Как найти энергию ионизирующего излучения - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Ионизирующим
излучением называется излучение,
взаимодействие которого с веществом
приводит к образованию в этом веществе
ионов разного знака. Ионизирующее
излучение состоит из заряженных и
незаряженных частиц, к которым
относятся также фотоны. Энергию частиц
ионизирующего излучения измеряют во
внесистемных единицах— электрон-вольтах,
эВ. 1эВ = 1,6
10^-19
Дж.

Различают
корпускулярное и фотонное ионизирующее
излучение.

Корпускулярное
ионизирующее излучение —
поток элементарных частиц с массой
покоя, отличной от нуля, образующихся
при радиоактивном распаде, ядерных
превращениях, либо генерируемых на
ускорителях. К нему относятся: α- и
β-частицы, нейтроны (n),
протоны (р) и др.

α-излучение
— это поток частиц, являющихся ядрами
атома гелия и обладающих двумя единицами
заряда. Энергия α-частиц, испускаемых
различными радионуклидами, лежит в
пределах 2-8 МэВ. При этом все ядра данного
радионуклида испускают α-частицы,
обладающие одной и той же энергией.

β-излучение
— это поток электронов или позитронов.
При распаде ядер β-активного радионуклида,
в отличие от α-распада, различные
ядра данного радионуклида испускают
β-частицы различной энергии, поэтому
энергетический спектр β-частиц непрерывен.
Средняя энергия β-спектра составляет
примерно 0,3 Е_тах.
Максимальная
энергия β-частиц у известных в настоящее
время радионуклидов может достигать
3,0-3,5 МэВ.

Нейтроны
(нейтронное излучение) — нейтральные
элементарные частицы. Поскольку нейтроны
не имеют электрического заряда, при
прохождении через вещество они
взаимодействуют только с ядрами атомов.
В результате этих процессов образуются
либо заряженные частицы (ядра отдачи,
протоны, нейтроны), либо -излучение,
вызывающие ионизацию. По характеру
взаимодействия со средой, зависящему
от уровня энергии нейтронов, они условно
разделены на 4 группы:

1) тепловые нейтроны
0,0-0,5 кэВ;

2) промежуточные
нейтроны 0,5-200 кэВ;

3) быстрые нейтроны
200 Кэв — 20 Мэв;

4)
релятивистские нейтроны свыше 20 МэВ.

Фотонное
излучение —
поток электромагнитных колебаний,
которые распространяются в вакууме с
постоянной скоростью 300000 км/с. К нему
относятся -излучение,
характеристическое, тормозное и
рентгеновское
излучение.

Обладая
одной и той же природой, эти виды
электромагнитных излучений различаются
условиями образования, а также
свойствами: длиной волны и энергией.

Так,
-излучение
испускается при ядерных превращениях
или при аннигиляции частиц.

Характеристическое
излучение — фотонное излучение с
дискретным спектром, испускаемое при
изменении энергетического состояния
атома, обусловленного перестройкой
внутренних электронных оболочек.

Тормозное
излучение — связано с изменением
кинетической энергии заряженных
частиц, имеет непрерывный спектр и
возникает в среде, окружающей источник
β-излучения, в рентгеновских трубках,
в ускорителях электронов и т. п.

Рентгеновское
излучение — совокупность тормозного
и характеристического излучений,
диапазон энергии фотонов которых
составляет 1 кэВ – 1 МэВ.

Излучения
характеризуются по их ионизирующей и
проникающей способности.

Ионизирующая
способность
излучения определяется удельной
ионизацией, т. е. числом пар ионов,
создаваемых частицей в единице объема
массы среды или на единице длины пути.
Излучения различных видов обладают
различной ионизирующей способностью.

Проникающая
способность
излучений определяется величиной
пробега. Пробегом называется путь,
пройденный частицей в веществе до
ее полной остановки, обусловленной тем
или иным видом взаимодействия.

α-частицы
обладают наибольшей ионизирующей
способностью и наименьшей проникающей
способностью. Их удельная ионизация
изменяется от 25 до 60 тыс. пар ионов на 1
см пути в воздухе. Длина пробега этих
частиц в воздухе составляет несколько
сантиметров, а в мягкой биологической
ткани — несколько десятков микрон.

β-излучение
имеет существенно меньшую ионизирующую
способность и большую проникающую
способность. Средняя величина удельной
ионизации в воздухе составляет около
100 пар ионов на 1 см пути, а максимальный
пробег достигает нескольких метров при
больших энергиях.

Наименьшей
ионизирующей способностью и наибольшей
проникающей способностью обладают
фотонные излучения. Во всех процессах
взаимодействия электромагнитного
излучения со средой часть энергии
преобразуется в кинетическую энергию
вторичных электронов, которые, проходя
через вещество, производят ионизацию.
Прохождение фотонного излучения через
вещество вообще не может быть
охарактеризовано понятием пробега.
Ослабление потока электромагнитного
излучения в веществе подчиняется
экспоненциальному закону и характеризуется
коэффициентом ослабления р., который
зависит от энергии излучения и свойств
вещества. Но какой бы ни была толщина
слоя вещества, нельзя полностью
поглотить поток фотонного излучения,
а можно только ослабить его интенсивность
в любое число раз.

В
этом существенное отличие характера
ослабления фотонного излучения от
ослабления заряженных частиц, для
которых существует минимальная
толщина слоя вещества-поглотителя
(пробег), где происходит полное поглощение
потока заряженных частиц.

Биологическое
действие ионизирующих излучений.
Под воздействием ионизирующего излучения
на организм человека в тканях могут
происходить сложные физические и
биологические процессы. В результате
ионизации живой ткани происходит разрыв
молекулярных связей и изменение
химической структуры различных
соединений, что в свою очередь приводит
к гибели клеток.

Еще
более существенную роль в формировании
биологических последствий играют
продукты радиолиза воды, которая
составляет 60-70% массы биологической
ткани. Под действием ионизирующего
излучения на воду образуются свободные
радикалы Н·и ОН·, а в присутствии
кислорода также свободный радикал
гидропероксида (НО·₂)
и пероксида водорода (Н₂O₂),
являющиеся сильными окислителями.
Продукты радиолиза вступают в химические
реакции с молекулами тканей, образуя
соединения, не свойственные здоровому
организму. Это приводит к нарушению
отдельных функций или систем, а также
жизнедеятельности организма в целом.

Интенсивность
химических реакций, индуцированных
свободными радикалами, повышается, и в
них вовлекаются многие сотни и тысячи
молекул, не затронутых облучением.
В этом состоит специфика действия
ионизирующего излучения на биологические
объекты, то есть производимый излучением
эффект обусловлен не столько количеством
поглощенной энергии в облучаемом
объекте, сколько той формой, в которой
эта энергия передается. Никакой
другой вид энергии (тепловой, электрической
и др.), поглощенной биологическим
объектом в том же количестве, не
приводит к таким изменениям, какие
вызывают ионизирующие излучения.

Ионизирующая
радиация при воздействии на организм
человека может вызвать два вида эффектов,
которые клинической медициной относятся
к болезням: детерминированные пороговые
эффекты (лучевая болезнь, лучевой
ожог, лучевая катаракта, лучевое
бесплодие, аномалии в развитии плода и
др.) и стохастические (вероятностные)
беспороговые эффекты (злокачественные
опухоли, лейкозы, наследственные
болезни).

