Естественные и техногенные источники радиации

Природные источники радиации. Космическое (галактическое и солнечное) излучение. Радиоактивные элементы земной коры.

Природные источники радиации Естественные источники излучения делятся на два типа. К первому относятся те источники, которые расположены вне Земли. Испускаемое ими излучение приходит на Землю из космоса и поэтому называется космическим (космические лучи). Ко второму относятся радиоактивные источники, входящие в состав вещества Земли.

Космическое излучение. В настоящее время установлено, что космическое излучение, т. е. частицы, падающие на Землю из космоса, образуются при вспышках сверхновых звезд нашей Галактики. Это так называемое галактическое космическое излучение. Его энергия весьма высока (вплоть до 10²¹эВ = 10¹⁵ МэВ). Кроме того, на Землю падают частицы, испускаемые Солнцем, — солнечное космическое излучение. Его энергия существенно ниже (не выше 10¹⁰эВ = 10⁴ МэВ).

Состав галактического космического излучения, падающего на Землю, примерно следующий: 90% — протоны, 7% б-частицы, 1% — ядра элементов более тяжелых, чем ⁴Не. Распространение элементов в составе космического излучения примерно соответствует их распространению во Вселенной. Имеется лишь два исключения, обусловленных следующими физическими причинами. Во-первых, значительно большее количество легких ядер (литий, бериллий, бор), что вызвано расщеплением тяжелых ядер при столкновении с атомами межзвездной среды. Количественные оценки этого эффекта позволяют оценить расстояние, проходимое галактическим излучением от рождения до попадания в околоземное пространство: оно оказывается равным в массовых единицах около 3 г/см². Время жизни космического излучения в Галактике порядка 3?10⁷лет. Во-вторых, в составе космического излучения значительно больше тяжелых ядер (Z>20), чем в среднем в веществе Вселенной. Это объясняется тем, что в источнике космического излучения более тяжелые ядра эффективнее ускоряются, чем легкие.

При движении в космическом пространстве частицы ускоряются и перемешиваются, проходя через нерегулярные и неоднородные межзвездные магнитные поля. Космическое излучение от различных источников долгое время диффундирует в Галактике, в результате чего происходит сильное перемешивание и изотропизация.

Плотность потока галактического излучения у Земли порядка 1 част./(см²?с). Энергетический спектр галактического космического излучения качественно имеет следующий вид. При полной энергии е, меньшей чем 10⁹ эВ, количество частиц практически от энергии не зависит. В диапазоне энергий 10⁹?е?10¹⁰ эВ наблюдается некоторое уменьшение количества частиц больших энергий. В области энергий 10¹⁰—10¹⁵ эВ спектр всех частиц описывается степенной функцией вида е—^1,7. В интервале 10¹⁵—10¹⁷ эВ имеет вид е—^2,2. Исходя из спектра галактического космического излучения, можно вычислить его плотность энергии в пространстве. Она равна 10—¹² эрг/см³ = 0,6 эВ/см³. Попадая в магнитное поле Земли, космическое излучение, состоящее из заряженных частиц, отклоняется от первоначального направления. Отклонение тем сильнее, чем меньше геомагнитная широта места наблюдения. Поэтому на экватор приходят, например, протоны с энергией, большей чем, 1,5?10¹⁰ эВ, а на широту 51° — с энергией, большей чем 2,5· 10⁹ эВ. Поскольку с ростом энергии плотность потока частиц падает, на экваторе наблюдается меньшая интенсивность космического излучения. Последний эффект называется широтным эффектом.

Кроме того, максимальная энергия, которую может иметь космическое излучение на поверхности Земли, обусловлена излучением в магнитном поле Земли. Это так называемый эффект Померанчука. Установление этого эффекта предопределило открытие синхротронного излучения, т. е. излучения электромагнитной волны заряженными частицами, движущимися с релятивистскими скоростями в однородном магнитном поле. В отличие от галактического солнечное космическое излучение наблюдается эпизодически после некоторых хромосферных вспышек. Его состав соответствует составу элементов на Солнце (с преимущественным преобладанием более тяжелых элементов, что обусловлено их большим ускорением), энергетический спектр — более быстро падающий (этот спектр изменяется от события к событию показатель степени колеблется в пределах 2—7). Интенсивность солнечного космического излучения сильно колеблется. Наибольшая интенсивность соответствовала 7· 10⁴ част./(см²· с) (4 августа 1972 г.). Длительность возрастания интенсивности — от нескольких суток до нескольких часов.

Наконец, отметим следующее. Космическое излучение попадает из космоса на поверхность атмосферы. Проходя атмосферу, первичное космическое излучение многократно взаимодействует с веществом атмосферы. Так, пробег протонов относительно ядерных взаимодействий (порядка 90 г/см²) составляет примерно 1/11 всей толщи атмосферы. Поэтому протоны успевают в атмосфере полностью провзаимодействовать, и на уровне моря регистрируется вторичное космическое излучение, состоящее из трех компонент: ядерно-активной, мюонной и электронно-фотонной. Ядерно-активную компоненту составляют нуклоны и не успевшие распасться р^±—мезоны. На уровне моря остается 1% ядерно-активных частиц. Мюонная (и нейтринная) компонента состоит из мюонов и нейтрино, образовавшихся в результате распада мезонов по схеме.

