textarchive.ru

Главная > Учебно-методическое пособие


22. Доза излучения

Воздействие излучений на живые организмы характеризуется дозой излучения.

Экспозиционная доза Х ионизирующего излучения - суммарный заряд, образовавшийся за счет излучения в 1 см3 воздуха за некоторое время t.

Измеряется в кулонах на килограм (Кл/кг), внесистемная единица - рентген(Р).

При дозе в 1 Р в 1 см3 при нормальных условиях образуется 2,08.109 пар ионов, что соответствует 2,58.10-4Кл/кг. При этом в 1 см3 воздуха за счет ионизации поглощается энергия, равная 1,1.10-8Дж, т.е. 8,5 мДж/кг.

Поглощенная доза излучения Дп. - физическая величина, равная отношению поглощенной энергии Wп к массе Mп облучаемого вещества. Величины поглощенной дозы определяются с помощью выражения

Дп = Wп / Mп.

В системе СИ единицей поглощенной дозы является Грей. Эта единица названа в честь английского физика А. Грея. Такую дозу получает тело массой 1 кг, если оно поглотило энергию в 1 Дж.

До 1980 г. в качестве единицы поглощенной дозы применялись: рад и рентген. Это внесистемные единицы.

Рад – от англ. поглощенная доза излучения.

1 рад = 10-2Дж/кг = 10-2Гр.

1 Грей (Гр)= 100 рад  110 Р (для гамма-излучения).

Единица «Рентген» довольно часто используется и сейчас; возможно, это просто дань традиции. По определению доза в 1 Р соответствует такому излучению, при котором в 1 см3 воздуха при н.у. (Р0=760 мм. рт. ст, Т = 273 К) обра-зуется определенное число пар ионов (N  2,1·109), так что их суммарный заряд равен 3,3·10-10Кл. Понятен смысл данного определения: зная ток и время разрядки, можно опытным путем определить суммарный заряд ионизации и число пар ионов, возникших в результате облучения

Nион= Qобщ/е.

Для этих же условий (н.у.) найдем величину поглощенной дозы:

Дп = Wп/Mп = 112,5·10-10/0,128·10-5 = 8,7·10-3Дж/кг.

Таким образом, доза в 1 рентген соответствует поглощенной дозе 8,7·10-3 Дж/кг или 8,7·10 мГр.

1 Р = 8,7·10–3 Дж/кг = 8,7 мГр.

Доза в 1 Р создается лучами, испускаемыми 1 граммом радия, на расстоянии 1 м от источника в течение 1 часа.

Мощность поглощенной дозы ДIП.- физическая величина, характеризующая величину энергии, поглощаемой единицей массы какого-либо физического тела в единицу времени:

D1п = ДП / t = WП / MПпt.

Величину фонового излучения нам обычно сообщают в микрорентген/час, например 15 мкР/час. Эта величина имеет размерность мощности поглощенной дозы, но выражена она не в единицах системы СИ.

Эквивалентная доза Hэкв.- величина, которая харак-теризует поглощенную дозу живого организма. Она равна поглощенной дозе, умноженной на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма:

Hэкв. = КК DП,

где КК – средний коэффициент качества ионизирующего излучения в данном элементе объема биологической ткани (табл. 22.1).

Таблица 22.1.э.

Вид излучения

КК

Рентгеновское и γ-излучение

1

Электроны, позитроны, β-излучение

1

Протоны (W  10 МэВ)

10

Нейтроны (W  20 кэВ)

3

Нейтроны (W = 0,1 – 10 МэВ)

10

Альфа –излучение (W 10 МэВ)

20

Надо отметить, что эквивалентная доза Hэкв харак-теризует среднее значение поглощенной дозы живым орга-низмом, хотя одни и те же ткани (кости, мышцы, мозг и др.) для разных людей и при разных условиях будут поглощать разную энергию.

В системе СИ единицей эквивалентной дозы является Зиверт (1 Зв), названной так в честь шведского ученого – радиолога Р.Зиверта. На практике часто используется внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рентгена).

1 бэр = 0,01 Дж/кг.