Нарушения
биологических процессов могут быть
либо обратимыми, когда нормальная работа
клеток облученной ткани полностью
восстанавливается, либо необратимыми,
ведущими к поражению отдельных органов
или всего организма и возникновению
лучевой
болезни.

Различают две
формы лучевой болезни — острую и
хроническую.

Острая
форма возникает
в результате облучения большими
дозами в короткий промежуток времени.
При дозах порядка тысяч рад поражение
организма может быть мгновенным («смерть
под лучом»). Острая лучевая болезнь
может возникнуть и при попадании внутрь
организма больших количеств
радионуклидов.

Острые
поражения развиваются при однократном
равномерном гамма-облучении всего тела
и поглощенной дозе выше 0,5 Гр. При дозе
0,25…0,5 Гр могут наблюдаться временные
изменения в крови, которые быстро
нормализуются. В интервале дозы 0,5…1,5
Гр возникает чувство усталости, менее
чем у 10 % облученных может наблюдаться
рвота, умеренные изменения в крови. При
дозе 1,5…2,0 Гр наблюдается легкая
форма острой лучевой болезни, которая
проявляется продолжительной
лимфопенией (снижение числа лимфоцитов
— иммунокомпетентных клеток) , в 30…50 %
случаев — рвота в первые сутки после
облучения. Смертельные исходы не
регистрируются.

Лучевая болезнь
средней тяжести возникает при дозе
2,5…4,0 Гр. Почти у всех облученных в первые
сутки наблюдаются тошнота, рвота,
резко снижается содержание лейкоцитов
в крови, появляются подкожные кровоизлияния,
в 20 % случаев возможен смертельный исход,
смерть наступает через 2…6 недель после
облучения. При дозе 4,0…6,0 Гр развивается
тяжелая форма лучевой болезни, приводящая
в 50 % случаев к смерти в течение первого
месяца. При дозах, превышающих 6,0 Гр,
развивается крайне тяжелая форма лучевой
болезни, которая почти в 100 % случаев
заканчивается смертью вследствие
кровоизлияния или инфекционных
заболеваний. Приведенные данные
относятся к случаям, когда отсутствует
лечение. В настоящее время имеется ряд
противолучевых средств, которые при
комплексном лечении позволяют
исключить летальный исход при дозах
около 10 Гр.

Хроническая лучевая
болезнь может развиться при непрерывном
или повторяющемся облучении в дозах,
существенно ниже тех, которые вызывают
острую форму. Наиболее характерными
признаками хронической лучевой болезни
являются изменения в крови, ряд симптомов
со стороны нервной системы, локальные
поражения кожи, поражения хрусталика,
пневмосклероз (при ингаляции плутония-239),
снижение иммунореактивности организма.

Степень
воздействия радиации зависит от того,
является облучение внешним или
внутренним (при попадании радиоактивного
изотопа внутрь организма). Внутреннее
облучение возможно при вдыхании,
заглатывании радиоизотопов и проникновении
их в организм через кожу. Некоторые
вещества поглощаются и накапливаются
в конкретных органах, что приводит к
высоким локальным дозам радиации.
Кальций, радий, стронций и другие
накапливаются в костях, изотопы йода
вызывают повреждение щитовидной железы,
редкоземельные элементы —
преимущественно опухоли печени.
Равномерно распределяются изотопы
цезия, рубидия, вызывая угнетение
кроветворения, атрофию семенников,
опухоли мягких тканей. При внутреннем
облучении наиболее опасны альфа-излучающие
изотопы полония и плутония.

Способность
вызывать отдаленные последствия —
лейкозы, злокачественные новообразования,
раннее старение — одно из коварных
свойств ионизирующего излучения.

Для
решения вопросов радиационной безопасности
в первую очередь представляют интерес
эффекты, наблюдаемые при «малых
дозах» — порядка нескольких сантизивертов
в час и ниже, которые реально встречаются
при практическом использовании атомной
энергии.

Весьма
важным здесь является то, что, согласно
современным представлениям, выход
неблагоприятных эффектов в диапазоне
«малых доз», встречающихся в обычных
условиях, мало зависит от мощности дозы.
Это означает, что эффект определяется
прежде всего суммарной накопленной
дозой вне зависимости от того, получена
она за 1 день, за 1 с или за 50 лет. Таким
образом, оценивая эффекты хронического
облучения, следует иметь в виду, что эти
эффекты накапливаются в организме
в течение длительного времени.

Дозиметрические
величины и единицы их измерения.
Действия ионизирующего излучения на
вещество проявляется в ионизации и
возбуждении атомов и молекул, входящих
в состав вещества. Количественный мерой
этого воздействия служит поглощенная
доза Д_п
— средняя
энергия, переданная излучением единице
массы вещества. Единица поглощенной
дозы — грей (Гр). 1 Гр = 1 Дж/кг. На практике
применяется также внесистемная единица
— 1 рад = 100 эрг/г = 110^-2
Дж/кг = 0,01 Гр.

Поглощенная
доза излучения зависит от свойств
излучения и поглощающей среды.

Для
заряженных частиц (α, β, протонов)
небольших энергий, быстрых нейтронов
и некоторых других излучений, когда
основными процессами их взаимодействия
с веществом являются непосредственная
ионизация и возбуждение, поглощенная
доза служит однозначной характеристикой
ионизирующего излучения по его
воздействию на среду. Это связано с
тем, что между параметрами,
характеризующими данные виды излучения
(поток, плотность потока и др.) и параметром,
характеризующим ионизационную
способность излучения в среде —
поглощенной дозой, можно установить
адекватные прямые зависимости.

Для
рентгеновского и -излучений
таких зависимостей не наблюдается,
так как эти виды излучений косвенно
ионизирующие. Следовательно, поглощенная
доза не может служить характеристикой
этих излучений по их воздействию на
среду.

До
последнего времени в качестве
характеристики рентгеновского и
-излучений
по эффекту ионизации используют так
называемую экспозиционную дозу.
Экспозиционная доза выражает энергию
фотонного излучения, преобразованную
в кинетическую энергию вторичных
электронов, производящих ионизацию в
единице массы атмосферного воздуха.

За
единицу экспозиционной дозы рентгеновского
и -излучений
принимают кулон на килограмм (Кл/кг).
Это такая доза рентгеновского или
-излучения,
при воздействии которой на 1 кг сухого
атмосферного воздуха при нормальных
условиях образуются ионы, несущие 1
Кл электричества каждого знака.

На
практике до сих пор широко используется
внесистемная единица экспозиционной
дозы — рентген. 1 рентген (Р) —
экспозиционная доза рентгеновского и
-излучений,
при которой в 0,001293 г (1 см³
воздуха при нормальных условиях)
образуются ионы, несущие заряд в одну
электростатическую единицу количества
электричества каждого знака или
1 Р=2,5810^-4
Кл/кг. При экспозиционной дозе в 1 Р будет
образовано 2,0810⁹
пар ионов в 0,001293 г атмосферного воздуха.

Исследования
биологических эффектов, вызываемых
различными ионизирующими излучениями,
показали, что повреждение тканей связано
не только с количеством поглощенной
энергии, но и с ее пространственным
распределением, характеризуемым
линейной плотностью ионизации. Чем выше
линейная плотность ионизации, или,
иначе, линейная передача энергии частиц
в среде на единицу длины пути (ЛПЭ), тем
больше степень биологического
повреждения. Чтобы учесть этот эффект,
введено понятие эквивалентной дозы.

