Открытие радиоактивности и его необычных свойств породило в учёном мире огромный интерес и вызвало множество вопросов. Прорывом в изучении этого явления стал классический опыт английского учёного Э. Резерфорда, поместившего радиоактивный излучатель в магнитное поле. К удивлению экспериментаторов, радиоактивный пучок разделился на 3 части. Лучи, испытавшие минимальное отклонение, были названы — альфа-лучами.
Что собой представляет альфа-излучение? Чем оно стало для человечества — другом, помощником или врагом? Какой от него вред и как защититься от альфа-излучения?
Энергия образования
Чтобы рассчитать энергию образования альфа-частицы, следует воспользоваться знаменитым уравнением Эйнштейна, которое связывает массу и энергию через одну из фундаментальных постоянных нашей Вселенной – скорость света. Это уравнение имеет вид: E = mc2, где E – энергия, m – масса, c – скорость света в вакууме.
Зная, что при образовании альфа-частицы масса ее компонентов уменьшается на 0,015 * 10-27 кг, а также зная, что скорость света составляет 3 * 108 м/с, получаем энергию, которая выделяется во время этого процесса. Она равна E = 0,015 * 10-27 * 9 * 1016 = 1,35 * 10-12 Дж. В физике элементарных частиц принято энергии записывать в электрон-вольтах (эВ). Один электрон-вольт равен 1,602177 * 10−19 Дж. Тогда энергия образования альфа-частицы равна 8,426 * 106 эВ, или 8,426 МэВ (мегаэлектрон-вольт).
Чтобы понять, насколько велика эта энергия, можно провести простой расчет. Представим, что вся энергия образования альфа-частицы переводится на ее ускорение. Пользуясь уравнением Лоренца для нерелятивистских скоростей, то есть полагая, что кинетическая энергия-альфа частицы равна mv2/2, где v – скорость ее движения, получаем, что этой энергии образования будет достаточно, чтобы разогнать альфа-частицу до скорости 2 * 107 м/c, что составляет 6,7 % от скорости света в вакууме. Отметим, что задавать вопрос о том, на сколько увеличится масса альфа-частицы при таких скоростях, не имеет смысла, поскольку увеличением ее массы можно пренебречь, так как она составит всего 0,015/6,68 * 100 = 0,2 %.
Основные физические свойства
Альфа-частица тяжелее в 4 раза протона и в 8000 раз – электрона, то есть для мира элементарных частиц она обладает большой массой. Напомним, что масса одного протона или одного нейтрона в атомных единицах (а.е.м.) равна 1, а заряд протона равен +1 в единицах элементарного заряда, то есть альфа-частица имеет заряд +2, а массу – 4. Тогда отношение заряда к массе альфа-частицы равно +1/2 = +0,5.
Поскольку она обладает электрическим зарядом, пролетая через электрическое или магнитное поле, она взаимодействует с ним. Чтобы определить направление силы, которая действует на альфа-частицу в магнитном поле, необходимо воспользоваться так называемым правилом левой руки: четыре пальца следует расположить вдоль вектора движения альфа частицы, а ладонь повернуть таким образом, чтобы линии магнитной индукции входили в нее. Тогда оттопыренный под прямым углом большой палец укажет направление действующей силы на движущуюся заряженную частицу.
Альфа-частицы могут разгоняться до больших скоростей, достигающих величин 15 млн км/с, то есть 5 % от скорости света. Ввиду большой массы и огромных скоростей они приобретают значительную кинетическую энергию, которая может составлять до 10 МэВ.
Комплектность
В комплект поставки источников ОСАИ входят составные части и эксплуатационная документация, указанные в таблице 3.
| Наименование | Обозначение | Количество |
| Источник с основным радионуклидом* | 1 | |
| Пенал для укладки источника | 1 | |
| Свидетельство о метрологической аттестации (поверке) | 1 | |
| Паспорт на источник | 1 |
Примечание
*) Источники могут поставляться комплектами или отдельными источниками, основные радионуклиды в источниках и номинальная активность радионуклидов определяются по согласованию с Заказчиком.
Элементарные частицы: протоны и нейтроны
В физике любой частице принято приписывать две основные характеристики – электрический заряд и массу, так как эти критерии определяют во многом ее свойства и поведение в конкретных физических условиях.
Как было сказано выше, альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Протон представляет собой элементарную частицу, имеющую массу 1,6726 * 10-27 кг и заряд +1,602 * 10–19 Кл. Что касается нейтрона, то его масса в 1,00137 раз больше, чем у протона, то есть составляет 1,67489*10-27 кг. Заряд нейтрона равен нулю, то есть эта частица является электрически нейтральной (отсюда и название – “нейтрон”).
Ядерные реакции
Альфа-распад
Пример: где — альфа-излучение — ядра гелия.
Этот распад наблюдается для тяжелых ядер с А>200. При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к ее началу, чем исходный.
Бета-распад
Пример: где — бета-излучение — электроны.
При бета-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным.
Гамма-излучение
Испускание гамма-излучения не приводит к превращениям элементов.
В ходе ядерной реакции суммарный электрический заряд и число нуклонов сохраняются. Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Если сумма масс исходного ядра и частиц, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.
Открытие протона:
Открытие нейтрона:
Ионизирующее излучение представляет собой поток частиц, способных вызывать ионизацию вещества. При ионизации происходит отрыв электрона или нескольких электронов от атома, или молекулы, которые при этом превращаются в положительно заряженные ионы. Оторванные от атомов или молекул электроны могут присоединяться другими атомами, или молекулами, образуя отрицательно заряженные ионы.
Разряд заряженного электрометра, находящегося в воздухе, происходящий независимо от качества электрической изоляции прибора, заметил еще Шарль Кулон в 1785 г., но только в XX веке удалось объяснить обнаруженные им закономерности действием космических лучей, представляющих собой одну из составляющих естественного ионизирующего излучения.
