Радиация

–  основные понятия, единицы измерения, влияние на человека

Радиоактивность: радиоактивный распад, деление ядер атомов

Радиоактивность - радиоактивный распад, деление ядер атомов, любые радиоактивные (или ядерные) превращения - это способность ядер атомов различных химических элементов разрушаться, видоизменяться с испусканием атомных и субатомных частиц высоких энергий. При этом в подавляющем большинстве случаев ядра атомов (а значит и сами атомы) одних химических элементов превращаются в ядра атомов (в атомы) других химических элементов, либо (по крайней мере) один изотоп химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.

То есть, радиоактивные превращения - это превращения атомов одних химических элементов (изотопов) в атомы других элементов (изотопов).

В настоящее время известны как естественные (природные, существовавшие в природе изначально) радионуклиды - ЕРН (радиоактивные элементы и изотопы), так и огромное количество искусственных (техногенных).

Общее количество известных естественных радионуклидов достигает 300. Но количество имеющих практическое значение, играющих заметную роль в природе, среди них невелико - не более десятка. Для их подсчёта, в принципе, хватит пальцев на двух руках.

Искусственных же радиоактивных изотопов гораздо больше, их получены тысячи. У многих химических элементов их количество значительно более 10. Кроме этого получены новые, не известные ранее и отсутствующие в природе радиоактивные элементы, у которых стабильных изотопов нет вообще. Особенно огромное количество новых, не имевшихся в природе радиоактивных изотопов и элементов, появилось после создания атомных реакторов и испытаний ядерных бомб. О них мы поговорим ниже. К настоящему времени известно около 2000 искусственных радионуклидов.

Радиоактивные (ядерные) превращения могут быть естественными, самопроизвольными (спонтанными) и искусственными,

Как известно, каждый атом состоит из ядра и движущихся вокруг него электронов. Ядро же состоит из положительно заряженных частиц - протонов и не имеющих заряда (нейтральных частиц) - нейтронов. Сколько в ядре протонов, столько и электронов движется (вращается) вокруг ядра. Этому же числу равен и номер элемента в таблице Д.И. Менделеева.

Химические свойства атома данного химического элемента определяются количеством протонов в ядре и, соответственно, количеством электронов. Количество нейтронов на химические свойства не влияет и может быть разным. Поэтому атомы одного и того же химического элемента могут иметь разный вес: количество протонов одинаково, а нейтронов - разное. Такие разновидности атомов называются изотопами.

Атомы (элементы, изотопы), ядра которых подвержены радиоактивному распаду, или другим радиоактивным превращениям, называются радиоактивными. Термины радиоактивные атомы (элементы, изотопы), радионуклиды, радиоизотопы - синонимы.

Все виды самопроизвольных (спонтанных) радиоактивных превращений - процесс случайный, статистический.

Все разновидности радиоактивных превращений, сопровождаются, как правило, за редким исключением, выделением из ядра атома избытка энергии в виде электромагнитного излучения - гамма-излучения. Гамма-излучение - это поток гамма-квантов (гамма-квантов) - порций энергии (квант - это порция), обладающих большойэнергией и проникающей способностью.

Кроме этого радиоактивные превращения могут сопровождаться выделением рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение - это тоже электромагнитное излучение, это тоже поток частиц (порций энергии) - фотонов - обычно с меньшей энергией. Только "место рождения" рентгеновского излучения не ядро, а электронные оболочки. Основной поток рентгеновского излучения возникает в веществе при прохождении через него "радиоактивных частиц".

Есть две основные разновидности радиоактивных превращений, два весьма сильно различающихся физических процесса (явления): радиоактивный распад и деление ядер атомов.

Изотопы - это разновидности атомов одного и того же химического элемента, отличающиеся только количеством нейтронов в ядре и поэтому своим весом.

Даже у самого первого в таблице Менделеева и самого лёгкого атома - водорода, в ядре которого только один протон (а вокруг него вращается один электрон), имеется три изотопа. Первый - это обычный водород, или протий, ядро которого состоит только из протона; его атомный вес равен единице, химический символ Н (или Н-1). Второй - дейтерий, или тяжёлый водород, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона; атомный вес - два, химический символ D (или Н-2). И тритий, в ядре которого один протон и два нейтрона; атомный вес - три, химический символ Т (или Н-3).

Первые два изотопа стабильные, третий - тритий - радиоактивен.

Подавляющее количество естественных (изначально имевшихся и имеющихся в природе) изотопов являются стабильными. Но есть и радиоактивные. Это - естественные радионуклиды (ЕРН). Их не очень много.

Кроме радиоактивных изотопов есть также и радиоактивные элементы. Это такие, у которых стабильных изотопов нет вообще - все изотопы радиоактивные. Это естественные элементы - уран, торий и продукты их превращений (распада) - радий, радон, полоний и некоторые другие.

А среди искусственных изотопов и элементов стабильных нет вообще. Все искусственные изотопы и элементы радиоактивны. Это и искусственные изотопы любых, давно известных и имеющихся в природе элементов, и искусственные элементы, которых до возникновения атомной энергетики в природе не было. К последним, прежде всего, относятся трансурановые актиноиды, а также и все последующие элементы 7-го периода таблицы Менделеева.

Радиоактивный распад

Радиоактивный распад - это испускание, выбрасывание с огромными скоростями из ядер атомов "элементарных" (атомных, субатомных) частиц, которые принято называть радиоактивными частицами или радиоактивным излучением. При этом, как уже было сказано, в подавляющем большинстве случаев ядро атома (а значит и сам атом) одного химического элемента превращается в ядро атома (в атом) другого химического элемента; или один изотоп данного химического элемента превращается в другой изотоп того же элемента.

