Приборы, используемые в дозиметрии

2. β-распад. Бета-излучение - поток β-частиц, испускаемых атомными ядрами при β-распаде радиоактивных изотопов. β-распад - радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетом из ядра электрона или позитрона. Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода, а именно: превращением либо нейтрона (n) в протон (p), либо протона в нейтрон. Вылетающие при β-распаде электроны и позитроны носят общее название бета-частиц. Взаимные превращения нуклонов сопровождаются появлением ещё одной частицы- нейтрино (n) в случае β+ -распада или антинейтрино в случае β-распада.

Масса β-частиц в абсолютном выражении равна 9,1*г. β-частицы несут один элементарный электрический заряд и распространяются в среде со скоростью от 100 тыс. км/с до 300 тыс. км/с (т.е. до скорости света) в зависимости от энергии излучения. Энергия β-частиц колеблется в значительных пределах. Это объясняется тем, что при каждом β-распаде радиоактивных ядер образующаяся энергия распределяется между дочерним ядром, β-частицами и нейтрино в разных соотношениях, причем энергия β-частиц может колебаться от нуля до какого-то максимального значения. Максимальная энергия лежит в пределах от 0,015-0,05 МэВ (мягкое излучение) до 3-13,5 МэВ (жесткое излучение).

Так как β-частицы имеют заряд, то под действием электрического и магнитного полей они отклоняются от прямолинейного направления. Обладая очень малой массой, β-частицы при столкновении с атомами и молекулами также легко отклоняются от своего первоначального направления (т.е. происходит сильное рассеяние их). Поэтому определить длину пути β-частиц очень трудно - этот путь слишком извилистый. Пробег β -частиц в связи с тем, что они обладают различным запасом энергии, также подвергается колебаниям. Длина пробега в воздухе может достигать 25 см, а иногда и нескольких метров. В биологических тканях пробег частиц составляет до 1 см. На путь пробега влияет также плотность среды.

Периоды полураспада заключены  в широком интервале: от 1,3*сек (12N) до 2* лет (природный радиоактивный изотоп 180W).

β-распад имеет место у элементов всех частей периодической системы. Тенденция к β-превращению возникает вследствие наличия у ряда изотопов избытка нейтронов или протонов по сравнению с тем количеством, которое отвечает максимальной устойчивости. Таким образом, тенденция к β+- распаду или К-захвату характерна для нейтронодефицитных изотопов, а тенденция к β-распаду -для нейтроноизбыточных изотопов.

Если изотоп имеет меньшее массовое число, чем указано в периодической  системе Менделеева, то велика вероятность того, что он будет β+ -активным, т.е. протон внутри такого ядра будет стремиться превратиться в нейтрон. Если масса изотопа больше, чем указано в периодической системе Менделеева, то возрастает вероятность того, что он будет β-активным, т.е. в таком ядре нейтрон будет стремиться превратиться в протон. В обоих случаях ядро становится неустойчивым, и его распад ведёт к восстановлению соотношения протонов и нейтронов.

Природа β-распада.

Исследование β-распада ядер неоднократно ставило учёных перед неожиданными загадками. После открытия радиоактивности явление β-распада долгое время рассматривалось как аргумент в пользу наличия в атомных ядрах электронов; это предположение оказалось в явном противоречии с квантовой механикой. Затем непостоянство энергии электронов, вылетающих при β-распаде, даже породило у некоторых физиков неверие в закон сохранения энергии, т.к. было известно, что в этом превращении участвуют ядра, находящиеся в состояниях с вполне определённой энергией. Максимальная энергия вылетающих из ядра электронов как раз равна разности энергий начального и конечного ядер. Но в таком случае было непонятно, куда исчезает энергия, если вылетающие электроны несут меньшую энергию. Предположение немецкого учёного В. Паули о существовании новой частицы - нейтрино - спасло не только закон сохранения энергии, но и другой важнейший закон физики - закон сохранения момента количества движения.

Источник.

Взаимные превращения нуклонов в легких и тяжелых ядрах при  участии слабых взаимодействий.