Результат действия ионизирующего излучения называют облучением. Несмотря на многообразие явлений, которые возникают в веществе под действием ионизирующего излучения, оказалось, что облучение может быть охарактеризовано единой величиной, называемой дозой облучения.
Действие ионизирующего излучения в широком диапазоне доз скрыто от непосредственных ощущений человека и поэтому оно кажется ему одним из наиболее опасных факторов воздействия.
В быту и в некоторых отраслях науки, техники и медицины ионизирующее излучение принято называть просто радиацией. Строго говоря, это не совсем верно, т.к. сам по себе термин «радиация» охватывает все виды излучения, включая самые длинные радиоволны и потоки частиц любой сколь угодно малой энергии, а также волны деформации в веществе, например, звуковые волны. Тем не менее, употребление слова «радиация» применительно к ионизирующему излучению настолько вошло в привычку, что в науке прижились термины, сформированные на его основе, такие, как, например, радиология (наука о медицинских применениях ионизирующего излучения), радиационная защита (наука о методах снижения доз облучения до приемлемых уровней), естественный радиационный фон, и т.п.
Масса альфа-частицы
Если учитывать аддитивное свойство физической величины “масса”, то можно рассчитать самостоятельно, сколько весит альфа-частица. Приведенные выше цифры для протонов и нейтронов говорят, что масса альфа-частицы равна 6,69498 * 10-27 кг. Получается эта цифра, если сложить массы в покое двух протонов и двух нейтронов. В итоге отношение масс протона и альфа-частицы приблизительно составляет 1/4. То есть альфа-частица в четыре раза тяжелее протона.
Однако множество проведенных экспериментов по установлению точной массы этой частицы говорят, что масса покоя альфа-частицы составляет 6,68 * 10 * 10-27 кг, то есть она меньше на 0,015 * 10-27 кг полученного выше значения. Куда же девается разница? Ответ на этот вопрос достаточно прост – она переходит в энергию. Дело в том, что при образовании альфа-частицы из протонов и нейтронов в результате ядерных взаимодействия между ними выделяется энергия в виде электромагнитного излучения, два протона и два нейтрона переходят в более выгодное энергетическое состояние – нашу альфа-частицу.
Радиация: источники
В предыдущем посте я рассказал о единицах измерения ионизирующей радиации. А теперь поговорим об источниках излучения. Я не буду здесь писать о «том, что не надо трогать руками» — об этом и так много написано, а я не Олег Айзон и уникальных фотографий невиданных доселе радиоактивных артефактов у меня нет. Я расскажу в общем — откуда у нас берется радиация.
Радиоактивный распад как явление
Что такое радиоактивный распад? Кто-то, вспомнив школьные знания, ответит — это явление превращения одних элементов в другие. Кто-то даст иное, как правило, столь же неточное определение. На самом деле, радиоактивный распад — это любое спонтанное изменение состояния атомного ядра как системы нуклонов, сопровождаемое выделением энергии, величина которой, как правило, превышает несколько килоэлектронвольт. Эта энергия затем уносится вылетающими из ядра элементарными частицами, квантами электромагнитного излучения, либо передается электронам атома. Само ядро при этом может изменить свой заряд, массу, разделиться на два или несколько ядер, а может и остаться самим собой, лишь перейдя в более устойчивое состояние.
«Внешними», легко определяемыми характеристиками атомного ядра являются его масса А
и заряд (или атомный номер)
Z
, измеряемые в зарядах и массах протона. Это целочисленные величины, имеющие физический смысл числа соответствующих частиц в составе ядра. Заряд нейтрона равен нулю, а масса почти такая же, как у протона, так что число нейтронов подсчитать: . Ядра с одинаковыми зарядами называются
изотопами
, с одинаковыми массами —
изобарами
, если же одинаково и то, и другое, мы имеем дело с
изомерами
. Z и A обозначаются слева от символа элемента в нижнем и верхнем индексах соответственно.
Из сказанного очевидно, что чтобы изменился Z, ядро должна покинуть заряженная частица, а чтобы изменилась A, из ядра должно улететь что-то тяжелее электрона. Так, возможны следующие варианты:
— вылетает электрон и антинейтрино или позитрон и нейтрино (бета-распад) — Z изменяется на единицу (увеличивается в случае электронного и уменьшается в случае позитронного распада), A — не меняется;
— ядро наоборот может поглотить электрон с К-уровня атома (К-захват) — Z увеличивается на единицу (как при бета-плюс распаде), A не меняется, испускается нейтрино. — вылетает ядро гелия-4, так называемая альфа-частица (альфа-распад) — Z уменьшается на 2, A уменьшается на 4;
Бета-распад (и электронный захват) представляет собой превращение одного из нейтронов в протон или наоборот, и является проявлением слабого взаимодействия, которое «перезаряжает» один из кварков нуклона. Вместе с электроном всегда образуется антинейтрино, уносящее часть энергии, при этом энергия между ними перераспределяется случайным образом. Из-за этого энергетический спектр бета-излучения непрерывен.
А альфа-распад происходит просто потому что любому ядру тяжелее железа энергетически выгоднее «похудеть». Но пока эта выгода не больше нескольких МэВ, энергетический барьер удаления альфа-частицы или какого-либо иного фрагмента из ядра слишком высок. А когда энергетический выигрыш достаточно велик (но все же меньше энергии связи), становится возможным туннелирование альфа-частицы за пределы ядра. Помимо альфа-частицы из ядра в крайне редких случаях может вылететь нейтрон или протон, либо ядро тяжелее альфа-частицы. И, наконец, ядро может развалиться на несколько ядер, испустив при этом несколько нейтронов. Это спонтанное деление, к которому способны только тяжелые ядра, начиная с тория и урана. После акта распада в ядре может остаться избыток энергии и это «разогретое» ядро должно от него каким-то образом избавиться. Для этого оно испускает один или несколько гамма-квантов. Иногда происходит также явление внутренней конверсии: энергия не излучается в виде фотонов, а передается электронам, которые вылетают из атома. В отличие от бета-лучей электроны конверсии имеют моноэнергетический (линейчатый) спектр.
