Защита от ионизирующих излучений Структура дисциплины КМ

Защита от ионизирующих излучений

Структура дисциплины КМ. П. ОП. 0. 3. готовность выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и способность привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат № недели Тема занятия Форма контроля Балл максимальный/минимальный Раздел 1 ИИ: источники, взаимодействие с веществом 1 Лекция 2 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада 2 КР 4/2 3 Лекция 4 Взаимодействие ИИ с веществом 4 КР 4/2 5 Лекция 6 Расчет доз облучения 6 КР 4/2 Итого по разделу 1 6 Т 22/12 Раздел 2 Методы защиты от ИИ 7 Лекция 8 Радиационный гормезис 9 Лекция 8 Д 4/3

10 Расчет защиты от ИИ 11 Лекция 12 Расчет защиты от ИИ 10 КР 5/3 13 Т 19/12 Итого по разделу 2 Раздел 3 Обеспечение радиационной безопасности АЭС 13 Лекция 14 Нормированием радиационных воздействий 15 Лекция 16 Радиационные аварии 17 Лекция 14 ОП 4/2 16 КР 5/2 17 Т Итого по разделу 3 19/12 Всего Зачет 60/36 40/24

Правила выставления баллов При проведении опроса: максимальный балл выставляется за полный правильный ответ или высокую активность на занятии (несколько дополнений), минимальный балл выставляется при неполном ответе на вопрос или наличие конспекта по теме занятия (в случае, если студент на занятии не опрашивался) средний балл – за ответ с замечаниями или не по графику занятий (при пропуске занятия). При проведении контрольных работ по темам практических занятий: максимальный балл выставляется за своевременно и правильно решенные задания; минимальный балл – за допущенные при решении значительные ошибки или вне графика изучения раздела; средний балл – за негрубые ошибки в решении или правильное решение вне расписания до конца изучения раздела. В случае отсутствии студента на практическом занятии защита (ответы по теоретической части темы занятия/пояснения хода решения задачи) обязательна. При проведении занятия в форме дискуссии оценивается активность студента и уровень подготовки к занятию. Тесты по разделу содержат по 10 вопросов по разделу, каждый правильный ответ оценивается в 1 балл. Итоговый тест на зачете содержит 20 вопросов по всей дисциплине, правильный ответ оценивается в 2 балла, за ошибки в ответе оценка снижается до 1 или 0 баллов.

Строение вещества Все вещества состоят из молекул и атомов. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекула состоит из одинаковых (в простом веществе) или разных (в химическом соединении) атомов, объединенных химическими связями. Атом - наименьшая частица химического элемента и состоит из положительно заряженного ядра, где сосредоточена практически вся масса атома (99, 9%) и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Ядро состоит из частиц двух типов - протонов и нейтронов.

Протон представляет собой ядро простейшего атома-водорода, имеет: положительный заряд ( + е = + 1, 6× 1019 Кл), массу mр= 1, 6726× 10 -27 кг. Нейтрон электрически нейтрален (q= 0), чем и объясняется его название. Масса нейтрона почти совпадает с массой протона mп= 1, 6750× 10 -27 кг. Различные типы ядер часто называют нуклидами. Число протонов в ядре (или в нуклиде) называется атомным номером и обозначается буквой Z. Общее число нуклонов, т. е. нейтронов и протонов, обозначается буквой А и называется массовым числом. Для характеристики нуклида, необходимо указать только А и Z. Обычно химические элементы принято обозначать символом А Z X где Х-символ химического элемента, А - массовое число, Z - атомный номер.