Доза
эквивалентная H_T_,_R
— поглощенная
доза в органе или ткани D_T_,_R,
умноженная
на соответствующий взвешивающий
коэффициент для данного излучения W_R:

H_t_,_r
=W_RD_T_,_R

Единицей
измерения эквивалентной дозы является
Джкг^-1,
имеющий специальное наименование зиверт
(Зв).

Значения
W_R
для
фотонов, электронов и мюонов любых
энергий составляет 1, для α-частиц,
осколков деления, тяжелых ядер —
20.
Взвешивающие коэффициенты для отдельных
видов излучения при расчете эквивалентной
дозы:

Фотоны
любых энергий…………………………………………………….1
Электроны
и мюоны (менее 10 кэВ)……………………………………….1
Нейтроны
с энергией менее 10 кэВ…………………………………………5

от
10 кэВ до 100 кэВ ……….………………………………………………10

от
100 кэВ до 2 МэВ………………………………………………………..20

от
2 МэВ до 20 МэВ………………………………………………………..10

более
20 МэВ…………………………………………………………………5

Протоны, кроме
протонов отдачи,

энергия
более 2 МэВ………………………………….………………5

Альфа-частицы,

осколки
деления, тяжелые ядра………………………………………….20

Доза
эффективная —
величина, используемая как мера риска
возникновения отдаленных последствий
облучения всего тела человека и отдельных
его органов с учетом их радиочувствительности
Она представляет сумму произведений
эквивалентной дозы в органе Н_τТ
на
соответствующий взвешивающий коэффициент
для данного органа или ткани W_T:

где
Н_τТ
— эквивалентная
доза в ткани Т
за
время τ.

Единица
измерения эффективной дозы — Дж × кг^-1,
называемая зивертом (Зв).

Значения
W_T
для
отдельных видов ткани и органов приведены
ниже:

Вид
ткани, орган

W₁

Гонады………………………………………………………………………………………………….0,2

Костный
мозг, (красный), легкие, желудок………………………………0,12

Печень,
грудная железа, щитовидная железа.
……………………………0,05

Кожа……………………………………………………………………………0,01

Поглощенная,
экспозиционная и эквивалентная дозы,
отнесенные к единице времени, носят
название мощности соответствующих
доз.

Самопроизвольный
(спонтанный) распад радиоактивных
ядер следует закону:

N
= N₀

ехр(-λt),

где
N₀
—
число ядер в данном объеме вещества в
момент времени t
= 0 ; N
—
число ядер в том же объеме к моменту
времени t;
λ
— постоянная распада.

Постоянная
λ имеет смысл вероятности распада ядра
за 1 с; она равна доле ядер, распадающихся
за 1 с. Постоянная распада не зависит
от общего числа ядер и имеет вполне
определенное значение для каждого
радиоактивного нуклида.

Приведенное выше
уравнение показывает, что с течением
времени число ядер радиоактивного
вещества уменьшается по экспоненциальному
закону.

В
связи с тем, что период полураспада
значительного числа радиоактивных
изотопов измеряется часами и сутками
(так называемые короткоживущие изотопы),
его необходимо знать для оценки
радиационной опасности во времени
в случае аварийного выброса в окружающую
среду радиоактивного вещества, выбора
метода дезактивации, а также при
переработке радиоактивных отходов и
последующем их захоронении.

Описанные
виды доз относятся к отдельному человеку,
то есть являются индивидуальными.

Просуммировав
индивидуальные эффективные эквивалентные
дозы, полученные группой людей, мы
придем к коллективной эффективной
эквивалентной дозе, которая измеряется
в человеко-зивертах (чел-Зв).

Следует ввести
еще одно определение.

Многие
радионуклиды распадаются очень медленно
и останутся в отдаленном будущем.

Коллективную
эффективную эквивалентную дозу, которую
получат поколения людей от какого-либо
радиоактивного источника за все
время его существования, называют
ожидаемой
(полной) коллективной эффективной
эквивалентной дозой.

Активность
препарата — это
мера количества радиоактивного
вещества.

Определяется
активность числом распадающихся атомов
в единицу времени, то есть скоростью
распада ядер радионуклида.

Единицей
измерения активности является одно
ядерное превращение в секунду. В
системе единиц СИ она получила название
беккерель
(Бк).

За
внесистемную единицу активности принята
кюри (Ки) — активность такого числа
радионуклида, в котором происходит
3,7×10¹⁰
актов распада в секунду. На практике
широко пользуются производными Ки:
милликюри — 1 мКи = 1 ×10^-3
Ки; микрокюри — 1 мкКи = 1 ×10^-6
Ки.

Измерение
ионизирующих излучений.
Необходимо помнить, что не существует
универсальных методов и приборов,
применимых для любых условий. Каждый
метод и прибор имеют свою область
применения. Неучет этих замечаний
может привести к грубым ошибкам.

В
радиационной безопасности используют
радиометры, дозиметры и спектрометры.

Радиометры
—
это приборы, предназначенные для
определения количества радиоактивных
веществ (радионуклидов) или потока
излучения. Например, газоразрядные
счетчики (Гейгера-Мюллера).

Дозиметры
—
это приборы для измерения мощности
экспозиционной или поглощенной дозы.

Спектрометры
служат
для регистрации и анализа энергетического
спектра и идентификации на этой основе
излучающих радионуклидов.

Нормирование.
Вопросы
радиационной безопасности регламентируется
Федеральным законом «О радиационной
безопасности населения», нормами
радиационной безопасности (НРБ—99) и
другими правилами и положениями. В
законе «О радиационной безопасности
населения» говорится: «Радиационная
безопасность населения — состояние
защищенности настоящего и будущего
поколений людей от вредного для их
здоровья воздействия ионизирующего
излучения» (статья 1).

«Граждане
Российской Федерации, иностранные
граждане и лица без гражданства,
проживающие на территории Российской
Федерации, имеют право на радиационную
безопасность. Это право обеспечивается
за счет проведения комплекса мероприятий
по предотвращению радиационного
воздействия на организм человека
ионизирующего излучения выше
установленных норм, правил и нормативов,
выполнения гражданами и организациями,
осуществляющими деятельность с
использованием источников ионизирующего
излучения, требований к обеспечению
радиационной безопасности» (статья
22).

Гигиеническая
регламентация ионизирующего излучения
осуществляется
Нормами радиационной безопасности
НРБ—99 (Санитарными правилами СП
2.6.1.758—99). Основные дозовые пределы
облучения и допустимые уровни
устанавливаются для следующих категорий

облучаемых лиц:

персонал — лица,
работающие с техногенными источниками
(группа А) или находящиеся по условиям
работы в сфере их воздействия (группа
Б);
все население,
включая лиц из персонала, вне сферы и
условий их производственной
деятельности.

Для
категорий облучаемых лиц устанавливают
три класса нормативов: основные
пределы доз (ПД), табл. 8, допустимые
уровни, соответствующие основным
пределам доз, и контрольные уровни.

Таблица 8

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

Ionization energy can be defined as the minimum amount of energy required to remove the valence electron i.e. the most loosely bound electron from an isolated gaseous atom or ion. It is important to note the term isolated gaseous atom as if the atom is not isolated, then the energy required may be more due to the interatomic forces.

Let’s learn about Ionization Energy in detail in this article.

What is Ionization Energy?

Ionization Energy is defined as the difficulty in removing the electron from an atom or ion.

