Іонізуюче випромінювання

Іонізу́юче[1] (йонізивне) випромі́нювання, або іонізу́юча (йонізивна) радіа́ція, — потоки електромагнітних хвиль або частинок речовини, що здатні при взаємодії з речовиною утворювати в ній іони. До іонізуючого випромінення відносять альфа-, бета-, гамма-промені, рентгенівське випромінювання, а також інші високоенергетичні заряджені частинки на кшталт протонів та іонів, отриманих у прискорювачах. При проходженні через речовину нейтрони не іонізують її атомів, однак іонізація відбувається внаслідок вторинних процесів при поглинанні нейтронів ядрами, вибиванні протонів або при розпаді нейтронів на протон та електрон чи на антипротон та позитрон.

Знак радіаційної небезпеки

Іонізуюче випромінювання надходить із радіоактивних матеріалів, рентгенівських трубок, прискорювачів частинок і присутнє у навколишньому середовищі. Це проміння невидиме, і його неможливо безпосередньо виявити за допомогою людських відчуттів, тому використовуються такі інструменти як лічильник Гейгера, іонізаційний детектор. У деяких випадках іонізуюче випромінювання може призвести до вторинної емісії видимого світла при взаємодії з речовиною.

Іонізуюче випромінювання має багато практичних застосувань у медицині, наукових дослідженнях, будівництві та інших галузях, проте є небезпечною для здоров'я при неправильному використанні. Вплив радіації призводить до пошкодження живих тканин, внаслідок яких бувають опіки, променева хвороба, смерть при високих дозах і рак, пухлини та генетичні мутації при низьких дозах.

Типи іонізуючого випромінювання
Зовнішні відеофайли
1. Що таке радіація // Канал «Цікава наука» на YouTube, 25 квітня 2021.

Альфа-промені

Альфа-промені — потік альфа-частинок, тобто ядер гелію-4. Утворюються при альфа-розпаді та потрійному розпаді. Альфа-промені є, зазвичай, найбільш активно іонізуючими частинками, що утворюються при радіоактивному розпаді, а через це і найбільш небезпечними при потраплянні їх джерела у організм. Завдяки високій масі і заряду +2 одна альфа-частинка з енергією 3 МеВ може іонізувати 100 тисяч атомів газу або до мільйона атомів у кристалі[2]. З іншого боку — альфа-випромінювання є найменш проникним. Щоб зупинити його, достатньо листа паперу, або кількох сантиметрів повітря. У біологічних тканинах пробіг альфа-частинок становить лише десятки мікрометрів, тому джерела альфа-випромінювання є справді небезпечними лише якщо їх вдихнути або проковтнути — шар ороговілих клітин на поверхні шкіри практично повністю затримує альфа-частинки[3]. При потраплянні ж у організм джерела альфа-випромінювання є надзвичайно небезпечними — наприклад, радій може заміщувати кальцій у кістках, завдяки чому він може залишатися в організмі на довгий термін і опромінювати кістковий мозок великими дозами альфа-радіації[4].

Окрім ядер гелію-4 схожі властивості мають потоки протонів, дейтронів та інших ядер, а також їхні античастинки.

Бета-промені

Бета-промені — потік електронів або позитронів, що виникає при бета-розпаді ядер. На відміну від альфа-частинок, бета-частинки з конкретного джерела не мають типової енергії, а натомість можуть мати будь-яку енергію у широкому спектрі від нуля до деякої максимальної енергії, характерної для даного нукліда. Ця максимальна енергія варіюється від 18,59 КеВ для тритію до кількох Мев для вісмуту-214 і фосфору-32[4]. Високоенергетична бета-частинка може іонізувати стільки ж атомів, скільки і альфа-частинка такої енергії, проте зазвичай енергії бета-частинок значно нижчі, тому і їх небезпека нижча[5]. Крім того, концентрація іонізованих частинок є значно нижчою, оскільки проникна здатність бета-променів є значно більшою ніж у альфа-частинок: пробіг електрона з енергією 1.1 МеВ становить майже 4 м у повітрі. близько 5 мм у тілі і близько 0.5 мм у свинці. Довжина пробігу залежить від енергії. Існує емпіричне правило для визначення пробігу бета-частинок у речовині: довжина пробігу у сантиметрах дорівнює половині енергії частинки (у МеВ) поділеної на густину середовища (у г/см³)[6]. Через більшу проникну здатність джерела бета-променів призводять до опіків при потраплянні на шкіру, проте затримуються одягом. При потраплянні всередину організму, як і альфа-випромінювачі, вони стають значно більш небезпечними.