На практике используются дольные единицы: миллибэр (1мбэр = 10-3бэр); микробэр (1мкбэр = 10-6бэр); нанобэр (1нбэр = 10-9бэр).

Существует другое определение понятия бэр.

Бэр - это количество энергии, поглощенное живым орга-низмом при облучении любым видом ионизирующей радиации и вызывающее такой же биологический эффект, как и погло-щенная доза в 1 рад рентгеновского или -излучения с энергией 200 кэВ.

Соотношение между названными единицами (1 Зв, 1 бэр, 1 Р) такое:

1 Зв = 100 бэр 110 Р (для гамма-излучения).

По мере удаления от точечного источника доза убывает обратно пропорционально квадрату расстояния ( 1 / r2).

Поглощенная доза

Dп = D1эт·tобл/r2. D1эт = 1Р·2/час ,

где D1эт - мощность точечного источника; tобл - время облучения, ч; r - расстояние от источника, м.

Активность точечного излучателя и мощность дозы связаны соотношением:

Р = К ,

где К - ионизационная постоянная, r - расстояние от источника излучения, d - толщина защитного экрана, - коэффициент поглощения излучения в материале экрана.

Ионизационная постоянная К и коэффициент поглощения экрана сложным образом зависят от вида и энергии излучения. Для гамма-квантов с энергией около 1 МэВ отношение коэффициента поглощения к плотности материала для многих материалов (вода, аллюминий, железо, медь, свинец, бетон, кирпич) близко к величине 7.10-3м2/кг.

Естественный фон радиации (космические лучи; радиоактивность окружающей среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около Гр на человека. Международная комиссия по радиационной защите установила для лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Доза излучения в 3 – 10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

При работе с любым источником радиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необходимо принимать меры по радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.

Самый простой метод защиты это удаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние. Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убывает о пропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.

В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, используют для защиты от излучения преграды из поглощающих материалов.

Наиболее сложна защита от -лучей и нейтронов из-за их большой проникающей способности. Лучшим поглотителем -лучей является свинец. Медленные нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны предварительно замедляются с помощью графита.

Фону в 15 мкР/час соответствует мощность дозы 36,2·10–12Гр/с (или 4,16·10-9Р/с). При такой мощности дозы человек за один год, при условии, что ионизация тканей происходит также как ионизация воздуха, получит дозу радиации, равную 1,1 мГр (или 0,13 Р). Такая доза радиации очень мала и неопасна для человека. Но надо еще иметь в виду, что радиация может накапливаться строительными материалами, которые используются при постройке жилых и промышленных зданий. Влияние излучения от конструкционных материалов может быть более существенным, чем от фона наружного воздуха.

Зная общую эквивалентную дозу, можно найти эквива-лентную поглощенную дозу отдельных органов (Hорг,i = Крр×Дэкв) и оценить вероятность их лучевого поражения. В то же время при использовании лучевой терапии в медицине очень важно знать и установить значения мощности источника излучения и время экспозиции таким образом, чтобы эквивалентная поглощенная доза для данного органа (например, для легких) не выходила за пределы допустимой дозы.

23. Примеры решения задач

1.Экспозиционная доза гамма-излучения на расстоянии 3 км от эпицентра взрыва в атмосфере (на высоте 2,4 км) водородной бомбы с тротиловым эквивалентом в 20 мегатонн (8,4.1016Дж) равна 400 Р. Каково безопасное расстояние от эпицентра (по гамма-излучению), если считать предельно допустимой однократную экспозиционную дозу в 0,5 Р (т.е. в десять раз большую, чем предельно допустимая доза 0,05 Р за 6-часовой рабочий день для персонала). Поглощением и рассеянием гамма-излучения в атмосфере пренебречь.

Решение. Активность точечного излучателя и мощность дозы связаны соотношением

P = К., (23.1)

где Р - мощность дозы; К- ионизационная постоянная данного вида излучения, А - активность излучателя, r - расстояние от излучателя до наблюдателя, d - толщина экрана, - коэффициент поглощения в материале экрана.

Если пренебречь поглощением гамма-излучения в атмосфере, то экспозиционная доза Х на некотором расстоянии r от эпицентра приблизительно равна

, (23.2)

где - время воздействия излучения.