X + Δ ⟶ X⁺+ e⁻

Ionization is an endothermic process as the energy needs to be supplied in order to remove the electron. The ionization energy increases as the removal of electrons takes place due to the fact that the atom now gains a +ve charge and the electrons are held more tightly. Thus it is difficult to remove an electron from a cation.

Ionization energy or ionization potential is measured in electronvolts (eV) or KJ/mol. eV is a preferred unit in physics while kJ/mol is a preferred unit in chemistry as chemistry generally deals with 1 mole of an atom.

Factors Affecting Ionization Energy

Factors that affect the Ionization Energy of any atom and molecule are:

If an atom or ion is positively charged then the electrons are more tightly held by the nucleus, so the ionization energy is high.
If the number of shells is less i.e. the electrons are near to the nucleus then the IE is high and vice versa.
It is difficult to remove the inner electrons as compared to the outer electrons due to this reason.
The IE is less when there is more than 1 electron in a shell due to the interelectronic repulsions.
An atom with lower IE acts as a good reducing agent while those with high IE act as a good oxidizing agent.

Ionization Energy using Bohr’s Atomic Model

According to Bohr’s model of the atom, electrons can exist only in fixed paths called orbits. The electrons revolve around the nucleus in these fixed orbits due to the attraction of the nucleus. Each orbit has its own fixed energy. The electron in a particular orbit is said to possess the energy of the same orbit. If an electron gains energy equal to the energy difference between two orbits then it can jump to the higher orbit whose energy it possesses. This is called the excitation of the electron. If an electron gains enough energy, then it can overcome the attractive force of the nucleus and finally come out of the atom. Such an atom is said to be ionized.

The image given below shows the Ionization energy of the electron.

Ionization Energy Formula

Thus the ionization energy is the energy difference between the energy of the electron in the initial orbit and the energy of the electron outside the atom (infinite orbit in this case).

According to Bohr, the energy of an electron in the nth orbit is given by:

$E_n= -frac{2pi^2me^4}{(4piepsilon_0)^2h^2}frac{Z^2}{n^2}$

where,
m is mass of one electron,
e is charge on one electron,
h is Planck’s constant,
Z is atomic number,
n is the orbit from which electron is removed

This formula can be rewritten as,

E_n=−R × n² / Z²

E_n= −13.6 × n² / Z² eV / atom

This is the energy of the atom in the nth orbit. Now we said that the ionization energy is the energy difference between the energy of the electron in the initial orbit and the energy of the electron in the infinite orbit. Thus we can consider the initial orbit as n₁ = n and the final orbit as n₂= ∞.

IE = E_n2 − E_n1 = ΔE

$= R×frac{Z^2}{n^2}-R×frac{Z^2}{infty^2}$

$= -R×Z^2[frac{1}{infty^2}-frac{1}{n^2}]$

$= R×Z^2[frac{1}{n^2}-frac{1}{infty^2}]$

As $frac{1}{infty^2} = 0$

$Delta E = R×frac{Z^2}{n^2}$

This formula is known as the ionization energy formula. Note that the IE is the same as the energy of the electron in the nth orbit but positive in sign. This is due to the fact that the energy is supplied to remove the electron and thus it has a positive sign.

How to Determine the Ionization Energy of an Element?

The Ionization Energy of an Element of an element is calculated using the steps given below,

Step 1: First write the atomic number of the atom for which the Ionization energy has to be found.

Step 2: Determine ‘n’ the value of the orbit for which ionization energy is to be found.

Step 3: Use the formula for finding the Ionization Energy. E_n= −13.6 × n² / Z² eV / atom

Step 4: Substitute all the values in the above formula and simplify to get Ionization Energy in electron volts.

Successive Ionization Energies

An atom can have any number of ionization energies depending on the number of electrons it has.

First Ionization Energy

Energy required to remove the first outermost electron from a neutral atom is known as the first IE. The first IE is equal to the energy of the electron in that particular orbit.

Second Ionization Energy

The energy required to remove the second electron from an atom with +1 charge is called second IE and so on. The second Ionization energy is always higher than the first IE as it is difficult to remove the electron from a positively charged ion.

X + ΔH₁⟶ X⁺+ e⁻

where ΔH₁ = First IE

X⁺+ ΔH₂⟶ X⁺²+ e⁻

where ΔH₂ = Second IE

The IE keeps on increasing as the charge on the atom increases. Thus the third IE is higher than the second and the second IE is higher than the first IE.

ΔH₁< ΔH₂< ΔH₃…… < ΔH_n

Ionization Energy Trends in Periodic Table

Ionization Energy follows a specific trend while moving from Left to Right and Top to Bottom in the periodic table.

The image given below shows the trend of variation of Ionization Energy while moving left to right and top to bottom in the periodic table.

Left to Right in a Period

As we move from left to right in a period in the periodic table the atomic radius decreases. It is due to the reason that the elements start gaining near noble gas configuration as we move across the period. Due to this interelectronic repulsion is reduced and the atomic radius decreases. Hence the electrons are more tightly held by the nucleus. Hence a higher amount of energy is required to remove the electrons. Thus IE increases as we move across a period.

Top to Bottom in a Group

As we move from top to bottom in a group, new shells are added up and the electrons start to occupy higher orbitals and shells. Thus the atomic radius also increases. The electrons are now far away from the nucleus. So lesser amount of energy is required to remove the electron. Thus IE decreases as moves down a group.

Read More,

Nuclear Binding Energy

Molecules and Compounds

Gram Atomic and Gram Molecular Mass

Solved Example on Ionization Energy

Example 1: Calculate the ionization energy of the Hydrogen atom if the electron is in the second orbit.

Solution:

For hydrogen given, Z = 1, n = 2

Thus,

ΔE = 13.6 × n² / Z²

= 13.6 × 1/4

= 3.4 eV

Example 2: Find the IE required to remove the outermost electron from the Sodium atom.

Solution:

For Sodium, Z=11 and n=3 for outermost electron

Thus,

ΔE = 13.6 × n² / Z²

= 13.6 × 121/9

= 182.844 eV

Example 3: Calculate the wavelength of radiation required to ionize the Na atom if it is known that the ionization energy of Na is 496 kJ/mol.

Solution:

Given,

ΔE = 496 kJ/mol,

λ = ?

We know that E = hc / λ

496 = (6.6 × 10⁻³⁴× 3 × 10⁸) / λ

λ = 3.99 ×10⁻²⁸ms⁻¹

Example 4: The first, second, and third ionization energies of Aluminium are 578, 1817, and 2745 kJ/mol. Calculate the ionization energy required to convert Al ion to Al³⁺.

Given,

ΔH₁= 578, ΔH₂ = 1817, ΔH₃ = 2745

Al + ΔE ⟶ Al³⁺

ΔE = ΔH₁+ ΔH₂+ ΔH₃

ΔE = 578+1817+2745

= 5140 kJ/mol

FAQs on Ionization Energy

Q1: What is Ionization Energy?

Answer:

Ionization energy can be defined as the minimum amount of energy required to remove the valence electron i.e. the most loosely bound electron from an isolated gaseous atom or ion.

Q2: What factors govern Ionization Energy?

Answer:

Factors governing ionization energy are,

If an atom or ion is positively charged then the electrons are more tightly held by the nucleus, so the ionization energy is high.

If the number of shells are less i.e. the electrons are near to the nucleus then the IE is high and vice versa.

