Природа рентгеновского излучения и гамма излучения

N-обще ечисло радиоактивных ядер

N0- НАЧАЛЬНОЕ ЧИСЛО РАДИОАКТИВНЫХ ЯДЕР

На практике вместо постоянного распада используют период полураспада Т – это время, в течении которого распадается половина радиоактивных ядер. Это понтие пременимо к достаточно большому числу ядер. Связь между Т и λ: Т≈0,69/λ

Активность А – скорость распада

[A]=беккерель( Бк)= кюри(Ки)= резерфорд(Рд)

64. ионизирующие изл-ие – потоки частиц и электромагнитных квантов, взаимодействие которых со средой приводит к ионизации ее атомов и молекул. Ионизирующими изл-ем явл-ся рентгеновские излучения и ϒ-изл-ия, потоки α-частиц, электронов, позитронов, протонов и нейтронов.

Наличие ионизирующего излучения, способно оказать вредное воздействие на исследуемый организм. Ионизирующее излучение, воздействуя на живой организм, вызывает в нем цепочку обратимых и необратимых изменений, которые приводят к тем или иным биологическим последствиям, зависящим от величины воздействия и условий облучения.

Источник

Рентгеновские лучи

В данной теме разговор пойдёт о рентгеновском и гамма-излучениях.

Условно все виды электромагнитных волн делятся на 7 основных диапазонов — это низкочастотные излучения, радиоизлучения, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-излучение.

В прошлой теме подробно были рассмотрены инфракрасное и ультрафиолетовое излучения.

Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым радиоизлучением. Весь диапазон данного вида излучения делится на три основных составляющих — это коротковолновая область, средневолновая область и длинноволновая область.

Ультрафиолетовое излучение — это электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Его также делят на подгруппы — это ближний, средний, дальний и экстремальный ультрафиолет.

Осталось рассмотреть последние области шкалы электромагнитных излучений, а именно области рентгеновского и гамма-излучений.

Врачи прошлых веков и не мечтали о том, чтобы без хирургического вмешательства заглянуть внутрь живого человека. И то, что для них было просто сказкой, стало в наши дни обыденной реальностью. Современная медицина не представляет, как можно обходиться без рентгена в диагностике многих заболеваний, ведь сегодня это самый распространенный метод диагностических исследований. Однако в свое время открытие рентгеновского излучения Вильгельмом Конрадом Рентгеном стало переворотом в науке и в медицине в том числе. И так, как же это произошло?

Это открытие произошло 8 ноября 1895 года. В то время всеобщее внимание физиков было привлечено к изучению газового разряда при малом давлении. При таких условиях в газоразрядной трубке возникали потоки очень быстрых электронов. Так как природа этих лучей не была достоверно установлена, а начинались они на катоде вакуумной трубки, то их называли катодными лучами. И так, 8 ноября 1895 года Рентген, как обычно работал в своей лаборатории допоздна. Уже собираясь уходить домой, он, затушив лампу, неожиданно увидел легкое зеленоватое свечение. Это светилась баночка с препаратом на столе. Осмотревшись вокруг, Рентген заметил, что забыл выключить электронно-лучевую вакуумную трубку. Он отключил прибор — свечение исчезло, включил — снова появилось. Но самым удивительным было то, что электронно-лучевая трубка стояла в одном конце комнаты, а баночка с препаратом — в другом. Ученый решил, что это от прибора исходит какое-то излучение.

Понимая, что столкнулся с новым явлением, Вильгельм Рентген начал исследовать эти загадочные лучи. Напротив трубки он установил экран и, для определения проникающей способности новых лучей, помещал перед ним различные предметы — книги, деревянную доску, листы бумаги — все они оказались «прозрачными» для лучей. Однако, поместив перед экраном деревянную коробочку с набором гирь, на экране были хорошо видны их тени — металл хорошо поглощал новый вид излучения.

При дальнейшем изучении новых лучей, под их пучок случайно попала рука ученого. Рентген замер на месте — на экране он увидел собственные двигающиеся кости руки. Сделав вывод о том, что костная ткань, подобно металлу, является не проницаемой для данного вида излучения, Рентген поспешил сообщить о своем открытии самому близкому человеку — своей жене фрау Берте. На рисунке изображен первый в истории рентгеновский снимок — рука фрау Берты.

Свое открытие, Вильгельм Рентген описал в рукописи «О новом виде лучей», где называет их «Х-лучами».

Открытие Х-лучей, потрясло весь мир. Физики с восторгом приняли открытие Рентгена и назвали в его честь новые лучи рентгеновскими. А в 1901 году Вильгельм Рентген стал первым физиком, получившим Нобелевскую премию.