Радиоактивный распад, как и все другие виды радиоактивных превращений, может быть естественным (самопроизвольным, спонтанным) и искусственным, вызванным попаданием в ядро стабильного атома какой-либо частицы извне.

Для естественных (природных) радионуклидов основными видами радиоактивного распада являются альфа- и бета-минус-распад (хотя встречаются и другие). Названия альфа и бета были даны Эрнестом Резерфордом в 1900 году при изучении радиоактивных излучений.

Для искусственных (техногенных) радионуклидов кроме этого характерны также нейтронный, протонный, позитронный (бета-плюс) и более редкие виды распада и ядерных превращений (мезонный, К-захват, изомерный переход, "откалывание" и др.).

Альфа-распад

Альфа-распад (альфа-распад) - характерный вид радиоактивного распада для естественных радиоактивных элементов шестого и седьмого периодов таблицы Д. И. Менделеева (уран, торий и продукты их распада до висмута включительно) и особенно для искусственных - трансурановых - элементов. То есть этому виду распада подвержены отдельные изотопы всех тяжёлых элементов, начиная с висмута.

Альфа-распад - это испускание из ядра атома альфа-частицы (альфа-частицы), которая состоит из 2-х протонов и 2-х нейтронов. Альфа-частица имеет массу 4 единицы, заряд +2 и является ядром атома гелия.

В результате испускания альфа-частицы образуется новый элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки левее, так как количество протонов в ядре, а значит и заряд ядра, и номер элемента стали на две единицы меньше. А масса образовавшегося изотопа оказывается на 4 единицы меньше.

Так, например, при альфа-распаде урана всегда образуется торий, при альфа-распаде тория - радий, при распаде радия - радон, затем полоний и наконец - свинец. При этом из конкретного изотопа урана-238 образуется торий-234, затем радий-230, радон-226 и т. д.

Радиоактивный распад - это выбрасывание из ядра атома какой-либо частицы, в результате чего атом одного химического элемента (изотопа) превращается в атом другого элемента (изотопа).

альфа-распад - выбрасывание (испускание) из ядра атома альфа-частицы.

альфа-частица - это 2 протона и 2 нейтрона, то есть ядро атома гелия с массой 4 единицы и зарядом +2.

Скорость альфа-частицы при вылете из ядра от 12 до 20 тыс. км/сек.

В вакууме альфа-частица могла бы обогнуть земной шар по экватору за 2 сек.

Бета-распад

Бета-распад (бета-распад) - наиболее распространённый вид радиоактивного распада (и вообще радиоактивных превращений), особенно среди искусственных радионуклидов. Он наблюдается практически у всех известных на сегодня химических элементов. Это означает, что у каждого химического элемента есть, по крайней мере, один бета-активный, то есть подверженный бета-распаду, изотоп. При этом чаще всего происходит бета-минус распад.

Бета-минус распад (бета-) - это выбрасывание (испускание) из ядра бета-минус частицы - электрона, который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон. При этом тяжёлый протон остаётся в ядре, а лёгкий электрон - бета-минус частица - с огромной скоростью вылетает из ядра. И так как протонов в ядре стало на один больше, то ядро данного элемента превращается в ядро соседнего элемента справа - с большим номером.

Так, например, при бета-минус распаде радиоактивный изотоп калия - калий-40 - превращается в стабильный изотоп кальция (стоящего в соседней клеточке справа) - кальций-40. А радиоактивный кальций-47 - в стоящий справа от него скандий-47 (тоже радиоактивный), который, в свою очередь, также путём бета-минус распада превращается в стабильный титан-47.

Название бета-частица сохранилось исторически. Отличие бета-минус частицы от обычного электрона только в "месте рождения": ядро атома, а не электронные оболочки вокруг ядра, а также и в скорости (энергии) вылета. Скорость вылета бета-частицы - 9/10 скорости света, т. е. 270 тыс. км/сек.

Бета-плюс распад (- это выбрасывание (испускание) из ядра бета-плюс частицы - позитрона (положительно заряженного "электрона"), который образовался в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон. В результате этого (так как протонов стало меньше) данный элемент превращается в соседний слева (с меньшим номером, предыдущий).

Так, например, при бета-плюс распаде радиоактивный изотоп магния магний-23 превращается в стабильный изотоп натрия (стоящего слева) - натрий-23, а радиоактивный изотоп европия европий-150 превращается в стабильный изотоп самария - самарий-150.

бета-распад - это испускание бета- или бета+частиц, то есть обычных электронов с зарядом -1 (е-) или позитронов - "электронов" с зарядом +1 (e+).

Скорость вылета бета-частиц из ядра составляет 9/10 скорости света - 270 000 км/сек.

Другие виды радиоактивного распада

Кроме указанных альфа- и бета-распада существуют другие виды радиоактивного распада, менее распространённые и более характерные для радионуклидов искусственного происхождения.

Нейтронный распад - испускание из ядра атома нейтрона (n) - нейтральной частицы с массой 1 ед. При испускании нейтрона один изотоп данного химического элемента превращается в другой с меньшим весом. Так, например, при нейтронном распаде радиоактивный изотоп лития литий-9 превращается в литий-8, радиоактивный гелий-5 - в стабильный гелий-4.

