Ионизирующие излучения

Реферат по дисциплине:

«Методы и средства защиты человека в окружающей среде»

По теме:

«Ионизирующие излучения, виды, физическая природа

и основные свойства»

 Исполнитель:

Филиппова Ирина Петровна

ФИО

Москва 2020 год

Содержание

Введение ……………………………………………………………………….3

1. Виды ионизирующих излучений …………………………………….…..4                               

2.Основные свойства ионизирующих излучений………………………...7                                                                                                                  3. Биологическое действие ионизирующих излучений…………………10

Заключение …………………………………………………………………..14

Список литературы ………………………………………………………...15

Введение

Ионизирующее излучение — это вид энергии, высвобождаемой атомами в форме электромагнитных волн или частиц.                                                                         

Люди каждый день подвергаются воздействию естественного и искусственного излучения. Естественное излучение происходит из многочисленных источников, включая более 60 естественным образом возникающих радиоактивных веществ в почве, воде и воздухе. Радон, естественным образом возникающий газ, образуется из горных пород, почвы и является главным источником естественного излучения. Ежедневно люди вдыхают и поглощают радионуклиды из воздуха, пищи и воды.

Люди подвергаются также воздействию естественного излучения из космических лучей, особенно на большой высоте. В среднем 80% ежегодной дозы, которую человек получает от фонового излучения, это естественно возникающие наземные и космические источники излучения. Уровни такого излучения варьируются в разных географических зонах, и в некоторых районах уровень может быть в 200 раз выше, чем глобальная средняя величина.

На человека воздействует также излучение из искусственных источников — от производства ядерной энергии до медицинского использования радиационной диагностики или лечения. Сегодня самыми распространенными искусственными источниками ионизирующего излучения являются медицинские аппараты, как рентгеновские аппараты, и другие медицинские устройства.

Широкое использование атомной энергии в мирных целях, разнообразных ускорительных установок и рентгеновских аппаратов различного назначения обусловило распространенность ионизирующих излучений в народном хозяйстве и огромные, все возрастающие контингенты лиц, работающих в этой области.

Цель работы: изучить виды ионизирующих излучений, их физическую  природу  и основные свойства

1.     Виды ионизирующих излучений

Радиация  - излучение (от radiare – испускать лучи) - распространение энергии в форме волн или частиц. Свет, ультрафиолетовые лучи, инфракрасное тепловое излучение, микроволны, радиоволны представляют собой разновидность радиации. Часть излучений получили название ионизирующих благодаря своей способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе.

Ионизирующие излучения - потоки элементарных частиц (электронов, позитронов, протонов, нейтронов) и квантов электромагнитной энергии, прохождение которых через вещество приводит к ионизации (образованию разнополярных ионов) и возбуждению его атомов и молекул.                                                                                                                               

Ионизация - превращение нейтральных атомов или молекул в электрически заряженные частицы - ионы. Ионизирующие излучения попадают на Землю в виде космических лучей, возникают в результате радиоактивного распада атомных ядер, создаются искусственно на ускорителях заряженных частиц.

Ионизирующие излучения- все излучения, которые при действии на вещество непосредственно вызывают его ионизацию.

Виды ионизирующих излучений:

- Коротковолновое ультрафиолетовое

- Рентгеновское излучение

- Радиоактивные излучения:

- Альфа-излучение

- Бэтта-излучение

- Гамма-излучение

- Нейтронные излучения.

Практический интерес представляют наиболее часто встречающиеся виды ионизирующих излучений -  потоки α- и β-частиц, γ-излучение, рентгеновские лучи и потоки нейтронов.                                                                       

Источники ионизирующего излучения широко используются в атомной энергетике, в медицине для диагностики и лечения и в разных отраслях промышленности для дефектоскопии металлов, контроля качества сварных соединений, определения уровня агрессивных сред в замкнутых объемах, борьбы с разрядами статического электричества и др.                                 

Существуют различные виды ионизирующих излучений, которые отличаются по своей природе, энергии, глубины  проникновения в вещество и степени воздействия на живые организмы.                                                              

Выделяют две группы ионизирующих излучений: корпускулярные и электромагнитные (фотонные). Корпускулярное излучения (альфа-, бета-, протонное, нейтронное и т.д.) является собой поток частиц, быстро движущихся объектов. Электромагнитное (фотонное) излучения (рентгеновское, гамма-излучение) — это разновидность электромагнитных волн. Все виды электромагнитных волн излучаемых и переносят энергию в пространстве строго определенными порциями — квантами или фотонами.

