какое излучение присуще свету и радиации
Виды радиоактивных излучений
Навигация по статье:
Радиация и виды радиоактивных излучений, состав радиоактивного (ионизирующего) излучения и его основные характеристики. Действие радиации на вещество.
Что такое радиация
Для начала дадим определение, что такое радиация:
Радиоактивное (ионизирующее) излучение можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействие на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации.
Альфа излучение
Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.
Альфа частицы обладают большой массой и излучаются с относительно невысокой скоростью в среднем 20 тыс. км/с, что примерно в 15 раз меньше скорости света. Поскольку альфа частицы очень тяжелые, то при контакте с веществом, частицы сталкиваются с молекулами этого вещества, начинают с ними взаимодействовать, теряя свою энергию и поэтому проникающая способность данных частиц не велика и их способен задержать даже простой лист бумаги.
Однако альфа частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, альфа излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.
Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, но последствия облучения живых тканей данным видом радиации наиболее тяжелые и значительные по сравнению с другими видами излучения.
Облучение радиацией в виде альфа излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.
Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма.
Нейтронное излучение
Не обладая зарядом, нейтронное излучение сталкиваясь с веществом, слабо взаимодействует с элементами атомов на атомном уровне, поэтому обладает высокой проникающей способностью. Остановить нейтронное излучение можно с помощью материалов с высоким содержанием водорода, например, емкостью с водой. Так же нейтронное излучение плохо проникает через полиэтилен.
Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение.
Бета излучение
Бета (β) излучение возникает при превращении одного элемента в другой, при этом процессы происходят в самом ядре атома вещества с изменением свойств протонов и нейтронов.
При бета излучении, происходит превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, при этом превращении происходит излучение электрона или позитрона (античастица электрона), в зависимости от вида превращения. Скорость излучаемых элементов приближается к скорости света и примерно равна 300 000 км/с. Излучаемые при этом элементы называются бета частицы.
Имея изначально высокую скорость излучения и малые размеры излучаемых элементов, бета излучение обладает более высокой проникающей способностью чем альфа излучение, но обладает в сотни раз меньшей способность ионизировать вещество по сравнению с альфа излучением.
Бета радиация с легкостью проникает сквозь одежду и частично сквозь живые ткани, но при прохождении через более плотные структуры вещества, например, через металл, начинает с ним более интенсивно взаимодействовать и теряет большую часть своей энергии передавая ее элементам вещества. Металлический лист в несколько миллиметров может полностью остановить бета излучение.
Если альфа радиация представляет опасность только при непосредственном контакте с радиоактивным изотопом, то бета излучение в зависимости от его интенсивности, уже может нанести существенный вред живому организму на расстоянии несколько десятков метров от источника радиации.
Если радиоактивный изотоп, излучающий бета излучение попадает внутрь живого организма, он накапливается в тканях и органах, оказывая на них энергетическое воздействие, приводя к изменениям в структуре тканей и со временем вызывая существенные повреждения.
Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку.
Гамма излучение
Гамма радиация сопровождает процесс распада атомов вещества и проявляется в виде излучаемой электромагнитной энергии в виде фотонов, высвобождающихся при изменении энергетического состояния ядра атома. Гамма лучи излучаются ядром со скоростью света.
Когда происходит радиоактивный распад атома, то из одних веществ образовываются другие. Атом вновь образованных веществ находятся в энергетически нестабильном (возбужденном) состоянии. Воздействую друг на друга, нейтроны и протоны в ядре приходят к состоянию, когда силы взаимодействия уравновешиваются, а излишки энергии выбрасываются атомом в виде гамма излучения
Гамма излучение обладает высокой проникающей способностью и с легкостью проникает сквозь одежду, живые ткани, немного сложнее через плотные структуры вещества типа металла. Чтобы остановить гамма излучение потребуется значительная толщина стали или бетона. Но при этом гамма излучение в сто раз слабее оказывает действие на вещество чем бета излучение и десятки тысяч раз слабее чем альфа излучение.