Если стабильный изотоп йода йод-127 облучать гамма-квантами, то он становится радиоактивным, выбрасывает нейтрон и превращается в другой, тоже радиоактивный изотоп йод-126.

Протонный распад - крайне редкий вид распада -это испускание из ядра атома протона (р) - частицы с массой 1 ед. и зарядом +1. При испускании протона данный химический элемент превращается в соседний слева (с меньшим номером, предыдущий), а атомный вес уменьшается на единицу.

Как уже было сказано, все радиоактивные превращения, в том числе и все разновидности радиоактивного распада, сопровождаются, как правило, за редким исключением, выделением избытка энергии в виде гамма-излучения - гамма-квантов, а иногда также и рентгеновского излучения (фотонов) с меньшей энергией.

Гамма-излучение - это поток гамма-квантов, это электромагнитное излучение, более "жёсткое", чем обычное медицинское рентгеновское.

Название "гамма-излучение" также сохранилось исторически. Отличие гамма-излучения от рентгеновского (как и в случае b-излучения), также только в "месте рождения": ядро атома, а не электронные оболочки.

гамма-излучение - электромагнитное излучение, более "жёсткое", чем обычное рентгеновское.

гамма-кванты -это электромагнитные частицы - порции энергии.

"Место рождения" гамма-квантов - ядро атома.

Рентгеновское излучение - это тоже электромагнитное излучение, но "место рождения" рентгеновского излучения - электронные оболочки атомов.

 

 

Основные характеристики радиоактивного распада

Все виды самопроизвольных (спонтанных) радиоактивных превращений (и распада, и деления) - процесс случайный, статистический.

Все виды самопроизвольного радиоактивного распада характеризуются временем жизни радионуклида и его активностью, то есть скоростью распада. Показателем времени жизни радионуклида, скорости его распада является период полураспада. Используется также радиоактивная постоянная или постоянная (константа) распада.

Период полураспада (T1/2)- время, в течение которого половина радиоактивных атомов распадается и их количество уменьшается в 2 раза. Периоды полураспада у всех радионуклидов разные - от долей секунды (короткоживущие радионуклиды) до миллиардов лет (долгоживущие).

Активность - это количество актов распада (в общем случае актов радиоактивных, ядерных превращений) в единицу времени (как правило, в секунду). Единицами измерения активности являются беккерель и кюри.

Беккерель (Бк) - это один акт распада в секунду (1 расп/сек). Единица названа в честь французского физика, лауреата Нобелевской премии Антуана Анри Беккереля.

Кюри (Ки) - 3,7·1010 Бк (расп/сек). Эта единица возникла исторически: такой активностью обладает 1 грамм радия-226 в равновесии с дочерними продуктами распада. Именно с радием-226 долгие годы работали лауреаты Нобелевской премии французские учёные супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри.

Кратными единицами для беккереля являются тысяча (кило-беккерель, кБк), миллион (мегабеккерель, МБк) и миллиард (гигабеккерель, ГБк).

Дольными единицами для кюри являются тысячная доля кюри - милликюри (мКи), и миллионная доля - микрокюри (мкКи, мКи):

1 мКи = 3,7 х 107 Бк; 1мкКи = 3,7 х 104 Бк.

Есть понятие "удельная активность" (весовая или объёмная) - это активность единицы массы (веса) или объёма вещества. Или, точнее, активность радионуклида (или смеси радионуклидов) в единице веса или объёма вещества. Иногда используют площадную активность: Бк или Ки на м2 или км2

Ориентировочно можно считать, что активность небольшого количества (граммы) и/или с небольшой начальной активностью (мКи; мкКи) радионуклида уменьшается до практически безопасного уровня (иногда почти до нуля) через 10 периодов полураспада. За это время количество радиоактивных атомов, а значит и актов распада, то есть активность, уменьшается в 210 = 1024 раза.

Радиоактивная постоянная (постоянная или константа распада) l - это доля атомов, распадающихся в 1 секунду.

l = 0,693/Т1/2 (сек-1), где

0,693 - это ln 2 из закона радиоактивного распада Nt = N0 х e-lt, где

N0 и Nt - число радиоактивных атомов в начальный (нулевой) момент времени и число атомов, оставшихся к моменту t;

t - время в секундах.

Так как за время, равное одному периоду полураспада, число радиоактивных атомов уменьшается в два раза, то при t = T1/2 имеем: Nt = N0/2: e-lt = 1/2; e-lt = 2 (где t = T1/2 ) и в итоге ln2 = l х Т1/2

Основные характеристики ионизирующего излучения. Проникающая способность излучения

Все атомные и субатомные частицы, вылетающие из ядра атома при радиоактивном распаде: альфа, бета, n, p, гамма и т. д. - называют радиоактивными частицами, радиоактивным или ионизирующим излучением (ИИ), так как все они при прохождении через вещество:

Поэтому основными характеристиками ИИ являются энергия частиц , их пробег в разных средах или проникающая способность, а также их ионизирующая способность (особенно в смысле опасности для биологических объектов).

Энергию частиц измеряют в электрон-вольтах (эв). Электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон под действием электрического поля с разностью потенциалов (напряжением) в 1 вольт.

1 эв = 1,6 х 10-12 эрг = 1,6 х 10-19 джоуля = 3,83 х 10-20 калорий

Реальная энергия частиц ИИ колеблется в широких пределах и составляет обычно тысячи и миллионы эв, поэтому её выражают в кило- и мегаэлектрон-вольтах (кэв и Мэв).

