Ionizující záření (nepřesné synonymum pro širší význam - záření ) - proudy fotonů a jiných elementárních částic nebo atomových jader schopných ionizující hmoty .
Ionizující záření nezahrnuje viditelné světlo a ultrafialové záření , které v některých případech může látku ionizovat. Infračervené záření a záření rádiových pásem nejsou ionizující, protože jejich energie nestačí k ionizaci atomů a molekul v základním stavu [1] [2] [3] [4] [5] .
Barvy využívající uran a další radioaktivní materiály se používaly dávno před začátkem našeho letopočtu, ale jejich záření bylo tak malé, že si ho nebylo možné všimnout. Velký krok v objevu radioaktivity učinil německý chemik Martin Heinrich Klaproth v roce 1789. Z pryskyřičné rudy získal temnou neznámou látku a nazval ji Uran, i když se postupem času ukázalo, že nejde o čistý uran, ale o jeho oxid [6] [7] . V roce 1804 objevil chemik Adolf Gehlen fotosenzitivitu roztoku chloridu uranylu v éteru, tento efekt ho zajímal, ale nedokázal mu podat skutečné vysvětlení, takže tento objev pak zůstal ve vědecké komunitě bez povšimnutí [8] . Důkazem ionizujícího záření byl v 60. letech 19. století objev katodových paprsků (proudy elektronů urychlované ve vakuové trubici vysokým napětím). Rentgenové záření bylo dalším typem ionizujícího záření, které bylo objeveno ( Wilhelm Roentgen , 1895). V roce 1896 objevil Henri Becquerel další typ ionizujícího záření – neviditelné paprsky emitované uranem, procházející hustou neprůhlednou látkou a ozařující fotografickou emulzi (v moderní terminologii – gama záření) [9] [10] . V důsledku dalšího studia fenoménu radioaktivity bylo zjištěno ( Ernest Rutherford , 1899), že v důsledku radioaktivního rozpadu jsou emitovány paprsky alfa, beta a gama, které se liší v řadě vlastností, zejména v elektrický náboj. Následně byly objeveny další typy ionizujícího záření, které vznikají při radioaktivním rozpadu jader: pozitrony, konverzní a Augerovy elektrony, neutrony, protony, štěpné fragmenty, klastry (lehká jádra emitovaná při rozpadu klastrů ). Kosmické záření bylo objeveno v letech 1911-1912.
Nejvýznamnější typy ionizujícího záření jsou: [1] [2] [11] [12]
Přírodní zdroje ionizujícího záření [11] [12] [13] :
Umělé zdroje ionizujícího záření:
Mnoho stabilních atomů je přeměněno na nestabilní izotopy ozářením a odpovídající indukovanou jadernou reakcí . V důsledku takové expozice se stabilní látka stane radioaktivní a druh sekundárního ionizujícího záření se bude lišit od původní expozice. Tento efekt je nejvýraznější po ozáření neutrony.
V procesu jaderného rozpadu nebo fúze vznikají nové nuklidy, které mohou být i nestabilní. Výsledkem je řetězec jaderných přeměn. Každá transformace má svou vlastní pravděpodobnost a vlastní sadu ionizujícího záření. V důsledku toho se intenzita a povaha záření z radioaktivního zdroje může s časem výrazně měnit.
Historicky prvními senzory pro ionizující záření byly chemické fotosenzitivní materiály používané ve fotografii . Ionizující záření osvětlovalo fotografickou desku umístěnou v neprůhledném obalu. Byly však rychle opuštěny kvůli délce a ceně procesu, složitosti vývoje a nízkému informačnímu obsahu.
Jako senzory ionizujícího záření v každodenním životě a průmyslu se nejvíce používají dozimetry založené na Geigerových počítačích . Geigerův počítač je plynové výbojové zařízení, ve kterém se ionizace plynu zářením přeměňuje na elektrický proud mezi elektrodami. Taková zařízení zpravidla správně registrují pouze gama záření. Některá zařízení jsou vybavena speciálním filtrem , který vlivem brzdného záření přeměňuje beta záření na gama záření. Geigerovy počítače špatně vybírají záření z hlediska energie, k tomu používají jiný typ počítadla plynových výbojů, tzv. proporcionální počítadlo .
Existují polovodičové senzory pro ionizující záření . Princip jejich činnosti je podobný plynovým výbojkám s tím rozdílem, že objem polovodiče mezi dvěma elektrodami je ionizován. V nejjednodušším případě se jedná o polovodičovou diodu s reverzním předpětím . Pro maximální citlivost jsou takové detektory značné velikosti. [čtrnáct]
Scintilátory byly široce používány ve vědě . Tato zařízení přeměňují energii záření na viditelné světlo absorbováním záření ve speciální látce. Záblesk světla je registrován trubicí fotonásobiče . Scintilátory dobře oddělují záření energií.