В некоторых случаях ядро с избытком энергии может существовать достаточно долго, иногда даже сотни лет. Оно не отличается от такого же «обычного» ядра — ни зарядом, ни массой, то есть это тот же самый химический элемент и тот же самый изотоп. А вот изомеры
— разные. Чаще всего время жизни метастабильных изомеров не превышает часы, и лишь у нескольких из них — годы. Существует единственное ядро, для которого лишь изомерное состояние устойчиво: это тантал-180. В основном состоянии он бета-активен и короткоживущ (период полураспада 8 часов), а его изомер тантал-180m, казалось бы, должен либо переходить в основное состояние с испусканием гамма-кванта энергией 75 кэВ, либо претерпевать бета-распад, но ни того, ни другого никто никогда не наблюдал: этот изомер, в отличие от короткоживущего основного состояния
стабилен
.
Распад ядерного изомера — это единственный пример радиоактивного распада, сопровождающегося исключительно гамма-излучением
. Во всех остальных случаях гамма-излучение всегда существует
исключительно вместе
с альфа- или бета-излучением. Про изотопы и изомеры мы сказали. Осталось еще одно «изо» — это изобары. Ядра с разным зарядом ядра и одинаковой массой. Стабильные изобары обычно имеют заряды, отличающиеся на две единицы, а между ними практически всегда есть радиоактивный изотоп. Существование двух стабильных изобаров в соседних клетках таблицы Менделеева маловероятно — это правило носит название правила Щукарева-Маттауха. Известно только два исключения из него: сурьма и теллур-123 и гафний-180 и вышеупомянутый тантал-180m.
Космические лучи и другие нерадиоактивные источники радиации
Помимо радиоактивных веществ, некоторые другие процессы и явления, как природные, так и порожденные человеческим разумом, также приводят к появлению излучений с подобными свойствами.
Вы, наверное, знаете про космическую радиацию. Космические лучи заполняют всю Вселенную, они представляют собой протоны и более тяжелые ядра, электроны и гамма-кванты с исключительно высокими энергиями. Максимальная энергия, зарегистрированная у космических частиц, достигает зепта
электронвольта! Это эВ. Что является источниками столь высокоэнергетических частиц, однозначно сказать невозможно, а вот частицы и гамма-кванты с умеренными энергиями — от кило- до гигаэлектронвольт — порождаются звездами, в том числе и нашим Солнцем.
Это так называемое первичное космическое излучение. С ним можно столкнуться только выйдя на околоземную орбиту или по крайней мере, поднявшись на несколько десятков километров. Несмотря на высокую энергию, эти частицы не долетают до поверхности. Каждая из таких частиц, влетев в атмосферу, вызывает целый каскад ядерных реакций, приводящий к образованию множества частиц — в основном мюонов — которые уже и долетают до Земли. Кстати, долетают они исключительно благодаря релятивистскому замедлению времени: время существования мюона — две микросекунды — без него дало бы возможность пролететь мюону лишь полкилометра с небольшим. И еще один интересный факт, связанный с космическими мюонами: они заряжены отрицательно, а вот первичные космические лучи заряжены положительно, так как состоят в основном из протонов. Именно поэтому Земля имеет отрицательный заряд, а ионосфера — положительный. У поверхности Земли через каждый квадратный сантиметр за минуту в среднем пролетает один мюон. Примерно треть естественного фона — около 3,5 мкР/ч — обусловлена ими. А на высоте, на которой летают пассажирские самолеты, космические лучи создают мощность дозы в несколько микрозиверт в час, представляя уже определенную опасность для здоровья летчиков.
Помимо мюонов есть во вторичных космических лучах также электроны и нейтроны. Последние играют важную роль в образовании так называемых космогенных радионуклидов.
Вторичные космические лучи обладают весьма высокой проникающей способностью. Чтобы от них защититься, приходится уходить в глубокие подвалы и шахты. Разумеется, защищаться от них приходится не потому что они наносят вред здоровью — а потому что они мешают обнаруживать редкие и слабые события в ядерно-физических экспериментах, измерять малые активности радионуклидов и т.п. Но и польза от них есть: с их помощью удается «просвечивать» геологические структуры, крупные постройки (такие, как египетские пирамиды).
Кстати, земная атмосфера эквивалентна для космических лучей примерно метру свинца. Не только одна атмосфера защищает Землю и всех нас от космических лучей — кроме нее есть магнитное поле, отклоняющее заряженные частицы. Но не следует недооценивать защитные свойства атмосферы. Во время геомагнитных инверсий магнитный щит Земли может на определенное время практически исчезнуть, но вопреки страшилкам алармистов, это не приведет к прекращению жизни на Земле, а уровень радиации у поверхности возрастет лишь в 2-3 раза.
Особо высокоэнергетические частицы, прилетевшие из космоса, вызывают образование ливня частиц, который покрывает большую площадь, вызывая одновременную регистрацию множества частиц на детекторах, разнесенных на значительные расстояния. Это так называемые широкие атмосферные ливни. Их регистрация с помощью множества разнесенных детекторов позволяет определить энергию первичной частицы и именно таким способом определены энергии наиболее высокоэнергетических частиц космических лучей. Кроме того, такая частица вызывает мощную вспышку черенковского излучения в а источниками кратковременных вспышек гамма-излучения и высокоэнергетических электронов являются молнии и другие атмосферные разряды.
