Лекция 8. Рентгеновское излучение, виды, спектры. Радиоактивность. Ионизирующие излучения. Дозиметрия ионизирующего излучения

1.

Лекция 8
Рентгеновское (Х) излучение, его виды, спектры.
Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом.
Радиоактивность, виды радиоактивного распада.
Ионизирующие излучения.
Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом.
Дозиметрия ионизирующего излучения.
1

2.

Связь с последующей деятельностью
Изучение курса «Биофизика»:
1. Рентгеноструктурный анализ
2. Рентгеновская томография
3. Воздействие ионизирующих излучений на биообъекты
Практическое применение:
1. Рентгеновские методы диагностики и сопровождения
2. Защита от ионизирующих излучений
2

3.

Отступления от общего правила для микромира:
1. Внесистемная единица измерения энергии
Энергия кванта видимого света λ = 555 нм
8
c
3,00
×
10
-19
ε = h = 6,63 ×10-34 ×
3,58
×
10
Дж = 2,24 эВ
=
-9
λ
555 ×10
1 эВ
1эВ =1,60 ×10 -19Кл ×1В =1,60 ×10 -19Дж
Энергия ионизации атома водорода:
2,18·10-18 Дж = 13,6 эВ
3

4.

Связь между энергией и массой (Эйнштейн):
E = m×c
Масса электрона:
2
-31
mкг
=
9,11
×
10
e
Полная энергия покоящегося электрона:
E0 = 9,11 ×10
-31
× ( 3,00 ×10
)
8 2
= 8,20 ×10-14 Дж = 0,513 МэВ
2.Внесистемная единица измерения массы:
1 а.е.м. = 1,6606 · 10-27 кг
1 а.е.м. ~ 931,5 МэВ
4

5.

История
Вильгельм Конрад Рентген – НП №1 1901 год
8 ноября 1895
(1887 – Никола Тесла)
Исследование катодных пучков (лучей):
Катод (-)
Q
Анод (+)
Термоэлектронная эмиссия
Термоэлектрон Следствие: свечение
платиносинеродистого
и
ч
у
бария
л
–
Х
Ba éë Pt ( CN ) 4 ùû
5

6.

Источник Х – лучей:
(-) подогреваемый катод (К)
Термоэлектрон
Вакуумированная трубка
Пучок термоэлектронов, ускоряемых
электрическим полем между К и А
Qa
Х - излучение
(+) охлаждаемый анод (антикатод) (А)
6

7.

Доказательство волновой природы Х – лучей:
«наклонные» атомные плоскости
горизонтальные атомные
плоскости
Расстояние между «щелями»: d ≈ λ
→ монокристалл
7

8.

P
C 1
α
Интерференция
когерентных лучей
1и2
O
2
B
d
2 : OA + AB
1: OC
A
разность хода лучей 1 и 2
= OA + AB - OC
= 2d × sinα
вывести
8

9.

Формула Вульфа – Брэггов
Максимум интерференции (дифракции) Х – лучей
наблюдается при условии:
= 2d × sin = k , k Z
Один эксперимент – два важных вывода:
Идея рентгеноструктурного анализа и РТ:
1
ПРИ
ИРИ
2
Исследуемый
образец
9

10.

rλ,U
Спектр рентгеновского излучения:
распределение энергии РИ по длинам волн
dW
rλ,U =
= f (λ, U )
dS × dt × dλ
λ0
λ
10

11.

Тормозная часть спектра рентгеновского излучения
rλ,U
U1
λ02
λ01
U2 >U1
λ
11

12.

Теория Максвелла: источник ЭМВ – движущийся
с ускорением электрический заряд, например:
электрон, разогнанный электрическим полем
и, затем, тормозящий в мишени
Энергия электрона, ускоренного
электрическим полем:
We = e × U
Закон сохранения энергии:
Q-
c
We = ε + Q = hν + Q = h + Q
λ
c
ε = hν = h λ
12

13.

