Сущность проникающей радиации

Проникающая радиация (ионизирующие излучения) представляет большую опасность для здоровья и жизни людей и животных. В больших дозах она вызывает серьезные поражения тканей организма, а в малых — онкологические заболевания, провоцирует генетические дефекты. В природе существует некоторое количество химических элементов, ядра атомов которых самопроизвольно превращаются в ядра других элементов. Эти превращения сопровождаются излучением, которое назвали ионизирующим излучением, а само явление распада ядер — радиоактивностью. Ионизирующие излучения представляют собой потоки элементарных частиц и квантов электромагнитного излучения, способных вызывать ионизацию атомов и молекул среды, в которой они распространяются. Радиоактивное излучение невидимо. Оно обнаруживается с помощью различных явлений, происходящих при его действии на вещество (свечение люминофоров или флуоресцирующих экранов, ионизация вещества, почернении фотоэмульсии после проявления и т. п.) К ионизирующим излучениям относятся: альфа-излучение (б-излучение) — представляют собой ядра атомов гелия и состоят из двух протонов и двух нейтронов; они имеют двойной положительный заряд и относительно большую массу, равную 4,003 а.е.м. б-частицы превышают массу электрона в 7300 раз; энергия их колеблется в пределах 2−11 МэВ. Для каждого данного изотопа энергия б-частиц постоянна. В спектре альфа-излучения очень незначительный процент короткопробежных и длиннопробежных частиц, поэтому альфа-излучение считают монохроматическим. Пробег альфа-частиц в воздухе составляет в зависимости от энергии 2−10 см, в биологических тканях — несколько десятков микрон. Так как альфа-частицы массивны и обладают сравнительно большой энергией, путь их в веществе прямолинеен; они вызывают сильно выраженные эффекты ионизации и флуоресценции. В воздухе на 1 см пути б-частица образует 100−250 тыс. пар ионов. Поэтому альфа-излучатели при попадании в организм крайне опасны для человека и животных. Вся энергия б-частиц передается клеткам организма, что наносит им вред; бета-излучение (в-излучение) — представляет поток частиц (электроны и позитроны), испускаемых ядрами при бета-распаде. в-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии. Это объясняется тем, что при бета-распаде из атомного ядра вылетают одновременно с в-частицей нейтрино. Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между в-частицей и нейтрино. Если в-частица вылетает из ядра с большим запасом энергии, то нейтрино испускается с малым уровнем энергии и наоборот. Поэтому энергетический спектр бета-излучения сплошной или непрерывный. Средняя энергия в-частиц в спектре равна примерно 1/3 их максимальной энергии. Поскольку в-частицы одного и того же радиоактивного элемента имеют различный запас энергии, то величина их пробега в одной и той же среде будет неодинаковой. Путь в-частиц в веществе извилист, так как, обладая крайне малой массой, они легко изменяют направление движения под действием электрических полей встречных атомов. Бета-излучение образует 50−100 пар ионов на 1 см пути в воздухе и имеет «рассеянный тип ионизации». Пробег в-частиц в воздухе может составлять в зависимости от энергии до 25 м, в биологических тканях — до 1 см. Скорость движения в-частиц в вакууме равна 1•10¹⁰-2,9•10¹⁰ см/с (0,3−0,99 скорости света). Различные радиоактивные изотопы значительно отличаются друг от друга по уровню энергии бета-частиц. альная энергия бета-частиц различных элементов имеет широкие пределы от 0,015−0,05 МэВ (мягкое бета-излучение) до 3−12 МэВ (жесткое бета-излучение); гамма-излучение (г-излучение) — представляет собой поток электромагнитных волн; это, как и радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, а также рентгеновое излучение. Различные виды электромагнитного излучения отличаются условиями образования и определенными свойствами (длиной волны и энергией). Рентгеновое излучение возникает при торможении быстрых электронов в электрическом поле ядра атомов вещества (тормозное рентгеновое излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентгеновое излучение). При различных переходах атомов и молекул из возбужденного состояния в невозбужденное может происходить испускание видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Гамма-кванты — это излучение ядерного происхождения. Они испускаются ядрами атомов при альфаи бета-распаде природных и искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфаили бета-частицей). Этот избыток мгновенно высвечивается в виде г-квантов. Гамма-кванты лишены массы покоя. Это значит, что фотоны существуют только в движении. Они не имеют заряда и поэтому в электрическом и магнитном поле не отклоняются. В веществе и вакууме г-лучи распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Скорость распространения их в вакууме равняется скорости света (3*10¹⁰ см/с).Энергия г-кванта пропорциональна частоте колебаний. Частота колебаний гамма-квантов связана с длиной их волны. Чем больше длина волны, тем меньше частота колебаний, и наоборот, частота колебаний обратно пропорциональна длине волны. Чем меньше длина волны и больше частота колебаний излучения, тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма-излучения естественных радиоактивных элементов колеблется от нескольких кэВ до 2−3 МэВ и редко достигает 5−6 МэВ. Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизирующее действие, но обладают большой проникающей способностью. Путь пробега в воздухе достигает 100−150 м. Излучения разных видов оказывают неодинаковое воздействие на организм, что объясняется разной их ионизирующей способностью. Так, альфа-излучения не способны проникнуть через наружный слой кожи и не представляют опасности до тех пор, пока вещества, испускающие альфа-частицы не попадут внутрь организма. Бета-излучения опасны для организма, особенно при попадании радиоактивных веществ на кожу или внутрь организма. Гамма-излучение обладает сравнительно небольшой ионизирующей активностью, но в силу очень высокой проникающей способности представляет большую опасность для организма. Все живые существа на земле постоянно подвергаются воздействию ионизирующей радиации путем внешнего и внутреннего облучения за счет естественных (космическое излучение и природные радиоактивные вещества) и искусственных (отходы атомной промышленности, радиоактивные изотопы, используемые в биологии, медицине и сельском хозяйстве и др.) источников ионизирующих излучений. Космическое излучение — это ионизирующее излучение, непрерывно падающее на поверхность земли из мирового пространства (первичное космическое излучение) и образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия первичного космического излучения с атомами воздуха (вторичное космическое излучение). Первичный компонент космических лучей образуется вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. Он состоит в основном из ядер легких атомов: водорода — протонов (79%), гелия — б-частиц (20%), лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и других элементов, большинство из которых обладают очень высокой энергией — в интервале 3*10⁹-15*10⁹ эВ, а некоторые — 10¹⁷-10¹⁸ эВ. Такие большие энергии первичные космические частицы приобретают за счет ускорения их в переменных электромагнитных полях звезд, многократного ускорения в магнитных полях звезд, многократного ускорения в магнитных полях облаков космической пыли межзвездного пространства и в расширяющихся оболочках новых и сверхновых звезд. Однако лишь немногие частицы достигают поверхности земли, так как они взаимодействуют с атомами воздуха, рождая потоки частиц вторичного космического излучения. Поэтому основную массу космических лучей, достигающих поверхности земли, составляет вторичное космическое излучение. Вторичное космическое излучение состоит из всех известных элементарных частиц и излучений. Основную массу их, достигающих уровня моря, составляют: м±-и р±-мезоны (70%), электроны и позитроны (26%), первичные протоны (0,05%), г-кванты, быстрые и сверхбыстрые нейтроны. Вторичное космическое излучение по уровню энергии и составу: 1) мягкий, или малопроникающий, компонент объединяет электроны, позитроны, г-кванты и частично быстрые протоны с энергиями порядка 100 МэВ; 2) жесткий, или сильнопроникающий, — состоит в основном из м±-мезонов с энергиями порядка 600 МэВ, небольшого количества сверхбыстрых протонов, с энергией более 400 МэВ, б-частиц и незначительного количества р±-мезонов; 3) сильноионизирующий — содержит продукты ядерных расщеплений: протоны, б-частицы, дейтроны, тритоны и более тяжелые осколки ядер с энергией 10−15 МэВ; 4) нейтронный компонент — нейтроны различных энергий. На уровне моря космическое излучение состоит в основном, как правило, из мягкого и жесткого компонентов. Мягкий компонент поглощается слоями свинца толщиной 8−10 см и железа — 15−20 см; жесткий — проходит через свинец толщиной более метра, его можно обнаружить под землей и под водой на глубине нескольких километров. Частицы мягкого и жесткого компонентов, обладая большими энергиями в веществе, создают наименьшую плотность ионизации. Поэтому их относительная биологическая эффективность приравнивается к 1. Частицы сильноионизирующего компонента обладают большой плотностью ионизации. Их относительная биологическая эффективность приравнивается к относительной биологической эффективности протонов, нейтронов и б-частиц с энергией 10−15 МэВ, т. е. она равна 10. На уровне моря сильноионизирующие частицы составляют 0,5%, а слабоионизирующие — 99,5%. Природные радиоактивные вещества: U, Th с продуктами их распада, ⁴⁰К и ⁸⁷Rb; малораспространенные изотопы и изотопы с большим периодом полураспада: ⁴⁸Ca, ⁹⁶Zr, ¹¹³In, ¹²⁴Sn, ¹³⁰Te, ¹³⁸La, ¹⁵⁰Nd, ¹⁵²Sm, ¹⁷⁶Lu, ¹⁸⁰W, ¹⁸⁷Re,²⁰⁹Bi; радиоактивные изотопы ¹⁴C, ³H, ⁷Be, ¹⁰Be, образующиеся непрерывно под действием космического излучения. Наиболее распространенным радиоактивным изотопом земной коры является ⁸⁷Rb, содержание которого значительно выше урана, тория и особенно ⁴⁰К. Однако радиоактивность ⁴⁰К в земной коре превышает радиоактивность суммы всех других естественных радиоактивных элементов:⁸⁷Rb характеризуется мягким бета-излучением и имеет большой период полураспада, а распад ⁴⁰К сопровождается относительно жестким бетаи гамма-излучением. Калий-40 широко рассеян в почвах и прочно удерживается глинами вследствие процессов сорбции. Глинистые почвы почти везде богаче