А делом рук человеческих являются многочисленные устройства, которые генерируют потоки высокоэнергетических частиц и квантов, необязательно преднамеренно. Специально для этого существуют рентгеновские трубки и различного рода ускорители — от маленьких, помещающихся почти что на ладони, до монстра БАК, занимающего территорию нескольких стран. А источниками, как говорится сухим языком официальных бумаг, неиспользуемого рентгеновского излучения являются любые электровакуумные приборы. Но наружу оно способно выйти обычно при напряжении на аноде, составляющем десятки киловольт. Так, источниками рентгена становятся высоковольтные кенотроны, импульсные модуляторные лампы и СВЧ лампы бегущей волны, клистроны и т.п. в радиолокационных станциях. А также — в руках разных любителей домашних экспериментов.
Часто можно слышать про то, что источником рентгеновского излучения является кинескоп телевизора или монитора. Может, но обычно не является. Дело в том, что стекло у кинескопа достаточно толстое, а рентгеновское излучение при анодном напряжении 15-25 кВ слишком мягкое для того, чтобы через такое стекло пройти. Вот кинескопы проекционных телевизоров, которые работали при напряжениях до 50 кВ и имели небольшие размеры и тонкие стенки колбы, «рентгенили» еще как. А среди телевизоров «отличились» УЛПЦТ с их схемой стабилизации анодного напряжения. В этой схеме использовалась лампа ГП-5, работавшая при анодном напряжении, равном напряжению на втором аноде (то есть 25 кВ), через нее шел заметный анодный ток, а стенки у этой лампы — тонкие. В итоге она ярко «светилась» в рентгеновском диапазоне. Положив завернутый в черную бумагу лист фотобумаги на такой телевизор, можно было получить отчетливый снимок его внутренностей — особенно если с лампы сняли защитный кожух.
Но мы вернемся к радиоактивности.
Уран и торий и их дочки
Уран и торий стали первыми известными человеку радиоактивными элементами. Именно на урановой руде Анри Беккерель обнаружил новое проникающее излучение, подобное рентгеновскому, именно из нее Мария Склодовская-Кюри добыла первые крупицы радия и полония.
Эти элементы являются своеобразными «островами стабильности» посреди моря элементов, жизнь которых по сравнению с временем существования Земли слишком коротка. Они остались с тех времен, когда образовались в недрах сверхновой звезды, при взрыве которой образовались те газ и пыль, из которых потом сформировалась наша Солнечная система. А расположены они в гуще элементов, периоды полураспада которых измеряются минутами, часами, годами, тысячелетиями… Так что, сменив клетку в таблице Менделеева на соседнюю справа (при бета-распаде) или на через одну слева, этот элемент превращается в еще более неустойчивый и радиоактивный элемент, который вновь распадается — И так, пока цепочка распадов не приведет, наконец, к стабильному элементу — свинцу или висмуту.
В связи с этим в обсуждении на разных форумах радиоактивных артефактов типа японских объективов или уранового стекла, а также истории с обедненным ураном в оружии и самолетах часто можно услышать заблуждение: мол, уран и торий — альфа-излучатели и в связи с этим их радиоактивностью можно пренебречь, если они не попадают внутрь организма. Да, уран-238 и торий-232 претерпевают альфа-распад, не сопровождающийся гамма-излучением. Однако последующие члены ряда урана-238, распады которых быстро следуют один за другим вплоть до долгоживущего урана-234, бета-активны, а протактиний-234m дает интенсивное гамма-излучение.
К тому же в природном уране помимо 238-го изотопа всегда есть 235-й и 234-й изотопы. Удельная активность первого в природном уране в 21 раз ниже, чем , однако обладает интенсивным гамма-излучением, как и уран-234, активность которого почти всегда равна активности урана-238, так как он находится с ним в вековом равновесии
. Поэтому кусок урана-238 достаточно прилично «светит» и засвечивает фотопленку, на которой лежит, примерно за час. С торием примерно та же история, с той только разницей, что свежевыделенный торий-232 действительно практически чистый альфа-излучатель, и, к примеру, ториевое стекло японских объективов в момент их изготовления не представляло собой особой радиационной опасности. Но по мере восстановления в нем равновесия, в течение 10-15 лет интенсивность бета- и гамма-излучения тория значительно возрастает, что обусловлено накоплением в нем радия-228 и последующих членов ряда — вплоть до финального «салюта» таллия-208, дающего очень жесткое гамма-излучение с энергией 2,6 МэВ. Эта линия обычно последняя в гамма-спектрах, за ней ничего, кроме космического излучения, просто нет.
Самой знаменитой «дочкой» урана-238 является, конечно же, радий-226, тот самый, который открыли супруги Кюри и с добычей которого сравнивал свой труд Маяковский:
Изводишь единого слова ради Тысячи тонн словесной руды…
Но в свежем уране радия почти нет. До него еще 245 тысяч лет ждать распада урана-234 и потом 75 тысяч лет — тория-230 с красивым названием «ионий». А вот в урановой руде радий находится в равновесии с ураном и активность его равна его, урана, активности. Поэтому урановая руда гораздо более радиоактивна, чем сам уран.
Именно поэтому свежий уран не является источником радона-222 (еще минус один миф про урановое стекло).
У тория в ряду тоже есть свой радий — двести двадцать восьмой. Поскольку равновесие в ториевом ряду устанавливается быстро, радий-228, а с ним и радон-220, не заставляет себя ждать.
Пара слов о радоне
Радон — это инертный газ. В связи с этим, он, казалось бы, не должен обладать высокой степенью радиотоксичности, так как практически не усваивается и не накапливается. Так долгое время и думали, и уже когда о вреде радиации знали много — радоновые ванны были популярнейшим способом лечения.
Но дело в том, что радон (что урановый 222, что ториевый 220), стоя в середине радиоактивного ряда, быстро превращается в один из радиоактивных изотопов свинца (214 для радона и 212 для торона), который оседает в легких и остается там навсегда. Вернее, пока не распадется. И уже он (и последующие члены ряда — в урановом ряду это, например, полоний-210) эффективно и качественно облучает легкие. Именно радон и продукты его распада дают основной вклад в годовую дозу облучения.