The IE is less when there are more than 1 electrons in a shell due to the inter electronic repulsions.

Q3: Why does the ionization energy increase with the increase in charge?

Answer:

As the charge on the atom increases, the inter electronic repulsions become less. Thus the electrons are more closer to the nucleus and held more tightly. Thus it becomes difficult to remove the electron and hence the ionization energy increases with the increase in charge of the atom.

Q4: Which has the highest ionization energy between nitrogen and oxygen?

Answer:

Nitrogen has the highest ionization energy between nitrogen and oxygen as nitrogen has half-filled electronic configuration so it requires more energy to extract electrons from the Nitrogen’s orbit.

Q5: Which of the following element has the highest first ionization energy He⁺, Li⁺², Be⁺³

Answer:

As we can see that all these ions have one electron each. So we will compare their nuclear charge because higher the nuclear charge, higher is the IE because electrons are more tightly held by the nucleus.

Thus, Be⁺³has ionization Energy.

Источник

Человек ежесекундно подвергается воздействию излучений. Излучение Солнца является одним из ключевых факторов возникновения и существования жизни на Земле. Однако некоторые виды излучения опасны для здоровья человека. Какие это излучения? Как от них можно защититься?

Заряженные частицы, рентгеновское и излучение, распространяясь в веществе, взаимодействуют с его атомами. За счет своей энергии частицы излучения могут ионизировать атомы, выбивая из них электроны. Часто одна частица в состоянии ионизировать несколько атомов, поэтому процесс распространения такого излучения через вещество сопровождается его сильной ионизацией. Вследствие этого ионизирующим называют такой вид излучения, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул (рис. 227).

Основу биологического действия ионизирующего излучения на живые ткани составляют химические процессы, происходящие в их клетках при поглощении ими излучения. Ионизация атомов и молекул тканей вещества приводит к повреждению клеток и изменению структуры тканей. Часть атомов и молекул переходит в возбужденное состояние и, возвращаясь в невозбужденное состояние, отдает излишек энергии в виде электромагнитного излучения. Под воздействием этого излучения в тканях происходят биохимические реакции, обусловленные образованием новых молекул, чуждых нормальной клетке. В результате нарушается клеточное деление и образование новых клеток. В свою очередь это приводит к хромосомным перестройкам и возникновению мутаций, приводящих к изменениям в генах клетки. Таким образом, биологическое действие ионизирующего излучения сказывается не только на данном организме, но и на последующих поколениях.

Повреждения живого организма, вызванные действием ионизирующего излучения, называется лучевой болезнью. Опасность этой болезни усугубляется наличием скрытого периода, т.е. ее симптомы проявляются только через некоторый промежуток времени. Симптомами лучевой болезни являются тошнота, рвота, общая слабость, повышенная температура, выпадение волос, кровоизлияние.

Различные виды ионизирующего излучения обладают различной проникающей способностью (см. рис. 227). Биологическое действие различных видов излучения на живые организмы неодинаково Например, α-частицы не способны проникнуть через наружный слой кожи. Поэтому они не представляют опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие α- частицы, не попадут внутрь организма с пищей, вдыхаемым воздухом, на слизистую оболочку или через открытую рану. β — излучение обладает большей проникающей способностью: оно проникает в ткани организма на 1-2 см. Проникающая способность -излучения настолько велика, что поглотить его может только достаточно толстая свинцовая или бетонная плита. Чем больше энергии передает излучение тканям живого организма, тем больше в них будет повреждений.

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников ионизирующих излучений: космических лучей, радиоактивных изотопов, естественной радиоактивности горных пород и почвы, попадающих в пищу радиоактивных радиоизотопов. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи. В этом случае говорят о внешнем облучении. В тоже время они могут находиться в пище, воде, воздухе и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним.

Основными источниками внутреннего фонового облучения человеческого организма являются:

1) естественный изотоп углерода , содержащийся во всех тканях человеческого организма;

2) радон , торий и их дочерние продукты распада, вдыхаемые с воздухом и откладывающиеся в дыхательных органах человека;

3) долгоживущий изотоп радия и его короткоживущий изотоп , отлагающиеся в костных тканях;

4) естественный радиоактивный изотоп калия , содержащийся в мягких тканях (преимущественно в мышцах).

Кроме того, отдельные источники ионизирующего излучения избирательно концентрируются в отдельных органах: йод — в щитовидной железе; стронций — в костях, уран — в почках и подвергают их повышенному облучению.

Очень важно уметь определять результат действия ионизирующего излучения на вещество, мерой которого является доза. Этим занимается дозиметрия.

Количество энергии, переданной единице массы организма ионизирующим излучением, называется дозой (от греч. (доза) — доля, порция). Существуют различные виды доз в зависимости от вида излучения, вида органа или ткани, подвергшихся облучению.

Поглощенная доза — количество энергии W, переданное веществу ионизирующим излучением любого вида в пересчете на единицу массы тела любого вещества.

Доза в органе или биологической ткани — средняя поглощенная доза D в определенном органе или ткани человеческого тела:

(1)

где W— полная энергия, переданная ионизирующим излучением ткани или органу; m— масса органа или ткани.

В СИ единицей поглощенной дозы является Грей ( Гр). .

Поглощенная доза излучения равна 1 Гр, если в 1 кг вещества поглощено ионизирующее излучение, энергия которого равна 1 Дж.

Поглощенная доза расходуется на нагревание вещества и на физические и химические превращения в нем. Величина дозы зависит от вида излучения, энергии его частиц, плотности их потока и от состава облучаемого вещества.

При одинаковой поглощенной дозе α-излучение гораздо опаснее β — и — излучений. Для учета этого фактора, дозу излучения следует умножить на коэффициент , учитывающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма. Он называется коэффициентом качества излучения (взвешивающий коэффициент).

Коэффициент качества излучения показывает во сколько раз радиационная опасность от воздействия на живой организм данного вида излучения больше, чем от воздействия излучения (при одинаковых поглощенных дозах).

Значения для различных видов ионизирующего излучения приведены в таблице 12.

Таблица 12. Взвешивающие коэффициенты w_R (коэффициенты качества) для различных видов ионизирующего излучения
Вид излучения	*Взвешивающий коэффициент излучения (w_R* )**
Фотоны	1
Электроны и мюоны	1
Протоны и заряженные пионы	2
Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ионы	20
Нейтроны	См. рис. 228

Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой. Эквивалентная доза H— это поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий коэффициент качества излучения:

(2)

В СИ единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).

1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой поглощенная доза равна 1 Гр и взвешивающий коэффициент равен единице.

Необходимо учитывать также, что одни части тела более чувствительны к облучению, чем другие. Поэтому дозы облучения органов и тканей организма необходимо учитывать с разными взвешивающими коэффициентами (таблица 13). При умножении эквивалентной дозы на соответствующие коэффициенты и суммировании по всем органам и тканям получают эффективную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма.

