энергетического спектра электронов при β-распаде (в отличие от дискретного энергетического спектра у α-частиц при α-распаде).
Гамма-излучение (γ-изучение) является наиболее проникающим видом ионизирующего излучения и наблюдается в тех случаях, когда атомное ядро по каким-либо причинам переходит из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, в том числе в основное. γ-Изучение сопровождает α- и β-распады радиоактивных ядер, причем при распаде одного и того же изотопа могут испускаться γ-кванты различных характерных энергий (частот). При этом диапазон энергий γ-квантов составляет от 10 кэВ до 5 МэВ.
Ослабление потока γ-квантов в веществе подчиняется экспоненциальной зависимости
I = I0exp(-μх),
где I и I0 [Вт/м2] – соответственно интенсивности после и до прохождения слоя вещества толщиной х [м]; μ [м-1] − линейный коэффициент поглощения γ-излучения, зависящий от плотности и порядкового номера элемента Z; μ имеет смысл «отрезка» «обратной» длины (≡ периоду экспоненты в математике!), на котором γ-излучение ослабляется в е раз.
Установлено, что γ-кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов и либо вызывают фотоэффект, либо, передавая часть своей энергии и импульса электронам, претерпевают так называемое комптоновское рассеяние. При энергии γ-квантов большей, чем удвоенная энергия покоя электрона может проходить рождение электрон-позитронных пар:
γ → −10e + +10e . Исходя из описанных возможных процессов линей-
ный коэффициент поглощения γ-излучения равен сумме линейных коэффициентов поглощения отдельных процессов фотоэффекта, комптоновского рассеяния, образования электрон-позитронных пар: μ = μфот +μкомп +μобр.пар . Пути пробега нейтронов и γ-квантов в воз-
духе измеряются сотнями метров, в веществе – десятками сантиметров и даже метрами, в зависимости от плотности вещества и энергии γ-квантов и нейтронов. По этой причине потоки γ-квантов и нейтронов представляют для человека наибольшую опасность, вызывая наиболее сильную ионизацию и распад тканей организма.
21
Кроме процессов испускания ядрами частиц возможно и испускание одними ядрами других ядер – кластерная радиоактив-
ность (1984 г.):
22388 Ra → 146 C+ 20982 Pb +Q .
Рассмотрим процессы, объясняющие эффект Р.Л. Мёссбауэра (1958 г.) (Нобелевская премия по физике 1961 г.), – процессы испускания и поглощения квантов излучения ядрами.
Пусть γ-квант падает на свободное невозбужденное ядро в состоянии 1, ядро поглощает γ-квант и переходит в возбужденное состояние 2. Если ядро изначально покоилось, то при переходе обратно из возбужденного состояния 2 в основное состояние 1 ядро испустит γ-квант с энергией, меньшей энергии поглощенного γ- кванта на величину кинетической энергии ядра. Это происходит потому, что по закону сохранения импульса при излучении γ- кванта ядро получает импульс отдачи, равный импульсу кванта, но противоположно направленный (т.е. ядру сообщается кинетическая энергия). Регистрируемая частота ν (энергия hν) γ-кванта на выходе из ядра будет меньше энергии требуемой для перехода ядра обратно в возбужденное состояние 2. В силу этого спектральные линии поглощения и испускания изначально покоящихся свободных ядер разделены между собой некоторым интервалом, обусловленным описанными выше процессами.
Энергия ядра может принимать только определенные, дискретные значения, подобно энергии электронов в атомах. Явление поглощения ядром γ-кванта, частота (энергия) которого соответствует переходу ядра из основного в ближайшее возбужденное состояние, называется резонансным поглощением.
Если ядро, испускающее γ-квант, находится в узле кристаллической решетки, оно закреплено, связано, энергию и импульс отдачи получает весь кристалл в целом, для которого это несущественно. В этом случае спектральный сдвиг линий излучения и поглощения, имеющий место для свободных ядер, исчезает для связанных в решетке ядер вследствие отсутствия отдачи (ею можно пренебречь).
Эффектом Мёссбауэра называется резонансное поглощение (испускание) γ-квантов у ядер без отдачи (т.е. при совпадении спектральных линий поглощения и испускания).
22
1.5. Воздействие ионизирующего излучения на организм. Дозы излучения
Вредное воздействие излучений на организм заключается в ионизации атомов тканей и органов организма, чем больше пар ионов
образовано на единице пути движения частицы (кванта), тем хуже для организма.
Устойчивость различных организмов к воздействию радиации очень сильно различается. Мера чувствительности к действию ионизирующего излучения называется радиочувствительностью. Она сильно различается даже в пределах одного вида. Радиочувствительность индивида также зависит от возраста и пола, причем наиболее устойчив зрелый возраст. В пределах же одного организма различные клетки и ткани еще более сильно различаются по радиочувствительности.
