Кравців Р.Й., Салата В.З., Семанюк В. І., Фреюк Д.В., Ярошович І. Г. Ветеринарна радіологія

Подождите немного. Документ загружается.

Ветеринарна радіологія

енергія зв’язку електронів з ядром максимальна на найближчій до

ядра К-оболонці, це вільне місце заповнюється одним із електро-

нів з інших, більш віддалених орбіт.

При такій перебудові електронних орбіт атома вивільняєть-

ся енергія у вигляді рентгенівського випромінювання. Воно на-

зивається харак теристичним рентгенівським випромінюванням,

бо величина його енергії є строго визначеною, характерною для

кожного елемента, який зазнає перебудови електронних орбіт. Ця

пере будова закінчується тоді, коли заповнюються електронами

всі найближчі до ядра орбіти, а дірка переміщується на верхню,

валентну, оболонку атома. Атом при цьому стає іоном.

Які існують шляхи розпаду ізотопа?

Розпад одного і того ж ізотопу не обов’язково проходить за

однією і тією ж схемою. Ізотоп може розпадатися різними шляха-

ми з більшою або меншою ймовірністю.

Наприклад:

Сu → β

(19% - позитронний розпад),

Cu +

-1

e →

Ni (42% - К-захоплення),

Сu → β

Zn (39% - електронний розпад).

Перетворення ізотопу

Сu в нікель здійснюється шляхом

позитронного розпаду і К-захоплення, а в цинк – шляхом елек-

тронного розпаду.

Що представляють собою збуджені ядра?

При ядерних перетвореннях ядра ново утворених атомів мі-

стять надлишкову енергію, тобто знаходяться у збудженому ста-

ні. Стабілізуючись, збуджене ядро випро мінює надлишок енергії

у вигляді гамма-випромінювання, що являє собою електромагніт-

ні коливання високої частоти й енергії.

На відміну від рентгенівських променів, які теж є електро-

магнітним коливанням високої частоти й енергії, хоч дещо мен-

шої, ніж γ-випромінювання, останнє має ядерне походження.

Гамма-випромінювання може супроводжувати будь-який

тип радіоактивного розпаду. Наприклад, ядро радіоактив ного

ізотопу кобальту-60 перетворюється у нікель шляхом β-електрон-

ного розпаду з випромінюванням при цьому двох гамма-квантів з

енергіями 1,17 і 1,33 мегаелектронвольт:

Сo → β

Ni + γ

1,17

+ γ

1,33

Одиниці енергії в атомній фізиці

У яких одиницях визначається енергія радіоактивних випромінювань?

Енергія радіоактивних випромінювань визначається в оди-

ницях, похідних від електронвольта.

Один електронвольт (еВ) – це така величина енергії, яку одер-

жує електрон, рухаючись в електричному полі з різницею потен-

ціалів в один вольт. Один електронвольт становить 1,6×10

-12

ерга,

або 3,84×10

-20

калорії.

Енергія радіоактивного випромінювання оцінюється в тися-

чах і мільйонах електронвольтів – кілоелектронвольт (кеВ) і мега-

електронвольт (МеВ). Ця енергія сконцентрована у надзвичайно

малій масі. Маса електрона складає 9,1×10

-28

грама. Маса нуклонів

є в 1840 разів більшою, ніж маса електрона, а маса α-частинки –

в чотири рази більшою, ніж маса нуклона.

У зв’язку з високою енергетичною насиченістю радіоактив-

ні випромінювання при проходженні через речовину виконують

значну роботу, яка затрачується в основному на руйнування елек-

тронних орбіт атомів і молекул.

Фізико-хімічні основи радіології

Ветеринарна радіологія

Радіоактивне випромінювання в електричному полі

Як поводиться радіоактивне випромінювання у магнітному

або електростатичному полі?

Всі три види радіоактивного випромінювання –

α, β і γ мож-

на розділити, якщо помістити їх джерело в магнітне або елек-

тростатичне поле. Заряджені позитивно

α-частинки (ядра гелію)

відхиляються при цьому до негативного полюса, заряджені нега-

тивно

−

-частинки (електрони) – до позитивного, електрично ж

незаряджені

γ-промені проходять в електростатичному полі без

відхилення, як показано на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Відхилення радіоактивного випромінювання

в електричному полі.