*Таблица 13. Тканевый взвешивающий коэффициент w_T* (2007)**
Ткань	*w_T*
Костный мозг (красный), толстая кишка, легкие, желудок,	0,12
Молочная железа, остальные ткани	0,12
Половые железы	0,08
Мочевой пузырь, Пищевод, Печень, щитовидная железа	0,04
Поверхность кости, головной мозг, слюнные железы, кожа	0,01

На практике широко используются внесистемные единицы:

рад — единица поглощенной дозы излучения:

;

(3)

бэр (биологический эквивалент рад) — единица эквивалентной дозы:

Облучению от естественных источников подвергается любой житель Земли. Естественный фон составляет около 1,3 мЗв в год на человека. Однако одни из них получают большую дозу, а другие — меньшую. Это зависит от места проживания, образа жизни. Использование газа для приготовления пищи, герметизация помещений, полеты на самолетах, применение некоторых строительных материалов — все это увеличивает уровень облучения за счет естественных источников. В среднем земные источники ионизирующего излучения обеспечивают более годовой эффективной дозы, получаемой населением, в основном за счет внутреннего облучения. Остальную часть естественного облучения вносят космические лучи путем внешнего облучения.

При перелете Нью-Йорк — Париж пассажир реактивного самолета получает дозу около 50 мкЗв. Всего за счет использования воздушного транспорта человечество получает в год коллективную эффективную эквивалентную дозу около 2000 чел.× Зв.

Радиационный фон, создаваемый космическими лучами, дает меньше половины внешнего облучения, получаемого населением от естественных источников радиации. Люди, живущие на уровне моря, получают в среднем из-за космического излучения эффективную дозу около 300 мкЗв в год. Для людей, живущих выше 2 км над уровнем моря, эта величина в несколько раз больше. При подъеме с высоты 4 км до высоты 12 км уровень облучения за счет космических лучей возрастает примерно в 25 раз.

В среднем примерно эффективной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников излучения, поступают от радиоактивных веществ, попавших в организм с водой, пищей и воздухом.

Наиболее значительным из всех естественных источников ионизирующих излучений является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон и его дочерние продукты. Именно они ответственны примерно за годовой индивидуальной эффективной дозы облучения, получаемой населением от земных источников ионизирующего излучения (рис. 229).

Главный источник радона — это почва, в которой он постоянно образуется. Но наибольшую опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной комнате. Концентрация радона в ванной комнате примерно в 3 раза выше, чем на кухне, и приблизительно в 40 раз выше, чем в жилых комнатах.

Для защиты от ионизирующего излучения, по возможности, нужно использовать следующие способы:
1) удаление на большое расстояние от источника;

2) ограничение времени пребывания на загрязненной местности;

3) применение защитных веществ (свинец, бор, кадмий), эффективно поглощающих ионизирующее излучение;

4) применение веществ, ослабляющих воздействие ионизирующих излучений на организм;

5) дозиметрический контроль окружающей среды и продуктов питания.

Широкое применение находят ионизирующие излучения в науке и технике. В результате взаимодействия частиц высоких энергий с исследуемым веществом образуются радиоактивные нуклиды. При переходе их в стабильное состояние испускается — излучение. По виду -спектров и интенсивности спектральных линий определяют химический состав вещества и концентрации содержащихся в нем элементов. Для этого метода характерны универсальность методики, быстрота измерения и очень высокая относительная чувствительность. Она достигает величины порядка .

Радиоактивационный анализ широко применяется в геологоразведке, особенно при исследовании руд, содержащих редкие и драгоценные металлы. В технике благодаря высокой чувствительности им исследуют скорость износа металлических деталей, например, исследование износа железнодорожных рельсов.

Радионуклиды (изотопы йода, технеция, ксенона, таллия) широко используются в медицинской диагностике.

Применение ионизирующих излучений в медицине, биологии, сельском хозяйстве основано на том, что при взаимодействии ионизирующего излучения с живой материей нарушаются межмолекулярные связи. В результате живая клетка либо разрушается, либо теряет способность к воспроизводству. Именно на этом основаны лучевая терапия, стерилизация, обеззараживание отходов.

Лучевая терапия — один из основных методов борьбы с раковыми заболеваниями. Ее цель заключается в подавлении жизнедеятельности больных клеток с помощью излучений. Основной прогресс в этой области связан с переходом к источникам все более высокой энергии ( 30 МэВ и более).

Радиационная обработка пищевых продуктов обычно преследует одну из двух целей: стерилизацию (или пастеризацию) пищи, позволяющую долго хранить ее в герметичной упаковке, или задержку процессов естественного развития. Например, замедление прорастания картофеля.

При облучении зерна погибают вредные насекомые и их личинки.

В качестве приборов для измерения дозы или ее мощности используются дозиметры. Ими служат приборы, способные регистрировать ионизирующие излучения. Шкалы приборов специально проградуированы в единицах дозы либо в единицах мощности дозы.

Прототип первого прибора для обнаружения субатомных частиц был сконструирован немецким физиком Гансом Гейгером (1882—1945). В 1928 г. совместно с немецким физиком С. Мюллером прибор был усовершенствован и получил название счетчика Гейгера-Мюллера (рис. 229-1).

Внимание! Знак предупреждающий о радиационной опасности изображен на рисунке 230.

Беккерель первым столкнулся с «результатами» воздействия радиоактивного излучения на ткани живого организма. Он положил пробирку с радием в карман и получил серьезный ожог кожи.

Ионизирующее излучение используется в медицине, как для лечения, так и в диагностических целях. Одним из самых распространенных медицинских приборов является рентгеновский аппарат. Самым значительным достижением рентгенодиагностики стала компьютерная томография. Ее применение позволило уменьшить дозы облучения в десятки раз.

Если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет. Доза облучения порядка 100 Гр вызывает настолько серьезные поражения центральной нервной системы, что смерть наступает в течение нескольких часов или дней. Доза облучения от 10 до 50 Гр приводит к кровоизлияниям в желудочно-кишечном тракте и человек умрет через одну — две недели. При меньших дозах, например 3-5 Гр, при облучении всего тела умрет примерно половина всех облученных из-за разрушения клеток красного костного мозга — главного компонента кровеносной системы организма.

Наиболее чувствительными к поражению ионизирующим излучением являются кроветворные органы, а наиболее опасными являются дозы, полученные в течение очень малого промежутка времени. Красный костный мозг и другие элементы кроветворной системы теряют способность нормально функционировать при дозах 0,5 — 1 Гр.

По правилам МАГАТЭ (Международное Агентство по Атомной Энергии), предельная доза облучения составляет 5 мЗв в год для населения и 0,05 Зв в год для людей вредных профессий (не считая фонового излучения).

В Республике Беларусь с 28 декабря 2012 г. введены следующие Нормы радиационной безопасности. Основным пределом доз для населения является эффективная доза, равная 1 мЗв в год в среднем за любые последовательные 5 лет, но не более 5 мЗв в год или эффективная доза за период жизни (70 лет) — 70 мЗв. Эквивалентные дозы за год: в хрусталике глаза — 15 мЗв; в коже, кистях и стопах — 50 мЗв .

Источник

Немножко про радиацию

Время на прочтение
9 мин

Количество просмотров 92K

Я уже привык к тому, что для большинства людей радиация — область мифологии, а не науки. Но тут наткнулся на эту запись, в которой уже типа профессионал объясняет безумную опасность советских датчиков дыма. После этого решил, что стоит таки заняться просветительством.

Вред радиации

Каков ответ на вопрос «вредна ли радиация»? Такой же, как и на вопросы «вредна ли температура?» или «вреден ли свет?». Вредно не само явление, а выход его численных параметров за оптимальные для жизни пределы. Многочисленные опыты на животных показали небольшое увеличение средней продолжительности жизни, усиление иммунитета и т.д. при некотором дополнительном, относительно природного, облучении. Они же показали уменьшение всех этих параметров при дальнейшем увеличении дозы радиации. Разумеется, не было никакой универсальной для всех видов животных дозы, дающей оптимальный результат, у всех она разная. Никто не знает, какой уровень радиации был бы идеальным для человека, т.к. для этого пришлось бы поставить контролируемые опыты на десятках тысяч людей.

