Ионизирующее излучение испускается при радиоактивном распаде вещества. Радиоактивный распад происходит при спонтанном распаде ядра атома за счет испускания частицы (альфа-частицы, электрона или одного или нескольких нейтронов).

Имеются четыре формы ионизирующего излучения: альфа-частицы, бета-частицы, гамма-лучи и, косвенно, нейтроны. Все они обладают достаточной энергией, чтобы ионизировать атомы, другими словами, отделить от атома один или более электронов.

Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов и эквивалентна ядру атома гелия. Альфа-частицы легко ионизируют материал, с которым приходят в соприкосновение, и передают энергию электронам этого материала. В воздухе альфа-частица может перемещаться на расстояние до нескольких миллиметров, но в общем случае при увеличении плотности среды это расстояние снижается. Например, альфа-частицы не проникают через внешний слой кожи человека, но при вдыхании они могут повредить ткани легкого.

Бета-частица - это электрон или позитрон, и она намного легче, чем альфа-частица. Поэтому, чтобы потерять энергию, ей потребуется переместиться на большее расстояние, чем альфа-частице. В воздухе бета-частица со средней энергией перемещается приблизительно на метр, а в тканях тела - на один миллиметр.

Гамма-лучи - это электромагнитное излучение. Радиоактивный элемент может испускать гамма-лучи (дискретными пучками или квантами, называемыми фотонами), если после альфа- или бета-распада ядро остается в возбужденном состоянии. Гамма-лучи могут проникать глубже, чем альфа- и бета-частицы. Фотон гамма-лучей с высокой энергией может проходить сквозь человека, совершенно не взаимодействуя с тканями тела. При взаимодействии с тканями тела гамма-лучи ионизируют атомы. Понятие "рентгеновские лучи" также часто используется для обозначения гамма-лучей, испускаемых в процессе радиоактивного распада, которые приходятся на нижнюю часть энергетического спектра электромагнитного излучения, испускаемого в результате радиоактивного распада.

Нейтроны - это нейтральные частицы, которые не обладают электрическим зарядом. В отличие от альфа- и бета-частиц, они не взаимодействуют с электронами и не вызывают непосредственно ионизацию. Однако нейтроны разными путями могут ионизировать косвенно: упругие столкновения, неупругое рассеяние, реакции захвата или процессы расщепления. Эти процессы в различной степени приводят к испусканию гамма-лучей, бета-радиации и, в случае расщепления, большего количества нейтронов. Более детальное объяснение можно найти в Health Effects of Exposure to Low Levels of Ionizing Radiation (BEIR V report), National Academy Press, 1990, pp. 15-17.

Измерение радиации

Ионизирующее излучение может измеряться в следующих единицах: электрон-вольты, эрги и джоули. Электрон-вольт (сокращенно эВ) - это единица энергии, связанная с перемещением электрона. В атоме водорода (один протон, один электрон) электрон "крепко связан". Для того чтобы оторвать этот электрон от протона, требуется энергия. Чтобы полностью оторвать этот электрон от протона, потребуется 13,6 электрон-вольт. В этом случае мы говорим, что атом "ионизирован". Выражаясь жаргонно, "энергия ионизации" крепко связанного электрона в атоме водорода равна 13,6 электрон-вольт.

Электроны - это очень легкие частицы, поэтому не следует ожидать, что электрон-вольт будет представлять собой очень большую энергию. Один электрон-вольт равен всего 1,6 ґ 10-19 джоулей энергии, другими словами 0,16 миллиард-миллиардной части джоуля. Один джоуль (сокращенно Дж) эквивалентен количеству энергии, потребляемой лампочкой мощностью в один ватт, для того чтобы светить в течение одной секунды. Энергия, связанная с радиоактивным распадом, составляет от тысяч до миллионов электрон-вольт на ядро, вот почему распад одного ядра обычно ведет к большому числу ионизаций.

Радиоактивность вещества измеряется числом ядер, распадающихся в единицу времени. Стандартная международная единица измерения радиоактивности называется беккерель (сокращенно Бк), и она равна одному распаду в секунду (dps). Радиоактивность также измеряется в кюри - историческая единица, которая определяется числом расщеплений в секунду в одном грамме радия-226 (37 миллиардов). Таким образом, 1 кюри = 37 миллиардов Бк, 1 пикокюри = 0,037 Бк, и 1 Бк = 27 пикокюри. Один пикокюри (сокращенно пКи) - это 10-12 (или 0,000000000001) кюри. Радиоактивность также измеряется числом количества распадов в минуту (dpm). Одна единица dpm = 1/60 Бк.