Іонізація та збудження атомів

Що відбувається з енергією радіоактивного випромінювання

при взаємодії з атомами середовища?

Ра діоактивне випромінювання, взаємодіючи з атомами сере-

довища, втрачає свою енергію на іонізацію атомів і молекул, тобто

на руйнування їх електронних орбіт, на вибивання з них електро-

нів. Мінімаль на енергія, достатня для того, щоби вибити електрон

з орбіти атома, в серед ньому становить 35 еВ, тоді як енергія ра-

діоактивних випромінювань обчислюється в тисячах і мільйонах

електронвольтів.

Таким чином, на своєму шляху радіоактивне випроміню ван ня

утворює велику кількість пар іонів, які вступають у специфічні,

так звані радіохімічні реакції. Енергія випроміню вання передаєть-

ся електронам, вибитим з атомних орбіт. Ці електрони мають від-

повідну кінетичну енергію і називаються вторинними електро-

нами. Коли енергія радіоактивного випро мінювання в процесі

численних актів взаємодії з атомами речо вини й утворення вто-

ринних електронів зменшиться до 30-35 еВ, залишок енергії витра-

чається на збудження атомів. Збудження атомів полягає у перемі-

щенні електронів на вищі орбіти, які характеризуються більшою

енергією руху електрона довкола ядра і, відповідно, меншою енер-

гією його зв’язку з ядром атома. Атом знаходиться в збудженому

стані, як правило короткий час, після цього електрон повертаєть-

ся на стабільну орбіту, випро мінюючи надлишок енергії у вигляді

електромагнітного випро мінювання, переважно видимої або уль-

трафіолетової частини спектра. В збудженому стані атом має здат-

ність вступати в реакції, недоступні для незбудженого атома. Такі

реакції називаються фотохімічними.

Таким чином, радіоактивне випромінювання при взаємодії з

атомами речовини втрачає свою енергію на іонізацію та збуджен-

ня атомів середовища, в результаті цього в середовищі з’являють-

ся вторинні електрони, іонізовані ж та збуджені атоми вступають

у радіохімічні та фотохімічні реакції.

Корпускулярна і хвильова радіація

Що представляє собою корпускулярна і хвильова радіація?

З перелічених радіоактивних випромінювань

α- і β-випромі-

нювання характе ризуються наявністю маси, точніше – маси спо-

кою. У зв’язку з тим

α- і β-випромінювання, а також протони і

нейтрони, яким надана кінетична енергія руху, відносять до кор-

пускулярної радіації.

На відміну від корпускулярної радіації

γ-випромінювання

відносять до хвильової радіації. Хвильові властивості

γ-променів,

які належать до електромагнітних коливань, проявляються в їх ін-

терференції та дифракції. Довжина хвиль цих променів приблиз-

Фізико-хімічні основи радіології

Ветеринарна радіологія

но дорівнює 10

-12

м. Як і всі інші види електромагнітних коливань

у природі (радіохвилі, інфрачервоне коливання, видиме світло,

ультрафіолет і рентгенівські промені),

γ-випромінювання можуть

іс нувати тільки в русі з постійною швидкістю близько 3×10

см/с у

вакуумі. Поглинання і роз сіяння електромагнітних коливань при

проходженні через речо вину ведуть до втрати їх енергії, що про-

являється, зокрема, у збільшенні довжини хвилі

γ-радіації.

При взаємодії з речовиною енергія високочастотного електро-

магнітного випромінювання передається речовині дискретними

порціями – квантами. У зв’язку з тим, починаючи з видимої ча-

стини, в ультрафіолеті, а особливо в рентгенівській і гамма-ча-

стинах спектра електромагнітні коливання проявляють не тільки

хвильові властивості, але поводяться як згустки енергії – кванти,

або фотони.

Фотони, особливо гамма-кванти, взаємо діють з атомами ре -

човини як пружні тіла, вибивають шляхом безпосереднього

пружного зіткнення електрони з їх орбіт, утво рюючи вторинні

електрони, або виводять електрони на вищі енергетичні орбіти,

переводячи атоми в стан збудження.

Втративши всю свою енергію, квант електромагнітного коли-

вання перестає існувати.