Ke studiu toků elementárních částic se používá mnoho dalších metod k úplnějšímu prozkoumání jejich vlastností, např. bublinková komora , mlžná komora .
Účinnost interakce ionizujícího záření s látkou závisí na druhu záření, energii částic a průřezu pro interakci ozařované látky. Důležité ukazatele interakce ionizujícího záření s hmotou:
V Mezinárodní soustavě jednotek (SI) je absorbovaná dávková jednotka šedá (ruské označení: Gy, mezinárodní: Gy), číselně se rovná absorbované energii 1 J na 1 kg hmotnosti látky. Někdy se vyskytuje zastaralá nesystémová jednotka rad (ruské označení: rad; mezinárodní: rad): dávka odpovídající absorbované energii 100 ergů na 1 gram látky. 1 rad = 0,01 Gy . Absorbovaná dávka by neměla být zaměňována s ekvivalentní dávkou .
Široce se používá i zastaralý koncept expoziční dávky záření - hodnota ukazující, jaký náboj vytváří fotonové (gama nebo rentgenové) záření na jednotku objemu vzduchu . K tomu obvykle používají mimosystémovou jednotku expoziční dávky roentgen (ruské označení: R; mezinárodní: R): dávka fotonového záření, která tvoří ionty s nábojem 1 jednotka. Náboj CGSE ((1/3)⋅10 −9 coulomb ) v 1 cm³ vzduchu. Systém SI používá jednotku coulomb na kilogram (ruské označení: C/kg; mezinárodní: C/kg): 1 C/kg = 3876 R; 1 Р = 2,57976⋅10 −4 C/kg [15] .
Aktivita radioaktivního zdroje ionizujícího záření je definována jako průměrný počet jaderných rozpadů za jednotku času. Odpovídající jednotkou SI je becquerel (ruské označení: Bq; mezinárodní: Bq) označuje počet rozpadů za sekundu. Používá se také nesystémová jednotka curie (ruské označení: Ki; mezinárodní: Ci). 1 Ki \u003d 3,7⋅10 10 Bq . Původní definice této jednotky odpovídala aktivitě 1 g radia-226 .
Korpuskulární ionizující záření je také charakterizováno kinetickou energií částic. Pro měření tohoto parametru je nejběžnější nesystémovou jednotkou elektronvolt (ruské označení: eV, mezinárodní: eV). Radioaktivní zdroj zpravidla generuje částice s určitým energetickým spektrem. Senzory záření mají také nerovnoměrnou citlivost na energii částic.
Podle mechanismu interakce s hmotou se rozlišují přímo proudy nabitých částic a nepřímo ionizující záření (proudy neutrálních elementárních částic - fotonů a neutronů). Podle mechanismu vzniku - primární (zrozené ve zdroji) a sekundární (vznikající v důsledku interakce jiného typu záření s hmotou) ionizující záření.
Energie částic ionizujícího záření se pohybuje od několika stovek elektronvoltů (rentgenové záření, beta záření některých radionuklidů) do 10 15 -10 20 elektronvoltů a vyšší (protony kosmického záření, pro které nebyla nalezena horní mez energie).
Délka dráhy a penetrační síla se velmi liší - od mikrometrů v kondenzovaném prostředí (alfa záření radionuklidů, štěpné fragmenty) až po mnoho kilometrů (vysokoenergetické miony kosmického záření ).
Dlouhodobé působení korpuskulárního záření nebo ultravysokoenergetického fotonového záření může výrazně změnit vlastnosti konstrukčních materiálů. Studiem těchto změn se zabývá inženýrská disciplína nauka o radiačních materiálech . Obor fyziky, který studuje chování pevných látek při ozáření, se nazývá radiační fyzika pevných látek . [16] Nejvýznamnější typy radiačního poškození jsou:
Účtování radiačního poškození inženýrských struktur je nejdůležitější pro jaderné reaktory a polovodičovou elektroniku navrženou pro provoz v radiačních podmínkách.
Moderní polovodičové technologie jsou citlivé na ionizující záření [17] [18] [19] [20] . Přesto jsou široce používány ve vojenských a vesmírných technologiích a v jaderném průmyslu. V tomto případě se využívá řada technologických, obvodových a softwarových řešení, která snižují následky radiační zátěže.