Вибиті при іонізації електрони можуть мати достатньо високу енергію, щоб в свою чергу іонізувати нові атоми. Така іонізація називається вторинною. Потоки вторинних електронів називають дельта-променями[7].

Гамма-промені

Гамма-променями називають фотони високої енергії, що утворюються при радіоактивному розпаді. Після більшості радіоактивних розпадів утворене ядро знаходиться у збудженому стані. За дуже короткий період часу воно переходить в основний стан, випромінюючи високоенергетичний фотон[3]. Гамма-промені мають довжину хвилі меншу за 1 Å. Енергія таких фотонів — більша за 100 КеВ. Менш енергетичне рентгенівське випромінювання а також жорсткий ультрафіолет також відноситься до іонізуючого. М'який ультрафіолет і видиме світло не відносяться до іонізуючого випромінювання. Енергія іонізації більшості елементів, складає одиниці або десятки електрон-вольт (найменшу енергію іонізації серед елементів має цезій, 3.89 еВ[8]).

Фотони є електрично нейтральними, проте все одно можуть взаємодіяти з електронами (оскільки самі по собі є носіями електромагнітної взаємодії). Втім, інтенсивність цієї взаємодії є нижчою ніж у бета-випромінювання. Гамма-промені можуть проходити сотні метрів у повітрі і десятки сантиметрів у металах. Гамма-промені не мають типової довжини пробігу, а натомість основною характеристикою їх розповсюдження є «товщина напівпоглинання» — тобто, шар речовини, під час проходження через який інтенсивність випромінювання зменшується вдвічі. Для фотонів з енергією 662 КеВ такий ефект дає 6 мм свинцю, 16 мм сталі або 13 см води[6]. Це означає, що потрібна свинцева плита товщиною 6 см, для того, щоб зменшити потік гамма-променів в 1000(210) разів.

Через такі особливості взаємодії з речовиною, гамма-джерела опромінюють все тіло, а не якусь його частину, якщо знаходяться неподалік від людини[3].

Порівняно з α- і β-променями, гамма-випромінювання має нижчу інтенсивність іонізації.

Нейтронне випромінювання

На відміну від альфа-, бета- і гамма-променів, нейтрони не взаємодіють з електронами безпосередньо, проте швидкі нейтрони можуть взаємодіяти з протонами, якщо речовина містить у складі водень. Протонне випромінювання є зарядженим, а тому може іонізувати атоми. Повільні нейтрони можуть зливатися з ядрами, після чого ті можуть стати радіоактивними і розпадатися з вивільненням альфа-, бета- і гамма-частинок.

Так само як і фотони, нейтрони неможливо повністю екранізувати, і їх інтенсивність зменшується за експоненційним законом[3].

Нейтрони утворюються у деяких типах атомних реакцій, наприклад, при опроміненні берилію-9 альфа-частинками[4] або поділі урану-235.

Механізми іонізації

Для альфа- і бета-променів основним механізмом іонізації є ударна іонізація — частинка «налітає» на атом, вибиваючи з нього електрон завдяки електромагнітній взаємодії[9]. Енергія при цьому перерозподіляється між налітаючою частинкою і вибитим електроном.