Ядра, содержащие одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называются изотопами. Массы ядер принято измерять в унифицированных атомных единицах массы (а. е. м. ) или в единицах энергии электрон-вольт. Использование единиц энергии возможно из-за того, что масса и энергия взаимосвязаны и точная связь между ними описывается формулой Эйнштейна Е = mс2. 1, 0000 а. е. м. = 931, 5 Мэ. В Массы покоя в килограммах, атомных единицах массы и Мэ. В/с2 Частица кг а. е. м. Мэ. В/с2 Электрон 9, 1095× 10 -31 0, 00054858 0, 51100 Протон 1, 67265× 10 -27 1, 007276 938, 28 Атом Н 1, 67356× 10 -27 1, 007825 938, 79 Нейтрон 1, 67500× 10 -27 1, 008665 939, 57

Радиоактивность заключается в том, что ядра радиоактивных элементов обладают способностью самопроизвольно превращаться в другие элементы с испусканием альфа, бета-частиц и гамма-квантов или путем деления; при этом исходное ядро превращается в ядро другого элемента. Обусловливается только внутренним строением ядра атома и не зависит от внешних условий (температура, давление и т. д. ). Естественная радиоактивность. Естественные радиоактивные изотопы составляют небольшую часть от всех известных изотопов. В земной коре, воде и воздухе встречается около 70 радионуклидов. Последовательность нуклидов, каждый из которых самопроизвольно, благодаря радиоактивному распаду, переходит в следующий до тех пор, пока не будет получен стабильный изотоп, называется радиоактивным рядом. Исходный нуклид называется материнским, а все остальные нуклиды в ряду называют дочерними. В природе существуют три радиоактивных ряда (семейства): урана, актиноурана и тория. Искусственная радиоактивность. Искусственную радиоактивность впервые открыли Ирен и Фридерик Жолио – Кюри в 1934 году. С радиологической точки зрения особых отличий между естественной и искусственной радиоактивностью нет;

ПРЕВРАЩЕНИЯ АТОМНЫХ ЯДЕР Альфа-распад: радиоактивное ядро испускает альфа-частицу, представляющую собой ядро атома гелия, имеющую двойной положительный заряд и четыре атомные единицы массы. Изменяясь исходное ядро, превращается в ядро, электрический заряд которого меньше первоначального на две единицы, а массовое число меньше первоначального на четыре единицы. Явление альфа – распада впервые наблюдалось при изучении естественной радиоактивности. Альфа – распад характерен для ядер элементов, расположенных в конце периодической таблицы Менделеева.

Бета-распад: ядра могут испускать электроны (е-) - электронный распад или позитроны (е+) – позитронный распад. В результате электронного распада массовое число ядра остается без изменения, а заряд увеличивается на единицу, ядро первоначального элемента превращается в ядро с порядковым номером на единицу больше. В результате позитронного распада массовое число ядра остается также без изменения, а заряд уменьшается на единицу; ядро первоначального элемента превращается в ядро с порядковым номером на единицу меньше. Позитронный распад характерен только для незначительной части искусственных радионуклидов. Испускаемые при бета-распаде электроны и позитроны называются бетачастицами. Кроме бета-частиц ядро испускает нейтрино - незаряженную частицу с массой, близкой к нулю. Процесс альфа и бета – распада часто сопровождается гамма – излучением.

Электронный захват (К-захват): У некоторых радионуклидов атомное ядро захватывает электрон с ближайшей к нему К-оболочки. Это явление является родственным позитронному распаду. В результате захвата электрона один из протонов ядра превращается в нейтрон, массовое число ядра остается без изменения, а заряд уменьшается на единицу. Процесс электронного захвата сопровождается излучением характеристического рентгеновского излучения. Изомерный переход: Изомерный переход в радиоактивном источнике - переход ядра (изомера) из возбужденного состояния в основное путем испускания фотона гамма-излучения, при котором не изменяются ни атомный номер, ни массовое число. Изомерный переход является одним из видов радиоактивного распада. Спонтанное деление: ядро самопроизвольно распадается на осколки средней массы, которые в свою очередь могут распадаться с испусканием бета-частиц и гамма-квантов. Этот процесс происходит только с тяжелыми ядрами. Все типы ядерных превращений, происходящих при радиоактивном распаде, сопровождаются испусканием ионизирующих излучений.