Кстати, эти радиоактивные продукты распада радона постоянно падают нам на головы. И если в сильный дождь замерить радиационный фон на улице, окажется, что он вырос — иногда даже в 2-3 раза. Это вовсе не «чернобыльский дождик» и не последствия Фукусимы, это всего-навсего продукты распада радона из километрового слоя атмосферы собрались на поверхности земли. Потом эти свинец и висмут-214 превратятся в относительно долгоживущий (22 года) свинец-210, по которому можно определить, сколько прошло времени с момента, когда слой осадков на дне моря или другого водоема оказался перекрыт новыми наслоениями.
А еще их охотно поглощают лишайники, например, ягель, которым затем питаются олени. Концентрация дочерних продуктов распада радона в лишайниках многократно превышает исходное их содержание в дождевой воде и почве. Содержание свинца-210 в ягеле достигает 500 Бк/кг, что приводит к высокому содержанию этого нуклида (а следовательно, и полония-210) в мясе северных оленей — и в костях представителей народов крайнего севера, которые этим мясом (а также рыбой, в которой также велико содержание свинца-210) питаются. Итог — в 35 раз большая годовая доза, чем у жителя, например, Москвы.
Про калий, бананы и прочие апельсины
Помимо урана и тория с «дочками» источниками природной радиоактивности является некоторое количество элементов, имеющих помимо стабильных и радиоактивные природные изотопы. Среди них есть изотопы, образовавшиеся еще при царе Горохе до рождения Солнечной системы. Их периоды полураспада, как и у урана и тория, превышают время существования Солнечной системы, а то и Вселенной. Другие же имеют относительно короткие периоды полураспада, не позволяющие им сохраниться с древних времен. Они не могли образоваться и при распаде других радиоактивных изотопов, а значит, где-то должен быть другой источник их появления. Это — космические лучи.
Высокоскоростные протоны, врезаясь в ядра атомов, как сами по себе вызывают ядерные реакции, так и приводят к рождению нейтронов и высокоэнергетичных гамма-квантов, которые вызывают новые ядерные реакции. В результате каждый из влетевших в атмосферу космических протонов приводит к образованию не только кучи мюонов и электронов, но и к образованию множества нестабильных ядер — космогенных радионуклидов. Благодаря тому, что они образуются постоянно, они все время присутствуют в атмосфере, несмотря на относительно короткое (от секунд до тысяч лет) время жизни. Пожалуй, важнейшим из космогенных радионуклидов является углерод-14, образуемый под действием космических лучей из азота. Другие примеры — это бериллий-7, который вместе с продуктами распада радона легко обнаружить в дождевой воде по характерному гамма-излучению, тритий.
Некоторые космогенные радионуклиды не образовались в атмосфере Земли под действием космических лучей, а с этими космическими лучами и прилетели. Таковы хлор-36 и бериллий-10. Космогенные радионуклиды являются важными трассерами для изучения различных природных процессов переноса вещества, радиоактивными «часами» для датировки (про радиоуглеродный метод все знают), а вот их роль в создании естественного радиационного фона невелика — в этом никто, кроме радона не может соперничать с калием-40. Их (в основном, углерода-14) активность в человеческом теле лишь немногим меньше активности калия-40, однако у последнего энергия распада — полтора МэВа, а у углерода-14 — 156 кэВ. Соответственно, и доза от него на порядок ниже — всего около 15 мкЗв/год.
Особенность калия в том, что он является важнейшим жизненно-важным элементом практически для любых форм жизни. И вместе с тем, калий неотделим от радиоактивного калия-40, который обуславливает его весьма заметную радиоактивность. Активность грамма природного калия составляет 31 Бк/г, а активность калия в человеческом организме — примерно 60 Бк/кг. Этой активностью создается годовая доза в 170 мкЗв/год — где-то немного меньше одной десятой от общей дозы облучения.
Бананы, как известно, богаты калием, а значит, и его радиоактивным изотопом. Калием, вообще-то много чего богато — курага, финики, орехи, и в общем-то бананы среди них не лидер, но все же калия в нем сравнительно много. Средний банан содержит около половины грамма калия, что соответствует 15-16 беккерелям калия. Эта активность, а также величина вклада в дозу облучения, вызванного потреблением одного банана (оцененная, как 0,1 мкЗв) во времена аварии на Тримайл-Айленде были в шутку прозваны «банановым эквивалентом».
На самом деле «банановый эквивалент» в дозовом выражении практически равен нулю. Дело в том, что концентрация калия в организме — это штука довольно постоянная. Любое серьезное отклонение в концентрации калия в тканях организм воспринимает весьма болезненно и тщательно поддерживает эту концентрацию в узких пределах. Если в организм поступает много калия, много калия выводится почками. Мало калия — почки будут беречь калий изо всех сил. Но содержание его в организме будет держаться неизменным. Так что съеденный банан не изменит количества калия в теле, а значит, и не создаст дополнительной дозы облучения.
Есть еще рубидий-87. Он тоже ведет себя в организме, как калий, но из-за редкости вклад его в дозу небольшой — что-то в районе 6 мкЗв/год.
Дела рук человеческих
С момента открытия радиоактивности и до 1934 года ученые имели дело только с теми радиоактивными элементами, которые есть в природе. В 1934 году Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, исследуя образование свободных нейтронов под действием потока альфа-частиц, обнаружили, что после прекращения облучения алюминиевая мишень продолжает испускать некие частицы (оказавшиеся впоследствии позитронами), поток которых быстро затухал. Так был впервые осуществлен искусственный синтез радиоактивного изотопа: Образование радиоактивного фосфора было доказано химически: при растворении ставшего радиоактивным алюминия в соляной кислоте вся активность уходила в выделяющийся газ в виде фосфористого водорода. Затем супруги Жолио-Кюри показали и образование других искусственных радиоактивных изотопов: облучением бора альфа-частицами был получен радиоактивный азот, при облучении магния — алюминий. Сбылась мечта алхимиков о превращении одних элементов в другие. Более продуктивным оказалось использование недавно созданных ускорителей заряженных частиц, с помощью которых удалось синтезировать не только множество радиоактивных изотопов известных элементов, но и те элементы, которых в природе не было. Первым из них стал открытый в 1937 году Эмилио Сегрэ технеций, название которого с тех пор указывает на его искусственное происхождение. Потом были франций, астат, затем первые трансурановые элементы — нептуний, плутоний…
Наконец, был открыт, пожалуй, самым мощным источником новых искусственных изотопов: ядерное деление.