Фотон має більше різноманітних способів взаємодії з атомом. В залежності від енергії, можуть спостерігатися наступні процеси (у порядку зростання енергії):

  • Фотоефект — поглинання фотона електроном, що дає йому достатньо енергії для того, щоб покинути атом
  • Комптонівське розсіювання — розсіювання фотона на електроні
  • Народження пар електронів і позитронів при взаємодії фотона з кулонівським полем ядер або електронів

Джерела іонізуючого випромінювання

Більша частина іонізуючого випромінювання, яке отримує людина, надходить від розпаду природних радіоактивних ізотопів — перш за все від газу радону[10].

Приблизно 10 % випромінювання приходить з космічними променями. Самі космічні промені мають багато джерел утворення, і не всі вони наразі є відомими. Ймовірно, основними джерелами космічних променів є Сонце і наднові зорі — для більш високоенергетичних частинок[11].

Також, біля 10 % опромінення отримується під час медичних процедур, перш за все — рентгеноскопії. Рентгенівські джерела зазвичай працюють за рахунок опромінення речовини високоенергетичними електронами. При цьому утворюється характеристичне рентгенівське випромінювання. Також у такому процесі виникає рентгенівське гальмівне випромінювання[12].

Вплив іонізуючої радіації на здоров'я людини

Кількість енергії, що передається радіацією порівняно мала — 5 джоулів на кілограм ваги є смертельною дозою. Проте, через те що енергія передається точково, на окремі електрони, хімічні наслідки опромінення є значними. Йони і вільні радикали, що утворюються після іонізації є надзвичайно хімічно активними. Під час взаємодії з ними малі молекули, руйнуються, а великі макромолекули (білки, ДНК, тощо) — зазнають структурних змін. Найтиповішою реакцією є радіоліз води, в результаті якого утворюються радикали H• і OH•[13]. Локальне підвищення кислотності вздовж треків іонізуючих частинок руйнує ліпідні мембрани, що, в свою чергу, запускає механізми програмованої клітинної смерті[14]. Зруйновані і пошкоджені молекули продовжують брати участь у метаболічних процесах всередині клітини і після закінчення дії випромінювання, заважаючи нормальному їх протіканню, тому ефекти навіть від сильного опромінення проявляються не одразу, а впродовж кількох днів. Важливу роль у цьому відіграють ліпідні радіотоксини, що утворюються при окисненні ліпідів, і блокують процеси клітинного поділу[13].

Ефекти радіації поділяються на стохастичні і нестохастичні. Стохастичними називають такі ефекти, що можуть проявитися при будь-якій дозі отриманої радіації, але ймовірність їх зростає при збільшенні дози. До таких ефектів порушення у ДНК (одно- і дволанцюгові розриви, ушкодження азотистих основ[13]), що, в свою чергу, може призводити до появи злоякісних пухлин або формування генетичних захворювань у нащадків[15]. В середньому, 1 Грей (джоуль поглинутої енергії на кілограм маси) поглинутої радіації спричиняє 5000 ушкоджень азотистих основ, 1000 одноланцюгових і 10-100 дволанцюгових розривів ДНК на кожну клітину. Більшість цих дефектів усуваються механізмами репарації ДНК, проте ці механізми не можуть гарантувати виправлення кожного пошкодження[13].

Нестохастичні, або детерміновані ефекти виникають лише якщо отримана доза є вищою за деякий поріг. Та сама доза є більш небезпечною, якщо отримується за один раз, і менш шкідливою, якщо вона розподілена в часі. Це пов'язано з тим, що у органів є механізми як захисту від дії іонізуючого випромінювання, так і репарації отриманих ушкоджень.