Энергия.

Для того чтобы ядро было неустойчиво  по отношению к одному из типов  β-превращения, сумма масс частиц в  левой части уравнения реакции  должна быть больше суммы масс продуктов превращения. Поэтому при β-распаде происходит выделение энергии.

Энергия β- распада распределяется между тремя частицами: электроном (или позитроном), антинейтрино (или нейтрино) и ядром; каждая из лёгких частиц может уносить практически любую энергию т. е. их энергетические спектры являются сплошными. Лишь при К-захвате нейтрино уносит всегда одну и ту же энергию.

Существует  три вида β-распада.

а) Электронный β-распад. Он характерен для естественных, так и для искусственных радиоактивных элементов. Этот распад в основном характерен для тяжелых радиоактивных изотопов. Электронному β-распаду подвергается около 46 % всех радиоактивных изотопов. После вылета -частицы порядковый номер нового атома увеличивается на единицу, а масса практически не изменяется. Этот распад типичен для ядер, содержащих избыточное число нейтронов, и эквивалентен превращению нейтрона ядра в протон согласно реакции:

 

(1.1)

 

Пример 

 

.

 

Спектр β-распада -непрерывный, так как вылет электронов сопровождается вылетом из ядра нейтрино-элементарной частицы с массой, равной около 0,002 массы покоя электрона. Суммарная энергия -частицы и нейтрино равна максимальной энергии, характерной для данного радионуклида.

б) Позитронный  β-распад. Наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов, у которых в ядре имеется излишек протонов. Он характерен для 11 % радиоактивных изотопов, находящихся в первой половине таблицы Д.И.Менделеева (Z<45). При позитронном β - распаде один из протонов превращается в нейтрон, заряд ядра и, соответственно, атомный номер уменьшаются на единицу, а массовое число остается без изменений. Ядро испускает позитрон и нейтрино.

 

(1.2)

 

Пример

 

 

 

Позитрон, вылетев из ядра, срывает с оболочки атома «лишний» электрон или взаимодействует  со свободным электроном, образуя  пару «позитрон-электрон», которая мгновенно превращается в два γ-кванта с энергией, эквивалентной массе частиц. Процесс превращения пары «позитрон-электрон» в два γ-кванта получил название аннигиляции (уничтожения), а возникающее электромагнитное излучение - аннигиляционного. В данном случае происходит превращение одной формы материи (частиц вещества) в другую - γ-фотоны.

в) Электронный К-захват (захват ядром  орбитального электрона). Это такой вид радиоактивного превращения, когда ядро атома захватывает электрон из ближайшего к ядру энергетического К-уровня (электронный К-захват) или, реже, в 100 раз - из L уровня. В результате один из протонов ядра нейтрализуется электроном превращаясь в нейтрон. Порядковый номер нового ядра становится на единицу меньше, а массовое число не изменяется. Ядро испускает антинейтрино. Освободившееся место, которое занимал в К или L-уровне захваченный электрон, заполняется электроном из более удаленных от ядра энергетических уровней. Избыток энергии, освободившийся при таком переходе, испускается атомом в виде характеристического рентгеновского излучения.

 

(1.3)

 

Пример 

 

.

 

Электронный К-захват характерен для 25% всех радиоактивных ядер, но в  основном для искусственных радиоактивных  изотопов, расположенных в другой половине таблицы Д.И. Менделеева и имеющих излишек протонов (Z = 45-105). Только три естественных элемента претерпевают К-захват: калий-40, лантан-139, лютеций-176 .

Некоторые ядра могут распадаться  двумя или тремя способами: путем и β-распада и К-захвата. Калий-40 подвергается, как уже отмечалось, электронному распаду 88% и К-захвату - 12%. Медь-64 превращается в никель (позитронный распад - 19%, К-захват - 42%,электронный распад - 39%).

Позитронный распад и К-захват являются конкурирующими процессами. Если энергетически  возможно испускание позитрона, то безусловно возможен и процесс К-захвата. Для  испускания позитрона необходимо, чтобы  максимальная энергия γ-кванта была больше энергии покоя электрона (>). Если < единственным энергетически возможным процессом является К-захват.