1 килоэлектрон-вольт (кэв) = 103 эв.

1 мегаэлектрон-вольт (Мэв) = 106 эв.

Пробег альфа-частиц

В любой среде альфа-частицы, обладающие большой массой (4 атомных единицы), зарядом (+2) и энергией, движутся прямолинейно. Поэтому говорят о пробеге альфа-частиц.

Энергия альфа-частиц при естественном распаде составляет 4÷9 Мэв, скорость вылета - 12÷20 тыс. км/сек.

Пробег альфа-частиц зависит от начальной энергии и обычно колеблется в пределах от 3-х до 7 (редко до 13) см в воздухе, а в плотных средах составляет сотые доли мм (в стекле - 0,04 мм). альфа-излучение не пробивает лист бумаги и кожу человека.

Из-за своей массы и заряда альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, они разрушают всё на своём пути. И поэтому альфа-активные радионуклиды являются наиболее опасными для человека и животных при попадании внутрь.

Проникающая способность бета-частиц

Из-за малой массы (она в 1836 раз меньше массы протона), заряда (-1) и размеров бета-частицы слабее взаимодействуют с веществом, через которое им приходится лететь, но летят дальше. При этом путь бета-частицы в веществе не является прямолинейным. Поэтому говорят о их проникающей способности, которая также зависит от энергии.

Проникающая способность бета-частиц, образовавшихся при радиоактивном распаде, в воздухе достигает 2÷3 м, в воде и других жидкостях измеряется сантиметрами, в твёрдых телах - долями см. В ткани организма бета-излучение проникает на глубину 1÷2 см. Хорошей защитой от бета-излучения является слой воды в несколько (до 10) см. Поток бета-частиц с весьма большой для естественного распада энергией в 10 Мэв практически полностью поглощается слоями: воздуха - 4 м; алюминия - 2,16 см; железа - 7,55 мм; свинца - 5,18 мм.

Из за малых размеров, массы и заряда бета-частицы обладают гораздо меньшей ионизирующей способностью, чем альфа-частицы, но естественно, что при попадании внутрь бета-активные изотопы также гораздо опаснее, чем при внешнем облучении.

Кратность ослабления n- и гамма-излучений

Наиболее проникающими видами излучения являются нейтронное и гамма. Их пробег в воздухе может достигать десятков и сотен метров (также в зависимости от энергии), но при меньшей ионизирующей способности.

У большинства изотопов энергия гамма-квантов не превышает 1÷3 Мэв, хотя очень редко может достигать и больших величин - 6÷7 Мэв. Поэтому в качестве защиты от n- и гамма-излучения применяют толстые слои из бетона, свинца, стали и т. п. и речь ведут уже о кратности ослабления.

Так, для 10-кратного ослабления гамма-излучения кобальта-60 (Е = 1,17 и 1,33 Мэв) требуется защита из свинца толщиной порядка 5 см, а для 100-кратного - 9,5 см; защита из бетона должна быть, соответственно, около 33 и 55 см, а толщина слоя воды - 70 и 115 см.

Ионизирующая способность нейтронов сильно зависит от их энергии.

В любом случае следует помнить, что наиболее рациональной "защитой" от любого излучения является по возможности большее расстояние от источника излучения (естественно, в разумных пределах) и по возможности меньшее время пребывания в зоне повышенной радиации.

Деление ядер атомов

Деление ядер атомов - это самопроизвольное, или под действием нейтронов раскалывание ядра атома на 2 примерно равные части, на два "осколка".

Осколки - это два радиоактивных изотопа элементов центральной части таблицы Д. И. Менделеева, примерно от меди до средины элементов-лантаноидов (самария, европия).

При делении вылетают 2-3 лишних нейтрона и выделяется избыток энергии в виде гамма-квантов, гораздо больший, чем при радиоактивном распаде. Если на один акт радиоактивного распада обычно приходится один гамма-квант, то на 1 акт деления приходится 8÷10 гамма-квантов! Кроме того разлетающиеся осколки обладают большой кинетической энергией (скоростью), которая переходит в тепловую.

Вылетевшие нейтроны могут вызвать деление двух-трёх аналогичных ядер, если те окажутся поблизости и если нейтроны попадут в них.

Таким образом, появляется возможность осуществления разветвляющейся, ускоряющейся цепной реакции деления ядер атомов с выделением огромного количества энергии.

Если цепную реакцию держать под контролем, управлять её развитием, не давать ускоряться и постоянно отводить выделяющуюся энергию (тепло), то эту энергию ("атомную энергию") можно использовать либо для отопления, либо для получения электроэнергии. Это осуществляется в атомных реакторах, на атомных электростанциях.

Если же позволить цепной реакции развиваться бесконтрольно, то произойдёт атомный (ядерный) взрыв. Это уже - ядерное оружие.

В природе имеется только один химический элемент - уран, у которого есть только один делящийся изотоп - уран-235. Это оружейный уран. И этого изотопа в природном уране 0,7%, то есть всего 7 кг в тонне! Остальные 99,3% (993 кг в тонне) - неделящийся изотоп - уран-238. Есть, правда, ещё один изотоп - уран-234, но его всего 0,006% (60 граммов в тонне).

Но в обычном урановом атомном реакторе из неделящегося ("неоружейного") урана-238 под действием нейтронов (нейтронная активация!) образуется новый изотоп урана - уран-239, а из него (путём двойного бета-минус распада) - новый, искусственный, не имеющийся в природе элемент плутоний. При этом сразу образуется делящийся изотоп плутония - плу-тоний-239. Это оружейный плутоний.