Удельная активность определяет радиоактивность единицы веса вещества. Она измеряется в кюри на грамм или беккерель на грамм. Это позволяет сравнить, насколько одно вещество более или менее радиоактивно относительно другого. Удельная активность радионуклида обратно пропорциональна его атомному весу и периоду полураспада.

Экологические и биологические измерения радиоактивности обычно представляются как измерения концентрации радиоактивности в почве, воде, воздухе или в ткани. Примерами таких единиц измерений являются пикокюри на литр, беккерель на кубический метр, пикокюри на грамм, количество ращеплений на минут на 100 квадратных сантиметров. Иногда вес радиоактивного материала на единицу почвы или ткани может даваться в "частей на миллион" (или ppm) и выражаться в единицах массы. Эта величина может быть преобразована в единицы радиоактивности, поскольку нам известны удельные активности различных радионуклидов. Число расщеплений в минуту на 100 квадратных сантиметров (dpm/100 см2) - это единица, обычно используемая для измерения поверхностного загрязнения объекта, такого как бетон или металл.

Измерение доз

Если ваше тело окажется рядом с источником радиации, то вы подвергнетесь облучению. Чтобы вычислить вредный фактор, связанный с этим облучением, необходимо рассчитать поглощенную дозу. Она определяется как энергия, переданная определенной массе ткани. Обычно доза распространяется по телу неравномерно. Радиоактивное вещество может быть выборочно поглощено определенными органами или тканями.

Дозы радиации часто вычисляются в единицах "рад" (доза поглощенной радиации - от английского radiation absorbed dose). Один рад равен 100 эрг/грамм или, другими словами, 100 эрг энергии, поглощенной одним граммом некоторой ткани организма. Эрг равен одной десятимиллионной джоуля. Сто радов эквивалентно одному джоулю/килограмм (Дж/кг), что также равно одному грею (Гр), стандартной международной единице измерения дозы радиации. А если учесть время? Тогда мы будем говорить об интенсивности дозы (доза в единицу времени). Примером единицы измерения интенсивности дозы является миллирад/час. С точки зрения повседневной жизни, джоуль (или даже более, если взять эрг) - это довольно малое количество энергии. Но с точки зрения возможности ионизации молекул или элементов, джоуль - это огромное количество энергии. Один джоуль ионизирующего излучения может вызвать десятки тысяч триллионов ионизаций.

Рентген измеряет величину ионизации в воздухе, вызванной радиоактивным распадом ядер. В бескостной биологической ткани один рентген эквивалентен приблизительно 0,93 рад. В воздухе один рентген эквивалентен 0,87 рад. Шкала с делениями мР/ч дает показания в миллирентген/час.

С физической точки зрения наиболее простой способ измерения воздействия излучения - это измерить количество энергии, переданной некоторой единице веса материала. Однако, передача энергии - это только один аспект проблемы, связанной со способностью излучения вызывать биологическое повреждение. Повреждение, вызванное единицей переданной энергии, больше, если она передается на более коротком расстоянии. Следовательно, альфа-частица, которая передаст всю свою энергию на очень коротком расстоянии, вызовет большее повреждение на единицу энергии, чем гамма-лучи, которые будут передавать свою энергию на более длинном отрезке пути. Вес биологического вещества, которому была передана энергия, также играет важную роль. Чувствительность различных органов - различна. В попытке зафиксировать относительную эффективность различных видов излучения, вызывающих биологические повреждения, было введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ).

Значение ОБЭ различно в зависимости от облученного органа, длительности воздействия и других факторов. В регулирующей практике используется единственный показатель преобразования переданной энергии в рад, называемый коэффициент качества, хотя это представляет собой значительное упрощение реальных рисков. Для бета- и гамма-излучения используется коэффициент качества, равный единице, т.е. 1 рад = 1 бэр. Альфа-излучение вызывает большее поражение на единицу энергии, поглощенной живой тканью. В настоящее время коэффициент качества для альфа-излучения равен 20 (чтобы получить в бэрах, надо альфа-излучение в радах умножить на 20). Мы говорим "в настоящее время", потому что коэффициент качества для альфа-излучения с годами меняется. Коэффициент качества, обычно используемый для нейтронов, в настоящее время равен 10.

Коэффициенты преобразования дозы (КПД) используются для преобразования количества радиоактивности (измеряемой в кюри или беккерелях), попадающей в организм человека при вдыхании или с пищей, в дозу (измеряемую в бэрах или зивертах). Коэффициенты КПД, использующиеся в нормативно-правовой практике, рассчитываются как с использованием экспериментальных данных, так и на основе математических моделей.