радиоактивными элементами, чем песчаные и известняки. Радиоактивные тяжелые элементы (уран, торий, радий) содержатся преимущественно в горных гранитных породах. В разных районах земного шара доза гамма-излучения различных земных пород у поверхности земли колеблется в значительных пределах — 26−1150 мрад/год. Однако имеются районы, где вследствие выхода на поверхность земли радиоактивных руд и пород, а также значительной примеси в почве урана и радия доза природного фона составляет 12−70 рад/год, что в 100−500 раз выше среднемирового фона. Так как земные породы используют в качестве строительного материала, то от последнего зависит гамма-радиация внутри здания. Наибольшие значения гамма-радиации установлены в домах из железобетона с глиноземом — 171 мрад/год, наименьшее — в деревянных домах — 50 мрад/год. Радиоактивность воде придают в основном уран, торий и радий, образующие растворимые комплексные соединения, которые вымываются почвенными водами, а также газообразные продукты их радиоактивных превращений — радон и торон. Концентрация радиоактивных элементов в реках меньше, чем в морях и озерах, а содержание их в пресноводных источниках зависит от типа горных пород, климатических факторов, рельефа местности. Радиоактивность атмосферы обусловлена наличием в ней радиоактивных веществ в газообразном состоянии (радон, торон, углерод-14, тритий) или в виде аэрозолей (калий-40, уран, радий). Радон и торон поступает из земных пород, а углерод и тритий образуются из атомов азота и водорода в результате воздействия на их ядра нейтронов вторичного космического излучения. Суммарная радиоактивность атмосферного воздуха колеблется в широких пределах (2*10^-14-4,4*10^-13 Ки/л) и зависит от места, времени года, погодных условий и от состояния магнитного поля Земли. Из естественных радиоактивных веществ наибольшую удельную активность в растениях составляет ⁴⁰К (1,2*10^-9-1*10^-8 Ки/кг), особенно в бобовых растениях: горохе, бобах, фасоли, сое. Содержание в растениях урана, радия, тория и углерода-14 ничтожно мало. В животных организмах обычно содержится ⁴⁰К меньше, чем в растениях. Уран, торий и углерод-14 встречаются в биологических объектах в очень незначительных концентрациях по сравнению с ⁴⁰К. Таким образом, на организм животных оказывают воздействие внешние источники природного радиоактивного фона — космическая радиация и излучения природных радионуклидов, рассеянных в почве, воде, воздухе, строительных и других материалах, а также источники природной радиации ⁴⁰К, ²²⁶Ra, ¹⁴C, ³H, содержащиеся в самом организме и поступающие в него в составе пищи, воды и воздуха. Эти внешние и внутренние источники, действуя непрерывно, сообщают организму определенную поглощенную дозу. При ядерных взрывах осуществляется реакция деления ядер тяжелых элементов (²³⁵U, ²³⁹Pu, ²³³U, ²³⁸U), возникающая в результате действия на них нейтронов. При ядерных взрывах образуется около 250 изотопов 35 элементов (из них 225 радиоактивных) как непосредственных осколков деления ядер тяжелых элементов (²³⁵U, ²³⁹Pu, ²³³U, ²³⁸U), так и продуктов их распада. Количество радиоактивных продуктов деления возрастает соответственно мощности ядерного заряда. Часть образовавшихся радиоактивных продуктов деления распадается в ближайшие секунды и минуты после взрыва, другая часть имеет период полураспада порядка нескольких часов. Другие радионуклиды, такие как ⁸⁶Rb, ⁸⁹Sr, ⁹¹Y, ⁹⁵Cd, ¹²⁵Sn, ¹²⁵Te, ¹³¹J, ¹³³Xe, ¹³⁶Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴¹Ce, ¹⁵⁶Eu, ¹⁶¹Vb, обладают периодом полураспада в несколько дней, а ⁸⁵Kr, ⁹⁰Sr, ¹⁰⁶Ru, ¹²⁵Sb, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁷Pm, ¹⁵¹Sm, ¹⁵⁵Eu — от одного года до нескольких десятков лет. Группа, состоящая из ⁸⁷Rb, ⁹³Zr, ¹²⁹J, ¹³⁵Cs, ¹⁴⁴Nd, ¹³⁷Sm, характеризуется чрезвычайно медленным распадом, продолжающимся миллионы лет. Большинство образующихся радионуклидов является бетаи гамма-излучателями, остальные испускают или только бета-, или альфа-частицы. Дополнительным источником радиоактивного загрязнения местности в районе взрыва служит наведенная радиоактивность, возникающая в результате воздействия потока нейтронов, образующихся при цепной реакции деления урана или плутония, на ядра атомов различных веществ окружающей среды (реакция активации). Суммарная активность остатков ядерного заряда и радионуклидов, образовавшихся в результате реакции активации, намного меньше общей активности радиоактивных продуктов деления. Последние являются основным источником радиоактивного загрязнения внешней среды. В первые месяцы после ядерного взрыва опасность в смеси осколков деления представляют ¹³¹J, ¹⁴⁰Ba и ⁸⁹Sr, а в последующем — ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs. Радиоактивные нуклиды составляют смесь продуктов деления, скорость распада которых неодинаковая. Поэтому соотношение их в этой смеси с течением времени будет непрерывно изменяться в сторону обогащения ее долгоживущими продуктами деления вследствие распада короткоживущих радионуклидов. Активность продуктов атомного взрыва особенно быстро снижается в первые часы и сутки, поскольку в общей массе всех радиоактивных продуктов наибольшее количество изотопов имеют малый период полураспада.

