Кто обнаружил ионизирующее излучение

Ионизи́рующее излуче́ние (неточный синоним с более широким значением — радиа́ция

) — потоки фотонов, элементарных частиц или атомных ядер, способные ионизировать вещество.

Содержание

• 1 История
• 2 Природа ионизирующего излучения
• 3 Источники ионизирующего излучения
  • 3.1 Наведённая радиоактивность
  • 3.2 Цепочка ядерных превращений
• 4 Измерение ионизирующих излучений
  • 4.1 Методы измерения
  • 4.2 Единицы измерения
• 5 Свойства ионизирующих излучений
  • 5.1 Воздействие на конструкционные материалы
  • 5.2 Воздействие на полупроводники
  • 5.3 Химическое действие ионизирующего излучения
• 6 Биологическое действие ионизирующих излучений
  • 6.1 Единицы измерения
  • 6.2 Механизмы биологического воздействия
  • 6.3 Гигиеническое нормирование ионизирующих излучений
• 7 Применение ионизирующих излучений
  • 7.1 В технике
  • 7.2 В медицине
  • 7.3 В аналитической химии
  • 7.4 В нанотехнологиях
• 8 Знак радиационной опасности
• 9 Фон ионизирующего излучения
• 10 Примечания
• 11 Литература
• 12 Ссылки

История

О существовании ионизирующего излучения стало известно в результате открытия в 1860-х годах катодных лучей (потоков электронов, ускоряемых в вакуумной трубке высоким напряжением). Следующим открытым видом ионизирующего излучения стали рентгеновские лучи (Вильгельм Рентген, 1895). В 1896 году Анри Беккерель обнаружил ещё один вид ионизирующего излучения — невидимые лучи, испускаемые ураном, проходящие сквозь плотное непрозрачное вещество и засвечивающие фотоэмульсию (в современной терминологии — гамма-излучение)^[6][7]. В результате дальнейшего исследования явления радиоактивности было обнаружено (Эрнест Резерфорд, 1899), что в результате радиоактивного распада испускаются альфа-, бета- и гамма-лучи, отличающиеся по ряду свойств, в частности, по электрическому заряду. Впоследствии были обнаружены и другие виды ионизирующей радиации, возникающие при радиоактивном распаде ядер: позитроны, конверсионные и оже-электроны, нейтроны, протоны, осколки деления, кластеры (лёгкие ядра, испускаемые при кластерном распаде). В 1911—1912 годах были открыты космические лучи.

Природа ионизирующего излучения

Наиболее значимы следующие типы ионизирующего излучения:^[1][2][8][9]

• Коротковолновое электромагнитное излучение (поток фотонов высоких энергий):
  • рентгеновское излучение;
  • гамма-излучение.
• Потоки частиц:
  • бета-частиц (электронов и позитронов);
  • нейтронов;
  • протонов, мюонов и других элементарных частиц;
  • ионов, в том числе альфа-частиц, осколков деления (возникающих при делении ядер), кластеров (лёгких ядер, испускаемых при кластерном распаде).

Источники ионизирующего излучения

Природные источники ионизирующего излучения^[8][9][10]:

• Спонтанный радиоактивный распад радионуклидов.
• Термоядерные реакции, например, на Солнце.
• Индуцированные ядерные реакции в результате попадания в ядро высокоэнергетичных элементарных частиц или слияния ядер.
• Космические лучи.

Искусственные источники ионизирующего излучения:

• Искусственные радионуклиды.
• Ядерные реакторы.
• Ускорители элементарных частиц (генерируют потоки заряженных частиц, а также тормозное фотонное излучение).
  • Рентгеновский аппарат как разновидность ускорителей, генерирует тормозное рентгеновское излучение.

Наведённая радиоактивность

Многие стабильные атомы в результате облучения и соответствующей индуцированной ядерной реакции превращаются в нестабильные изотопы. В результате такого облучения стабильное вещество становится радиоактивным, причём тип вторичного ионизирующего излучения будет отличаться от первоначального облучения. Наиболее ярко такой эффект проявляется после нейтронного облучения.

Цепочка ядерных превращений

В процессе ядерного распада или синтеза возникают новые нуклиды, которые также могут быть нестабильны. В результате возникает цепочка ядерных превращений. Каждое превращение имеет свою вероятность и свой набор ионизирующих излучений. В результате интенсивность и характер излучений радиоактивного источника может значительно меняться со временем.