р^± > µ^± + э И мюоны, и нейтрино— слабовзаимодействующие частицы. Поэтому нейтрино (стабильные частицы) уходят, а мюоны (время жизни 2,2- 10—⁶ с; масса 105,7 МэВ т. е. в 207 раз больше массы электрона) распадаются, Электронно-фотонная компонента возникает в результате распада р° мезона по схеме.

р°> 2 г и дальнейшего возникновения электронно-позитронных пар и новых г-квантов в результате тормозного излучения. Повторение этих процессов приводит к лавинным процессам. Если первичная частица имела энергию, превосходящую 10¹⁴ эВ, то в образующемся каскаде частиц их число может достигать 10^б—10⁹. Подобные каскады называются широкими атмосферными ливнями и являются прямо-таки находкой для экспериментаторов, изучающих элементарные частицы.

В заключение стоит отметить, что космическое излучение — это тот радиоактивный фон, который сопровождал и сопровождает развитие и эволюцию жизни на Земле. Более того, он в существенной степени определял и направление эволюции жизни, ибо являлся причиной генетических мутаций. Как мы видим, все обошлось достаточно благополучно и генотип человечества достаточно хороший. Задача же заключается в том, чтобы его непоправимо не испортить за счет создания человеком искусственных источников ионизирующего излучения. В настоящее время одним из подобных потенциальных источников являются ядерный реактор и, конечно, ядерные войны.

Радиоактивность земной коры (вещества Земли). Земля возникла около 4,7 млрд. лет тому назад. В момент ее возникновения в веществе содержались радиоактивные нуклиды с самыми различными временами жизни. Однако к настоящему времени остались только те из них, периоды полураспада которых достаточно велики, и, конечно, радиоактивные нуклиды, являющиеся продуктами распада долгоживущих радионуклидов, даже те, которые обладают и небольшими периодами полураспада. Просто в радиоактивном ряде — а так называется последовательность генетически связанных радиоактивных нуклидов, в которой каждый последующий нуклид возникает в результате били в-распада предыдущего, — устанавливается равновесие концентраций нуклидов. Время установления «векового равновесия» равно нескольким временам полураспада наиболее долгоживущего промежуточного члена ряда. Поэтому в земной коре присутствуют все члены естественных рядов, в том числе и быстрораспадающиеся. В равновесном состоянии отношение концентраций двух следующих один за другим нуклидов радиоактивного ряда x_i и х_i+1 выражается через соответствующие времена полураспадов так:

x_i / х_i+1 = Т_½ⁱ⁺¹ /Т_½ⁱ

Известны три ествественных радиоактивных ряда, начинающихся соответственно с нуклидов ²³²₉₀Тh, ²³⁵₉₂U и ²³⁸₉₂U. Ряды ²³⁵₉₂U и и ²³⁸₉₂U имеют специальные названия — ряд актиноурана и ряд урана — радия соответственно. Кроме того, имеется еще радиоактивный ряд, начинающийся с ²³⁷₉₃Np; точнее говоря, такой ряд когда-то существовал в природе, но из-за сравнительно малого периода полураспада первого члена ряда ²³⁷₉₃Np в настоящее время в природе членов этого ряда уже нет (но все они получены искусственным путем в ядерных реакторах). На рис. 6. а, б, в приведены схемы первых трех радиоактивных рядов. По оси абсцисс отложен порядковый номер элементов (что совпадает с числом протонов в ядре), а по оси ординат — число нейтронов в ядре. Движение на два деления влево по оси абсцисс и на два деления вниз по оси ординат соответствует б-распаду; движение на одно деление вправо по оси абсцисс и на одно деление вниз по оси ординат — в-распаду. На схемах видно, что в радиоактивных рядах имеются разветвления, т. е. некоторые промежуточные нуклиды могут распадаться путем как б-р аспада, так и в-распада. Но каждый естественный радиоактивный ряд начинается с определенного нуклида и определенным нуклидом заканчивается. Для общего представления заметим, что в 1 т естественного урана содержится 0,36 г ²²⁶Rа и 1,3?10—⁹ г ²¹⁸Ро.

Уран, на котором в настоящее время базируется ядерная энергетика, — весьма распространенный и сильно рассеянный в земной коре элемент. Его среднее содержание в земной коре составляет примерно 3?10—⁴ %. Встречающийся в природе уран состоит из трех изотопов: ²³⁸U (99,275%), ²³⁵U (0,72%) и ²³⁴U (0,0054%). Все эти изотопы урана радиоактивны, самопроизвольно распадаются с испусканием б-частиц и испытывают слабое спонтанное деление.

Малое содержание ²³⁵U в природе не дает возможности развиться цепной реакции деления ядер. Однако это утверждение, совершенно справедливое сегодня, оказывается неверным по отношению к давно прошедшему времени.

Известно, что период полураспада ²³⁵U в 6 раз меньше, чем изотопа урана ²³⁸U). Поэтому 2 млрд. лет тому назад содержание ²³⁵U) в природном уране было значительно выше, чем сейчас, и составляло около 3%. Но при таких концентрациях ²³⁵Uи уже возможно возникновение критической системы, состоящей из урана и воды, что и произошло в свое время в Окло (Габон): там в течение 600 млн. лет (!) работал природный реактор мощностью около25 кВт. Это было достоверно установлено по анализу руды из района месторождения. Правда, по современным понятиям плотность потока нейтронов в природном реакторе была не так уж велика — всего около 10⁸см—²?с—¹, но и в этих условиях трудно представить, насколько опасной была радиационная обстановка в прилегающей местности.