Энергия Х – кванта:
c
ε = hν = h = We - Q
λ
Qmax = We
ε = ε min = 0
ν min =
λ max =
Qmin = 0
ε = ε max = hν max = h
c
λ min
ν max
eU
=
h
λ min
hc
=
eU
= We = e U
13

14.

Очень грубая модель энергетического состояния
й
и
электрона, связанного с атомом:
н
я
о
т
с
ступеньки разной высоты и ширины
о
с Еmax =
х
ы
н
н
Е – энергия данного состояния;
е
д
ж
у
б
з
E3 f E2
о
Р – вероятность состояния
в
и
к
ь
P3 p P2
н
(ширина ступеньки)
е
п
у
т
С
E f E
2
Карьерная
лестница
Основное состояние
1
P2 p P1
EOCH = Emin = E1
P1 = Pmax
14

15.

е
озд
ев
не
еш
Вн
Возможен только квантовый
переход из одного состояния в
другое, минуя промежуточные
состояния
:
ие
тв
йс
E3 f E2
P3 p P2
ε=
E2 f E1
P2 p P1
hν
>Е
2
–Е
1
Электрон в основном состоянии
EOCH = Emin = E1
P1 = Pmax
15

16.

Вероятность состояния 3 меньше, чем 1 или 2,
происходит самопроизвольный процесс
Квант
излуч
Кв
ения:
ан
ε32 = h
ти
ν32 = Е
зл
E3 f E2
3 – Е
уч
2
ен
P3 p P2
и
я:
Кв
ε2
ан
E2 f E1
1 =
т:
hν
ε3
1 =
P2 p P1
21 =
hν
Е
31 =
2 –
Е
Е
1
3 –
Е
1
Основное состояние
EOCH = Emin = E1
P1 = Pmax
16

17.

Выводы:
1. Энергия электрона в атоме может иметь только
дискретные (ступенчатые) значения Е1, Е2, …, Еi,…, Еn
2. Переходу электрона из одного энергетического
состояния в другое соответствует дискретное изменение
энергии:
излучение
E f E hν = E - E кванта
n
m
nm
E = En - Em
En p Em hν nm
n
m
поглощение
кванта
= En - Em
17

18.

Атом вещества анода (антикатода)
Энергетическая схема электронных состояний в
атомах вещества анода:
Энергетическая область
возможных состояний
электронов
18

19.

– термоэлектрон, разогнанный электрическим полем
«Нормальный атом»
hν T ³ 0 - Em
En
hν X = E n - Em
Em
19

20.

3. Спектр поглощения (излучения) атома
состоит из отдельных линий, соответствующих
частотам (длинам волн) квантов поглощения (излучения)
с энергиями, равными разности возможных
энергий электрона в данном атоме:
Гелий
α
β
АВС
γ
Идентификация атома
ν(λ) Идентификация человека
20

21.

Вывод:
по спектру излучения (поглощения) можно
однозначно идентифицировать атом
Закон Мозли для характеристического
рентгеновского излучения:
e
2
ω = 2πν = = C × R ( Z - σ )
h
R =2,07·1016 c-1 - постоянная Ридберга
σ – постоянная экранирования
С – постоянная
Z – порядковый номер элемента материала мишени
21

22.

Взаимодействие Х – излучения с веществом
1. Когерентное рассеяние (отражение):
hν P = hν P
Изменение направления распространения
2. Некогерентное рассеяние:
Эффект Комптона (частный случай внешнего фотоэффекта)
связан с ионизацией
hνП + eсвоб. → hνP + eОТД
3. Фотоионизация нейтральных молекул
hνП + М0 → М+1 + e-1
22

23.

I p I0
I0
x
I = I 0e - μx
μ = μ K +μ HK +μ F
μ – линейный коэффициент ослабления
μ
μm =
– массовый коэффициент ослабления
ρ
μ m = kλ 3 Z 3
Z – порядковый номер элемента
23

24.

Выводы:
1. Х – излучение обладает высокой проникающей
способностью.
2. Проникающая способность различна для
различных веществ →
24

25.

25

26.