Деление ядер атомов - это суть, основа атомного оружия и атомной энергетики.

Критическая масса, это такое количество оружейного изотопа, при котором нейтроны, выделяющиеся при самопроизвольном делении ядер, не вылетают наружу, а попадают в соседние ядра и вызывают их искусственное деление.

Критическая масса металлического урана-235 - ЎЦ 52 кг. Это шар диаметром 18 см.

Критическая масса металлического плутония-239 - ЎЦ 11 кг (а по некоторым публикациям - 9 и даже 6 кг). Это шар диаметром около 9-10 см.

Таким образом, сейчас у человечества имеется два делящихся, оружейных изотопа: уран-235 и плутоний-239. Разница между ними только в том, что уран, во-первых, более пригоден для использования в атомной энергетике: он позволяет управлять своей цепной реакцией, а во-вторых, он менее эффективен для осуществления неуправляемой цепной реакции - атомного взрыва: у него меньшая скорость самопроизвольного деления ядер и больше критическая масса. А оружейный плутоний, наоборот, более пригоден для ядерного оружия: у него большая скорость самопроизвольного деления ядер и гораздо меньше критическая масса. Плутоний-239 не позволяет надёжно управлять своей цепной реакцией и поэтому пока ещё не нашёл широкого применения в атомной энергетике, в атомных реакторах.

Именно поэтому все проблемы с оружейным ураном были решены в считанные годы, а попытки использовать плутоний в атомной энергетике продолжаются до сих пор - уже более 60 лет.

Так, через два года после открытия деления ядер урана был запущен первый в мире урановый атомный реактор (декабрь 1942 года, Энрико Ферми, США), а ещё через два с половиной года (в 1945 году) американцы взорвали первую урановую бомбу.

А с плутонием... Первая плутониевая бомба была взорвана в 1945 году, то есть примерно через четыре года после его открытия как химического элемента и открытия его деления. Причём, для этого потребовалось сначала построить урановый атомный реактор, наработать плутоний в этом реакторе из урана-238, затем выделить его из облучённого урана, хорошо изучить его свойства, изготовить бомбу. Наработали, выделили, изготовили. А вот разговоры о возможности использования плутония в качестве ядерного горючего в плутониевых атомных реакторах так и остались разговорами, и остаются таковыми вот уже более 60 лет.

Процесс деления можно характеризовать "периодом полуделения".

Впервые периоды полуделения оценили К. А. Петржак и Г. И. Флёров в 1940 г.

И у урана, и у плутония они крайне велики. Так по разным оценкам у урана-235 период полуделения составляет примерно 1017 (или 1018 лет (Физический энциклопедический словарь); по другим данным - 1,8·1017 лет. А у плутония-239 (по данным того же словаря) существенно меньше - примерно 1015,5 лет; по другим данным - 4·1015 лет.

Для сравнения напомним периоды полураспада (Т1/2). Так у U-235 он "всего" 7,038·108 лет, а у Pu-239 и того меньше - 2,4·104 лет

Вообще делиться могут ядра многих тяжёлых атомов, начиная с урана. Но мы ведём речь о двух основных, которые вот уже более 60 лет имеют огромное практическое значение. Другие представляют скорее чисто научный интерес.

Откуда берутся радионуклиды

Радионуклиды получают из трёх источников (тремя способами).

Первый источник - это природа. Это естественные радио-нуклиды, которые сохранились, дожили до нашего времени с момента их образования (возможно, со времени образования солнечной системы или Вселенной), так как у них велики периоды полураспада, а значит велико время жизни. Естественно, что их осталось гораздо меньше, чем было вначале. Их извлекают из природного сырья.

Второй и третий источники - искусственные.

Искусственные радионуклиды образуются двумя способами.

Первые - радионуклиды осколочного происхождения, которые образуются в результате деления ядер атомов. Это - "осколки деления". Естественно, что основная их масса образуется в ядерных реакторах различного назначения, в которых осуществляется управляемая цепная реакция, а также при испытаниях ядерного оружия (неуправляемая цепная реакция). Они находятся в облучённом уране, извлекаемом из реакторов военного назначения (из "промышленных реакторов"), и в огромных количествах в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), извлекаемом из энергетических реакторов АЭС.

Ранее в природную среду они попадали при проведении ядерных испытаний и переработке облучённого урана. Сейчас продолжают попадать при переработке (регенерации) ОЯТ, а также при авариях на АЭС, на реакторах. При необходимости извлекали их из облучённого урана, а сейчас из ОЯТ.

Вторые - это радионуклиды активационного происхождения. Они образуются из обычных стабильных изотопов в результате активации, то есть при попадании в ядро стабильного атома какой-либо субатомной частицы, в результате чего стабильный атом становится радиоактивным. В подавляющем большинстве случаев такой частицей-снарядом является нейтрон. Поэтому для получения искусственных радионуклидов обычно используют метод нейтронной активации. Он состоит в том, что стабильный изотоп любого химического элемента в любом виде (металл, соль, химическое соединение) помещают в активную зону реактора на определённое время. А так как в активной зоне реактора каждую секунду образуется колоссальное количество нейтронов, то поэтому все химические элементы, которые находятся в активной зоне или вблизи неё постепенно становятся радиоактивными. Активируются и те элементы, которые растворены в охлаждающей реактор воде.