Исследование рентгеновских лучей показало, что они способны вызывать ионизацию воздуха, действуют на фотопластинку, но заметным образом не отражаются от веществ и не преломляются. Помимо всего прочего, электромагнитное поле также не оказывает никакого влияния на направление их распространения. В связи с этим многие ученые считали, что «Х-лучи» — это электромагнитные волны, а их большая проникающая способность связывалась с малой длиной волны. Но эта гипотеза нуждалась в доказательствах, которые были получены только спустя 15 лет после смерти Вильгельма Рентгена.

Все дело в том, что если рентгеновское излучение действительно является электромагнитной волной, то оно должно обнаруживать явление дифракции. Однако многочисленные попытки обнаружить это явление на очень узких щелях в свинцовых пластинах не удавалось. Выход нашел немецкий физик Макс фон Лауэ, предположив, что дифракцию этих волн невозможно обнаружить на искусственных препятствиях из-за их очень маленькой длины волны, так как невозможно сделать щели размером 10 –8 см, так как такие размеры имеют только атомы. А если рентгеновское излучение имеет такую же длину волны, то остается только единственная возможность — использовать кристаллы, с упорядоченной структурой, где расстояния между отдельными атомами соизмеримы с размерами самих атомов.

И вот, два студента Лауэ — Фридрих и Книпинг — направляют узкий пучок рентгеновских лучей на кристалл, за которым располагалась фотопластинка. И вот, наряду с большим центральным пятном, которое давали прямолинейно распространяющиеся лучи, возникли регулярно расположенные небольшие пятна вокруг центрального. Таким образом, было доказано, что рентгеновские лучи являются электромагнитной волной, так как появление дополнительных пятен можно было объяснить только явлением дифракции рентгеновских лучей на упорядоченной структуре кристалла.

В настоящее время для получения рентгеновских лучей применяется прибор, называемый рентгеновской трубкой, устройство которой разработал сам Рентген.

Рентгеновская трубка — это электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения. Излучающий элемент представляет собой вакуумный сосуд с тремя электродами: катодом, накалом катода и анодом.

Катод представляет собой вольфрамовую спираль, которая испускает электроны. Эти электроны под действием разности потенциалов между катодом и анодом ускоряются и ударяются об анод, где происходит их резкое торможение. При этом за счёт тормозного излучения происходит генерация излучения рентгеновского диапазона. В мощных рентгеновских трубках анод охлаждается проточной водой, так как в процессе «ускорение — торможение» не более 3% кинетической энергии электрона идет на рентгеновское излучение, остальная энергия превращается в тепло.

В наше время рентгеновские лучи применяют в различных областях науки и техники. С их помощью можно достоверно определять подлинности картин, отличать драгоценные камни от подделок, а таможенным службам стало легче искать контрабандный товар.

Весьма обширны применения этих лучей в научных исследованиях. По дифракционной картине, даваемой рентгеновскими лучами при их прохождении сквозь кристаллы, удается установить их структуру. С их помощью можно определять строение сложных органический соединений, в том числе и белков. Так, например, была определена структура молекулы гемоглобина, которая содержит десятки тысяч атомов.

Из других применений рентгеновских лучей стоит отметить и дефектоскопию — метод, применяемый для обнаружения дефектов в стальных отливках, кованых деталях машин, при исследовании качества сварки и сварных швов, при поиске расслоений в прокатной продукции и даже при проверке качества, свежести и повреждений плодов и овощей.

Но все же, основное место применение этих лучей — это медицина. Практически через год после открытия, рентгеновские лучи стали использоваться для диагностики переломов. Но, как оказалось, возможности лучей оказались значительно шире. Была даже образована новая область в медицине — рентгенология. Современная медицинская техника с помощью рентгеновского излучения исследует любые внутренние органы. При этом изображение можно видеть не только на фотопленке, но и на экране монитора. Помимо этого, рентгеновские лучи можно применять не только в диагностических исследованиях, но и в лечении некоторых онкологических заболеваний.

Однако в рентгеновском излучении присутствует и негативный характер. Так, при неправильном использовании оно становится опасным для здоровья, вызывая тяжелые лучевые ожоги. Но ни сам Рентген, ни его современники не знали об этом негативном факторе лучей и работали без применения каких-либо мер предосторожности. Вследствие чего, многие физики, работавшие в то время с рентгеновскими лучами, получили тяжелые лучевые ожоги. И лишь годы спустя были определены безопасные дозы облучения и созданы различные средства защиты.

