Единицы измерения в радиационной физике

Так в физике защиты от излучений называют толщину того или иного материала, после прохождения которого интенсивность гамма-излучения уменьшается наполовину. Полного

Единицы измерения в радиационной физике

Статья

История

Другие статьи по предмету

История

Сдать работу со 100% гаранией

Единицы измерения в радиационной физике

С. Панкратов

специальный корреспондент журнала «Наука и жизнь»

Для оценки радиационной опасности, которой подвергается человек вблизи источников ионизирующих излучений, существует большой набор дозиметрических приборов. Каждый из них служит для измерения вполне определенной физической величины, а измерить какую-либо величину это значит установить, сколько раз в ней содержится некоторая элементарная порция, называемая единицей физической величины. Выбор такой единицы, вообще говоря, произволен, и он закрепляется соответствующим международным соглашением. Какие же единицы выбраны для измерения свойств ионизирующих излучений?

Основная физическая величина, которая характеризует радиоактивный источник, это число происходящих в нем распадов в единицу времени. Такая величина была названа активностью. Активность того или иного вещества, например, радиоактивного изотопа, определяется количеством атомов, распадающихся в единицу времени (скажем, за одну секунду), и, следовательно, число испускаемых веществом радиоактивных частиц прямо пропорционально его активности.

В качестве единицы активности и Международной системе единиц СИ выбран беккерель (Бк, Bq). Активность в 1 Бк соответствует одному распаду в секунду. Однако в практической дозиметрии и радиационной физике чаще используется другая единица кюри (обозначается Ки, Ci). Кюри в 37 миллиардов раз больше одного беккереля (1 Ки = 3,7 1010 Бк), то есть соответствует 37 миллиардам радиоактивных распадов в секунду. С чем связан такой, казалось бы, странный и произвольный выбор единицы? Дело в том, что именно такое число распадов происходит в одном грамме радия-226 исторически первого вещества, в котором были изучены законы радиоактивного распада. Поскольку активность одного грамма чистого радия близка к 1 Ки, то ее часто выражают в граммах. В этом (и только в этом) случае единица массы вещества обладает единичной активностью.

Благодаря распаду количество радиоактивных атомов в первоначальной массе вещества уменьшается с течением времени. Соответственно снижается, и активность. Это уменьшение активности подчиняется экспоненциальному закону:

Ct = C0 exp ( [0,693/T]t)

который называется законом радиоактивного распада. Здесь Ct активность вещества по прошествии времени t, С0 активность в начальный момент. Как видно из формулы, описывающей распад, величина T служит важнейшей характеристикой радиоактивности она показывает то время, по истечении которого активность вещества (или число радиоактивных атомов) уменьшается вдвое. Это время T называется периодом полураспада.

У разных радиоактивных веществ период полураспада меняется в очень широких пределах: от миллионных долей секунды до нескольких миллиардов лет. Например, период полураспада урана-238 равен 4,5 миллиарда лет, радиоактивного изотопа йода-131 около 8 дней, цезия-137 тридцать лет. При авариях с ядерными установками последние два изотопа способны доставить наибольшие неприятности. Оба представляют собой летучие продукты деления, поэтому они легко могут попасть в атмосферу и образовать аэрозоли. Однако если йода-131 через несколько месяцев останется ничтожно мало он практически весь распадется, то цезий-137 вместе с другими выпавшими долгоживущими изотопами еще сохраняет способность заражать местность. Во что же превращается радиоактивный йод в результате распада? В инертный газ ксенон-131, который вполне устойчив. За 100 дней содержание йода-131 и соответственно его активность уменьшатся в 212 = 4096 раз.

Под действием излучений, испускаемых радиоактивными изотопами, в облучаемом объекте накапливаются различные нарушения. Принято считать (хотя это сегодня все чаще подвергается сомнению), что изменения, происходящие в облучаемом веществе, полностью определяются поглощенной энергией радиоактивного излучения. Это положение, строго говоря, не доказано, и его можно назвать энергетическим постулатом. Во всяком случае, поглощенная энергия излучения служит самой удобной физической величиной, характеризующей действие радиации на организмы.

И вот на VII Международном конгрессе радиологов, который состоялся в 1953 году в Копенгагене, в период наиболее острого интереса к атомной науке и технике, энергию любого вида излучения, поглощенную в одном грамме вещества, было рекомендовано называть поглощенной дозой. В качестве единицы поглощенной дозы был выбран рад (rad, по первым буквам английского словосочетания «radiation absorbed dose», поглощенная доза излучения). Один рад соответствует такой поглощенной дозе, при которой количество энергии, которая выделяется в одном грамме любого вещества, равно 100 эрг независимо от вида и энергии ионизирующего излучения. Таким образом,

1 рад = 100 эрг/г = 102 Дж/кг = 6,25·107 МэВ/г

для любого материала.

