ионов (до нескольких тысяч пар ионов на 1 микрон пути в тканях). Ионизация, в свою очередь, обуславливает ряд особенностей тех химических реакций, которые протекают в веществе, в частности, в живой ткани (образование сильных окислителей, свободного водорода и кислорода и др.).

Бета-излучение (бета-лучи, или поток бета-частиц) также относится к корпускулярному типу излучения. Это поток электронов (β--излучение, или, чаще всего, просто β -излучение) или позитронов (β+-излучение), испускаемых при радиоактивном бета-распаде ядер некоторых атомов. Электроны или позитроны образуются в ядре при превращении нейтрона в протон или протона в нейтрон соответственно.

Электроны значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь вещества (тела) на 10-15 сантиметров (ср. с сотыми долями миллиметра у а-частиц). При прохождении через вещество бета-излучение взаимодействует с электронами и ядрами его атомов, расходуя на это свою энергию и замедляя движение вплоть до полной остановки. Благодаря таким свойствам для защиты от бета-излучения достаточно иметь соответствующей толщины экран из органического стекла. На этих же свойствах основано применение бета-излучения в медицине для поверхностной, внутритканевой и внутриполостной лучевой терапии.

Нейтронное излучение - еще один вид корпускулярного типа излучений. Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда). Нейтроны не оказывают ионизирующего действия, однако весьма значительный ионизирующий эффект происходит за счет упругого и неупругого рассеяния на ядрах вещества.

Облучаемые нейтронами вещества могут приобретать радиоактивные свойства, то есть получать так называемую наведенную радиоактивность. Нейтронное излучение образуется при работе ускорителей элементарных частиц, в ядерных реакторах, промышленных и лабораторных установках, при ядерных взрывах и т. д. Нейтронное излучение обладает наибольшей проникающей способностью. Лучшими для защиты от нейтронного излучения являются водородсодержащие материалы.

Гамма излучение и рентгеновское излучение относятся к электромагнитным излучениям.

Принципиальная разница между двумя этими видами излучения заключается в механизме их возникновения. Рентгеновское излучение - внеядерного происхождения, гамма излучение - продукт распада ядер.

Рентгеновское излучение, открыто в 1895 году физиком Рентгеном. Это невидимое излучение, способное проникать, хотя и в разной степени, во все вещества. Представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка от - от 10 -12 до 10 -7 . Источник рентгеновских лучей - рентгеновская трубка, некоторые радионуклиды (например, бета-излучатели), ускорители и накопители электронов (синхротронное излучение).

В рентгеновской трубке есть два электрода - катод и анод (отрицательный и положительный электроды соответственно). При нагреве катода происходит электронная эмиссия (явление испускания электронов поверхностью твёрдого тела или жидкости). Электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода, где происходит их резкое торможение, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Как и видимый свет, рентгеновское излучение вызывает почернение фотопленки. Это одно его из свойств, основное для медицины - то, что оно является проникающим излучением и соответственно пациента можно просвечивать с его помощью, а т.к. разные по плотности ткани по-разному поглощают рентгеновское излучение - то мы можем диагностировать на самой ранней стадии многие виды заболеваний внутренних органов.

Гамма излучение имеет внутриядерное происхождение. Оно возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и т.д.

Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется малой длиной волны. Для ослабления потока гамма-излучения используются вещества, отличающиеся значительным массовым числом (свинец, вольфрам, уран и др.) и всевозможные составы высокой плотности (различные бетоны с наполнителями из металла).

Категории

Популярное