Альфа-излучение (α) – поток положительно заряженных частиц – ядер гелия. В настоящее время известно более 120 искусственных и естественных альфа-радиоактивных ядер, которые, испуская α-частицу, теряют 2 протона и 2 нейтрона. Скорость частиц при распаде составляет 20 тыс. км/с. При этом α-частицы обладают наименьшей проникающей способностью, длина их пробега (расстояние от источника до поглощения) в теле равна 0,05 мм, в воздухе – 8–10 см. Они не могут пройти даже через лист бумаги, но плотность ионизации на единицу величины пробега очень велика (на 1 см до десятка тысяч пар), поэтому эти частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью и опасны внутри организма.

Бета-излучение (β) – поток отрицательно заряженных частиц. В настоящее время известно около 900 бета-радиоактивных изотопов. Масса β-частиц в несколько десятков тысяч раз меньше α-частиц, но они обладают бо́льшей проникающей способностью. Их скорость равна 200–300 тыс. км/с. Длина пробега потока от источника в воздухе составляет 1800 см, в тканях человека – 2,5 см. β-частицы полностью задерживаются твердыми материалами (алюминиевой пластиной в 3,5 мм, органическим стеклом); их ионизирующая способность в 1000 раз меньше, чем у α-частиц.

Нейтронное излучение - это излучение, состоящее из нейтронов, т.е. нейтральных частиц. Нейтроны образуются при ядерных реакциях (цепной реакции деления ядер тяжелых радиоактивных элементов, при реакциях синтеза более тяжелых элементов из ядер водорода). Нейтронное излучение является косвенно ионизируемым; образование ионов происходит не под действием самих нейтронов, а под действием вторичных тяжелых заряженных частиц и гамма-квантов, которым нейтроны передают свою энергию. Нейтронное излучение чрезвычайно опасно вследствие своей высокой проникающей способности (пробег в воздухе может достигать несколько тысяч метров). Кроме того нейтроны могут вызвать наведенную радиоактивность (в том числе и в живых организмах), превращая атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы. От нейтронного облучения хорошо защищают водородсодержащие материалы (графит, парафин, вода и т.д.)

В зависимости от энергии различают следующие нейтроны:

1.                 Сверхбыстрые нейтроны с энергией в 10-50 МэВ. Они образуются при ядерных взрывах и работе ядерных реакторов.

2.                 Быстрые нейтроны, энергия их превышает 100 кэВ.

3.                 Промежуточные нейтроны – энергия их от 100 кэВ до 1 кэВ.

4.                 Медленные и тепловые нейтроны. Энергия медленных нейтронов не превышает 1 кэВ. Энергия тепловых нейтронов достигает 0,025 эВ.

Нейтронное излучение используют для нейтронной терапии в медицине, определения содержания отдельных элементов и их изотопов в биологических средах и т.д. В медицинской радиологии используются главным образом быстрые и тепловые нейтроны, в основном используют калифорний-252, распадающийся с выбросом нейтронов со средней энергией в 2,3 МэВ.

Гамма-излучение (γ) – электромагнитное излучение с длиной волны от 1 · 10^-7 м до 1 · 10^-14 м; испускается при торможении быстрых электронов в веществе. Оно возникает при распаде большинства радиоактивных веществ и обладает большой проникающей способностью; распространяется со скоростью света. В электрических и магнитных полях γ-лучи не отклоняются. Это излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, чем а– и β-излучение, так как плотность ионизации на единицу длины очень низкая.

Рентгеновское излучение может быть получено в специальных рентгеновских трубках, в электронных ускорителях, при торможении быстрых электронов в веществе и при переходе электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние, когда создаются ионы. Рентгеновские лучи, как и γ-излучение, обладают малой ионизирующей способностью, но большой глубиной проникновения.

Рентгеновское излучение– коротковолновое электромагнитное излучение, которое на шкале ЭМВ расположено между ультрафиолетовыми и гамма-лучами.