Обозначив через Хо экспозиционную дозу на расстоянии ro, а предельно допустимую дозу на расстоянии r через Хдоп, получим из формулы (2)

Хо= , (23.3)

Xдоп = . (23.4)

Взяв отношение левых и правых частей выражений (23.3) и (23.4), находим

.

Получаем для расстояния r выражение

.

Учитывая, что по условию ro= 3 км, Хо= 400 Р, Хдоп= 0,5 Р, получим

км .

Отметим, что экспозиционная доза в 0,5 Р соответствует поглощенной дозе в 0,5 рад, т.е. 5.10-3Гр и при коэффициенте качества Q = 1 (для - излучения) соответствует эквивалентной дозе 5.10-3Зв = 5 мЗв.

24. Элементарные частицы и современная физическая картина мира

При введении понятия элементарных частиц первоначально предполагалось, что есть первичные, далее неделимые частицы, из которых состоит вся материя. Таковыми вплоть до начала 20 века считались атомы (слово “атом” в переводе с греческого означает “неделимый”). После того как была установлена сложная структура атомов, они перестали считаться элементарными частицами в указанном смысле слова. Такая же судьба постигла ядро, а затем протон и нейтрон, у которых была установлена внутренняя структура. Открывались новые и новые объекты (мюоны, пионы, нейтрино и др.), которые могли претендовать на роль элементарных частиц. Для большинства из них эти претензии были отклонены очень быстро. Но и в настоящее время мы с достоверностью не знаем, какие частицы являются действительно элементарными и есть ли всеобще элементарные частицы в первоначальном смысле этого слова.

Элементарными частицами сейчас условно называют большую группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протонов – ядер атома водорода). Общее, что роднит все элементарные частицы, состоит в том, что все они являются специфическими формами материи, не ассоциированной в атомы и атомные ядра.

25. Классификация элементарных частиц

Все частицы (в том числе и неэлементарные и квазичастицы) разделяются на бозоны и фермионы.

Бозонами называются частицы или квазичастицы, обладающие нулевым или целочисленным спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся: гипотетический гравитон (спин=2), фотон (спин=1), промежуточные векторные бозоны (спин=1), глюоны (спин=1), мезоны и мезонные резонансы, а также античастицы всех перечисленные частиц.

Частицы или квазичастицы с полуцелым спином называются фермионами. Для них справедлив принцип Паули и они подчиняются статистике Ферми-Дирака. К фермионам относятся: лептоны, все барионы и барионные резонансы, а также соответствующие античастицы. Для всех их спин равен ½.

По времени жизни различают абсолютно стабильные, квазистабильные и резонансные частицы. Последние для краткости называют просто резонансами. Резонансными называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия, с временем жизни 10-23с. Квазистабильные частицы (иногда их называют стабильные), время жизни которых превышает 10-20с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. Время 10-20с, ничтожное в обыденных масштабах, считается большим, если его сравнивать с ядерным временем – временем, которое требуется свету на прохождение диаметра ядра (10-15м), 10-23с. Абсолютно стабильными частицами являются, по-видимому, только фотон , электрон е, протон р (в последнее время возникли сомнения в стабильности протона), электронное нейтрино е, мюонное и таонное нейтрино и их античастицы – распад их на опыте не зарегистрирован.

Классификация частиц приводится в учебниках и с нею любознательный студент может ознакомиться самостоятельно.

26. Лептоны. Адроны. Кварки

Все лептоны не участвуют в сильном взаимодействии и имеют спин . Известно три заряженных лептона: электрон (е-), мюон (μ-) и таон (τ-). Каждому из них соответствует нейтральная частица: электронное нейтрино (νе), мюонное нейтрино (νμ), таонное нейтрино (ντ). Кроме того, у каждого лептона имеется антилептон. Всем лептонам приписывается свой лептонный заряд: электрону и электронному нейтрино Le= 1, мюону и его нейтрино Lμ= 1, таону и его нейтрино Lτ= 1. Для соответствующих античастиц лептонные заряды имеют противоположный знак. Считается, что во всех без исключения взаимодействиях соблюдаются законы сохранения лептонных зарядов.