Рентгеновское излучение
Рентгеновское излучение сходно по действию с гамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны.
Рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, видно, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (альфа, бета и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде гамма и рентгеновского излечения.
Каждое из рассмотренных излучений опасно!
Сравнительная таблица с характеристиками различных видов радиации
| характеристика | Вид радиации | ||||
| Альфа излучение | Нейтронное излучение | Бета излучение | Гамма излучение | Рентгеновское излучение | |
| излучаются | два протона и два нейтрона | нейтроны | электроны или позитроны | энергия в виде фотонов | энергия в виде фотонов |
| проникающая способность | низкая | высокая | средняя | высокая | высокая |
| облучение от источника | до 10 см | километры | до 20 м | сотни метров | сотни метров |
| скорость излучения | 20 000 км/с | 40 000 км/с | 300 000 км/с | 300 000 км/с | 300 000 км/с |
| ионизация, пар на 1 см пробега | 30 000 | от 3000 до 5000 | от 40 до 150 | от 3 до 5 | от 3 до 5 |
| биологическое действие радиации | высокое | высокое | среднее | низкое | низкое |
Как видно из таблицы, в зависимости от вида радиации, излучение при одной и той же интенсивности, например в 0.1 Рентген, будет оказать разное разрушающее действие на клетки живого организма. Для учета этого различия, был введен коэффициент k, отражающий степень воздействия радиоактивного излучения на живые объекты.
| Коэффициент k | |
| Вид излучения и диапазон энергий | Весовой множитель |
| Фотоны всех энергий (гамма излучение) | 1 |
| Электроны и мюоны всех энергий (бета излучение) | 1 |
| Нейтроны с энергией 20 МэВ (нейтронное излучение) | 5 |
| Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи) | 5 |
| Альфа-частицы, осколки деления и другие тяжелые ядра (альфа излучение) | 20 |
Чем выше «коэффициент k» тем опаснее действие определенного вида радиции для тканей живого организма.
Видео: Виды радиации
Радиация в медицине и жизни: почему не стоит бояться УЗИ, рентгена и микроволновки
УЗИ, вайфай, микроволновые печи, магнитно-резонансная томография: какое излучение вредное, что нужно делать, чтобы себе не навредить, а чего не стоит бояться.
Читайте «Хайтек» в
Какая радиация бывает
Радиация — это в узком значении ионизирующее излучение, то есть вид энергии, которая способна выбивать электроны из атомов и делать их ионами. Эти лучи прямо или косвенно могут повреждать ДНК и клеточные мембраны.
Часто радиацию и ионизирующее излучение не разделяют, однако именно ионизирующее излучение повреждает живые клетки, вызывает поломки ДНК. Поэтому в широком смысле радиация — это любое излучение.
Если излучение не ионизирующее, оно все равно может быть вредным: например солнечная радиация может вызвать ожоги.
Кто излучает радиацию
Второй процесс идет в недрах звезд, включая Солнце. За пределами атмосферы Земли и ее магнитного поля солнечное излучение включает в себя не только свет и тепло, но также рентгеновские лучи, жесткий ультрафиолет и разогнанные до внушительной скорости протоны.
Протоны наиболее опасны для оказавшихся в дальнем космосе. В год повышенной солнечной активности попадание под пучок протонов даст смертельную дозу облучения за считаные минуты. Это примерно соответствует фону вблизи разрушенного реактора Чернобыльской АЭС.
Однако ближе нашему пониманию другие источники радиации, например горные породы, включая гранит и уголь, содержат уран, торий и испускают газ радон. Так что если дом построен на скальных породах и плохо проветривается, то из-за радона у жителей повышается риск заболеть раком легких. Также вредно в этом плане курение: полоний-210 в табачном дыме активный и опасный изотоп.
Все это составляющие естественного радиационного фона: человеческий организм приспособился жить в таких условиях.
