Експозиційна доза
Основний закон радіоактивного розпаду радіонукліду. Одиниці активності
Закон радіоактивного розпаду стосується лише сукупності атомів цього радіонукліду. Справа в тому, що цей процес статистичний, і для окремо взятого ядра можна лише вказати можливість розпаду за певний час. Природний радіоактивний розпад ядер протікає спонтанно, без будь-якого впливу ззовні. Формула закону розпаду радіоактивної речовини: нехай є число N ядер атомів радіонукліду. Тоді число ядер dN, що розпадаються, за час dt пропорційно числу атомів N і проміжку часу dt:
dN=-λNdt (1) знак мінус показує, що число ядер N вихідних атомів зменшується в часі.
λ-постійна розпаду λ=-dN/N=const при dt=1, тобто λ=ймовірності розпаду одного ядра за одиницю часу. У рівнянні (1) поділимо праву та ліву частини на N та проінтегруємо:
dN/N=- λdt; ; Ln де є початкова кількість атомів, що розпадаються ( N = при t = 0) (t = О - початок відліку).
Після потенціювання отримаємо: або (2) Формула (2) виражає основний закон радіоактивного розпаду, де кількість ядер радіонукліду в момент початку відліку часу (t = 0); λ - постійна розпаду, яка для різних радіонуклідів різна; N - кількість ядер радіонукліду через час t; е - основа натурального логарифму (е = 2,713.).
Формула (2) має два недоліки. Перший недолік - хоча постійна розпаду λ є в таблицях, але прямої інформації про швидкість розпаду вона не несе. Другий недолік — для визначення кількості ядер, що розпадаються, необхідно знати. Приладу його визначення немає. Проблеми вирішуються в такий спосіб. Величина λ може бути замінена іншою умовною хар-ою ,яка несе пряму інформацію про швидкість розпаду радіонукліду. Для цього вводиться поняття період напіврозпаду Т. Періодом напіврозпаду Т називається проміжок часу, протягом якого вихідне число радіоактивних ядер зменшується вдвічі, а кількість ядер, що розпадаються, за час Т залишається постійним (λ = const).
У рівнянні (2) праву і ліву частину поділимо на N і приведемо до виду: Вважаючи, що /N=2,при t=T,отримаємо Ln2=λT, λ=0,693/Т тоді N=
Величини і N можна замінити іншим поняттям, користуючись наступною властивістю явища радіоактивності. Є прилади, які реєструють кожен розпад (викид кожної альфа-частинки, бета-частинки чи гама кванта). Вочевидь, можна визначити кількість розпадів за певний проміжок часу. Це характеризує не що інше, як швидкість розпаду радіонукліду, яку називають активністю.
Активність - це фізична величина, що характеризує число радіоактивних розпадів в одиницю часу: А = Виходячи з визначення активності слід, що вона характеризує швидкість ядерних переходів в одиницю часу. З іншого боку, кількість ядерних переходів залежить від постійного розпаду?
Одиницею активності у системі СІ прийнято:
1 розпад/с = 1 Бк.
Існує і позасистемна одиниця Кюрі. Проте на практиці та в літературі вона поки що не використовується.
За 1 Кu прийнята активність 1 г радію-226.1 Кu = 3,7 10 Бк; 1 Бк = 2,7 10 Кu.
Експозиційна доза. Потужність експозиційної дози
Дозою опроміненняназивається частина енергії радіаційного випромінювання, яка витрачається на іонізацію та збудження атомів і молекул будь-якого опроміненого об'єкта.
Експозиційна доза фотонного(рентгенівського та гамма-) випромінювання характеризує їх здатність створювати в речовині зарядженічастки. Виражається ставленням сумарного електричного заряду іонів одного знака , утвореного випромінюванням у певному обсязі повітря, до маси dm у цьому обсязі: X = dQ / dm.
Одиниця виміру у системі СІ — 1Кулон/кг, позасистемна одиниця — Рентген.
Доза 1 Р накопичується за 1 годину на відстані 1 м від джерела радію масою в 1 г, тобто активністю в 1 Кu.
Потужність експозиційної дози — відношення збільшення експозиційної дози dX за інтервал часу dt до цього інтервалу: = dX/ dt
Одиниці виміру: у системі СІ - А/кг (ампер на кг); позасистемна одиниця Р/с, Р/год, мР/год, мкР/год тощо. Потужність дози, виміряна на висоті 70-100 см від землі, часто називають рівнем радіації.