Измерение ионизирующих излучений

Методы измерения

Исторически первыми датчиками ионизирующего излучения были химические светочувствительные материалы, используемые в фотографии. Ионизирующие излучения засвечивали фотопластинку, помещённую в светонепроницаемый конверт. Однако от них быстро отказались из-за длительности и затратности процесса, сложности проявки и низкой информативности.

Существуют полупроводниковые датчики ионизирующего излучения. Принцип их действия аналогичен газоразрядным приборам с тем отличием, что ионизируется объём полупроводника между двумя электродами. В простейшем случае это обратносмещенный полупроводниковый диод. Для максимальной чувствительности такие детекторы имеют значительные размеры.^[11]

Для исследования потоков элементарных частиц применяют множество других методов, позволяющих полнее исследовать их свойства, например, пузырьковая камера, камера Вильсона.

Единицы измерения

Эффективность взаимодействия ионизирующего излучения с веществом зависит от типа излучения, энергии частиц и сечения взаимодействия облучаемого вещества. Важные показатели взаимодействия ионизирующего излучения с веществом:

• линейная передача энергии (ЛПЭ), показывающая, какую энергию излучение передаёт среде на единице длины пробега при единичной плотности вещества.
• поглощённая доза излучения, показывающая, какая энергия излучения поглощается в единице массы вещества.

В Международной системе единиц (СИ) единицей поглощённой дозы является грэй (русское обозначение: Гр, международное: Gy), численно равный поглощённой энергии в 1 Дж на 1 кг массы вещества. Иногда встречается устаревшая внесистемная единица рад (русское обозначение: рад; международное: rad): доза, соответствующая поглощённой энергии 100 эрг на 1 грамм вещества. 1 рад = 0,01 Гр. Не следует путать поглощённую дозу с эквивалентной дозой .

Активность радиоактивного источника ионизирующего излучения определяется как среднее количество распадов ядер в единицу времени. Соответствующая единица в системе СИ беккерель (русское обозначение: Бк; международное: Bq) обозначает количество распадов в секунду. Применяется также внесистемная единица кюри (русское обозначение: Ки; международное: Ci). 1 Ки = 3,7⋅10¹⁰ Бк. Первоначальное определение этой единицы соответствовало активности 1 г радия-226.

Свойства ионизирующих излучений

По механизму взаимодействия с веществом выделяют непосредственно потоки заряженных частиц и косвенно ионизирующее излучение (потоки нейтральных элементарных частиц — фотонов и нейтронов). По механизму образования — первичное (рождённое в источнике) и вторичное (образованное в результате взаимодействия излучения другого типа с веществом) ионизирующее излучение.

Длина пробега и проникающая способность сильно различаются — от микрометров в конденсированной среде (альфа-излучение радионуклидов, осколки деления) до многих километров (высокоэнергетические мюоны космических лучей).

Воздействие на конструкционные материалы

Длительное воздействие корпускулярных излучений или фотонных излучений сверхвысоких энергий может существенно изменять свойства конструкционных материалов. Изучением этих изменений занимается инженерная дисциплина радиационное материаловедение. Раздел физики, занимающийся исследованием поведения твёрдых тел под облучением, получил название радиационная физика твёрдого тела.^[13] Наиболее значимыми типами радиационных повреждений является:

• разрушение кристаллической решётки вследствие выбивания атомов из узлов;
• ионизация диэлектриков;
• изменение химического состава веществ вследствие ядерных реакций.

Учёт радиационных повреждений инженерных конструкций наиболее актуален для ядерных реакторов и полупроводниковой электроники, рассчитанной на работу в условиях радиации.

Воздействие на полупроводники

Современные полупроводниковые технологии чувствительны к ионизирующей радиации^{[14][15][16][17]}. Тем не менее они широко применяются в военной и космической технике, в ядерной индустрии. При этом используется ряд технологических, схемотехнических и программных решений, уменьшающих последствия радиационного воздействия.