Бытовые и медицинские приборы с радиацией
Энергии микроволн недостаточно для того, чтобы оторвать электроны от ядер атомов. Медики и биологи спорят о том, как СВЧ-излучение в малых дозах может влиять на человеческий организм, но пока результаты скорее обнадеживающие: сопоставление целого ряда разных масштабных исследований указывает на то, что связи между телефонами и злокачественными опухолями нет.
Есть много методов, которые позволяет посмотреть буквально внутри человека и все они считаются опасными, хотя по суть своей очень разные. Например в УЗИ используют неионизирующее излучение — это волны с небольшой энергией, они не могут повреждать ДНК, но могут, например, нагревать ткани.
Ультразвук не относится к ионизирующему излучению, которое повреждает ДНК, также доказано, что никакого отрицательного влияния на женщину или плод он не оказывает.
Не смотря на это, УЗИ лучше делать только в тех случаях, когда вам его назначил врач.
МРТ действует по такому же принципу, что и УЗИ. И в МРТ, и в УЗИ используют неионизирующее излучение.
Во время компьютерной томографии (КТ) и рентгенографии человека действительно облучают. Этот метод основан на ионизирующем излучении, то есть том, которое может отрывать электроны в атомах, создавая таким образом ионы, и провоцировать мутации в ДНК. Ионизирующее излучение в больших дозах может увеличивать риск развития онкологических заболеваний.
Для того, чтобы понять на сколько КТ действительно опасно или нет, вред ионизирующего излучения оценили преимущественно из последствий крупных катастроф, например, взрыва атомной бомбы в Хиросиме и чернобыльской аварии. Поэтому нельзя с уверенностью говорить о вреде КТ и рентгенографии: все-таки дозы облучения в этих случаях довольно маленькие. Возможно даже, такие методы никак не вредят здоровью — или вредят, но не так сильно, как принято думать.
Однако при беременности есть ряд отдельных показаний. Снизить количество облучения, если процедура необходима, можно, например, если делать снимок со спины. Рентгенография головы, шеи, груди и конечностей никак особенно не вредит плоду, особенно если использовать свинцовый фартук.
Компьютерная томография разных частей тела тоже относительно безобидна, если накрыть живот. Кроме того, компьютерную томографию можно делать чуть более низкого качества, чтобы уменьшить лучевую нагрузку.
Большинство исследований не выходит за дозу поглощенной радиации в 0,05 Гр (5 рад). Если же доза в 0,1 Гр (10 рад) то на скоре до 14 дней это никак не влияет на плод, но на большем сроке есть риск, что плод будет развиваться с задержкой. Облучение после 20–25 недели относительно безопасно.
Вред от вайфая также не доказан. Это радиочастотное излучение, и у роутера оно гораздо слабее, чем у мобильного телефона.
И он тоже не опасен: сопоставление целого ряда разных масштабных исследований указывает на то, что связи между телефонами и злокачественными опухолями нет.
От телефонов идет неионизирующее радиочастотное излучение, влияние которого на человека изучено не на 100 процентов. Но пока, как сообщают в Центрах по контролю и профилактике заболеваний США, нет причин отказываться от мобильных телефонов.
Радиация и другая техника
Радиация может оказывать разрушительный эффект при долгом и методичном воздействии. Микросхемы на аппаратах в межпланетном пространстве, где много космических лучей, приходится специально адаптировать для работы в условиях повышенного радиационного фона.
Именно из-за этого производительность процессора, скажем, на марсоходе или юпитерианском зонде Juno весьма скромна по земным меркам: за устойчивость к облучению конструкторы расплачиваются габаритами и скоростью работы.
Кто больше всего подвержен радиации
Дети в большей степени подвержены негативному влиянию радиации. Облучение эмбриона или плода может привести к разнообразным тяжелым последствиям: от гибели до ухудшения когнитивных способностей в дальнейшем. Но многое зависит от дозы, и в случае, когда доза поглощенной радиации меньше 0,1 Гр, ни о каких последствиях не известно.