Виды рентгеновского излучения:

1.                 по длине волны и проникающей способности:

- мягкое (длина волны больше, чем у жесткого, а проникающая способность меньше)

- жёсткое

2.                 по механизмам излучения и спектрам:

- тормозное

-характеристическое

Все виды рентгеновского излучения можно получить с помощью рентгеновской трубки. 

Рентгеновская трубка– двухэлектродный вакуумный прибор, в основе работы которого лежит явление термоэлектронной эмиссии:

Электрические токи разогревают катод, и он испускает электроны. Вылетевшие электроны образуют электронное облако у катода. Электроны летят к аноду. У анода происходит их взаимодействие с атомарным электроном и веществом анода, вследствие чего возникает рентгеновское излучение. Анод выполняется из тугоплавких теплопроводных металлов с высокой молекулярной массой (например, вольфрама). Применяется специальное охлаждение анода водой, маслом, либо используется технология «вращающегося анода».

Механизм образования и спектры тормозного и характеристического излучений.

Тормозное рентгеновское излучение– излучение, которое образуется при торможении быстрых электронов атомарным электрическим полем анода (полем атомарных электронов).

Теория Максвелла: вокруг движущихся заряженных частиц существует электрическое и магнитное поле. Когда скорость электронов уменьшается, уменьшается и индукция магнитного поля, следовательно, в пространстве происходит цепочка взаимосвязанных изменений электрического и магнитного полей, т.е. порождается электрическая волна.

В рамках закона превращения энергии: при тормозном излучении уменьшающаяся кинетическая энергия электронов переходит в энергию электромагнитного излучения, а также внутреннюю энергию атомов анода, вызывая его нагревание.

Зависимость потока рентгеновского излучения от его длины волны – спектр рентгеновского излучения..

Спектр тормозного радиоактивного излучения непрерывный (сплошной). Этот спектр имеет чёткую границу со стороны коротких волн, так как энергия фотона радиоактивного излучения меньше энергии ускоренного электрона. Определить эту границу можно из условия перехода всей энергии электрона в энергию фотона (Q = 0).

Характеристики спектра можно получить двумя способами:

1.                 Изменить напряжение на трубке (между анодом и катодом)

2.                 Изменить температуру накала катода

Увеличение напряжения на трубке вызовет два эффекта:

1)увеличатся скорость и энергия электрона, следовательно, увеличится число квантов тормозного излучения, следовательно, произойдёт изменение спектральных свойств излучения в сторону увеличения жёсткости (коротковолновая граница сместится в область меньших длин волн).

2)увеличится число электронов из электронного облака вокруг катода, которые достигнут анода, следовательно, произойдёт возрастание потока энергии тормозного излучения.

Увеличение температуры накала катода вызовет увеличение эмиссии электронов, следовательно, увеличится поток излучения без изменения спектрального состава.

Характеристическое рентгеновское излучение: увеличение напряжения между катодом и анодом => электрон в поле трубки сильнее ускорится и приобретёт большую энергию => электрон преодолевает отталкивание поля атомарных электронов анода и проникает внутрь атома => внутри атома электрон выбивает новый электрон из внутреннего слоя. На место выбитого электрона обязательно переходит электрон из более удалённого от ядра слоя. Так как энергия внешних электронов больше, чем энергия внутренних электронов, то избыток энергии высвечивается в виде кванта электромагнитного излучения.

Характеристическое рентгеновское излучение всегда образуется при возникновении свободного места в одном из внутренних электронных слоёв атома.

Распределение электронных слоёв определено, следовательно, спектр характеристического излучения дискретный (линейный). Внутренние электронные слои атомов заполнены, а значит одинаковы у атомов разных элементов, следовательно, особенности характеристических рентгеновских спектров атомов сравнимы с относительными атомными спектрами.

Характеристические спектры различных элементов однотипны по форме и отличаются лишь положением на оси длины волн. С увеличением порядкового номер испускаемого электрона (в трубке – вещество анода) спектры сдвигаются в сторону меньших длин волн (в зону больших частот). Причина сдвига – усиление влияния ядра на электронные оболочки.

2.     Основные свойства ионизирующих излучений

Основными свойствами ионизирующих излучений является способность при прохождении через любое вещество вызывать образования большого количества свободных электронов и положительно заряженных ионов (т.е. ионизирующая способность).