На клітинному рівні в ушкоджених органах спостерігаються наступні ефекти:

  • Затримка клітинного поділу — ефект спостерігається незалежно від подальшої долі клітин. В середньому, кожен Грей поглинутої радіації затримує поділ клітин на 1 годину[13]
  • Репродуктивна загибель клітини (клітина не помирає, але ділитися вже не буде, або ж не можуть ділитися її нащадки). Іноді такі клітини зливаються, формуючи гігантські клітини[13].
  • Інтерфазна загибель — руйнування клітини до ділення (апоптоз). Для великих доз, кількість клітин, що виживають після опромінення експоненційно зменшується зі зростанням дози (для малих доз залежність складніша)[13].

На рівні усього тіла інтенсивне іонізуюче опромінення викликає променеву хворобу. Хід її протікання варіюється в залежності від отриманої дози опромінення і того, яка саме частина тіла зазнала впливу. Типовими основними симптомами є (у порядку зростання дози)[13]:

  • Пошкодження органів кровотворення (1-10 Гр)
  • Ураження органів травлення (10-50 Гр)
  • Пошкодження стінок судин (50-100 Гр)
  • Пошкодження нервової тканини (більше 100 Гр)

Варто зазначити, що поглинання більше ніж 10 Гр випромінювання на усім тілом майже завжди призводить до смерті.

Альфа-промені є більш небезпечними для здоров'я. Тому, щоб адекватно порівнювати різні види випромінювання використовують позасистемну одиницю зіверт (Зв). Зіверт еквівалентний грею для бета- і гамма-випромінювання, проте енергія поглинутого альфа-випромінювання при обчисленні враховується з множником 20. Нейтронне випромінювання має множник від 5 до 20 в залежності від енергії. Також, при нерівномірному опроміненні використовуються різні коефіцієнти для різних частин тіла, що відповідають їх радіаційній чутливості[3]. За правилом Бергоньє — Трибондо чутливішими є менш диференційовані клітини, а також ті, що швидше діляться[16].

Див. також

Примітки
  1. Меленевський О. Е. Іонізуючі випромінювання // Енциклопедія сучасної України : у 30 т. / ред. кол. І. М. Дзюба [та ін.] ; НАН України, НТШ. — К. : Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2001­–2020. — ISBN 944-02-3354-X.
  2. Ionization phenomenon(англ.)
  3. Види іонізуючого випромінювання та основні поняття дозиметрії
  4. Radioactivity(англ.)
  5. Are alpha particles more ionising than beta?(англ.)
  6. α, β, γ Penetration and Shielding (англ.)
  7. Delta ray(англ.)
  8. Chemical elements listed by ionization energy(англ.)
  9. ионизация(рос.)
  10. Ионизирующее излучение и окружающая среда(рос.)
  11. КОСМІЧНІ ПРОМЕНІ НАДВИСОКИХ ЕНЕРГІЙ
  12. Джерела рентгенівського випромінювання: рентгенівська трубка, моноблок та випромінювач
  13. Біологічна дія іонізуючого випромінювання
  14. Вплив високоенергетичного та іонізуючого випромінювання на організм людини
  15. Генетичні наслідки віддалених стохастичних ефектів іонізуючого випромінювання
  16. Бергоньє-Трибондо правило

Посилання

Література
  • Мала гірнича енциклопедія: В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: «Донбас», 2004. ISBN 966-7804-14-3
  • Медико-біологічні аспекти впливу іонізуючої радіації внаслідок аварії на ЧАЕС: монографія / Т. А. Шидловська ; НАН України, Ін-т проблем безпеки атом. електростанцій. — Чорнобиль: [б. в.], 2011. — 216 с. : іл. — Бібліогр.: с. 201—213. — ISBN 978-966-02-5897-6
  • Ионизирующая радиация: радиоэкология, физика, технологии, защита: учеб. для студентов вузов / А. Ю. Погосов, В. А. Дубковский ; под ред. А. Ю. Погосова: М-во образования и науки, молодежи и спорта Украины. — Одесса: Наука и техника, 2012. — 804 с. : ил. — Библиогр.: с. 657—679 (305 назв.). — ISBN 978-966-1552-27-1
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.