Адроны участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействии. Принято подразделять адроны на две подгруппы: мезоны и барионы. Мезонами называются адроны с целыми спинами (т.е. бозоны). У барионов спин полуцелый. Кроме того барионам приписывается барионный заряд В = 1, антибарионам – В = -1. У всех остальных частиц В = 0. Для всех процессов, протекающих с участием барионов и антибарионов выполняется закон сохранения барионного заряда.

Все адроны разбиваются на небольшие семейства – изомультиплеты, членам которых приписывается одинаковое значение изоспинаТ. Члены изомультиплета различаются значением проекции изоспинаТz, изменяющейся в пределах мультиплета от -Т до +Т. При сильных взаимодействиях выполняется закон сохранения изоспина и закон сохранения проекции изоспина.

В 50-х годах прошлого века были открыты так называемые странные адроны. В связи с их странным по тем временам поведением для адронов ввели еще одно квантовое число – странностьS. Закон сохранения странности выполняется только при сильных взаимодействиях.

Смысл введённых квантовых чисел в том, что они сохраняются в определённых классах взаимопревращений частиц. Во всех фундаментальных взаимодействиях частиц сохраняются энергия, импульс, момент импульса, электрический заряд (q), лептонные заряды (Le, Lμ, Lτ) и барионный заряд (В). В процессах взаимопревращений частиц, вызванных сильным взаимодействием, сохраняются также изоспин (Т) и его проекция (Тz), странность (S), очарование (С) и другие квантовые числа.

В 1964 г. Гелл-Манн и независимо от него Цвейг выдвинули гипотезу, подтвержденную дальнейшими исследованиями, что все элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии (их относят к классу адронов) построены из трех более фундаментальных частиц, которые по предположению Гелл-Манна были названы кварками (Цвейг их назвал тузами) - (Q) – дробнозаряженных фундаментальных частиц.. Три сорта кварков были обозначены буквами u (от англ. up – вверх), d(от англ.down – вниз), s(от англ. strange – странный). Предполагается, что кварки имеют дробный электрический заряд, равный е/3, т.е. меньше заряда е, который раньше считался элементарным(минимальным). Позднее были установлены еще три кварка: очарованный с, красивый или прелестный b и истинный t кварк. Этим 6 кваркам соответствует 6 антикварков.

Кварковая гипотеза позволила систематизировать известные частицы, объяснить их свойства и предсказать ряд новых частиц.

Каждый мезон М строится из одного кварка и одного антикварка , каждый барион В – из трёх кварков:

М=, В=.

В состав обычных адронов входят только кварки u и d, странные адроны включают еще один или несколько кварков s.

28. Античастицы

В микромире каждой частице соответствует античастица. Например, первая античастица – позитрон (антиэлектрон) была обнаружена в 1935 г., его заряд равен +е. В вакууме позитрон столь же стабилен, что и электрон. Однако при встрече электрона с позитроном эти частицы аннигилируют, т.е. превращаются в два, три или несколько -квантов(но не в один, т.к. в этом случае нарушился бы закон сохранения импульса). Существует обратный процесс: -квант может породить пару электрон-позитрон, но только в присутствии третьего тела, например атомного ядра.

В 1955 г. были открыты антипротоны. Антипротоны отличается от протона р знаком электрического заряда и собственного магнитного момента. Антипротон может аннигилировать не только с протоном, но и нейтроном.

В 1956 г. были обнаружены антинейтроны. Антинейтрон отличается от нейтрона n знаком собственного магнитного момента. Он аннигилирует при встрече с нуклоном(нейтроном и протоном). Можно было бы и дальше перечислять античастицы.

Заметим, что существуют частицы, тождественные со своими античастицами, т.е. они не имеют античастиц. Такие частицы называют абсолютно нейтральными, например фотон, 0-мезон и -мезон.

29. Цепная реакция

Установлено, что при бомбардировке ядер урана нейтронами происходит распад ядра на две примерно равные части. Отметим три важные особенности таких реакций:

1. Легко делятся ядра одного из изотопов урана .