• Накопление электрического заряда в диэлектриках вследствие ионизации. Приводит к смещению порога открывания полевых транзисторов и долговременному отказу. Уменьшение топологических норм увеличивает стойкость к такого типа повреждениям.
• Стекание заряда в EEPROM и Flash памяти вследствие ионизации диэлектрика «кармана». Приводит к потере данных. Борются резервированием, избыточным кодированием и использованием других видов памяти.
• Фотоэффект на p-n переходах (аналогично солнечным батареям). Увеличивает паразитные утечки и ложные сигналы. Для борьбы с этим явлением используются специальные технологии, например изоляция компонентов диэлектриком.
• Космические тяжёлые заряженные частицы (ТЗЧ) высоких энергий или мощные излучения иной природы, ионизируя атомы, рождают в полупроводнике лавину электронов. Это может приводить к изменению состояния цифровых схем и мощным помехам в аналоговых схемах. В худшем случае к пробою изоляторов или тиристорному защёлкиванию приборов с изоляцией p-n переходом. С последним борются изоляцией диэлектриком; изоляцией двумя p-n переходами (triple-well процесс); контролем тока потребления узлов с перезапуском по аварийному росту потребления.
• Разрушение кристаллической структуры полупроводника вследствие смещения атомов со своих мест под ударами высокоэнергетических частиц.
• Изменение химического состава полупроводников вследствие ядерных реакций, индуцированных излучением.

Химическое действие ионизирующего излучения

Ионизирующее излучение может вызывать химические превращения вещества. Такие превращения изучает радиационная химия. Под действием ионизирующего излучения могут происходить такие превращения как например^[18]:

• Разложение на простые вещества газов — углекислого газа, сернистого газа, сероводорода, хлороводорода, аммиака.
• Разложение воды на кислород и водород с образованием некоторого количества перекиси водорода.
• Радиационное разложение молекул кислорода и появление атомарного кислорода приводит к озонированию воздуха^[19], из-за чего металлы на воздухе окисляются быстрее.
• Превращение аллотропных модификаций в более устойчивые: белого фосфора в красный, белого олова в серое, алмаза в графит.
• Полимеризация соединений, содержащих двойные и тройные связи.

Биологическое действие ионизирующих излучений

Разные типы ионизирующего излучения обладают разным разрушительным эффектом и разным способом воздействия на биологические ткани. Соответственно, одной и той же поглощённой дозе соответствует разная биологическая эффективность излучения. Поэтому для описания воздействия излучения на живые организмы вводят понятие относительной биологической эффективности излучения. Для заряженных частиц^{[источник не указан 1145 дней]} биологическая эффективность прямо связана с линейной передачей энергии данного типа частиц (средняя потеря энергии частицей на единицу длины пробега частицы в ткани).

Единицы измерения

Для учёта биологического эффекта поглощённой дозы была введена эквивалентная доза ионизирующего излучения, численно равная произведению поглощённой дозы на взвешивающий коэффициент излучения. Для рентгеновского, гамма- и бета-излучений коэффициент принят за 1. Для альфа-излучения и осколков ядер коэффициент 20. Нейтроны — 5…20 в зависимости от энергии. В системе СИ эффективная и эквивалентная доза измеряется в зивертах (русское обозначение: Зв; международное: Sv).

Помимо биологической эффективности, необходимо учитывать проникающую способность излучений. Например, тяжёлые ядра атомов и альфа-частицы имеют крайне малую длину пробега в сколько-нибудь плотном веществе, поэтому радиоактивные альфа-источники опасны не при внешнем облучении, а лишь при попадании внутрь организма. Наоборот, гамма-излучение обладает значительной проникающей способностью.

Механизмы биологического воздействия

Прямое действие ионизирующих излучений — это прямое попадание ионизирующих частиц в биологические молекулярные структуры клеток и в жидкие (водные) среды организма.

После действия излучения на организм в зависимости от дозы могут возникнуть детерминированные и стохастические радиобиологические эффекты. Например, порог появления симптомов острой лучевой болезни у человека составляет 1—2 Зв на всё тело.

Основным источником информации о стохастических эффектах воздействия ионизирующего излучения являются данные наблюдений за здоровьем людей, переживших атомные бомбардировки или радиационные аварии. Специалисты наблюдали 87 500 человек, переживших атомные бомбардировки. Средняя доза их облучения составила 240 миллизиверт. При этом прирост онкологических заболеваний за последующие годы составил 9 %. При дозах менее 100 миллизиверт различий между ожидаемой и наблюдаемой в реальности заболеваемостью никто в мире не установил.^[23]

Гигиеническое нормирование ионизирующих излучений

Нормирование осуществляется по санитарным правилам и нормативам СанПин 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)». Устанавливаются дозовые пределы эффективной дозы для следующих категорий лиц:

• персонал — лица, работающие с техногенными источниками излучения (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б);
• все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий в их производственной деятельности.

