2.1. Радиоактивность, радиоизотопы, радионуклиды

Человечество уже давно знало, что материальный мир вообще и химическое вещество в частности состоят из атомов, но как эти атомы выглядят, было неизвестно до начала XX века.

Великий английский физик Эрнест Резерфорд однажды зимой 1911 года, войдя в свою лабораторию, где работал его талантливый ученик Г. Гейгер, своим громоподобным голосом объявил: «Теперь я знаю, как выглядит атом!» [28]. Им впервые была построена планетарная модель атома, где электроны (отрицательно заряженные частицы) являются «планетами», которые движутся вокруг ядра атома («солнца»), состоящего из протонов – положительно заряженных частиц, и нейтронов – электрически нейтральных частиц.

Конечно, планетарную модель атома необходимо воспринимать как модель, созданную одновременно сердцем учёного и его разумом. Дальнейшие открытия элементарных частиц и сложных, загадочных, непредсказуемых процессов их взаимодействия привели к более глубокому пониманию мироздания – познание атома так же неисчерпаемо, как и бесконечно познание окружающего нас мира и вселенной.

Размер ядра в 100 000 раз меньше самого атома, но плотность его настолько значительна, что масса ядра приближается к массе всего атома, на орбите которого число электронов в точности равно числу протонов в ядре. Это равенство делает атом нейтральным.

Любое атомное ядро с заданным числом протонов и нейтронов называется НУКЛОНОМ. Ядра атомов одного и того же химического элемента всегда содержат одно и то же количество протонов, а вот число нейтронов в ядрах может быть разным. В этом случае мы имеем разновидности химического элемента, называемые ИЗОТОПАМИ (например, изотопы урана-238, 235, 234 имеют по 92 протона, но соответственно 146, 143 и 142 нейтрона в ядре). Они имеют одинаковый порядковый номер, но разную атомную массу и почти не отличаются по химическим свойствам.

Если в ядре атома силы сцепления между протонами и нейтронами слабые (нестабильный химический элемент, а их большинство) и протон начинает «вылетать» из ядра, или нейтрон в ядре превращается в новый протон и т. д., то образуется новый НУКЛИД. При этом одновременно с потерей ядром протона с орбиты «срывается» электрон.

Явление самопроизвольного распада химического элемента и превращение его в изотоп или новый нуклид, сопровождаемое выделением энергии (излучением), и называется РАДИОАКТИВНОСТЬЮ. Нестабильные химические элементы, способные к самопроизвольному распаду и осуществившие его, носят название РАДИОИЗОТОПОВ и РАДИОНУКЛИДОВ.

При распаде радиоактивного вещества масса его в течение времени уменьшается по экспоненциальному закону. Время, по истечении которого масса радиоизотопа (радионуклида) уменьшается в два раза, называется ПЕРИОДОМ ПОЛУРАСПАДА. Время это для разных радиоактивных веществ измеряется долями секунд, секундами, сутками, годами, тысячами и миллиардами лет.

В гранитах, слагающих фундамент города Бийска, содержится значительное количество природного урана-238, период полураспада которого составляет 4,47 млрд лет.

В табл.2.1 представлены радиоактивные вещества, образующиеся при распаде урана-238, период их полураспада и вид излучения, сопровождающий этот распад [51].

Таблица 2.1

Все эти вещества образуются в гранитах и почвах города, а начиная от радона-222 в подвалах жилых домов и даже в наших квартирах.

В табл.2.2 приводится список основных радиоактивных изотопов [53], имеющих важное значение для экологии человека, где:

– группа А – элементы, составляющие основу живого вещества (приводятся их радиоизотопы);

– группа В – элементы, содержащиеся в значительных количествах в продуктах распада, которые попадают в окружающую среду вместе с радиоактивными выбросами во время аварий реакторов, при ядерных взрывах;

– группа С – инертные газы, образующиеся в мощных реакторах или при ядерных взрывах (в том числе подземных).

Таблица 2.2

Основные радиоактивные изотопы, имеющие важное значение для экологии человека [53]

Приведём сведения о периодах полураспада ряда других радиоактивных изотопов, не вошедших в табл.2.1 и 2.2, но которые могут встретиться в тексте книги: цезий-134 – около двух лет; бериллий-7–53,6 суток; барий-140–13 суток; радон (торон)-220–55 сек.; тантал-182–111 суток; радий-228–5,75 года; радий-223–11,4 суток [43].

2.2. Радиоактивное излучение

Самопроизвольный распад нестабильных радиоизотопов и радионуклидов сопровождается высвобождением энергии, которая и передается дальше в виде ИЗЛУЧЕНИЯ.

Установлены следующие виды радиоактивного излучения:

– альфа-излучение – испускание ионизированных ядер (а-частицы), состоящихиз двух протонов и двух нейтронов, т. е. заряд ядра уменьшается на две единицы, а массовое число на 4;

– бета-излучение;

– гамма-излучение;

– рентгеновское излучение – представляет собой также поток частиц – электронов (р-распад) и антинейтрино или позитронов (3-распад) и нейтрино. При электронном бета-распаде заряд ядра увеличивается на 1 единицу, при позитронииуменьшается на 1. Массовое число не меняется;

– коротковолновое электромагнитное излучение (у-лучи) (поток фотонов), возникающее в результате распада ядра и взаимодействий электромагнитных частиц, по природе своей соответствует гамма-излучению, но с меньшей длиной электромагнитной волны.