Реже используется метод бомбардировки стабильного изотопа в ускорителях элементарных частиц протонами, электронами и т.п.

Радионуклиды бывают естественные - природного происхождения и искусственные - осколочного и активационного происхождения. Ничтожное количество радионуклидов осколочного происхождения всегда имелось в природной среде, ибо они образуются в результате самопроизвольного деления ядер урана-235. Но их так мало, что не удаётся обнаружить современными средствами анализа.

Количество нейтронов в активной зоне различных типов реакторов таково, что через любое сечение в 1см2 в любой точке активной зоны за 1 секунду пролетает порядка 1014 нейтронов.

Измерение ионизирующих излучений. Определения

Характеризовать только сами источники ионизирующего излучения (ИИИ) и только их активностью (количеством актов распада) не всегда удобно и целесообразно. И дело не только в том, что измерять активность можно, как правило, только в стационарных условиях на весьма сложных установках. Главное в том, что при единичном акте распада разных изотопов могут образовываться различные по своей природе частицы, могут одновременно образовываться несколько частиц и гамма-квантов. При этом энергия, а следовательно, и ионизирующая способность разных частиц будут различными. Поэтому основным показателем для характеристики ИИИ является оценка их ионизирующей способности, то есть (в итоге) той энергии, которую они теряют при прохождении через вещество (среду) и которая оказывается поглощённой этим веществом.

При измерении ионизирующих излучений используется понятие доза, а при оценке их влияния на биологические объекты поправочные коэффициенты. Назовём их, приведём ряд определений.

Доза, поглощённая доза (от греческого - доля, порция) - энергия ионизирующего излучения (ИИ), поглощённая облучаемым веществом и часто рассчитанная на единицу его массы (см. "рад", "Грэй"). То есть доза измеряется в единицах энергии, которая выделяется в веществе (поглощается веществом) при прохождении через него ионизирующего излучения.

Есть несколько разновидностей доз.

Экспозиционная доза (для рентгеновского и гамма-излучения) - определяется по ионизации воздуха. Единицей измерения в системе СИ является "кулон на кг" (Кл/кг), что соответствует образованию в 1 кг воздуха такого количества ионов, суммарный заряд которых равен 1 Кл (каждого знака). Внесистемной единицей измерения является "рентген" (см. "Кл/кг" и "рентген").

Для оценки влияния ИИ на человека используются поправочные коэффициенты.

До недавнего времени при расчёте "эквивалентной дозы" использовались "коэффициенты качества излучения" (К) - поправочные коэффициенты, учитывающие различное влияние на биологические объекты (различную способность повреждать ткани организма) разных излучений при одной и той же поглощённой дозе. Используются при расчёте "эквивалентной дозы". Сейчас эти коэффициенты в Нормах радиационной безопасности (НРБ-99) назвали по очень научному

- "Взвешивающие коэффициенты для отдельных видов излучения при расчёте эквивалентной дозы (WR".

Эти коэффициенты равны соответственно:

рентгеновское, гамма, бета-излучение, электроны и позитроны - 1
протоны с Е более 2 МэВ - 5
нейтроны с Е менее 10 кэВ) - 5
нейтроны с Е от 10 кэВ до 100 кэВ - 10
альфа-частицы, осколки деления, тяжёлые ядра - 20

и так далее.

Эквивалентная доза - доза, рассчитанная для биологических объектов (человека) с учётом коэффициента качества излучения; равна произведению поглощённой дозы на К. Эквивалентная доза может измеряться в тех же единицах, что и поглощённая (см. "бэр" и "Зиверт").

Эффективная эквивалентная доза - эквивалентная доза, рассчитанная с учётом разной чувствительности различных тканей организма к облучению; равна эквивалентной дозе, полученной конкретным органом, тканью (с учётом их веса), умноженной на соответствующий "коэффициент радиационного риска". Сейчас эти коэффициенты тоже по очень научному в тех же Нормах НРБ-99 назвали "Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчёте эффективной дозы (W- множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учёта различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации".

Для организма в целом этот коэффициент принят равным 1, а для некоторых органов имеет следующие значения:

костный мозг (красный) - 0,12
щитовидная железа - 0,05
лёгкие, желудок, толстый кишечник - 0,12
гонады (яичники, семенники) - 0,20
кожа - 0,01

и так далее.

Для оценки полной эффективной эквивалентной дозы, полученной человеком, рассчитывают и суммируют указанные дозы для всех органов.

Мощность дозы - доза, полученная за единицу времени (сек., час).

Фон - мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения в данном месте.

Естественный фон - мощность экспозиционной дозы ионизирующего излучения, создаваемая всеми природными источниками ИИ (см. "Радиационный фон").

Основные единицы измерения ионизирующих излучений

Экспозиционная доза (две единицы)

Рентген (Р) - внесистемная единица экспозиционной дозы. Это такое количество гамма- или рентгеновского излучения, которое в 1 см3 сухого воздуха (имеющего при нормальных условиях вес 0,001293 г) образует 2,082 х 109 пар ионов. Эти ионы несут заряд в 1 эл.-статическую единицу каждого знака (в системе СГСЭ), что в единицах работы и энергии (в системе СГС) составит около 0, 114 эрг поглощённой воздухом энергии (6,77 х 104 Мэв). (1 эрг = 10-7 Дж = 2,39 х 10-8 кал). При пересчёте на 1 г воздуха это составит 1,610 х 1012 пар ионов или 85 эрг/г сухого воздуха. Таким образом физический энергетический эквивалент рентгена равен 85 эрг/г для воздуха. (По некоторым данным он равен 83,8, по другим - 88,0 эрг/г).