Основные пределы доз и допустимые уровни облучения персонала группы Б равны четверти значений для персонала группы А.

Применение ионизирующих излучений

Ионизирующие излучения применяются в различных отраслях:

В технике

• Интроскопия (в том числе для досмотра багажа и людей в аэропортах).
• Стерилизация медицинских инструментов, расходных материалов и продуктов питания.
• «Вечные» люминесцентные источники света широко использовались в середине XX века в циферблатах приборов, подсветке специального оборудования, ёлочных игрушках, рыболовецких поплавках и тому подобном.
• Датчики пожара (задымления).
• Радиоизотопные сигнализаторы обледенения
• Агрегаты (высоковольтные блоки) системы запуска авиадвигателей
• Датчики и счётчики предметов на принципе перекрытия предметом узкого гамма- или рентгеновского луча.
• Некоторые виды изотопных генераторов электроэнергии.^{[24][25][26][27]} См. Бета-вольтаический элемент питания (англ.)русск..
• Ионизация воздуха (например, для борьбы с пылью в прецизионной оптике или облегчения пробоя в автомобильных свечах зажигания^[28]).
• Нейтронно-трансмутационное легирование полупроводников.

В медицине

• Для получения картины внутренних органов и скелета используются рентгенография, рентгеноскопия, компьютерная томография.
• Для лечения опухолей и других патологических очагов используют лучевую терапию: облучение гамма-квантами, рентгеном, электронами, тяжёлыми ядерными частицами, такими как протоны, тяжёлые ионы, отрицательные π-мезоны и нейтроны разных энергий.
• Введение в организм радиофармацевтических препаратов, как с лечебными, так и с диагностическими целями.

В аналитической химии

• Радиоактивационный анализ путём бомбардировки нейтронами и анализа характера и спектра наведённой радиоактивности.
• Анализ веществ с использованием спектров поглощения, испускания или рассеяния гамма- и рентгеновских лучей. См. рентгеноспектральный анализ, рентгенофлуоресцентный анализ.
• Анализ веществ с использованием обратного рассеяния бета-частиц^[29].

В нанотехнологиях

• Ионно-трековая технология

Знак радиационной опасности

Международный условный знак радиационной опасности («трилистник», «вентилятор») имеет форму трёх секторов шириной 60°, расставленных на 120° друг относительно друга, с небольшим кругом в центре. Выполняется чёрным цветом на жёлтом фоне.

В 2007 году был принят новый знак радиационной опасности, в котором «трилистник» дополнен знаками «смертельно» («череп с костями») и «уходи!» (силуэт бегущего человека и указывающая стрелка). Новый знак призван стать более понятным для тех, кто не знаком со значением традиционного «трилистника».

Фон ионизирующего излучения

Фон ионизирующего излучения (или радиационный фон) — суммарное излучение от природных и техногенных источников^[30][31].

Основными составляющими естественного (природного) радиационного фона являются космические лучи и излучение от радионуклидов земного происхождения, повсеместно содержащихся в земной коре^[33].

Второй существенной составляющей естественного радиационного фона является γ-излучение от радионуклидов земного происхождения таких как ⁴⁰K и продуктов распада урана-238 и тория-232 (²²⁶Th, ²²⁸Ac, ²¹⁴Pb, ²¹⁴Bi)^[37][38]. Средняя мощность эффективной дозы от внешнего облучения этими радионуклидами в зависимости от региона находится в диапазоне от 0,030 до 0,068 мкЗв/ч^[39]. Как исключения, в мире имеются регионы с повышенным естественным радиационным фоном, обусловленным наличием монацитового песка с большим содержанием тория (города Гуарапари в Бразилии, Янцзян в Китае, штаты Керала и Мадрас в Индии, дельта Нила в Египте), вулканическими почвами (штат Минас-Жерайс в Бразилии, остров Ниуэ в Тихом океане) или наличием радия-226 в пресной воде (город Рамсар в Иране)^[40].

Превышение значений МЭД зафиксировано на загрязнённых после аварии на ЧАЭС территориях в Брянской, Калужской, Курской, Орловской и Тульской областях в диапазоне 19—25 мкР/ч. В 100-км зонах радиохимических предприятий и АЭС наблюдаются кратковременные повышения МЭД до 20 мкР/ч, однако среднегодовые значения находятся в пределах колебания фона — 9—14 мкР/ч.

Источник

• http://46.29.163.254/wiki/Ионизирующее_излучение