Hlavní typy radiačního poškození vedoucí k jednorázovým nebo nevratným poruchám polovodičových součástek:
Ionizující záření může způsobit chemické přeměny hmoty. Takové transformace jsou studovány radiační chemií . Působením ionizujícího záření může dojít k takovým přeměnám, např. [21] :
Různé druhy ionizujícího záření mají různé destruktivní účinky a různé způsoby ovlivnění biologických tkání. V souladu s tím stejná absorbovaná dávka odpovídá různé biologické účinnosti záření. Pro popis účinků záření na živé organismy se proto zavádí pojem relativní biologické účinnosti záření . U nabitých částic biologická účinnost přímo souvisí s lineárním přenosem energie daného typu částic (průměrná ztráta energie částice na jednotku délky dráhy částice v tkáni).
Pro zohlednění biologického účinku absorbované dávky byla zavedena ekvivalentní dávka ionizujícího záření, která se číselně rovná součinu absorbované dávky a radiačního váhového faktoru . Pro rentgenové, gama a beta záření se koeficient bere jako 1. Pro záření alfa a jaderné fragmenty je koeficient 20. Neutrony - 5 ... 20, v závislosti na energii. V soustavě SI se efektivní a ekvivalentní dávka měří v sievertech (ruské označení: Sv ; mezinárodní: Sv ).
Dříve byla široce používána ekvivalentní dávková jednotka rem (z biologického ekvivalentu rentgenového záření pro gama záření; ruské označení: rem ; mezinárodní: rem ). Zpočátku byla jednotka definována jako dávka ionizujícího záření, která vyvolává stejný biologický účinek jako dávka rentgenového nebo gama záření, rovnající se 1 R. Po přijetí soustavy SI se rem začalo chápat jako jednotka rovna 0,01 J / kg . 1 rem = 0,01 Sv = 100 erg /g [23] .
Kromě biologické účinnosti je nutné počítat s pronikavou silou záření. Například těžká jádra atomů a alfa částic mají extrémně krátkou dráhu v jakékoli husté látce, takže radioaktivní zdroje alfa nejsou nebezpečné při vystavení vnějšímu záření, ale pouze při vstupu do těla. Naopak gama záření má významnou pronikavou sílu.
Některé radioaktivní izotopy jsou schopny se integrovat do metabolického procesu živého organismu a nahrazovat stabilní prvky. To vede k zadržování a hromadění radioaktivního materiálu přímo v živých tkáních, což výrazně zvyšuje riziko kontaktu. Známý je například jód-131 , izotopy stroncia , plutonia atd . K charakterizaci tohoto jevu se používá koncept poločasu rozpadu izotopu z těla.
Přímým působením ionizujícího záření je přímý zásah ionizujících částic do biologických molekulárních struktur buněk a do kapalného (vodného) prostředí těla.
Nepřímé nebo nepřímé působení - působení volných radikálů vyplývající z ionizace vzniklé zářením v kapalném prostředí těla a buněk. Volné radikály způsobují poškození integrity řetězců makromolekul ( proteinů a nukleových kyselin ), což může vést jak k hromadné smrti buněk , tak ke karcinogenezi a mutagenezi . Nejnáchylnější k ionizujícímu záření jsou aktivně se dělící (epiteliální, kmenové a embryonální) buňky.
Po působení záření na tělo mohou v závislosti na dávce nastat deterministické a stochastické radiobiologické účinky . Například práh pro nástup příznaků akutní nemoci z ozáření u lidí je 1–2 Sv pro celé tělo.
Na rozdíl od deterministických nemají stochastické efekty jasný dávkový práh manifestace. S nárůstem dávky záření se zvyšuje pouze frekvence projevu těchto účinků. Mohou se objevit jak mnoho let po ozáření ( maligní novotvary ), tak v následujících generacích ( mutace ) [25] .
Hlavním zdrojem informací o stochastických účincích expozice ionizujícímu záření jsou údaje z pozorování zdraví lidí, kteří přežili atomové bomby nebo radiační nehody . Specialisté pozorovali 87 500 lidí, kteří přežili atomové bomby. Jejich průměrná expoziční dávka byla 240 milisievertů . Růst onkologických onemocnění přitom v dalších letech činil 9 %. Při dávkách nižších než 100 milisievertů nikdo na světě nezjistil rozdíly mezi očekávaným a pozorovaným výskytem ve skutečnosti. [26]
Přidělování se provádí podle hygienických pravidel a předpisů SanPin 2.6.1.2523-09 "Normy radiační bezpečnosti (NRB-99/2009) ". Dávkové limity efektivní dávky jsou stanoveny pro následující kategorie osob:
Hlavní limity dávek a přípustné úrovně expozice pro personál skupiny B se rovnají čtvrtině hodnot pro personál skupiny A.
Efektivní dávka pro personál by neměla překročit 1000 mSv za dobu pracovní činnosti ( 50 let ) a 70 mSv pro běžnou populaci za celý život . Plánovaná zvýšená expozice je povolena pouze mužům nad 30 let s jejich dobrovolným písemným souhlasem po poučení o možných expozičních dávkách a zdravotních rizicích.