Ещё совсем недавно считалось, что и гамма-излучение, и рентгеновское излучение одновременно являются и электромагнитными волнами, выбрасывающими порции (кванты) энергии, и движением частиц, что привело к драме идей физиков в период первой половины XX века [2]. Сегодня уточнено: нестабильный нуклид оказывается настолько возбуждённым, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения. Тогда он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую гамма-излучением (гамма-квантом). Как и в случае рентгеновских лучей, во многом подобных гамма-излучению, при этом не происходит испускания каких-либо частиц [51].

Виды излучения отличаются количеством высвобождаемой энергии и обладают соответственно разной проникающей способностью, оказывая различное влияние на ткани живых организмов.

Альфа-излучение, например, задерживается листом бумаги или удалённостью от его источника на десяток метров, когда экраном служит даже слой воздуха. Оно не способно практически проникнуть через наружный (без открытых ран) слой кожи, но альфа-частицы становятся крайне опасными при внутреннем облучении организма, если они попали туда с вдыхаемым воздухом, пищей, водой или через открытую рану. По своей способности повреждать ткани организма альфа-излучение двадцатикратно превосходит другие виды излучения (при одинаковой дозе, поглощённой организмом).

Бета-излучение способно проникать через кожу на несколько сантиметров и вызывает ожоги на теле. Бета-частицы также поглощаются слоем воздуха в несколько метров.

Проникающая способность гамма-излучения (фотонов), которое распространяется со скоростью света, громадна: его может остановить лишь толстая свинцовая или бетонная стена.

Нейтронное излучение при одинаковой дозе, поглощаемой организмом, гораздо опаснее предыдущих за счёт большой кинетической энергии и взаимодействия с ядрами атомов молекул, составляющих организм, большего размера нейтронов и отсутствия у них электрического заряда. Они образуются в момент ядерного взрыва и, конечно, при взрыве нейтронной бомбы. Нейтроны встречаются лишь в непосредственной близости от их источника.

Радиоактивные, вышеперечисленные, излучения являются ионизирующими, поскольку обладают свойством вырывать электроны с высших орбит атомов и молекул, превращая их в положительно заряженные ионы и освобождая электроны, т. е. ионизировать или возбуждать их. Отсюда и понятие «ионизирующие источники».

2.3. Единицы, приборы измерения радиоактивности и дозы ионизирующего излучения

Двумя основными количественными характеристиками, используемыми при оценке уровней и эффектов ионизирующего излучения, являются активность радиоактивного вещества и доза ионизирующего излучения. Слово «радиоактивность» обозначает явление радиоактивного распада и не является синонимом «активности» [33].

Активность радиоактивного вещества определяется числом спонтанных распадов радионуклидов в единицу времени. В настоящее время в системе Си основной единицей измерения активности служит беккерель (1 Бк равен 1 распаду в 1 секунду). Параллельно распространена старая единица измерения активности – кюри (1 Ки = 37 млрд распадов в секунду).

Радиация вообще представляет собойпроцесс распространения и поглощения энергии в пространстве (так необходимо понимать и солнечную радиацию).

В случае ионизирующей радиации процесс поглощения энергии связан с потерей электронов в атомах, в результате чего образуются ионы.

Мерой ионизирующего действия гамма-излучения или рентгеновского излучения является ЭКСПОЗИЦИОННАЯ ДОЗА – полная величина электрического заряда образующихся ионов.

Мощность экспозиционной дозы (МЭД) измеряется в старых единицах – рентген в час (1 Р/ч = 1000 мР/час); 1 миллирентген в час (1 мР/час) равен 1000 микрорентген в час (мкР/час).

Многие дозиметры для измерения МЭД используют шкалу в Р, мР, мкР/час, но появились дозиметры со шкалой в зивертах/час (Зв/час, мЗв/час, мкЗв/час). Чтобы перейти от шкалы в зивертах к более чисто психологически привычной в рентгенах, достаточно показатель в Зв увеличить в 100 раз (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Приборы для измерения радиации. 1-радонометр РРА-01 м, 2-сцинцилляционный радиометр СРП-68, 3-спектрометр РКП-305 (радий, торий, калий-40). Фото автора

Дозу излучения организм может получить от любого радионуклида или их смеси независимо от того, находятся они вне организма или внутри его (в результате попадания с воздухом, водой, пищей). Повреждения, вызванные в живом организме излучением, будут тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям. Количество такой переданной энергии организму и называется ДОЗОЙ.

Количество энергии излучения, поглощённое единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется ПОГЛОЩЁННОЙ ДОЗОЙ. В радиационной биологии долгое время для измерения поглощённой дозы излучения (при которой 1 грамм живого вещества поглощает энергию, равную 10⁵ Дж) использовался РАД. В системе Си поглощённая доза измеряется в Греях (Гр), 1 Гр = 1 Дж/кг. Эти две единицы измерения поглощённой дозы продолжают существовать параллельно (1 рад = 0,01 Гр или 1 Гр = 100 рад).

Выше отмечалось, что при равной поглощённой дозе альфа-, бета-, гамма-излучения имеют разную степень опасности (воздействия) для организма. Перерасчёт доз с учётом коэффициента опасности вида излучения даёт нам так называемую ЭКВИВАЛЕНТНУЮ ДОЗУ. Ранее она измерялась в бэрах, а в системе Си измеряется в зивертах (Зв). Один Зв соответствует эквивалентной поглощённой дозе в 1 Дж/кг. В практике чаще используется тысячная доля Зиверта – миллизиверт (мЗв) – или сотая – сантизиверт (сЗв). И бэр, и Зв также продолжают параллельно применяться (1 бэр = 1 сЗв = 0,01 Зв или 1 Зв = 100 бэр).

Конец ознакомительного фрагмента.