Как я выше говорил, для тяжелых ядер цельное существование целого ядра менее выгодно энергетически, чем его разрушение. Тем не менее, ядро остается целым, так как между состояниями «целое ядро» и «отдельные фрагменты» существует значительный энергетический барьер. Вероятность самопроизвольного преодоления такого барьера даже для самых тяжелых ядер — урана, тория, трансурановых элементов — незначительна. Она гораздо больше в случае, если отделяемый фрагмент — альфа-частица, чем обусловлена альфа-активность таких ядер. Но остается очень небольшая вероятность того, что ядро распадется на несколько примерно одинаковых «кусков», которые немедленно разлетятся под действием электростатического отталкивания. Но вероятность деления ядра резко возрастает, если ядро «подогреть», возбудить какой-либо частицей извне. Проще всего это сделать с помощью нейтрона: ему не нужно преодолевать кулоновский барьер. Возбужденное ядро деформируется, а затем разрывается. Важно, что при делении обычно образуются не только «осколки», но и свободные нейтроны, которые также оказываются способны вызвать деление у других ядер. Этот процесс лежит в основе всей ядерной энергетики нашего времени, и он же производит огромное количество самых разнообразных радиоактивных изотопов: ядерные «осколки» могут быть практически любыми, и сможем мы их обнаружить и выделить или нет, определяется только временем их жизни. А мощный поток нейтронов, образующийся в процессе интенсивной ядерной реакции (особенно при ядерном взрыве) способен породить очень тяжелые трансурановые элементы. Такими «детищами ядерного взрыва» стали эйнштейний и фермий. А более легкие плутоний, америций, кюрий и калифорний получаются в реакторах во вполне промышленных количествах.
Переработка облученного ядерного топлива и облучение нейтронами различных элементов в реакторах стали эффективным и дешевым источником практически любых радиоактивных изотопов, позволяющим получать их в любых количествах — от небольших контрольных источников для калибровки карманных дозиметров, идущих вместе с ними в комплекте и не представляющих серьезной опасности, до тех, в луче от которых почти мгновенно погибают даже бактерии, а воздух светится, как лампочка.
А после, слив бензин и запустив реактор…
У радиоактивного изотопа как источника излучения есть одно свойство, что является как достоинством, так и недостатком. Он «работает» сам по себе, ни от чего не завися. «Выключить» радиоактивный источник нельзя — только спрятать за толстый слой свинца.
А вот реакцией деления можно (и нужно) управлять. Условием протекания самоподдерживающейся реакции деления является то, чтобы количества нейтронов, которые рождаются при актах деления, хватало для восполнения как тех нейтронов, которые затрачиваются на само деление, так и тех, которые покинули активную зону, не вызвав деления: были поглощены или захвачены либо просто улетели за ее пределы. Это — условие критичности. Нейтронов образуется больше, чем надо — реакция разгоняется, экспоненциально, лавинообразно наращивая свою интенсивность. Не хватает нейтронов — реакция угасает.
Ядерные реакторы обычно рассматриваются прежде всего как источники нейтронов. Вокруг такого исследовательского реактора (или нескольких) обычно строится целый научный центр, в котором проводятся разнообразные исследования и эксперименты, для которых необходим интенсивный поток нейтронов. Это исследования кристаллической структуры с помощью дифракции нейтронов, различные методы химического анализа, основанные на превращении стабильных элементов в радиоактивные изотопы (нейтронно-активационный анализ), изучение влияния излучения на вещество, включая и биомолекулы и живые организмы в целом, и многое другое.
Одним из вариантов такого реактора является импульсный ядерный реактор. Это почти что атомная бомба в представлении некоторых популяризаторов ядерной физики: «если мы возьмем два куска урана и сложим их вместе, мы получим воронку в полмили диаметром». В импульсном реакторе так и происходит: критическая масса образуется на мгновение, когда один кусок урана быстро пролетает мимо другого. Нейтронная вспышка, которая при этом образуется, может быть тысячекратно более интенсивна, чем нейтронный поток обычного энергетического или исследовательского реактора.
Ядерный реактор — хороший источник нейтронов, но стационарный, дорогой, громоздкий и опасный. В условиях рядовой лаборатории или в полевых условиях для получения нейтронного потока используют либо калифорний-252, генерирующий нейтроны за счет спонтанного деления, либо источники, основанные на реакциях альфа-частиц с бериллием, бором или алюминием. Однако, такие источники малоинтенсивны и неизбежно дают вместе с нейтронами гамма-излучение. Таким источникам есть альтернатива в виде так называемой нейтронной трубки.
Фактически это тоже реактор, только термоядерный
: в нейтронной трубке осуществляется реакция ядерного синтеза. Правда, на ее проведение затрачивается гораздо больше энергии, чем выделяется, но нейтронный поток она дает. И главное — выключенная нейтронная трубка практически безопасна (за исключением некоторой активации элементов ее конструкции, да некоторого количества трития внутри трубки) и в этом смысле подобна рентгеновской трубке. Ядерный синтез происходит на мишени из трития под действием ядер дейтерия — дейтронов, ускоряемых газовым разрядом в дейтерии.