ИРИ
ПРИ (Э)
Проекция 2
Проекция 1
РТ: сумма проекций = пространственное представление
26

27.

Радиоактивность
Ядро 1 →
→ ядро 2 + элементарная частица 2
A
Z
X ® y+
a
z
A- a
Z -z
Y
А – число нуклонов
Z – число протонов
q = +1,6 · 10-19 Кл
mp = 1,6726 · 10-27 кг
N = A – Z – число нейтронов
q = 0 Кл
mn = 1,6750 · 10-27 кг
27

28.

Естественная и искусственная
Распады
α – распад:
4
2
α = 42 He
A
Z
X®
A- 4
Z -2
Y + 24 α
Протонная радиоактивность
1
1
A
Z
p= H
1
1
X®
A-1
Z -1
Y + 11 p
Спонтанное деление ядер тяжелых элементов
A
Z
X®
A
2
Z 1
»
2
»
Y+
A
2
Z 2
»
2
»
Y
28

29.

β – распад:
0
-1
β= e
– электрон
β = +10 e
– позитрон
0
+1
0
-1
Взаимные превращения в ядре протона и нейтрона
γ – излучение
1
0
n ® 11 p + -10 e
1
1
p® n+ e
1
1
p+ e® n
1
0
0
-1
0
0
γ
0
+1
1
0
ε γ max = hν max = W1 - W2
29

30.

Закон радиоактивного распада
dN = - × N × dt
N = N0 × e
- ×t
ln 2
T1 =
2
dN
A=
= ×N
dt
распад
A =
с
A = 1Ки = 3,700 ×10
10
распад
с
30

31.

Ионизирующие излучения:
потоки квантов:
Х – излучение;
γ – излучение
потоки заряженных частиц:
α – излучение;
β – излучение;
n – излучение;
р - излучение
31

32.

Взаимодействие излучения с веществом =
= изменение состояния носителей излучения +
+ изменение состояния вещества =
f (свойства носителей + свойства вещества)
Стадии взаимодействия:
1. Физическая
2. Физико-химическая
3. Химическая
4. Биологическая
32

33.

Физическая стадия
Носитель изменяет направление распространения
и теряет энергию
Вещество изменяет энергетическое и электрическое
состояние
33

34.

Количественные оценки свойств излучения и вещества
при их взаимодействии на первой стадии:
1. Линейная тормозная способность вещества:
E
dl
E + dE ; dE p 0
dE
S=
dl
S = f (свойства вещества; E; q )
34

35.

2. Линейная плотность ионизации:
dn S
i=
=
dl Ei
dl
i = f (свойства вещества; E; q )
3. Средний линейный пробег
R
35

36.

α – излучение
4
2
He
Направление движения не меняется
36

37.

i
R
l
37

38.

38

39.

β – излучение
0
-1
e
Направление движения меняется
39

40.

40

41.

γ – излучение
0
0
γ
I p I0
I0
x
I = I 0e - μx
μ = μ K +μ HK +μ P
μ – линейный коэффициент ослабления
41

42.

Действие излучения на вещество
Физическое воздействие
1. Поглощенная доза:
Дж
D = Gp =
кг
E
D=
m
1 Гр = 100 рад
2. Мощность поглощенной дозы:
E
N=
m t
42

43.

3. Экспозиционная доза
Равна заряду всех положительных ионов,
образующихся под действием излучения в
единице массы воздуха при нормальных условиях
Кл
X =1
кг
-4 Кл
X = 1R = 2,58 ×10
кг
Энергетический эквивалент 1 Рентгена:
Дж
1P ® 88 ×10
кг
-4
43

44.

D= f ×X
1 – 4,5
44

45.

Биологическое воздействие
4. Эквивалентная доза:
H = KD
[Н] = 1 Зв = 100 бэР
n
H = å K i Di
1
45

46.

Общие выводы
1. Воздействие ионизирующего излучения на
вещество определяется как свойствами
излучения, так и свойствами вещества
2. Воздействие складывается из последовательных
стадий
46