Поглощенная доза, образуемая в веществе в единицу времени, называется мощностью поглощенной дозы и измеряется в единицах рад/с, рад/мин, рад/ч и т.д.

Рад, так же как и кюри (1 Ки = 3,7 гигабеккерелей, ГБк), это так называемые внесистемные единицы, и с точки зрения ортодоксальных приверженцев системы СИ на их использование должен быть наложен суровый запрет. Однако жизненная практика оказалась сильнее формальных предписаний, и «незаконная» единица поглощенной дозы рад используется гораздо чаще, чем соответствующая единица системы СИ грэй (обозначается Гр, Gy). (Например, в широко используемом юбилейном справочнике, посвященном 50-летню Американского института физики, которое отмечалось в 1981 году, единица «грэй» вообще не упоминается.) Соотношение между единицами поглощенной дозы таково:

1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Мощность поглощенной дозы измеряется в системе СИ в Гр/с, Гр/ч и т.д.

Стоит обратить внимание на то обстоятельство, что рад (или грэй) единица чисто физической величины. По существу, это энергетическая единица, никак не учитывающая те биологические эффекты, которые производит проникающая радиация при взаимодействии с веществом. Однако то, что действительно интересует специалистов по дозиметрии и радиационной физике, это изменения в организме, возникающие при облучении человека. Оказалось, что тяжесть всяческих нарушений сильно различается в зависимости от типа излучения.

Другими словами, знания поглощенной дозы совершенно недостаточно для оценки радиационной опасности. Более того, измерить поглощенную дозу непосредственно в живой ткани чрезвычайно трудно, и даже если бы удалось проделать такие измерения, их ценность оказалась бы невелика. Действительно, отклик живого организма па облучение определяется не столько поглощенной дозой, сколько микроскопическим то есть на уровне отдельных молекул распределением энергии по чувствительным структурам живых клеток. Поэтому возникла необходимость ввести такую измеримую величину, которая учитывала бы не только выделение энергии, но и биологические последствия облучения.

Из соображений простоты и удобства биологические эффекты, вызванные любыми ионизирующими агентами, принято сравнивать с воздействием па живой организм рентгеновского или гамма-излучения. Удобство здесь состоит в том, что для рентгеновского излучения заданные дозы и их мощности сравнительно просто получаются (например, с помощью калиброванных рентгеновских источников), хорошо воспроизводятся и надежно измеряются. Все эти процедуры становятся заметно сложнее для других типов излучений. Чтобы можно было сравнивать воздействие последних с биологическими эффектами от рентгеновского и гамма-излучения, вводится так называемая эквивалентная доза, которая определяется как произведение поглощенной дозы на некоторый коэффициент, зависящий от вида излучения.

Этот коэффициент, называемый «фактором качества» Q, приблизительно равен единице для гамма-лучей и протонов высокой энергии; для тепловых нейтронов Q ≈ 3, а для быстрых нейтронов значение Q достигает десяти. При облучении α-частицами и тяжелыми ионами Q ≈ 20, а это значит, что даже сравнительно малые поглощенные дозы могут вызвать серьезные биологические последствия. Эквивалентная доза измеряется в бэрах (бэр биологический эквивалент рентгена). Иногда употребляется также наименование «рем» (от английской аббревиатуры rem roentgen equivalent for man, эквивалент рентгена для человека). Коэффициент качества излучения Q устанавливается на основе радиобиологических экспериментов и приводится в специальных таблицах. Для рентгеновского излучения (Q = 1) один рад поглощенной дозы соответствует одному бэру.

Рис. 1. Радиоактивный распад

При радиоактивном распаде число нестабильных ядер уменьшается с течением времени очень быстро экспоненциально. Продолжительность жизни распадающегося вещества характеризуют временем, по истечении которого количество активных атомов в веществе в среднем уменьшается вдвое. Этот промежуток времени Т называется периодом полураспада. Если, например, в материале, испытывающем радиоактивное превращение, первоначально было N0 ядер, то через время Т их станет 1/2 N0, через 2Т 1/4 N0, через 3Т уже 1/8 N0, и так далее. Число радиоактивных ядер будет «выгорать» в геометрической прогрессии с показателем, равным двойке. Периоды полураспада для различных радиоактивных веществ изменяются от миллиардов лет до миллионных долей секунды и хорошо поддаются вычислению с помощью квантовой механики.

В принципе особой необходимости в специальной единице эквивалентной дозы нет, она может измеряться в тех же единицах, что и поглощенная доза, поскольку коэффициент Q безразмерный. Тем не менее, учитывая важность проблемы биологического действия ионизирующих излучений, в радиационной физике и при расчете защиты от ядерных излучений стали использовать единицу эквивалентной дозы. В системе СИ эта единица установлена совсем недавно и называется зиверт (обозначается Зв, Sv). Эквивалентная доза в 4...5 зив

Похожие работы

1 2 >