«Отношение людей к той или иной опасности определяется тем, насколько хорошо она им знакома».
Настоящий материал – обобщённый ответ на многочисленные вопросы, возникающие пользователей приборов для обнаружения и измерения радиации в бытовых условиях.
Минимальное использование специфической терминологии ядерной физики при изложении материала поможет вам свободно ориентироваться этой в экологической проблеме, не поддаваясь радиофобии, но и без излишнего благодушия.
Опасность РАДИАЦИИ реальная и мнимая
«Один из первых открытых природных радиоактивных элементов был назван «радием»
— в переводе с латинского-испускающий лучи, излучающий».
Каждого человека в окружающей среде подстерегают различные явления, оказывающие на него влияние. К ним можно отнести жару, холод, магнитные и обычные бури, проливные дожди, обильные снегопады, сильные ветры, звуки, взрывы и др.
Благодаря наличию органов чувств, отведенных ему природой, он может оперативно реагировать на эти явления с помощью, например, навеса от солнца, одежды, жилья, лекарств, экранов, убежищ и т.д.
Ионизирующее излучение
Протоны частицы имеющие положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электронов.
Нейтроны нейтральные, не обладающие зарядом, частицы. Число электронов в атоме в точности равно числу протонов в ядре, поэтому каждый атом в целом нейтрален. Масса протона почти в 2000 раз больше массы электрона.
Источники радиации
Источники радиации бывают естественными, присутствующими в природе, и не зависящими от человека.
Еще один, как правило менее важный, источник поступления радона в помещения представляет собой вода и природный газ, используемый для приготовления пищи и обогрева жилья.
Концентрация радона в обычно используемой воде чрезвычайно мала, но вода из глубоких колодцев или артезианских скважин содержит очень много радона. Однако основная опасность исходит вовсе не от питья воды, даже при высоком содержании в ней радона. Обычно люди потребляют большую часть воды в составе пищи и в виде горячих напитков, а при кипячении воды или приготовлении горячих блюд радон практически полностью улетучивается. Гораздо большую опасность представляет попадание паров воды с высоким содержанием радона в легкие вместе с вдыхаемым воздухом, что чаще всего происходит в ванной комнате или парилке (парной).
ВОЗДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ТКАНИ ОРГАНИЗМА
Повреждений, вызванных в живом организме ионизирующим излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество этой энергии называется дозой, по аналогии с любым веществом поступающим в организм и полностью им усвоенным. Дозу излучения организм может получить независимо от того, находится ли радионуклид вне организма или внутри него.
Количество энергии излучения, поглощенное облучаемыми тканями организма, в пересчете на единицу массы называется поглощенной дозой и измеряется в Греях. Но эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее (в двадцать раз) бета или гамма-излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой; ее измеряют в единицах называемых Зивертами.
Следует учитывать также, что одни части тела более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения, возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения человека следует учитывать с различными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в Зивертах.
Заряженные частицы.
Проникающие в ткани организма альфа- и бета-частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят. (Гамма-излучение и рентгеновские лучи передают свою энергию веществу несколькими способами, которые в конечном счете также приводят к электрическим взаимодействиям).
Электрические взаимодействия.
За время порядка десяти триллионных секунды после того, как проникающее излучение достигнет соответствующего атома в ткани организма, от этого атома отрывается электрон. Последний заряжен отрицательно, поэтому остальная часть исходно нейтрального атома становится положительно заряженной. Этот процесс называется ионизацией. Оторвавшийся электрон может далее ионизировать другие атомы.
Физико-химические изменения.
И свободный электрон, и ионизированный атом обычно не могут долго пребывать в таком состоянии и в течение следующих десяти миллиардных долей секунды участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционно способные, как «свободные радикалы».
Химические изменения.
В течение следующих миллионных долей секунды образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так и с другими молекулами и через цепочку реакций, еще не изученных до конца, могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клетки.