Зато известно другое: к разным факторам человек имеет разную чувствительность. Так, например, человек хорошо себя чувствует при температуре 300 К (27 °C), но если изменить её всего на 10%, до -3 °C или 57 °C, то без защитного снаряжения (соответствующей одежды) лишь немногие тренированные люди смогут выжить. Если изменить её на 20%, до -33 °C или 87 °C, то ни один человек без защиты долго не выживет. А вот плавное изменение освещённости в 10-20 раз человек не замечает вообще. Разница между ярким искусственным освещением и освещённостью на улице в солнечный день — около 1000 раз… Разумеется, в полной темноте человек хоть и может выживать, но с большим трудом, а слишком яркое освещение уже вызовет проблему с температурой. Но в общем и целом допустимый диапазон изменений — многие тысячи раз.

Какова чувствительность человека к радиационному облучению? Достаточно низкая. Природный уровень радиации в разных уголках планеты меняется крайне значительно. Если в среднем по всей Земле человек получает дозу 2,4 мЗв в год, то в некоторых местах — лишь 1 мЗв, а в других — 10, а то и 15-20 с лишним. Но никаких достоверных данных, показывающих, что этот разброс оказывает влияние на здоровье, не обнаружено. Так, например, повышенным дозам облучения подвергаются жители Швейцарии, которая славится высокой продолжительностью жизни своих граждан. Ещё больше дозы радиации получают космонавты — около 0,5 мЗв в… день! Т.е. за месяц они получают столько, сколько жители самых радиоактивных уголков планеты за год.

Конечно, это не повод лезть на экскурсию под саркофаг четвёртого энергоблока ЧАЭС. Там вы за минуту получите дозу больше, чем за месяц на МКС, а такое облучение совершенно достоверно оказывает крайне неблагоприятное влияние на продолжительность жизни. Но и бояться всего и вся тоже не стоит.

Единицы измерения радиации

В прошлом разделе я всюду использовал единицу «мЗв». Это — «миллизиверт». Давайте разберёмся, что это такое, и какие вообще единицы измерения тут есть.

Начнём с того, что на слуху — рентгена (Р). В рентгенах измеряется только исключительно рентгеновское и гамма-излучение. Этой единицей измеряют так называемую экспозиционную дозу, т.е. то, сколько ионов рождает излучение в сухом воздухе. Она предельно удобна при измерениях с помощью ионизационной камеры, т.к. этот тип датчика измеряет именно количество ионов (точнее — их суммарный заряд). Дозу в рентгенах можно получить напрямую, в то время как все остальные дозы измеряются опосредованно, оставляя простор для ошибок измерений. Но, с другой стороны, эта доза не указывает напрямую то, какой вред излучение наносит человеку, да и для бета- и альфа-излучения с прочими нейтронами ею пользоваться нельзя, она для них не определена.

Следующая единица — это рад. Рад — это единица поглощённой дозы любого излучения. Т.е. то, сколько энергии ионизирующего излучения поглотила единица массы вещества. Рад равен 100 эрг на 1 грамм или 0,01 Дж на 1 кг. Также в радах измеряется керма. Керма — это сколько кинетической энергии получают заряженные частицы вещества при поглощении этим веществом ионизирующего излучения, не несущего заряд (гамма, нейтроны). В большинстве случаев поглощённая доза и керма весьма точно совпадают, так что не забивайте себе этим голову. Если воздух поглотит 0,88 рад гамма-излучения, то в нём появится ионов на 1 Р. Можно условно сказать, что 1 Р = 0,88 рад, а 1 рад гамма-излучения равен 1,14 Р. Впрочем, т.к. всё равно воздух неточно соответствует тканям человека, да и ткани есть разные, плюс погрешность дозиметров редко бывает меньше 20%, обычно считают 1 Р = 1 рад. Недостатком рада, а точнее — поглощённой дозы, является то, что она не учитывает существенно разное действие на организм различных видов излучения.

Следующая единица — это биологический эквивалент рада (бэр). Бэр — это единица эквивалентной дозы. Т.е. тут учитывается, что быстрые нейтроны при той же энергии нанесут в 10, а альфа-частицы — в 20 раз больше вреда организму, чем гамма- или бета-излучение. Соответствующие коэффициенты есть (или могут быть получены) для абсолютно любых видов ионизирующего излучения. Также в бэрах измеряется эффективная доза, в которой учитывается различная чувствительность разных органов. Если человек облучается полностью равномерно, то эквивалентная и эффективная доза совпадают, но в случае, если какие-то части тела облучаются сильнее, а какие-то слабее, могут быть заметные различия. Так, например, руки выдерживают весьма большие дозы, а вот спинной мозг очень чувствителен к облучению. В бэрах также измеряется амбивалентный эквивалент дозы — такая «сферическая доза в вакууме». Без шуток, она определена для 30 см шара строго нормированного состава, используется для всяких тестов, моделирования и т.д.

Далее у нас идёт грей (Гр). Грей — это аналог рада в системе СИ. 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Ну и, наконец, зиверт (Зв). Это — аналог бэра в СИ. 1 Зв = 100 бэр. Соответственно, мЗв, который я использовал в первом разделе, равен 0,001 Зв или 0,1 бэр.

Кроме дозы есть ещё активность радиоактивного вещества. Т.е. то, сколько распадов в нём происходит за определённое время. Активность измеряют либо в кюри (Ки), либо в беккерелях (Бк). Кюри — активность одного грамма радия-226, очень большая величина. Беккерель — один распад в секунду, очень малая величина. 1 Ки = 37 ГБк.

Чтобы было проще ориентироваться, приведу некоторые числа:
— уровень гамма-радиации в моей комнате примерно 7 мкР/ч, 0,07 мкГр/ч и 0,07 мкЗв/ч (мощности соответственно экспозиционной, поглощённой и эквивалентной доз). Уровень гамма-радиации на отделанных гранитом платформах Московского метро примерно вдвое выше (плюс доза альфа-облучения лёгких от повышенного уровня радона);
— единовременная доза, при которой может начаться лучевая болезнь — 100 Р, 1 Гр и 1 Зв;
— активность природного радиоактивного калия-40 в банане составляет примерно 20 Бк, в килограмме бананов — 130 Бк.

Приборы измерения радиации

В принципе есть огромное количество разных приборов и методов измерения радиации, но я тут расскажу только о том, с чем в принципе может столкнуться человек, не работающий в соответствующих направлениях.

В магазинах вы можете встретить «индикаторы радиоактивности», «дозиметры» и «дозиметры-радиометры».

Первые — это приборы, которые не проходят сколько-нибудь существенных испытаний и вообще на точность измерений не претендуют. Почти всегда они сделаны на базе счётчика Гейгера типа СБМ-20. Реже — на базе миниатюрного СБМ-21 или на базе чувствительных к альфа-излучению счётчиков, например Бета-1 или Бета-2. Многие считают, что такие приборы могут занижать показания. Некоторые «профессионалы» заявляют, что при низкой энергии гамма-излучения, на уровне 30-100 кэВ, приборы на СБМ-20 и СБМ-21 занижают в разы, а ниже вообще не фиксируют. Мой же опыт показывает, что всё с точностью до наоборот: при низкой энергии гамма-излучения (опыты ставились с 59 кэВ) они в разы завышают свои показания. Конечно, гамма-излучение совсем низкой энергии они не зафиксируют, но оно и не представляет большой опасности, т.к. поглощается ещё в коже. Бета-1 и Бета-2 фиксируют все виды излучения, причём ещё сильнее завышают показания при низкой энергии гамма-излучения.