Послесловие
Ионизирующая радиация — явление не новое. Вопреки сложившимся в народе представлениям (я в предыдущих статьях уже писал о некоторых мифах на эту тему), доля антропогенных источников излучения в дозе облучения подавляющего большинства людей весьма невелика. Однако именно антропогенные источники представляют наибольшую опасность острого
лучевого поражения. Природная радиация в земных условиях практически никогда не угрожает жизни непосредственно — исключением является только работа на разработке некоторых, наиболее богатых, урановых месторождений. А вот искусственные источники уже успели убить немало людей. Это и физики, которые работали с ураном и плутонием и попали под вспышки СЦР, и жертвы бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, и жертвы Чернобыля и других менее известных радиационных аварий. Бывали и случаи, когда людей убивал потерянный или украденный источник излучения, либо когда люди по незнанию оказывались в зоне интенсивной радиации и набирали смертельные дозы за секунды.
Об этом — а вернее, о радиационной безопасности, я расскажу в следующей статье.
Все статьи серии
Радиация: Будни радиохимической лаборатории Радиация: единицы измерения Радиация: риски, безопасность, защита
Свойства альфа-лучей
Альфа-лучи – это результат воздействия магнитного поля на тяжелый радиоактивный химический элемент. Во время взрыва источником выхода радионуклидов являются остатки атомного заряда урана или плутония, которые не взорвались. Энергетический диапазон альфа-лучей колеблется в пределах 2-9 МэВ в зависимости от того, какой радиоактивный элемент был использован для их получения. Например, уран испускает альфа-лучи с энергией около 4,5 МэВ. При этом начальная скорость их составляет примерно пятнадцать тысяч километров в секунду. По мере того как лучи продвигаются в среде, скорость альфа-частиц уменьшается и на определенном отрезке уравнивается со скоростью движения молекул этого вещества. После замедления положительные альфа-частицы притягивают электрон и образуют атом гелия.
Вся энергия альфа-лучей направлена на ионизацию атома. Альфа-излучение признано самым ионизирующим среди радиоактивных. Продвигаясь на один сантиметр в воздушной среде, частицы создают порядка 30 тысяч пар ионов. При этом на разных отрезках пробега альфа-частицы ионизация не одинакова. Динамика роста ионизирующей способности наблюдается не в начале пути пробега, а ближе к его концу. Самые высокие показатели наблюдаются именно в конце пути, так как излучение встречается с наибольшим количеством атомов, преодолевая последние сантиметры.
Именно из-за высокой ионизирующей способности скорость альфа-частицы довольно низкая, а длина пробега не превышает 11 см в воздушной среде. В твердых веществах величина пути альфа-излучения не превышает сотой доли миллиметра. Радионуклиды урана или плутония практически не способны продвигаться по тканям человеческого тела. Обычный лист бумаги или одежда становятся для них непреодолимым препятствием.
Допустимые пределы облучения
Норма ионизирующего излучения в России регулируется «Нормами радиационной безопасности» и «Основными санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений». Согласно данным документам, пределы облучения разработаны для следующих категорий:
1. «А». К ней относятся сотрудники, которые работают с источником излучений на постоянной основе или временно. Допустимый предел рассчитывается как индивидуальная эквивалентная доза внешнего и внутреннего излучения за год. Это так называемая предельно допустимая доза.
2. «Б». Категория включает часть населения, которая может подвергаться воздействию источников облучения, так как проживает или работает рядом с ними. В этом случае также рассчитывается допустимая доза за год, при которой в течение 70 лет не будут происходить нарушения здоровья.
3. «В». К типу относится население области, края или страны, попавшее под излучение. Ограничение облучения происходит с помощью введения норм и контроля радиоактивности объектов в окружающей среде, вредных выбросов с АЭС, учитывая дозовые пределы для предыдущих категорий. Влияние излучений на население не подлежит регламенту, так как уровни облучения очень низки. В случаях радиационной аварии в регионах применяются все необходимые меры безопасности.
Характеристика альфа-излучения
Лучи такого вида представляют собой альфа-частицы массой 4,0015 атомных единиц. Магнитный момент и спин равны нулю, а заряд частиц – удвоенному элементарному заряду. Энергия альфа-лучей находится в пределах 4-9 МэВ. Ионизирующее альфа-излучение проявляется при потере атома своего электрона и превращении его в ион. Выбивание электрона происходит за счет большого веса альфа-частиц, которые больше его практически в семь тысяч раз. При прохождении через атом и отрыве каждого отрицательно заряженного элемента частицы теряют свою энергию и скорость. Способность ионизировать материю теряется, когда вся энергия потрачена и альфа-частица преобразуется в атом гелия.
Как можно защититься от альфа-излучения
Альфа-излучение представляет собой движение частиц с высокой ионизацией, которое не способно проникать дальше верхних слоев эпидермиса. Максимум, что могут спровоцировать альфа-лучи – это легкие ожоги и раздражение. По итогам многих исследований было установлено, что внешнее воздействие неопасно. Однако проникая в организм с продуктами питания, водой или через поврежденные участки кожи, альфа-лучи способны вызвать серьезную интоксикацию. Сильная ионизация, наличие свободного водорода и кислорода в составе альфа-излучения приводит к серьезным сбоям и патологиям.
Внешний поток альфа-лучей считается абсолютно безобидным для человека и не требует специальной защиты. Обычная бумага или тонкий алюминиевый лист создаст надежный барьер. И даже этого не требуется, так как одежда полностью задержит излучение и не позволит ему добраться до кожи.
Рекомендуется отдалиться от источника образования альфа-лучей на 20 см и такой меры предосторожности будет вполне достаточно.
Что касается внутреннего облучения, то тут нужно тщательно позаботиться о собственной безопасности. В оснащение человека, находящегося в зоне массового поражения, должны входить следующие средства индивидуальной защиты:
- одежда и обувь из плотных материалов: комбинезоны с капюшонами, нарукавники, перчатки, специальные ботинки;
- шлем и щиток из оргстекла, лучшим обмундированием будет противогаз;
- альфа-лучи проникают через поврежденную кожу и раны, поэтому ее необходимо защитить специальными пастами, эмульсиями или кремами.