Для судьбы клетки решающее значение имеет поражение, прежде всего, ДHK клеточного ядра (основная мишень), а также системы мембран. На уровне организма также существуют свои, критические к действию радиации, структуры (органы, системы).
При радиационно-химических изменениях молекул различают прямое и косвенное действие радиации. Под прямым действием понимают такие изменения, которые возникают в результате поглощения энергии излучения самими исследуемыми молекулами. Под косвенным действием понимают изменения молекул в растворе, вызванные продуктами радиационного разложения (радиолиза) воды или растворенных веществ. По некоторым оценкам, полный вклад косвенного действия достигает 90 % и является определяющим. При косвенном действии наиболее существенен процесс радиолиза воды, составляющей основную массу (до 70 %) вещества в клетках.
Временной интервал, в течение которого проходят первичные реакции, чрезвычайно мал – около 10-10 с. В течение этого времени после прохождения излучения происходят серии восьми различных реакций. В результате образуются две новые разновидности химических веществ в относительно больших количествах. Их называют свободными радикалами. Свободные радикалы очень активны химически из-за того, что в них существуют непарные электроны. При образовании обычных химических соединений электроны стремятся спариваться таким образом, чтобы спины пары электронов были
23
противонаправлены. Свободные радикалы пытаются объединяться химически с другими веществами, чтобы их одиночные, неспаренные электроны могли образовать ковалентную связь с другим неспаренным электроном и создать подоболочку. Свободные радикалы электрически нейтральны, в них одинаковое количество протонов в ядрах и электронов – это не ионы.
Первый свободный радикал, формируемый в облученной воде, – свободный радикал водорода. Второй свободный радикал, образующийся в ощутимых количествах в облученной воде, – это гидро-
ксильный радикал OH . Точка указывает на присутствие непарного электрона.
Вторичные реакции происходят в течение 10-5 с после прохождения излучения через воду. За это время свободные радикалы либо рекомбинируют друг с другом, либо реагируют с растворным субстратом. С высокой вероятностью проходят три вторичные реакции
– три возможные комбинации двух свободных радикалов, образовавшихся в первичных реакциях (водород+водород, водород+гидроксил, гидроксил+гидроксил):
H + H = H (газ),
H + OH = H2O (вода),
OH + OH = H2O2 (перекись водорода).
Вторая реакция ведет к образованию безопасного, как и в первом случае, продукта, воды. Проблема для живых биологических систем возникает при течении третьей реакции и заключается в образовании пероксида водорода, ядовитого для клеток. К тому же один из атомов водорода может легко теряться пероксидом водорода, образуя пероксидный радикал, который затем взаимодействует с другими биоорганическими молекулами с образованием относительно устойчивых органических пероксидов. В конечном итоге, все это приводит к изменению биохимических процессов в организме.
Степень и характер лучевого поражения организма при больших дозах обусловлены радиочувствительностью тканей, органов и систем, подвергающихся облучению и поглощенной дозой радиации (в том числе и ее распределением во времени).
Для расчета воздействия ионизирующих излучений на живые организмы применяют следующие величины.
24
Поглощенная доза ионизирующего излучения D является уни-
версальной мерой воздействия любого вида излучения на вещество. Она равна отношению энергии W, переданной веществу, к массе вещества m:
D = W / m .
В системе СИ единицей поглощенной дозы является грей: 1 Гр =1 Дж/кг.
Мощностью дозы Р называется отношение дозы излучения ко времени облучения t:
P = D / t .
Единицей мощности дозы в системе СИ (SI) является грей в секунду: 1 Гр/с = 1 Вт/кг.
Относительная биологическая эффективность K характери-
зует различие биологического действия различных видов излучений при одинаковой дозе. Для рентгеновского и γ-излучения относительная биологическая эффективность K = 1, для тепловых нейтронов K = 3, для нейтронов с энергией 0,5 МэВ K = 10, для α- частиц K = 20.
Эквивалентная доза Н определяется как произведение погло-
щенной дозы D на относительную биологическую эффективность K:
H = D K .
Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт: 1 Зв = 1 Гр 1 (K = 1). Часто применяется внесистемная единица измерения: 1 бэр = 10-2 Зв.
Экспозиционная доза De характеризует ионизирующее действие излучения на воздух. Она определяется как отношение суммарного заряда Q всех ионов одного знака, созданных в воздухе вторичными частицами (электронами и позитронами) к массе воздуха mвозд:
De = Q / mвозд .
Экспозиционная доза в системе СИ измеряется в Кл/кг. Распространенной внесистемной единицей экспозиционной до-
зы является рентген: 1 Р = 2,58 10–4 Кл/кг. При экспозиционной дозе 1 Р в 1 см3 сухого воздуха образуется 2 ·109 пар ионов.
Смертельная доза γ-излучения для человека может считаться доза 6 Гр.
25