Дозиметром честный производитель обычно называет прибор, точности измерения которым уделялось какое-никакое внимание. Чаще всего они тоже сделаны на базе СБМ-20, но тот уже закрыт специальным съёмным фильтром, который ослабляет гамма-излучение низкой энергии и полностью поглощает бета-излучение. Это позволяет точно измерить уровень гамма-излучения в широком диапазоне энергий. Также эти приборы обычно умеют интегрировать показания за длительное время, показывая не только мощность дозы, но и саму дозу. Приборы по-лучше содержат датчики Бета-1, Бета-2 или другие со слюдяным окном для бета-излучения низкой энергии и альфа-излучения, тоже оснащены фильтрами. Совсем дорогие приборы могут использовать полупроводниковые или сцинтилляторные датчики, которые имеют огромную чувствительность к гамма-излучению и не просто фиксируют частицы, а измеряют их энергию. Это позволяет максимально точно измерить дозу, а некоторые модели даже умеют определять изотопы, которые вызывают облучение. Впрочем, полупроводники и сцинтилляторы могут сыграть злую шутку: у них чувствительность очень сильно зависит от энергии, так что измерять её не просто можно, а обязательно нужно. И нужно качественно учесть зависимость чувствительности от энергии. Если такой датчик воткнули в прибор только для громкой надписи «сцинтилляторный», то точность измерений у него может быть хуже, чем у дешёвых индикаторов радиоактивности.

Дозиметр-радиометр — это прибор, который кроме дозы гамма-излучения измеряет ещё и поток бета-частиц (при соответствующих датчиках — и альфа). Два предыдущих пункта тоже фиксируют бета-излучение (дозиметры — при снятом фильтре), но они продолжают пересчитывать показания в рентгены или зиверты, как если бы это было гамма-излучение. Результат получается абсолютно неправильным: если для гамма-излучения вероятность фиксации частицы счётчиком Гейгера прямо пропорциональна его энергии в довольно широком диапазоне (где-то от 0,3 до 1,5 МэВ), причём этот диапазон расширяется фильтрами вниз где-то до 0,03-0,05 МэВ, то для бета-излучения ничего подобного нет. В первом приближении выше определённой границы энергии датчик фиксирует почти все бета-частицы, а ниже — ни одной. Аналогично и с альфа-излучением (если счётчик его в принципе фиксирует). Радиометру же можно «сказать», что ты сейчас измеряешь бета-излучение, и тогда он будет пересчитывать показания в число частиц на квадратный сантиметр площади сечения датчика в единицу времени. Сначала измеряешь с фильтром, чтобы выяснить гамма-фон, потом без него, вычитаешь из второго первое — и вот поток бета-частиц. Для альфа всё тоже самое, только там ещё добавляется второй фильтр, который задерживает его, но пропускает бета-частицы. Иногда он встроен, иногда надо самому брать подручный, типа листа бумаги.

Есть ещё программные дозиметры для смартфонов, использующие закрытую непрозрачным материалом фотокамеру в роли эрзац детектора. Они реально работают, но по моему опыту ждать от них точности не приходится, могут ошибаться в разы в любую сторону.

Стоит также отметить, что при небольших уровнях радиации показания всех приборов оказываются не слишком точными: они фиксируют за цикл измерения лишь порядка десятка частиц, так что статистическая погрешность становится сравнимой с измеряемой величиной. Если сейчас прибор показывает 0,07 мкЗв/ч, а через минуту — 0,14 мкЗв/ч, это абсолютно не значит, что уровень радиации возрос в два раза. Скорее всего он как был 0,10 мкЗв/ч, так и остался.

Ещё замечание на счёт собственно измерений: нужно их проводить так, чтобы датчик прибора можно было считать точечным. Т.е. либо источник радиации, либо расстояние от него до датчика должно быть в разы больше самого датчика. Если вы тыкаете каплей радиевой краски на кончике тумблера в центр какой-нибудь Бета-2, то в разных точках датчика уровень радиации отличается на несколько порядков. Что датчик в таких условиях измеряет — «одному Богу известно». Измерения «на поверхности» допустимы либо для больших источников (загрязнённый грунт, например), либо когда мы не стремимся именно измерить, а лишь с максимальной чувствительностью зафиксировать факт наличия излучения.

Индикатор радиоактивности на месте радиоактивного заражения

Профессиональный сцинтилляторный дозиметр на месте радиоактивного заражения (уровень радиации — цифры внизу)

Программный дозиметр. В данном конкретном случае в 3-4 раза занижает показания

Радиация в быту

Какие источники радиации можно встретить в быту? Самые разные.
Например, всё, что содержит много калия, калийные удобрения, диетическая соль с добавкой калия и т.д., радиоактивно из-за содержания природного калия-40. Человек, кстати, тоже радиоактивен, т.к. калий — неотъемлемый элемент организма.
Если же брать источники по-серьёзнее, то это — торированные сварочные электроды (например, марки WT-20), некоторые старые объективы с добавкой оксида тория в стекло, некоторые старые часы и прочие приборы с радиевой подсветкой шкалы (сейчас подсветка уже не работает из-за выгорания люминофора, радий же сохраняется тысячи лет), ионизационные датчики дыма на америции-241, старые ионизационные датчики дыма на плутонии-239 (оружейного качества, кстати) и т.д.
До тех пор, пока всё это остаётся целым и невредимым, оно, как правило, опасности не представляет. Проблемы могут возникнуть только при разрушении приборов, т.к. в этом случае частички альфа-активных материалов могут попасть в лёгкие и там создать сильное локальное облучение. Риск раковых заболеваний при этом сильно возрастает. Кстати, рак лёгких у курильщиков в заметной степени вызван тем же: табак содержит альфа-активный полоний-210, тот самый, которым Литвиненко отравили.

Также эти все вещи совершенно законно использовать без специальных разрешений: лишь однажды мне попался манометр, уровень излучения которого выходил за допустимые для безлицензионного использования пределы (1 мкЗв/ч на расстоянии 10 см от поверхности), но он был от истребителя МИГ-21. Впрочем, законы у нас в стране выполняются не-очень… «Специалисты» запросто могут заявить, что всё, что имеет уровень радиации более 30 мкР/ч прямо на поверхности, необходимо изымать. А судьи не очень-то разбираются в таких тонкостях, как нормы радиационной безопасности… Имеется как минимум один прецедент, когда у человека суд отобрал объектив, и не посадили только потому, что он про его радиоактивность не знал. По всем официальным нормам этот объектив можно было использовать.

Реально большую опасность представляют только промышленные источники радиации, действующие рентгеновские аппараты и неконтролируемые аварийные выбросы. К счастью, столкнуться с ними простому человеку не так-то просто. Хотя история прецеденты знает…

Плутониевый источник из датчика дыма РИД-1. Тот самый, про который рассказывают страшилки в статье, спровоцировавшей написание этого текста. Пока цел, существенной опасности не представляет.