Биологические эффекты.
Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и через десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток или изменений в них.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ
Представляют собой число распадов в единицу времени.
Представляют собой количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное единицей массы какого-либо физического тела, например тканями организма.
1 мкЗв = 1/1000000 Зв
1 бер = 0.01 Зв = 10 мЗв Единицы эквивалентной дозы.
Представляют собой единицу поглощенной дозы, умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую опасность разных видов ионизирующего излучения.
Представляют собой дозу полученную организмом за единицу времени.
Поскольку в кирпиче и бетоне в небольших дозах присутствуют радиоактивные элементы, доза возрастает еще на 1,5 мЗв/год. Наконец, из-за выбросов современных тепловых электростанций, работающих на угле, и при полетах на самолете человек получает до 4 мЗв/год. Итого существующий фон может достигать 10 мЗв/год, но в среднем не превышает 5 мЗв/год (0,5 бэр/год).
Такие дозы совершенно безвредны для человека. Предел дозы в добавление к существующему фону для ограниченной части населения в зонах повышенной радиации установлен 5 мЗв/год (0,5 бэр/год), т.е. с 300-кратным запасом. Для персонала, работающего с источниками ионизирующих излучений, установлена предельно допустимая доза 50 мЗв/ год (5 бэр/год), т.е. 28 мкЗв/ч при 36-часовой рабочей неделе.
ЧЕМ ИЗМЕРЯЮТ РАДИАЦИЮ
Доктор физико-математических наук, Профессор МИФИ Н.М. Гаврилов
статья написана для компании «Кварта-Рад»
О типах излучения, его воздействии на различные объекты и перспективах применения
После аварий на Чернобыльской АЭС и АЭС «Фукусима-1» человечество окончательно осознало, насколько опасна работа с радионуклидами. Однако физик Георгий Тихомиров считает, что опыт, накопленный людьми, позволяет сегодня минимизировать вред от взаимодействия с ионизирующим излучением, а радиация может принести нам больше пользы, чем вреда. Он рассказал ПостНауке о типах ионизирующего излучения, влиянии радиации на живые и неживые объекты и перспективах применения ионизирующего излучения в промышленных технологиях.
Это материал из гида «Излучение и материя», приуроченного к 75-летию атомной промышленности. Партнер гида — «Росатом».
История изучения ионизирующего излучения
Знакомство человечества с радиацией началось с ее обнаружения в конце XIX века. В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген во время экспериментов с электронно-лучевыми трубками открыл рентгеновское излучение. Годом позже Анри Беккерель понял, что соли урана тоже создают какое-то излучение. Новое явление — радиоактивность — начали изучать Пьер и Мария Кюри, а затем и другие ученые, в том числе Эрнест Резерфорд, который в 1899 году открыл несколько типов радиоактивного распада.
Однако исследователи рубежа XIX–XX веков работали, опираясь лишь на Периодическую таблицу Менделеева, на знание о химических элементах, и поэтому многое в явлении ионизирующего излучения еще оставалось непонятным. Лишь в 1930-е годы люди начали активно изучать феномен изотопов, а окончательно все встало на свои места лишь после 1932 года, когда открыли нейтрон и поняли, что протонно-нейтронная модель ядра описывает много физических вопросов, которые давно уже стояли перед наукой.
Ионизирующее излучение
Излучение — передача энергии с помощью распространения волн или частиц. К ионизирующему излучению относятся электромагнитное излучение и потоки частиц (электронов, позитронов, протонов, дейтонов, альфа-частиц, нейтронов и др.), которые при взаимодействии с веществом ионизируют его атомы и молекулы.
Юлия Кузьмина для ПостНауки
Корпускулярное (альфа-, бета-, нейтронное и другие) излучение представляет собой поток частиц — элементарных частиц и ионов, в том числе частиц ядер атомов.