Гамма-излучение было открыто французским физиком Полем Ульришем Виллардом в 1900 году, при исследовании излучения радиоактивного элемента радия.

Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10 –10 м. При таких маленьких длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные свойства излучения. Таким образом, гамма-излучение представляет собой поток частиц — гамма-квантов или фотонов — со слабо выраженными волновыми свойствами.

Источником данного вида излучения может являться и переход между возбужденными состояниями атомных ядер, ядерные реакции, отклонение заряженных частиц в магнитных и электрических полях.

Источниками гамма-излучения также являются и процессы, происходящие в космическом пространстве. Например, космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик, квазаров, сверхновых звёзд.

Данный вид излучения обладает громадной проникающей способностью.

Гамма-лучи используют в технике, например, при дефектоскопии, радиационной химии, для инициирования различных химических превращений. Не обошло стороной гамма-излучение и сельское хозяйство, и пищевую промышленность, где используется для мутации и генерации хозяйственно-полезных форм, а также стерилизации продуктов. А использование данного вида излучения в медицине основано на том, что оно способно убивать различные виды болезнетворных бактерий и раковые клетки в организме людей.

Основные выводы:

– Рентгеновское излучение — это излучение, возникающее при взаимодействии быстрых электронов с атомами твердых тел, и обусловлено переходами электронов на внутренних оболочках атомов.

– Рентгеновское излучение получают с помощью специальных рентгеновских трубок — электровакуумных приборов, предназначенных для генерации рентгеновского излучения.

– Гамма—излучение представляет собой поток частиц — гамма-квантов или фотонов — со слабо выраженными волновыми свойствами и обладающие огромной проникающей способностью. Оно возникает в результате процессов, происходящих в атомных ядрах, и сопровождает ядерные реакции.

Источник

Виды радиоактивных излучений

Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.

Что такое радиация

Для начала дадим определение, что такое радиация:

В процессе распада вещества или его синтеза происходит выброс элементов атома (протонов, нейтронов, электронов, фотонов), иначе можно сказать происходит излучение этих элементов. Подобное излучение называют — ионизирующее излучение или что чаще встречается радиоактивное излучение, или еще проще радиация. К ионизирующим излучениям относится так же рентгеновское и гамма излучение.

Радиация — это процесс излучения веществом заряженных элементарных частиц, в виде электронов, протонов, нейтронов, атомов гелия или фотонов и мюонов. От того, какой элемент излучается, зависит вид радиации.

Ионизация — это процесс образования положительно или отрицательно заряженных ионов или свободных электронов из нейтрально заряженных атомов или молекул.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.

Альфа, бета и нейтронное излучение — это излучения, состоящие из различных частиц атомов.

Гамма и рентгеновское излучение — это излучение энергии.

Альфа излучение

• излучаются: два протона и два нейтрона
• проникающая способность: низкая
• облучение от источника: до 10 см
• скорость излучения: 20 000 км/с
• ионизация: 30 000 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: высокое

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение — это излучение тяжелых, положительно заряженных альфа частиц, которыми являются ядра атомов гелия (два нейтрона и два протона). Альфа частицы излучаются при распаде более сложных ядер, например, при распаде атомов урана, радия, тория.

Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.

Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.

Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.

Нейтронное излучение

• излучаются: нейтроны
• проникающая способность: высокая
• облучение от источника: километры
• скорость излучения: 40 000 км/с
• ионизация: от 3000 до 5000 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: высокое

Нейтронное излучение — это техногенное излучение, возникающие в различных ядерных реакторах и при атомных взрывах. Также нейтронная радиация излучается звездами, в которых идут активные термоядерные реакции.

Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.

Бета излучение

• излучаются: электроны или позитроны
• проникающая способность: средняя
• облучение от источника: до 20 м
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: среднее

Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.

При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.

Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.

Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.

Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.

Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.

Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.

Гамма излучение

• излучаются: энергия в виде фотонов
• проникающая способность: высокая
• облучение от источника: до сотен метров
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: низкое

Гамма (γ) излучение — это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов.

Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.

Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения

Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.

Основная опасность гамма излучения — это его способность преодолевать значительные расстояния и оказывать воздействие на живые организмы за несколько сотен метров от источника гамма излучения.

Рентгеновское излучение

• излучаются: энергия в виде фотонов
• проникающая способность:высокая
• облучение от источника: до сотен метров
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 3 до 5 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: низкое

Рентгеновское излучение — это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.

Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.

Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.

Каждое из рассмотренных излучений опасно!

Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации

Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.

Чем выше «коэффициент k» тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.

Видео: Виды радиации

Источник