2. В результате реакции деления высвобождается огромное количество энергии. Это связано с тем, что масса ядра урана больше суммарной массы осколков деления. Образующийся дефект массы и приводит к выделению энергии в соответствии с формулой Эйнштейна .

Важной особенностью рассматриваемой ядерной реакции является то, что при делении ядра урана выделяется 2 или З нейтрона. Физики поняли, что нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно использовать для осуществления цепной реакции: один нейтрон делит одно ядро урана, два или три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные деления и таким образом процесс лавинообразно нарастает.

При практическом осуществлении цепной ядерной реакции приходится решать ряд сложных проблем, из которых рассмотрим три:

1. Легко делятся ядра изотопа урана-235, а его содержится в природном уране лишь 0,7%, остальное - изотоп урана-238. Поэтому приходится решать проблему увеличения процентного содержания (“обогащения”) урана изотопом-235. Это и составляло основную проблему в процессе создания атомной бомбы и реакторов;

2. Оказалось, что ядра урана делятся медленными нейтронами, а при делении выделяются быстрые нейтроны. Появляется задача уменьшить кинетическую энергию нейтронов(замедлить нейтроны), т.е. создать замедлитель. Такими замедлителями являются тяжёлая вода 1)20 и графит.

3. Третья проблема состоит в том, что часть нейтронов вылетает из массы урана, не успев вызвать дальнейшее деление. Поэтому для того, чтобы цепная реакция проходила, масса 1 урана должна превышать некоторое значение называемое критической массой, которая составляет несколько килограмм.

Ядерная цепная реакция осуществляется в атомной бомбе и в атомных реакторах. для осуществления взрыва атомной бомбы необходимо сблизить две массы с суммарной массой равной критической. При взрыве атомной бомбы выделяется огромное количество энергии и возникает интенсивная радиация вследствие того, что образовавшиеся осколки ядер являются радиоактивными. После взрыва образуется радиоактивное облако, которое после выпадения на землю загрязняет окружающую среду. Ядерную реакцию, происходящую в атомной бомбе, называют неуправляемой. Управляемая реакция осуществляется в ядерных реакторах, используемых на атомных электростанциях (АЭС).



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Данилова релятивистской механики

    Методическое пособие
    ... к.т.н., Омского института (филиала) РГТЭУ Данилова, О.Т. Основы релятивистской механики: Учебно ... –методическое пособие. / О.Т. Данилова – Омск: Издатель ИП Погорелова Е.В., ... Закон Мозли Элементы физики атомногоядра и элементарных частиц Энергия ...
  2. Атомной энергетики библиографический указатель литературы поступившей в библиотеку иатэ

    Документ
    ... пособие для мед. вузов / ред. Л. А. Данилова. - СПб. : Сотис, 2007. - 152 с. ... регулирование безопасности при использовании атомной энергии" перечня нормативных правовых ... 539.12 И 97 Ишханов Б. С. Частицы и атомныеядра : учеб. для студ. вузов / Б. С. ...
  3. Атомной энергетики библиографический указатель литературы поступившей в библиотеку иатэ (2)

    Документ
    ... пособие для мед. вузов / ред. Л. А. Данилова. - СПб. : Сотис, 2007. - 152 с. ... регулирование безопасности при использовании атомной энергии" перечня нормативных правовых ... 539.12 И 97 Ишханов Б. С. Частицы и атомныеядра : учеб. для студ. вузов / Б. С. ...
  4. Знаки внимания отклики отзывы рецензии

    Документ
    ... в душе нехватило боли. Альтиста Данилова (в романе В.Орлова) наказали повышенной ... видит. Так, невозможно понять атомноеядро, не зная сильных взаимодействий, ... 2 и 4 января, я вспоминал "альтиста Данилова", которого наказали способностью чувствовать все ...
  5. Знаки внимания отклики отзывы рецензии

    Документ
    ... в душе нехватило боли. Альтиста Данилова (в романе В.Орлова) наказали повышенной ... видит. Так, невозможно понять атомноеядро, не зная сильных взаимодействий, ... 2 и 4 января, я вспоминал "альтиста Данилова", которого наказали способностью чувствовать все ...

Другие похожие документы..