1 Кл/кг - единица экспозиционной дозы в системе СИ. Это такое количество гамма- или рентгеновского излучения, которое в 1 кг сухого воздуха образует 6,24 х 1018 пар ионов, которые несут заряд в 1 кулон каждого знака. (1 кулон = 3 х 109 ед. СГСЭ = 0,1 ед. СГСМ). Физический эквивалент 1 Кл/кг равен 33 Дж/кг (для воздуха).

Соотношения между рентгеном и Кл/кг следующие:

1 Р = 2,58 х 10-4 Кл/кг - точно.

1 Кл/кг = 3,88 х 103 Р - приблизительно.

Поглощённая доза (две единицы)

Рад - внесистемная единица поглощённой дозы. Соответствует энергии излучения 100 эрг, поглощённой веществом массой 1 грамм (сотая часть "Грэя" - см.).

1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Дж/кг = 0,01 Гр = 2,388 x 10-6 кал/г

При экспозиционной дозе в 1 рентген поглощённая доза в воздухе будет 0,85 рад (85 эрг/г).

Грэй (Гр.) - единица поглощённой дозы в системе единиц СИ. Соответствует энергии излучения в 1 Дж, поглощённой 1 кг вещества.

1 Гр. = 1 Дж/кг = 104 эрг/г = 100 рад.

Эквивалентная доза (две единицы)

Бэр - биологический эквивалент рентгена (в некоторых книгах - рада). Внесистемная единица измерения эквивалентной дозы. В общем случае:

1 бэр = 1 рад * К = 100 эрг/г * К = 0,01 Гр * К = 0,01 Дж/кг * К = 0,01 Зиверт

При коэффициенте качества излучения К = 1, то есть для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов, 1 бэр соответствует поглощённой дозе в 1 рад.

1 бэр = 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр = 0,01 Дж/кг = 0,01 Зиверт

Особо необходимо отметить следующий факт. Ещё в 50-х годах было установлено, что если при экспозиционной дозе в 1 рентген воздух поглощает 83,8÷88,0 эрг/г (физический эквивалент рентгена), то биологическая ткань поглощает 93÷95 эрг/г (биологический эквивалент рентгена). Поэтому оказывается, что при оценке доз можно считать (с минимальной погрешностью), что экспозиционная доза в 1 рентген для биологической ткани соответствует (эквивалентна) поглощённой дозе в 1 рад и эквивалентной дозе в 1 бэр (при К=1), то есть, грубо говоря, что 1 Р, 1 рад и 1 бэр - это одно и то же.

Зиверт (Зв) - единица эквивалентной и эффективной эквивалентной доз в системе СИ. 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение величины поглощённой дозы в Грэях (в биологической ткани) на коэффициент К будет равно 1 Дж/кг. Иными словами, это такая поглощённая доза, при которой в 1 кг вещества выделяется энергия в 1 Дж.

В общем случае:

1 Зв = 1 Гр . К = 1 Дж/кг . К = 100 рад . К = 100 бэр

При К=1 (для рентгеновского, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов) 1 Зв соответствует поглощённой дозе в 1 Гр:

1 Зв = 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад = 100 бэр.

В заключение ещё раз напомним, что для рентгеновских, гамма-, бета-излучений, электронов и позитронов величины рентген, рад и бэр, а также (отдельно!) величины Грэй и Зиверт оказываются равнозначными при оценке облучения человека.

Пример.

Если в каком-либо месте зафиксирован фон (от гамма-излучения) в 25 мкР/час (25 мкрад/час; 0,25 мкГр/час; 0,25 мкЗв/час), то за 1 час пребывания в этом месте человек получит эквивалентную дозу (ЭД) в 25 мкбэр (0,25 мкЗв). За неделю соответственно:

ЭД = 25 мкР/час * 168 час = 4200 мкбэр = 4,2 мбэр = 42 мкЗв или 0,042 мЗв,

а за год:

ЭД = 25 мкР/час * 8760 час = 219000 мкбэр = 219 мбэр = 2,19 мЗв.

Но если такая же поглощённая доза будет создана альфа-излучением (например, при внутреннем облучении), то с учётом коэффициента качества (20) эквивалентная доза за 1 час составит:

ЭД = 25 мкР/час * 20 * 1 час = 500 мкР = 500 мкбэр = 0,5 мбэр = 5 мкЗв,

то есть она будет эквивалентна поглощённой дозе от рентгеновского, гамма-, бета-излучений, в 500 мкрад (5 мкГр).

Но особое внимание читателя хочу обратить на резкое несоответствие между полученной дозой, то есть выделившейся в организме энергией, и биологическим эффектом. Так давно уже стало очевидно, что одинаковые дозы, полученные человеком от внешнего и от внутреннего облучения, а также дозы, полученные от разных видов ионизирующего излучения, от разных радионуклидов (при попадании их в организм) вызывают разные эффекты! А абсолютно смертельная для человека доза в 1000 рентген в единицах тепловой энергии составляет всего 0,0024 калорий. Это количество тепловой энергии сможет нагреть только на 1ºС около 0,0024 мл воды (0,0024 см3 0,0024 г), то есть всего 2,4 мг воды. Со стаканом горячего чая мы получаем в тысячи раз больше. При этом медики, учёные, атомщики оперируют дозами в милли- и даже в микрорентгены. То есть указывают такую точность, которой на самом деле не существует.