35Взаємодія гамма-випромінювань з речовиною
Взаємодія гамма-квантів з речовиною може супроводжуватися фотоефектом, комптонівським розсіюванням та утворенням електрон позитронних пар. Вигляд ефекту залежить від енергії гамма-кванту: = ?-, де - Постійна Планка; υ-Частота випромінювання; Е-енергія іонізації відповідної атомної оболонки (енергія зв'язку вибитого електрона з атома).
Фотоефект виникає при відносно малих значеннях енергій і відбувається на внутрішніх електронах атома, в основному на електронах К-оболонки. І тут вся енергія гамма-кванта передається орбітальному електрону і вибивається з орбіти.
Вибитий електрон називається фотоелектроном. Саме він може спричинити іонізацію інших атомів. В результаті його відриву в атомі утворюється вільний рівень, який заповнюється одним із зовнішніх електронів. При цьому або випромінюється вторинне м'яке характеристичне випромінювання (флуоресцентне випромінювання) або енергія передається одному з електронів, який залишає атом. Флуоресцентне випромінюванняспостерігають у матеріалах із великим атомним номером. Імовірність фотоефекту збільшується зі зростанням атомного номера матеріалу та зменшується зі зростанням енергії фотона.
Комптонівським розсіюванням називається процес взаємодії фотонного випромінювання з речовиною, в якому фотон в результаті пружного зіткнення з орбітальним електроном втрачає частину своєї енергії та змінює напрямок свого початкового руху, а з атома вибивається електрон віддачі (комптоновський е). При цьому частота, а отже, і енергія розсіяного гамма-кванту будуть меншими.
Енергія комптонівського електрона дорівнює: Е = ?-?
де ? - Енергія первинного фотона; һ - Енергія розсіяного фотона.
Такий процес найбільш характерний для фотонів, енергія яких значно перевищує енергію зв'язку електронів в атомі, тому розсіювання відбувається тільки на зовнішніх (валентних) електронах.
36Взаємодія альфа-випромінювань з речовиноюм
Під час руху в речовині a-частинки взаємодіють в основному з атомними електронами. Корпускулярні a-частинки мають невеликі пробіги в речовині, тому захист від зовнішніх потоків цього випромінювання труднощів не становить. Розв'язання задачі захисту від альфа-випромінювання зазвичай базується на знанні пробігу цієї частки у речовині. Пробіги альфа-частинок у різних речовинах табульовані
37Взаємодія бета-випромінювання з речовиною
Проходження бета-частинок через речовину супроводжується пружними і непружними зіткненнями з ядрами і електронами гальмівного середовища.
Пружне розсіювання бета-частинок на ядрах більш ймовірне і здійснюється за відносно низьких енергій електронів. Пружне розсіювання бета-часток на електронах у Z разів (Z- величина заряду ядра) меншемабуть, ніж на ядрах. Теоретично можливе і зсув ядер атомів кристалічних ґрат.
При енергії бета-часток вище енергії зв'язку електрона з ядром (до - 1 МеВ) основним механізмом втрат енергії є непружне розсіювання на пов'язаних електронах, що призводить до іонізації та збудження атомів.
При високих енергіях електронів головним механізмом втрат енергії є радіаційне гальмування при якому виникає гальмівне випромінювання.
Таким чином, процеси взаємодії бета-частинок із середовищем характеризуються радіаційним гальмуванням та відносно великою втратою енергії або значною зміною напряму їхнього руху в елементарному акті. Внаслідок цієї взаємодії інтенсивність пучка бета-часток зменшується майже за експонентом зі зростанням товщини поглинаючого шару х.
Шлях бета-частинок у речовині зазвичай становить ламану лінію, а пробіг бета-частинок однакових енергій має значний розкид. Це з тим, що маса бета-частинок вкрай мала, тому ймовірність пружного розсіювання на ядрах більше, ніж в важких частинок. Отже, бета-частинки не мають точної глибини проникнення, тому що мають безперервний енергетичний спектр. Для грубої оцінки глибини пробігу бет часток користуються наближеними формулами. Одна з них: Rср/Rвозд=ρвозд/ρср
де Rср - Довжина пробігу в середовищі; Rповіт - довжина пробігу повітрі; ρповітря та ρср — щільність повітря та середовища відповідно; Е - енергія бета-часток