Основные характеристики ядерных превращений Вид Результат превращения Тип образующегося Изменение превращения излучения заряда ядра массового числа порядкового ядра номера α-распад α-частицы ▼на 2 единицы ▼ на 4 единицы ▼ на 2 β-распад* (е-) – электроны ▲ на 1 единицу Без изменения ▲ на 1 (е+) - позитроны ▼на 1 единицу Без изменения ▼ на 1 Без изменения Электронный Характеристизахват ческое (К-захват) рентгеновское ▼на 1 единицу Изомерный переход Фотон γ-излучения Без изменения Спонтанное деление Осколки ядер Тяжёлые ядра превращаются в ядра средней массы *Испускается ещё нейтрино, часто сопровождается γ-излучением

Виды ионизирующих излучений Альфа-излучение. В результате альфа - распада радионуклидов образуется поток альфа - частиц, представляющих собой ядра атомов гелия, которые обладают кинетической энергией порядка нескольких мегаэлектрон – вольт*. Масса альфа – частицы в 1800 раз больше массы электрона, поэтому альфа – частица обладает большой ионизирующей и малой проникающей способностью (максимум – 11 см в воздухе). Бета-излучение. В результате бета - распада радионуклидов образуется поток бета - частиц. Испускаемые частицы имеют непрерывный энергетический спектр, т. е. по энергии они распределяются от нуля до определенного максимального значения Емах. Средняя энергия бета – частиц около 1/3 Емах . Максимальная энергия бета - спектра различных радионуклидов лежит в интервале от нескольких кэ. В до нескольких Мэ. В. Электрон-вольт - это энергия, полученная электроном при перемещении в ускоряющем электрическом поле с разностью потенциалов в 1 В.

Основные виды электромагнитного излучения Вид излучения Энергия фотонов, э. В Длина волны, см Радио <0, 00001 >10 Микроволновое 0, 00001 – 0, 01 – 10 Инфракрасное 0, 01 – 1 0, 0001 – 0, 01 Видимое 1– 6 10 -5 – 10 -4 Ультрафиолетовое 6 – 1000 10 -7 – 2 x 10 -5 Рентгеновское 1000 – 100000 10 -9 – 10 -7 Гамма - излучение >100000 <10 -9

Фотонное излучение. Фотонное излучение включает в себя рентгеновское и гамма - излучение. После радиоактивного распада ядро атома иногда оказывается в возбужденном состоянии. Переход ядра из этого состояния на более низкий энергетический уровень (в нормальное состояние) происходит с испусканием фотонов гамма - излучения. Гамма - излучение имеет внутриядерное происхождение и представляет собой жесткое электромагнитное излучение, распространяющееся со скоростью света. Рентгеновское излучение имеет атомное происхождение, которое образуется в возбужденных атомах при переходе электронов с удаленных орбит на более близкую к ядру орбиту или возникает при торможении заряженных частиц в поле ядра тяжелых атомов. Соответственно первое имеет дискретный (линейчатый) энергетический спектр и называется характеристическим, второе – непрерывный (сплошной) спектр и называется тормозным. Фотонное излучение – электромагнитное излучение высоких энергий и обладает большой проникающей способностью.

Виды ионизирующих излучений Вид излучения Характеристика Источник образования Проникающ ая способность α-излучение Поток α-частиц (ядер гелия) α-распад малая β-излучение Поток β-частиц (электроны/позитроны) β-распад выше γ-излучение Переход ядра из возбужденного состояния в нормальное большая Фотонное излучение* рентгеновское Переход электронов атома с удаленной орбиты на более близкую к ядру или торможение заряженных частиц в поле ядра тяжёлых атомов Нейтронное излучение* нейтроны Деление тяжёлых ядер, некоторые взаимодействия различных излучений с веществом * Косвенно ионизирующие излучения большая