Так, в течение первых суток за счет короткоживущих изотопов общая активность снижается в 50 раз. При термоядерных взрывах в момент реакции синтеза (слияние ядер легких элементов — дейтерия и трития и образование более тяжелого ядра — гелия, происходящее при десятках миллионов градусов) возникает интенсивный поток нейтронов, вызывающий образование значительного количества продуктов активации (наведенной радиоактивности), в частности трития, бериллия, углерода-14. Ядерные устройства, основанные на принципе деление — синтез — деление, загрязняют окружающую среду радиоактивными осколками деления ²³⁸U и ²³⁹Pw, а также тритием и радиоуглеродом. На 1 мегатонну ядерного взрыва образуется 7,4 кг радиоуглерода-14, что количественно в среднем равняется образованию этого изотопа в атмосфере под действием космических лучей в течение года. Загрязнение местности зависит от характера ядерного взрыва (наземный, воздушный), калибра ядерного устройства, атмосферных условий (скорость ветра, влажность, выпадение осадков, распределение температуры по высоте, которое влияет на перемещение масс воздуха), географических зон и широт. Наземные взрывы создают сильное загрязнение непосредственно в районе взрыва, а также на прилегающей территории, над которой проходило радиоактивное облако. При воздушном взрыве не происходит значительного локального загрязнения местности, так как радиоактивные продукты деления распыляются на очень большой площади. Однако под влиянием атмосферных осадков, выпавших в момент прохождения радиоактивного облака, может повыситься загрязнение в том или ином районе. Средние и малые взрывы до нескольких килотонн тротилового эквивалента загрязняют в основном тропосферу (до высоты 18 км). Крупные взрывы в несколько мегатонн загрязняют главным образом стратосферу (до высоты 80 км). Благодаря наличию воздушных течений частицы радиоактивных продуктов деления способны совершать очень большой путь, вплоть до нескольких оборотов вокруг земного шара, поэтому радиоактивное загрязнение может возникнуть в любой точке земного шара, т. е. наступает глобальное загрязнение. При взрывах зарядов большой мощности (в несколько мегатонн) продукты взрывов распределяются следующим образом: при взрыве на большой высоте 99% их задерживается в стратосфере, локальных загрязнений нет; при наземном взрыве 20% из них попадает в стратосферу, а 80% выпадает в районе взрыва; при взрывах у поверхности моря 30% остается в стратосфере, а 70% выпадает локально. Скорость выпадения радиоактивных осадков зависит от времени года и широты местности: она больше в северном полушарии, чем в южном. В пределах небольших районов скорость выпадения может колебаться также в зависимости от выпадения дождя или снега в течение года. Радиоактивные продукты деления могут находиться в тропосфере около 2−3 мес, в стратосфере — 3−9 лет. В связи с широким использованием атомной энергии в мирных целях все большее значение приобретают радиоактивные отходы промышленных предприятия и установок (атомных электростанций, предприятия по переработке ядерного материала, реакторов), лабораторий и НИИ, работающих с РВ высокой активности, как потенциальный, а в отдельных случаях и как реальный фактор локального (на ограниченной территории) загрязнения внешней среды. В настоящее время человек сталкивается также с искусственными источниками радиации, не связанными с загрязнением внешней среды. К ним относятся рентгеновские установки, ускорители элементарных частиц, закрытые источники радиоактивных изотопов, использующиеся в медицине, промышленности и научно-исследовательской работе.