Частицы или квант высокой энергии выбивают обычно один из электронов атома, который уносит с собой единичный отрицательный заряд. При этом оставшаяся часть атома или молекулы, приобретя положительный заряд (из-за дефицита отрицательно заряженной частицы), становится положительно заряженным ионом. Это так называемая первичная ионизация.

Выбитые при первичном взаимодействии электроны, обладая определенной энергией, сами взаимодействуют со встречными атомами, превращают их в отрицательно заряженный ион (происходит вторичная ионизация). Электроны, которые потеряли в результате столкновений свою энергию, остаются свободными. Первый вариант (образование положительных ионов) происходит лучше всего с атомами, у которых на внешней оболочке имеется 1-3 электрона, а второй (образование отрицательных ионов) – с атомами, у которых на внешней оболочке имеется 5-7 электронов.

Таким образом, ионизирующий эффект – главное проявление действия радиации высоких энергий на вещество. Именно поэтому радиация и называется ионизирующей (ионизирующими излучениями).

Ионизация возникает как в молекулах неорганического вещества, так и в биологических системах. Для ионизации большинства элементов, которые входят в состав биосубстратов (это значит для образования одной пары ионов) необходимо поглощение энергии в 10-12 эВ (электрон-вольт). Это так называемый потенциал ионизации. Потенциал ионизации воздуха равен в среднем 34 эВ.

Таким образом, ионизирующие излучения характеризуются определенной энергией излучения, измеряемой в эВ. Электрон-вольт (эВ) – это внесистемная единица энергии, которую приобретает частица с элементарным электрическим зарядом при перемещении в электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов в 1 вольт

1эВ=1,6 х 10^-19 Дж = 1,6 х 10^-12 эрг.

1кэВ (килоэлектрон-вольт) = 10³ эВ.

1МэВ (мегаэлектрон-вольт) = 10⁶ эВ.

Зная энергию частиц, можно подсчитать, сколько пар ионов они способны образовать на пути пробега. Длина пути – полная длина траектории частицы (какой бы сложной она не была бы). Так, если частица обладает энергией в 600 кэВ, то она может образовать в воздухе около 20000 пар ионов.

В тех случаях, когда энергии частицы (фотона) недостаточно для того, чтобы электрон преодолел притяжение атомного ядра и вылетел за пределы атома, (энергия излучений меньше потенциала ионизации) ионизация не происходит. Электрон, приобретя излишек энергии (так называемый возбужденный), на доли секунды переходит на более высокий энергетический уровень, а затем скачком возвращается на прежнее место и отдает излишнюю энергию в виде кванта свечения (ультрафиолетового или видимого). Переход электронов с внешних орбит на внутренние сопровождается рентгеновским излучением.

Однако, роль возбуждения в воздействии радиации второстепенная в сравнении с ионизацией атомов, поэтому общепринято название радиации высоких энергий: «ионизирующая», что подчеркивает ее главное свойство.

Второе название радиации – «проникающая» – характеризует способность излучений высокой энергии, прежде всего, рентгеновских и g- лучей  проникать в глубину вещества, в частности, в тело человека. Глубина проникновения ионизирующего излучения зависит, с одной стороны, от природы излучения, заряда составляющих его частиц и энергии, а с другой – состава и плотности облучаемого вещества.

Ионизирующие излучения обладают определенной скоростью и энергией. Так, g - излучение   распространяются со скоростью, близкой к скорости света. Энергия, например, a -частиц колеблется в пределах 4-9 МэВ.

Одной из важных особенностей биологического воздействия ионизирующей радиации является невидимость, неощутимость. В этом и заключается их опасность, человек ни визуально, ни органолептически не может обнаружить воздействие излучений. В отличие от лучей оптического диапазона и даже радиоволн, которые вызывают в определенных дозах нагревание тканей и ощущение тепла, ионизирующие излучения даже в смертельных дозах нашими органами чувств не фиксируется. Правда, у космонавтов наблюдались косвенные проявления действия ионизирующей радиации – ощущение вспышек при закрытых глазах – за счет массивной ионизации в сетчатке глаза. Таким образом, ионизация и возбуждение – основные процессы, в которых тратится энергия излучений, поглощаемая в облучаемом объекте.

Возникшие ионы исчезают в процессе рекомбинации, это значит воссоединения положительных и отрицательных ионов, в котором образуются нейтральные атомы. Как правило, процесс сопровождается образованием возбуждаемых атомов.