Таким чином, електромагнітне коливання (в тому числі й

радіація) може існувати тільки в русі.

Маса спокою фотонів дорівнює нулю, зате вони характеризу-

ються масою руху.

Як відбувається взаємодія зарядженої корпускулярної

радіації з речовиною?

Заряджена корпускулярна радіація (

α- і β-частинки) взає-

модіє з речовиною електрично, шляхом взаємного електричного

притягання і відштовхування з електронами й частково з ядра-

ми та при цьому зазнає електричного опору при проходженні че-

рез неї. У зв’язку з цим шлях, який проходить у речовині зарядже-

на радіоактивна корпускула, залежить від характеристик як самої

радіоактивної частинки (енергія, маса і заряд), так і речовини, че-

рез яку вона проходить, зокрема від її густини.

Чим більший заряд радіоактивної частинки, тим більша ін-

тенсивність її електричної взаємодії з електронами атома, тим

швидше проходить процес іонізації атомів речовини. У зв’язку з

тим a-частинки лише за рахунок заряду іонізують більш інтенсив-

но, ніж

β-частинки. З тієї ж причини вони значно швидше втра-

чають свою енергію і проходять менший шлях порівняно з

β-ча-

стинками.

Чим більша маса радіоактивної частинки, тим більша інтен-

сивність її взаємодії зі складовими частинами атомів середовища.

Том у α-частинки іонізують більш інтенсивно, ніж

β-частинки та-

кож за рахунок більшої маси.

Густина іонізації та швидкість втрати енергії

Що представляють

собою густина іонізації та швидкість втрати енергії?

Величина іонізуючої здатності різних видів радіоактивних

випромінювань характеризується кількістю пар іонів, яка утво-

рюється на одиниці шляху в певному середовищі (густиною іоні-

зації) або швидкістю втрати енергії, яку можна визначити для за-

ряджених частинок за допомогою вимірювання шляху їх пробігу

в середовищі.

Швидкість втрати енергії радіоактивної частинки (ШВЕ)

збільшується пропорційно до її маси m і квадрату її заряду z. З

другого боку, швидкість втрати енергії зменшується пропорційно

до квадрату швидкості руху частинки в середовищі

υ. Чим швид-

ше рухається частинка, тим менше вона взаємодіє з речовиною і

тим повільніше тратить енергію на іонізацію атомів середовища:

———

ШВЕ ≈

У міру втрати енергії, а отже й швидкості, іонізуюча здатність

радіоактивної частинки збільшується, і в кінці свого шляху, галь-

муючись у середовищі, вона швидко втрачає свою енергію, обу-

мовлює велику густину іонізації.

Отже, заряджені радіоактивні корпускули максимально іоні-

Фізико-хімічні основи радіології

Ветеринарна радіологія

зують наприкінці свого шляху. Так, електрон з енергією 1 МеВ при

проходженні через воду втрачає на початку пробігу 200 еВ на 1 мі-

крон шляху, а в кінці швидкість втрати енергії зростає в 300 разів.

Яка залежність онізуючої здатності радіації

від густини речовини?

Чим більша густина речовини, тим швидше втрачає енер-

гію радіоактивна частинка, проходячи через неї. Отже, швидкість

втрати енергії радіоактивних випромінювань пропорційна густи-

ні речовини, через яку вони проходять. Ця закономірність вла-

стива як зарядженим корпускулам, так і

- та рентгенівським про-

меням. Виняток становлять нейтрони.

Альфа-частинки

Що представляють собою α-частинки і чим характеризується

α-випромінювання?

Альфа-частинки – це потік ядер гелію, які випромінюються

ядрами важких радіоактивних елементів, таких, як уран, радій,

торій, полоній та інші. Важливою характеристикою α-випроміню-

вань є те, що кожен з α-радіоактивних ізотопів випромінює

α-ча-

стинки однієї енергії. Альфа-випромінювання радіоактивних ізо-

топів характеризується монохроматичним спектром. На рис. 2.3

наведено монохроматичний спектр

α-радіації торію-232. Енергія

α-частинок

232

Тh дорівнює 4 МеВ.

Величини енергії α-частинок важких радіоактивних елемен-

тів лежать у межах від 4 до 8 МеВ.

Рис. 2.3. Монохроматичний спектр α-радіації торію-232.