Электромагнитное излучение становится ионизирующим, когда энергия кванта излучения превышает 13 электронвольт (эВ) — столько нужно для ионизации атома водорода. Энергии квантов ультрафиолета недостаточно, чтобы серьезно ионизировать глубокие слои вещества, поэтому к ионизирующему излучению относят рентгеновские фотоны и гамма-кванты.
Рентгеновское излучение тормозное. Это электромагнитные волны, появляющиеся в результате резкого торможения электронов либо перехода их с одной орбиты на другую. Энергия рентгеновских квантов обладает широким диапазоном — примерно с 120 эВ до 0,1 МэВ. Гамма-излучение — вершина спектра электромагнитных волн. Оно появляется при ядерных реакциях, радиоактивных распадах. Энергия таких квантов уже превышает 0,1 МэВ. Они могут ионизировать вещество, глубоко проникая в него и воздействуя на десятки, сотни атомов одновременно.
Источники ионизирующего излучения
Излучать могут как объекты, содержащие радиоактивные элементы, например уран, так и технические устройства, например рентгеновская трубка. Поэтому источники ионизирующего излучения могут быть естественными или искусственными.
Естественное излучение представлено потоком частиц или квантов электромагнитного излучения. Они могут приходить к нам от Солнца (солнечный ветер), из нашей и других галактик (галактический ветер). На самой Земле тоже появились и по сей день существуют радиоактивные изотопы, создающие радиационный фон, не связанный с космосом, — например, уран-238 и уран-235, торий-232, калий-40. Кроме гамма-излучения от земных пород в воздухе могут содержаться продукты распада тория и урана, а в нашей пище — калий.
Изотопы — химически почти неразличимые вещества, ядра которых имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Все элементы в таблице Менделеева до 82-го (свинца) имеют как стабильные, так и радиоактивные изотопы. Например, в природе есть два стабильных изотопа водорода — обычный и тяжелый (дейтерий), а также один радиоактивный — тритий.
Таблица химических элементов Менделеева постоянно пополняется. Сегодня в ней уже 118 элементов. Впрочем, говоря об изотопах, нужно сверяться уже не с таблицей Менделеева, а с картой нуклидов.
В этой таблице все известные науке нуклиды расположены по осям Z и N, где Z — число протонов, а N — число нейтронов в ядре. Каждая строка — один химический элемент. Черные квадраты — стабильные изотопы, голубая область — бета-минус-распад, рыжая — в основном бета-плюс-распад и электронный захват, К-захват (разновидность бета-распада). Желтая область — альфа-распад, зеленая — спонтанное деление. Об этом будет рассказано далее.
Таким образом, радиоактивных элементов, на текущий момент изученных людьми, гораздо больше, чем имеющих стабильные изотопы (118 против 82): стабильных изотопов около 270, а радиоактивных — уже более двух тысяч.
Виды радиоактивного распада
Радиоактивностью называется самопроизвольный (спонтанный) распад атомных ядер, при котором происходит испускание радиоактивных частиц. Избыток высвобождаемой при этом энергии — одна из форм ионизирующего излучения. Изотопы, ядра которых нестабильны и испытывают распад, называют радионуклидами.
Считается, что стабильные изотопы не распадаются, а радиоактивные однозначно рано или поздно распадутся. Хотя на самом деле то, что изотоп называют стабильным, означает лишь, что во всей массе обнаруженных изотопов еще не было обнаружено ни одного факта его распада. Так, протон считается стабильным, но в ряде гипотез может иметь период полураспада 1030 лет — гипотетический временной диапазон, который сложно осознать и измерить.
Радиоактивный распад сопровождается самопроизвольным превращением одного изотопа в другой. При этом происходит выброс энергии ядра в окружающее пространство. Закон радиоактивного распада говорит о том, что такой распад — случайный процесс, а его интенсивность зависит от времени и количества атомов в образце. Время, в течение которого распадается половина ядер радиоактивного изотопа, называют периодом полураспада. Можно оценить вероятность распада каждого изотопа, но точно сказать, когда он распадется, не получится. Период полураспада для различных радиоактивных ядер может находиться в очень широких пределах: от 3·10-7 секунд (для полония-212) до 1,4⋅1010 лет (для тория-232).
