Биологическое действие ионизирующих излучений

Радиация (лат.radio – излучать) представляет собой излучение, идущее от какого – либо тела. Она сопутствовала людям всегда, ибо она гораздо старше человеческого рода. Одно только Солнце испускает огромное количество быстрых частиц – электронов, протонов, ионов и - лучей. Земля выделяет радиоактивный газ - радон. Искусственные источники, используемые в медицине, промышленности и энергетике ведут к повышению уровня радиации.

Излучение бывает ионизирующим и неионизирующим. Ионизация – это процесс образования положительных и отрицательных ионов или свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Радиация бывает ионизирующей, если она способна разрывать химические связи молекул, составляющие живые организмы и тем самым вызывать биологические изменения. При средней работе на один акт ионизации, равной 34 эВ (1 эВ=1,602·10^-19Дж), минимальная частота электромагнитных волн, обладающих ионизирующими способностями, определяется из :

(1.5)

Она соответствует глубокой ультрафиолетовой области спектра. Следовательно, к ионизирующим относятся ультрафиолетовые, рентгеновские излучения и - кванты. Еще большей ионизирующей способностью обладают электроны, нейтроны, протоны и другие заряженные частицы, обладающие высокой кинетической энергией. Световое излучение, инфракрасное излучение, радиоволны не могут вызвать ионизации, хотя могут оказывать биологические эффекты виде ожогов.

Радиоактивность – это естественный самопроизвольный распад неустойчивых ядер атомов. К ним относятся в первую очередь уран, полоний, радий и торий. Искусственная радиоактивность – это результат продуктов ядерных реакций. Из общего числа (~ 3000) известных радионуклидов лишь ~ 300 – природные изотопы. Остальные получены в результате ядерных реакций. Между ними нет принципиальной разницы и связаны с состоянием атомного ядра.

Ядро состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов, названных нуклонами (лат.nucleus - ядро). Ядро обозначается через , где - массовое число, - число протонов в ядре. Тогда число нейтронов. Например, в изотопе урана содержатся нейтронов при суммарном числе нуклонов в ядре Протон был открыт Э.Резерфордом по реакции

(1.6)

и представляет ядро атома водорода. Свободный протон – стабильная элементарная частица с зарядом , обладает спином ; Нейтрон открыт 1932 г. Дж. Чедвиком. Нейтрон со спином , имеет магнитный момент. Нейтрон нестабилен и распадается по схеме

; ( -антинейтрино) (1.7)

Среднее время жизни свободного нейтрона – 15 мин. В 1932 г. была сформирована гипотеза Гейзенберга и Иваненко о протонно-нейтронной модели ядра. Ядра с одинаковым зарядовым числом , но разными массовым числом называются изотопами. Например, водород имеет три изотопа:

- протон; - тяжелый водород (дейтерий); - тритий. Причем протий и дейтерий устойчивы, тритий – неустойчив. Уран природный имеет три изотопа: ; ; . Деление испытывает ядро .

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое излучением элементарных частиц. К числу радиоактивных явлений относятся: - распад; - превращение; - излучение; нейтронное излучения; протонная и двухпротонная радиоактивности, кластерная радиоактивность и др. Во всех видах радиоактивных превращений выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического, барионного и лептонного зарядов. За единицу радиоактивности принят . Закон радиоактивного распада записывается в виде:

. (1.8)

Альфа () - частица – это ядро атома гелия . В результате - распада «материнское ядро» превращается в новое «дочернее» ядро по схеме:

(1.9)

Дочернее ядро находится в возбужденном состоянии. Оно возвращается в исходное состояние испустив -квант:

(1.20)

Существует три разновидности -превращения: с излучением электрона , с излучением позитрона и путем - захвата. Схематическое представление -превращения с испусканием и : (1.21)

При этом электроны образуются в результате внутреннего превращения нейтрона в протон: . (1.22)

Позитрон образуется в результате внутреннего превращения протона в нейтрон по схеме

. (1.23)

При -захвате ядро поглощает один электрон из - оболочки своего атома. В результате один из протонов превращается в нейтрон с испусканием нейтрино:

. (1.24)

Гамма () -кванты – это электромагнитное излучение. При взаимодействии с веществом потеря энергии происходит в результате фотоэффекта, Комптон - эффекта, образования - пар, и ядерного фотоэффекта.

Нейтронное излучение возникает в результате облучения потоком быстрых частиц или -квантами атома бериллия:

(1.25)

(1.26)