Кроме того, есть рекомендации по поводу выведения из организма продуктов распада альфа-частиц путем употребления некоторых продуктов питания. Среди них цитрусовые, капуста, бобовые, рыба и другие продукты, которые имеют в своем составе витамины В и С. Что касается народных методов, то выходу радионуклидов из организма способствует топинамбур.
Особые свойства альфа-частиц, в частности, их низкая проникающая способность, не позволяет обнаружить радиацию обычными дозиметрами. Для этого используют счетчик Гейгера, уведомляющий об опасности характерным щелканьем, что позволяет быстро обезопасить себя и защитится от проникновения альфа-лучей.
Меры безопасности
Защита от альфа-излучения не представляет собой проблемы. Радиационные лучи полностью задерживаются плотным листом бумаги и даже человеческой одеждой. Опасность возникает только при внутреннем облучении. Чтобы избежать его, используются средства индивидуальной защиты. К ним относятся спецодежда (комбинезоны, шлемы из молескина), пластиковые фартуки, нарукавники, резиновые перчатки, специальная обувь. Для защиты глаз применяются щитки из оргстекла, также используются дерматологические средства (пасты, мази, кремы), респираторы. На предприятиях прибегают к мерам коллективной защиты. Что касается защиты от газа радона, способного накапливаться в подвалах, ванных комнатах, то в этом случае необходимо часто проветривать помещения, а подвалы изнутри изолировать.
Характеристика альфа-излучения приводит нас к выводу о том, что данный вид имеет низкую пропускную способность и не требует серьезных мер защиты при внешнем облучении. Большой вред наносят эти радиоактивные частицы при проникновении внутрь организма. Элементы данного вида распространяются на минимальные расстояния. Альфа-, бета-, гамма-излучения отличаются друг от друга своими свойствами, проникающей способностью, влиянием на окружающую среду.
Любое вещество на земле в той или иной степени радиоактивно. Альфа-излучение – это поток тяжелых частиц с положительным зарядом, состоящий из протонов и нейтронов.
Ученые постоянно изучают возможности применения радиационных нуклидов в медицине и успешно практикуют лечение онкологических заболеваний, прибегая к их помощи. Однако с альфа-частицами следует обращаться с особой осторожностью, так как они имеют слишком высокие показатели биологической активности. Что же подразумевает термин «альфа-излучение», как оно было обнаружено и представляет ли оно опасность для человека?
Особенности α-лучей в разных средах
Кроме необходимости знать, что такое альфа-излучение для защиты себя от его влияния, нужно разбираться в его особенностях.
Стартовая скорость таких частиц варьируется в рамках 14-20 тысяч км/с. По сравнению с бета-частицами они считаются более массивными. Разница составляет более 7300 раз. Из-за этого ионизирующая способность лучей считается высокой.
Среднестатистический показатель создания пара ионов тут составляет 200000 раз. Для этого должны быть соблюдены основные условия: свободное движение в воздухе, температура окружающей среды в 15 градусов и обычное атмосферное давление.
Но срок «жизнеспособности» этих частиц довольно ограничен. Вызвано это тем, что при ионизации требуются многочисленные энергетические затраты. После того как частицы начинают последовательно тормозить, их способность к ионизации значительно возрастает.
Свободный пробег частиц из альфа-гаммы по воздуху составляет не более 11 см при благоприятной среде. А вот жидкая и твердая среды не благоприятны для проникновения лучей. Здесь они не могут продвинуться даже на миллиметр.
Влияние альфа-излучения на человека
Значительная ионизация приводит к тому, что мощный поток энергии, который исходит от источника, очень быстро сводится к нулевым показателям. Из-за такой молниеносной потери энергетического ресурса проникающая способность альфа-частицы составляет сотые доли миллиметра. Излучение не способно пройти даже через омертвевшие клетки кожи, поэтому практически не представляет опасности для человека при внешнем воздействии.
Если же для образования альфа-излучения был применен ускоритель, то его влияние уже не будет столь безобидным. Альфа-частицы моментально распадаются на радиоактивные нуклиды, которые опасны для человеческого здоровья.
При попадании внутрь самой минимальной дозы радиации, что может попасть в организм через органы дыхания или пищеварительный тракт, человек может получить облучение, достаточное, чтобы спровоцировать у него лучевую болезнь.
То есть при внешнем воздействии альфа-лучи способны нанести вред организму, только если человеческое тело покрыто открытыми ранами. Попадая в организм, альфа-частицы заставляют клетки делиться с большей скоростью, облучая их, что приводит к изменению генетической информации, мутациям и образованию раковых опухолей. Когда альфа-излучение проникает внутрь организма, оно способно привести к лучевой болезни – смертельный исход при этом неизбежен.
Проникающая способность
Поскольку альфа-частица обладает значительной массой (по сравнению с массой электрона), а также электрическим зарядом, который по модулю превышает заряд электрона в 2 раза, то ее проникающая способность, то есть способность проходить через слой вещества, является незначительной.
Во время своего движения альфа-частица испытывает столкновения с атомами, передавая им значительное количество энергии, которая приводит к ионизации атомов, то есть к отрыву электронов от них. Например, проходя всего 5 см в воздухе, альфа-частица испытывает огромное число столкновений и практически полностью теряет свою кинетическую энергию.
Любое твердое вещество легко задерживает альфа-частицу. Так, она не может пройти через слой из нескольких листов бумаги, а алюминиевая пластина толщиной всего 0,1 мм задерживает поток любой интенсивности из альфа-частиц. Еще раз отметим, хотя проникающая способность этой частицы мала, она очень сильно ионизирует всякое вещество, через которое движется.
