Действие излучения на вещество

Ядерные излучения оказывают физическое, химическое и биологическое воздействие на облучаемую среду. Определение степени этого воздействия – одна из задач раздела метрологии, называемого дозиметрией. Дозиметрия основывается на законах взаимодействия излучения с веществом.

Наиболее характерным результатом такого взаимодействия является наряду с возбуждением атомов ионизация окружающей среды. Заряженные частицы (электроны, a-частицы, протоны и др.) при прохождении через вещество могут производить ионизацию непосредственно в прямых соударениях с атомами вещества. Излучение, состоящее из незаряженных частиц, взаимодействие которых со средой приводит к образованию вторичных частиц, способных вызывать непосредственную ионизацию, называется косвенно ионизирующим излучением.

К косвенно ионизирующим относятся, в частности, гамма-излучение и излучение нейтронов. Прохождение g-квантов через вещество сопровождается образованием фото- и комптоновских электронов, а также при Е > 1, 02 МэВ – электронно-позитронных пар, кинетическая энергия которых и расходуется на ионизацию вещества.

Существенно отличается процесс прохождения через вещество нейтронов. Они практически не взаимодействуют с атомными электронами. Взаимодействие происходит с ядрами атомов, при этом основными видами взаимодействия являются упругое и неупругое рассеяние, радиационный захват, реакции с образованием других частиц (в том числе расщепление и деление тяжёлых ядер).

При упругом рассеянии между нейтроном и ядром происходит перераспределение кинетической энергии без изменения внутреннего состояния ядра.

При неупругом рассеянии нейтрон передает ядру часть кинетической энергии, переводя его в возбуждённое состояние. Возбуждённое ядро, возвращаясь в основное состояние, испускает g-кванты. Ядерные реакции при попадании нейтрона в ядро происходят с испусканием ряда частиц: протонов, нейтронов, a‑ частиц и др.

Часть энергии нейтронов, трансформирующаяся при их прохождении через вещество в энергию различных заряженных частиц и осколков ядер, уходит на ионизацию атомов и молекул.

Прохождение ионизирующего излучения через вещество может приводить к необратимым изменениям его микроструктуры, появлению дефектов в кристаллической решётке. При достаточно мощном облучении за счёт этих дефектов заметно изменяются и различные макроскопические свойства тела – механические и тепловые. Изменение решётки влияет и на структуру электронных энергетических зон, т. е. на электрические и оптические свойства.

Так как энергия ядерных излучений значительно превышает энергию даже наиболее прочных химических связей, облучение способно разрывать их и вызывать различные химические реакции, инициирование которых иными способами невозможно. Возникающие при облучении возбуждённые молекулы и ионы вступают в химические реакции непосредственно либо через промежуточное образование химически высоко активных радикалов.

Физико-химические процессы лежат в основе биологического действия ионизирующего излучения. Начальный этап радиационного воздействия на биологические объекты развивается на атомарном уровне – ионизация и возбуждение. Время протекания этого процесса составляет 10^–16–10^–14 с. В дальнейшем наблюдаются изменения в молекулярной структуре облучаемого живого организма. Длительность этого процесса составляет 10^–10–10^–6 с.

Диссоциация молекул, образование новых соединений под воздействием радикалов ведут к изменениям в клеточной структуре биологической ткани. Это приводит к нарушению обменных процессов, функции тканей и органов, в результате чего происходит поражение всего организма. Оно может проявиться либо через сравнительно короткий промежуток времени после облучения (несколько часов, дней) – острая лучевая болезнь, либо через длительный промежуток времени (несколько лет или далее десятилетий) – отдалённые последствия.

Кроме того, в организме под действием излучения может произойти нарушение структурных элементов, ответственных за наследственность. В большинстве случаев эти изменения, прошедшие незамеченными для данного индивидуума, могут оказаться опасными для следующего поколения – генетические последствия.