Ionizující záření se používá v různých průmyslových odvětvích:
Mezinárodní konvenční značka radiačního nebezpečí („trojlístek“, „ventilátor“) má podobu tří sektorů o šířce 60°, vzájemně od sebe vzdálených 120°, s malým kruhem uprostřed. Provádí se v černé barvě na žlutém podkladu.
V tabulce znaků Unicode je symbol nebezpečí záření - ☢ (U+0x2622).
V roce 2007 byla přijata nová značka radiačního nebezpečí, ve které byl "trojlístek" doplněn o značky "smrtící" (" lebka se zkříženými hnáty ") a "jdi pryč!" (silueta běžícího muže a ukazující šipka). Nový znak má být srozumitelnější pro ty, kteří neznají význam tradičního „trojlístku“.
Někteří vědci se snaží vyvinout systém dlouhodobých varování před jaderným odpadem , který by lidé pochopili o tisíce let později [33] .
Pozadí ionizujícího záření (neboli záření pozadí) je celkové záření z přírodních a umělých zdrojů [34] [35] .
V Rusku radiační monitoring životního prostředí provádí federální služba Roshydromet a státní korporace Rosatom [36] . Na mezinárodní úrovni se shromažďováním informací a hodnocením dopadu radioaktivního záření na člověka a životní prostředí zabývá Vědecký výbor pro účinky atomového záření (SCEAR) při OSN .
Hlavními složkami přirozeného (přirozeného) radiačního pozadí jsou kosmické záření a záření z radionuklidů pozemského původu, všudypřítomné v zemské kůře [37] .
Podle údajů UNSCEAR je světový průměr efektivního dávkového příkonu z kosmického záření (včetně sekundárního neutronového záření) na zemském povrchu mimo úkryty 0,036 µSv/h [38] . S nárůstem nadmořské výšky se tato hodnota výrazně mění a v pásmu civilního letectví ( 9–12 km ) může být 5–8 μSv/h . Na základě toho efektivní dávka z působení kosmického záření při transatlantickém letu z Evropy do Severní Ameriky dosahuje 30–45 μSv [39] . Dávkový příkon uvažovaného záření navíc závisí na geomagnetické šířce a stavu 11letého cyklu sluneční aktivity . Podíl každého z těchto dvou faktorů na dávkovém příkonu záření je asi 10 % [40] .
Druhou významnou složkou přirozeného radiačního pozadí je γ-záření z radionuklidů pozemského původu jako je 40 K a produkty rozpadu uranu-238 a thoria-232 ( 226 Th , 228 Ac , 214 Pb , 214 Bi ) [41] [ 42] . Průměrný efektivní dávkový příkon z vnější expozice těmto radionuklidům se v závislosti na regionu pohybuje v rozmezí od 0,030 do 0,068 µSv/h [43] . Výjimkou jsou ve světě regiony se zvýšeným přirozeným radiačním pozadím v důsledku přítomnosti monazitového písku s vysokým obsahem thoria (města Guarapari v Brazílii, Yangjiang v Číně, státy Kerala a Madras v Indii, Delta Nilu v Egyptě), vulkanické půdy (stát Minas-Gerais v Brazílii, ostrov Niue v Tichém oceánu) nebo přítomnost radia-226 ve sladké vodě ( město Ramsar v Íránu) [44] .
Podle údajů Roshydrometu [45] je v Ruské federaci expoziční dávkový příkon γ-záření (ERD) [Poznámka 1] převážně v mezích kolísání přirozené radiace pozadí ( 9–16 μR/h ) .
Překročení hodnot DER bylo zaznamenáno na územích kontaminovaných po černobylské havárii v oblastech Brjansk, Kaluga, Kursk, Oryol a Tula v rozmezí 19–25 μR/h . Ve 100 km zóně radiochemických podniků a jaderných elektráren jsou pozorovány krátkodobé nárůsty DER do 20 μR/h , průměrné roční hodnoty se však pohybují v rozmezí kolísání pozadí - 9–14 μR/h .
Průměrná roční efektivní dávka přijatá člověkem a vlivem přírodních faktorů je 2400 μSv , toto číslo kromě vnějšího ozáření z výše diskutovaných zdrojů zahrnuje vnitřní ozáření radionuklidy vstupujícími do lidského těla vzduchem, potravinami a vodou (celkem 1500 μSv ) [52] . V poslední době se umělá expozice ve vyspělých zemích blíží příspěvku z přírodních zdrojů. Dávka z lékařského výzkumu a terapie využívající zdroje ionizujícího záření přitom činí 95 % celkové antropogenní radiační zátěže člověka [53] .
Slovníky a encyklopedie | ||||
---|---|---|---|---|
|