Як відбувається взаємодія α-частинок з речовиною?

Кількість пар іонів, яку утворює α-частинка на шляху сво-

го пробігу, визначається сотнями тисяч. Завдяки порівняно ви-

сокому зарядові та знач ній масі

α-частинка проходить невеликий

шлях у речовині, зате встигає значно проіонізувати середовище,

особливо в кінці свого шляху. В таблиці 2.2 показані енергії

α-ча-

стинок і шлях їх пробігу в повітрі та м’якій тканині.

Шлях α-частинок у повітрі становить 2-4 см, а в тканині –

25-40 мікронів. Уберегтись від зовнішнього джерела

α-радіації

можна невеликою віддаллю, а руки і поверхню тіла захистити за

допомогою звичайного одягу і рукавичок.

Таблиця 2.2

Енергії α-частинок і шлях їх пробігу в повітрі та м’якій тканині

α-радіоактивний ізотоп Енергія частинки Пробіг у повітрі Пробіг у м’якій тканині

(МеВ) (см) (мкм)

Торій-232 4,0 2,2 28

Уран-238 4,5 2,7 32

Радій-226 4,8 2,7 32

Полоній-210 5,3 3,3 37

Альфа-частинки характеризуються дуже високою питомою

іонізацією. На рис. 2.4 наведений графік іонізаційної здатності

α-частинки радіоактивного полонію при проходженні через м’я-

ку тканину.

Інтенсивність α-випромінювань

Фізико-хімічні основи радіології

Енергія в МеВ

232 Th

Ветеринарна радіологія

Енергія α-частинок

210

Ро дорівнює 5,3 МеВ. На графіку по осі

абсцис відкладений шлях, пройдений

α-частинкою у м’якій ткани-

ні в мікронах, по осі ординат відкладена питома іонізація в кілько-

сті пар іонів на один мікрон пройденого шляху. З графіка видно,

що питома іонізація для

α-частинки виражається тисячами пар

іонів і різко зростає в кінці шляху

α-частинки.

Рис. 2.4. Іонізуюча здатність a-радіації полонію-210

при проходженні через м’яку тканину.

На відрізку шляху в 40 мікронів α-частинка повністю втрачає

свою енергію, її іонізаційна здатність падає до нуля.

У зв’язку з високою іонізаційною здатністю і малим шляхом

пробігу

α-частинки є дуже небезпечним видом іонізуючої радіації

при попаданні всередину організму.

Бета-частинки. Нейтрино

Що представляють собою β-частинки

і чим характеризуються β-випромінювання?

На відміну від

α-розпаду, при β-розпаді, як електронному,

так і позитронному, різні атоми одного й того ж радіоактивного

ізотопу випромінюють

β-частинки з різними енергіями. У зв’язку

з цим говорять про енергетичний спектр

β-випромінювань дано-

го ізотопу, який характеризується відповідними значеннями се-

Кількість пар іонів на 1 µ шляху

Шлях в µ

0 10 20 30 40 50

3000

2000

1000

редньої енергії (Е

сер

) і максимальної енергії (Е

макс

) β-частинок, це

показано на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Енергетичний спектр β-випромінювань

радіоактивного ізотопу.

Середня енергія β-частинок Е

сер

приблизно дорівнює 1/3 мак-

симальної енергії:

сер

≈

макс

Величини Е

макс

та Е

сер

є специфічними для кожного β-ра-

діоактивного ізотопу і служать для ідентифікації ізотопів.

Що представляє собою нейтрино, яка його маса?

При

β-радіоактивному розпаді ядер одного й того ж радіо-

активного ізотопа утворюється завжди один і той же кінцевий

продукт, при тому з ядер радіоактивного ізотопа звільняється од-

накова кількість маси і енергії. Оскільки даний

β-радіоактивний

ізотоп випромінює

β-частинки різних енергій, то залишок енергії

випромінюється з ядер за допомогою нейтрино

. Заряд і маса

спокою нейтрино дорівнюють нулю. Для кожного ізотопа сумарна

енергія

β-частинки і нейтрино є постійною величиною:

+Е

=const.

Кількість бета-частинок

з даною енергією

Есер Е макс

Енергія

Фізико-хімічні основи радіології