3. Изомерные переходы. Метастабильное состояние - это такое возбужденное состояние ядра атома, период «высвечивания» которого во много раз больше периода высвечивания при простом возбуждении ядра. Радионуклидами, находящиеся в разных энергетических состояниях, называются изомерами.

Ядро может перейти в метастабильное состояние при ядерных превращениях в результате захвата медленных нейтронов, бомбардировки ядер заряженными частицами и т.д.

Явление ядерной изомерии, т.е. существование (с измеримой продолжительностью жизни) ядер с одинаковыми значениями Z и A в различных энергетических состояниях, обычно объясняют запрещением γ-переходов, благодаря чему возбужденные состояния становятся метастабильными. Для перехода ядра атома из метастабильного состояния в основное есть два пути: γ-переход, при котором избыток энергии выделяется в виде коротковолнового излучения - γ-квантов, и конверсионный переход, при котором избыток энергии передается ядром одному из электронов с К- или L-оболочками, причем электрон вылетает за пределы атома. Электроны, получившие энергию и покинувшие атом, называются конверсионными электронами, а само явление - явлением внутренней конверсии. Внутренняя конверсия - это дополнительный путь разрядки ядра, конкурирующий с радиационным переходом. Отношение числа конверсионных электронов к числу испускаемых ядром за то же время γ-квантов называется коэффициентом внутренней конверсии.

 

 

Рисунок 1 - Схема распада кобальта-60

 

Радиоактивные превращения принято  изображать в виде схем распада (рис.1). В схемах распада горизонтальными линиями обозначаются уровни энергий исходных, промежуточных и конечных продуктов распада. Расстояния между горизонтальными линиями пропорциональны разности энергии этих уровней. Вертикальные линии соответствуют ядерному переходу с излучением  γ-кванта. С левой стороны от исходного уровня указывается период полураспада радионуклида. Между горизонтальными линиями приведено значение энергии в мегаэлектронвольтах и процентное содержание данного вида излучения, характеризующего его выход. Уровни энергии с более высокими порядковыми номерами сдвигаются вправо от исходного ядра (электронный распад), а с более низкими - влево (позитронный и α-распад, К-захват).

 

 

Рисунок 2 - Принципы распадов

 

 

1.2 Характеристика ионизирующих  излучений и их

единицы измерения

 

Ионизирующие излучения имеют ряд общих свойств, два из которых - способность проникать через материалы различной толщины и ионизировать воздух и живые клетки организма - заслуживают особенно пристального внимания.

При излучении действия излучения  на организм были определены следующие особенности:

1)  высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества поглощенной энергии излучения могут вызывать глубокие биологические изменения в организме;

2)  наличие скрытого, или инкубационного, периода проявления действия ионизирующего излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность его сокращается при облучении в больших дозах;

3)  действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией;

4)  излучение воздействует не только на данный живой организм, но и на его потомство. Это так называемый генетический эффект;

5) различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0,002 - 0,005 Гр уже наступают изменения в крови;

6) не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение.

7) облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционированное.

Вещества, способные создавать  ионизирующие излучения, различаются  активностью (А), т.е. числом радиоактивных превращений в единицу времени. Активность равна отношению числа самопроизвольно ядерных превращений в этом источнике за малый интервал времени (dN) к величине этого интервала (dt) :

 

А=

(1.4)

 

В системе СИ за единицу активности принято одно ядерное превращение  в секунду (распад/с). Эта единица  получила название беккерель (Бк).

Внесистемной единицей измерения  активности является кюри (Ки), равная активности нуклида, в котором происходит 3,7 · актов распада в одну секунду, т.е. 1 Ки = 3,7·Бк.

Для установления закономерностей распространения  и поглощения ионизирующих излучений в среде, в том числе и в биологической ткани, введены следующие основные характеристики: энергия частиц и гамма-квантов, плотность потока частиц (фотонов), флюенс-частиц (фотонов), и др.