Реакции с участием ионов и возбужденных атомов имеют чрезвычайно важное значение. Они лежат в основе многих химических процессов, в том числе и биологически важных. С ходом этих реакций связываются отрицательные результаты воздействия радиации на организм человека.

3.     Биологическое действие ионизирующих излучений

Различают два вида эффекта воздействия на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический. При соматическом эффекте, негативные последствия проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом - у его потомства.

Соматические эффекты могут быть ранними или отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 60 суток после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь, летальный исход. Отдалённые соматические эффекты проявляются через несколько месяцев или лет после облучения в виде стойких изменений кожи, злокачественных новообразований, снижения иммунитета, сокращения продолжительности жизни.

При изучении действия ионизирующего излучения на организм были выявлены следующие особенности:

1. Высокая эффективность поглощённой энергии, даже малые её количества могут вызвать глубокие биологические изменения в организме.

2. Наличие скрытого (инкубационного) периода проявления действия ионизирующих излучений.

3. Действие от малых доз может суммироваться или накапливаться.

4. Генетический эффект - воздействие на потомство.

5. Различные органы живого организма имеют свою чувствительность к облучению.

6. Не каждый организм (человек) в целом одинаково реагирует на облучение.

7. Облучение зависит от частоты воздействия. При одной и той же дозе облучения вредные последствия будут тем меньше, чем более дробно оно получено во времени.

Ионизирующее излучение может оказывать влияние на организм как при внешнем (особенно рентгеновское и гамма-излучение), так и при внутреннем (особенно альфа-частицы) облучении. Внутреннее облучение происходит при попадании внутрь организма через лёгкие, кожу и органы пищеварения источников ионизирующего излучения. Внутреннее облучение более опасно, чем внешнее, так как попавшие внутрь источники ионизирующих излучений  подвергают непрерывному облучению ничем не защищённые внутренние органы.

Под действием ионизирующего излучения вода, являющаяся составной частью организма человека, расщепляется, и образуются ионы с разными зарядами. Полученные свободные радикалы и окислители взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая её. Нарушается обмен веществ. Происходят изменения в составе крови - снижается уровень эритроцитов, лейкоцитов, тромбоцитов и нейтрофилов. Поражение органов кроветворения разрушает иммунную систему человека и приводит к инфекционным осложнениям.

Местные поражения характеризуются лучевыми ожогами кожи и слизистых оболочек. При сильных ожогах образуются отёки, пузыри, возможно, отмирание тканей (некрозы).

Заключение

   Все виды ионизирующих излучений отличаются друг от друга различными зарядами, массой и энергией. Различия имеются и внутри каждого вида ионизирующих излучений, обусловливая большую или меньшую проникающую и ионизирующую способность и другие их особенности.

   При ядерном взрыве, авариях на АЭС и других ядерных превращениях появляются и действуют не видимые и не ощущаемые человеком излучения. По своей природе ядерное излучение может быть электромагнитным, как например, гамма-излучение, или представлять поток быстро движущихся элементарных частиц – нейтронов, протонов, бета и альфа-частиц. Любые ядерные излучения, взаимодействуя с различными материалами, ионизируют их атомы и молекулы. Ионизация среды тем сильнее, чем больше мощность дозы проникающей радиации или радиоактивность излучения и длительное их воздействие. Действие ионизирующих излучений на людей и животных заключается в разрушении живых клеток организма, которое может привести к различной степени заболеваниям, а в некоторых случаях и к смерти.

Список литературы

1. Акимов В.А., Дурнев Р.А., Миронов С.К., Защита от чрезвычайных ситуаций. 5-11 классы; Энциклопедический справочник. – М.; Дрофа, 2011

2.Булдаков Л.А. Радиоактивные вещества и человек. - М.: Энергоатомиздат, 1990.- 160с.

3. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для студ. сред. учеб. заведений / Э. А. Арустамов, Н. В. Косолапова, Н. А. Прокопенко, Г. В. Гуськов. – М.: Академия, 2014. - 176 с.

4. http://ohrana-bgd.narod.ru/ioniz1.html

5. https://ru.wikipedia.org/wiki

6. https://doza.pro/art/types_of_radiation

Скачано с www.znanio.ru