Закон радиоактивного распада Радиоактивный распад приводит к непрерывному уменьшению по экспоненциальному закону числа ядер исходного радионуклида: N = N 0 e- t , где No — число радиоактивных атомов в начальный момент времени t = 0; N — число оставшихся радиоактивных атомов в момент времени t; - коэффициент, называемый постоянной распада. Для характеристики скорости радиоактивного распада используется понятие - период полураспада Т 1/2. Период полураспада – время, в течение которого число ядер радионуклида в результате радиоактивного распада уменьшается в два раза. Если принять, что N=0, 5 Nо, то получим соотношение, которым постоянная распада связана с периодом полураспада: T 1/2 = ln 2 = 0, 693 или T 1/2 = 0, 693/ Период полураспада - величина строго постоянная для каждого радионуклида в диапазоне от секунд до миллионов лет.

Активность и единицы ее измерения Активность радионуклида в источнике (А) - это отношение числа спонтанных ядерных переходов (d. N) из определенного ядерноэнергетического состояния радионуклида, происходящих в данном его количестве за интервал времени dt, к этому интервалу: A =d. N / dt. За единицу активности радионуклидов в системе СИ принимается активность нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит одно спонтанное ядерное превращение или 1 акт распада (расп. /с). Эту единицу называют беккерель (Бк). Внесистемной единицей активности является кюри (Ки). Кюри - это активность радионуклида, при которой в 1 с происходит 3, 7 х 1010 актов распада. Активность может быть удельной, объемной, поверхностной - отношение активности радионуклида в источнике (образце) к массе, объему источника, площади поверхности.

Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом

Взаимодействие фотонного излучения с веществом Взаимодействие альфа и бета - излучения с веществом Упругое рассеяние происходит в результате электромагнитного взаимодействия заряженных частиц с кулоновским полем ядра – изменяется направление движения частицы, а её энергия остается неизменной. Неупругое рассеяние происходит в результате взаимодействия заряженных частиц с электронами атома, при этом часть энергии передается электрону, который либо переходит в более высокое энергетическое состояние (возбуждение), либо отрывается от атома (ионизация). Налетающая частица теряет часть энергии и изменяет направление своего движения. Электроны, оторванные от атома способны на вторичную ионизацию атомов среды. Тормозное излучение возникает при торможении заряженной частицы в электрическом поле атомного ядра и характерно для быстрых бета – частиц. Для остальных частиц радиационные потери энергии минимальны, а ионизационные потери играют доминирующую роль.

Пробеги альфа и бета – частиц в воздухе и биологической ткани, см Энергия частиц, Мэв Альфа - частица Бета - частица Воздух Ткань 0, 05 0, 1 0, 6 1, 0 2, 0 3, 0 5, 0 0, 06 0, 1 0, 38 0, 52 1, 0 1, 7 3, 5 7, 2 х10 -4 1, 4 х10 -3 2, 2 х10 -3 4, 4 х10 -3 2, 7 9, 3 150 290 660 1000 1700 3, 4 х10 -3 0, 012 0, 17 0, 34 0, 78 1, 2 2, 1 Поскольку радиационные потери бета – частиц пропорциональны их энергии и квадрату атомного номера материала защиты, то для снижения тормозного излучения применяют материалы с малым атомным номером (алюминий, оргстекло и т. д. ).

Взаимодействие фотонного излучения с веществом Комптон-эффект Фотоэффект Эффект образования пар

Границы энергетических областей, Мэ. В Вещество Фотоэффект Комптон - Образование эффект пар Алюминий До 0, 05 – 15 Более 15 Свинец До 0, 5 – 5, 0 Более 5

Классификация нейтронов Условное наименование Энергетический диапазон нейтронов Медленные: En< 1 кэ. В ультрахолодные En< 10 -7 кэ. В холодные 10 -7 э. В20 Мэ. В