Влияние излучения на организм человека. Эффекты радиации

Радиоактивное излучение называют ионизирующим излучением, а радиоактивные частицы - ионизирующими частицами.

Как уже было сказано, радиоактивные частицы, обладая огромной энергией, огромными скоростями, при прохождении через любое вещество сталкиваются с атомами и молекулами этого вещества и приводят к их разрушению, ионизации, к образованию "горячих" (высокоэнергетичных) и исключительно реакционноспособных частиц - осколков молекул: ионов и свободных радикалов.

То же самое происходит и в тканях биологических объектов. При этом так как биологические ткани человека на 70% состоят из воды, то в большой степени ионизации подвергаются прежде всего именно молекулы воды. Из "осколков" молекул воды - из ионов и свободных радикалов - образуются исключительно вредные для организма и реакционноспособные перекисные соединения, которые запускают целую цепь последовательных биохимических реакций и постепенно приводят к разрушению клеточных мембран (стенок клеток и других структур).

В целом, воздействие радиации на биологические объекты и, в первую очередь, на организм человека вызывает три различных отрицательных эффекта.

В большой степени "поставщиками" таких детей в соответствующие больницы являются предприятия атомной энергетики и зоны их влияния.

организма за счёт разрушения клеточных мембран и других структур. Он проявляется в виде самых различных, в том числе, казалось бы, совершенно не связанных с радиационным воздействием, заболеваниях, в увеличении количества и тяжести течения заболеваний, в осложнениях, а также в ослаблении памяти, интеллектуальных способностей и т. п. Ослабление иммунитета провоцирует возникновение любых заболеваний, в том числе и раковых.

Особо следует отметить, что все видимые физические отклонения от нормы, все заболевания сопровождаются ослаблением умственных способностей, памяти, интеллекта.

Ретроспективный анализ и изучение современного состояния здоровья населения в зоне влияния красноярского ГХК показали, что здесь прирост самых различных заболеваний как детей, так и взрослых, в разы больше, чем в контрольных районах. Подобная картина характерна для зон влияния всех ядерных объектов во всём мире.

Всегда следует иметь в виду, что лучшей защитой от радиации, от любого излучения, является расстояние и время:

Радиация по-разному действует на людей в зависимости от пола и возраста, состояния организма, его иммунной системы и т. п., но особенно сильно - на младенцев, детей и подростков.

При воздействии радиации (особенно малофоновой) скрытый (инкубационный, латентный) период, то есть время задержки до наступления видимого эффекта, может продолжаться годами и даже десятилетиями.

(из книги Ральфа Грейба "Эффект Петко: влияние малых доз радиации на людей, животных и деревья")

Эффект Петко: новое измерение радиационной угрозы?

В 1972 г. Абрам Петко из ядерного исследовательского учреждения Вайтшелл Канадской комиссии по атомной энергии в Манитоба сделал случайное открытие, заслужившее (по словам Ральфа Грейба) Нобелевской премии. Он установил, что при длительном облучении мембраны клеток прорывались при существенно более низкой суммарной дозе, чем если бы эта доза давалась короткой вспышкой, как при рентгеновском исследовании.

Так, облучение с интенсивностью 26 рад/мин разрушало клеточную мембрану за 130 минут при суммарной дозе в 3500 рад. При облучении же с интенсивностью 0,001 рад/мин (в 26000 раз меньше) было достаточно 0,7 рад (время около 700 мин). То есть, для того же эффекта хватало дозы в 5000 раз меньше.

Был сделан вывод, что чем более длительным был период облучения, тем меньшая суммарная доза требовалась.

Это было открытие. Малые дозы при хроническом облучении оказались более опасными по последствиям, чем большие дозы краткосрочного (острого) облучения. Это новое революционное открытие находится в резком противоречии с генетическим эффектом при действии облучения на ядро клетки. Во всех таких исследованиях не обнаруживалось различий по эффекту между общей дозой, полученной за короткий промежуток времени или за длительный период. Наблюдалось почти постоянное действие 1 рада для целого спектра интенсивностей доз, меняющихся от самых малых до самых больших. Долгое время считалось, что молекула ДНК, которая несёт генетическую информацию, впрямую разрушается в ядрах клеток под действием излучения. Петко же открыл, что в случае клеточных мембран действует иной механизм, производящий непрямые разрушения.

Как малые дозы могут быть опаснее больших?

В клетках много воды. Под действием радиации возникают высокотоксичные нестабильные формы кислорода - свободные радикалы, перекисные соединения. Они реагируют с клеточной мембраной, где запускают цепную реакцию химических превращений - окисления молекул мембраны, в результате чего она разрушается. То есть, наблюдается не прямое действие радиации, а последствия.

Дозиметрические приборы

Для измерения ионизирующих излучений создано много различных приборов и установок, которые, в принципе, подразделяются на три типа.

Радиометры - предназначенные для измерения плотности потока ИИ и активности радионуклидов.

Спектрометры - для изучения распределения излучений по энергиям, заряду, массам частиц ИИ (то есть, для анализа образцов каких-либо материалов, источников ИИ).

Дозиметры - для измерения доз, мощностей доз и интенсивности ИИ.

Среди перечисленных имеются универсальные приборы, совмещающие те или иные функции. Имеются приборы для измерения активности вещества (то есть количества расп./сек), приборы для регистрации альфа-, бета- и других излучений и т. д. Это, как правило, стационарные установки.

 

Free Web Hosting