1. α-распад, когда ядро атома испускает достаточно тяжелые α-частицы (ядра атома гелия);
2. β-распад, при котором нейтрон в ядре превращается в протон и испускает электрон и антинейтрино (бета-минус-распад) или позитрон и нейтрино (бета-плюс-распад);
3. электронный захват, или K-захват;
4. γ-излучение, во время которого атомное ядро испускает γ-кванты;
5. спонтанное деление.
Сначала открыли альфа-распад и бета-минус-распад: в 1899 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что уран излучает альфа- и бета-частицы (последние — отрицательно заряженные). Уже в первых своих опытах Резерфорд открыл и сопутствующее гамма-излучение. Позже узнали о существовании гамма-распада — перехода из метастабильного состояния в основное,при котором испускается гамма-квант (впрочем, не все ученые считают этот процесс распадом). Затем открыли бета-плюс-распад, двойной бета-распад, спонтанное деление, кластерную, протонную и двухпротонную радиоактивность.
На примере урана эта формула будет выглядеть так:
В результате альфа-распада урана появляется другой изотоп — торий. Альфа-частица — ядро атома гелия, имеющее заряд 2 и массу 4. Она будет иметь энергию около 4–5 МэВ. При попадании в вещество альфа-частица его ионизирует, разрушая химические связи и структуру атома.
У бета-распада есть три разновидности. Наиболее известный и чаще встречающийся в природе — бета-минус-распад. Здесь ядро одного химического элемента превращается в ядро другого химического элемента, заряд которого на единицу больше. Но при этом появляются электрон и частица — нейтрино. В разных типах бета-распада испускаются разные нейтрино. В бета-минус-распаде речь идет об электронном антинейтрино.
В бета-плюс-распаде вместо электрона вылетает позитрон — античастица электрона. Появляется новое ядро с зарядом меньше на единицу, и выделяется электронное нейтрино.
K-захват происходит, когда ядро захватывает электрон с какой-то оболочки — как правило, ближайшей к нему K-орбитали — и появляются ядро химического элемента в бета-плюс-распаде и электронное нейтрино.
Периоды полураспада радиоактивных нуклидов различаются и определяются с помощью специальных опытов, которые проводятся в ядерных лабораториях. По мере развития техники такие эксперименты постоянно совершенствуются. На карте нуклидов любой период полураспада дается с погрешностью — так демонстрируется, что это экспериментальные данные, которые постоянно пересматриваются, уточняются. Для основных элементов, имеющихся в природе (уран-238, торий-232, калий-40 и другие), эта погрешность составляет доли процента. Но для основной массы трех тысяч известных изотопов периоды полураспада измерены очень приблизительно. Их можно предсказать теоретически, однако теория всегда требует практической проверки — основа таблиц, которые мы изучаем, все-таки практика и эксперимент. В начале века предпринимались попытки создать эмпирические формулы, в которых период полураспада связывался с массой нуклида, но эти расчеты в реальности не подтверждаются.
Измерение ионизирующего излучения
История науки — это история измерений. В школе часто изучают знаменитые опыты Эрнеста Резерфорда, на основании которых он создал планетарную модель атома, и квантово-механическую модель атома Нильса Бора, созданную уже на основе модели Резерфорда. Однако настоящий прорыв в изучении атома и радиоактивности случился с развитием технологий. Все открытия, связанные с ионизирующим излучением, были сделаны с помощью детекторов, и сегодня у нас есть много разных способов его регистрации.
Первым инструментом для измерения излучения были фотопластинки. То, что радиация засвечивает их, обнаружили еще Вильгельм Рентген и Антуан Беккерель. Также проводились опыты, связанные с ионизацией воздуха, которую можно увидеть по разрядам от напряжения в приборах, имеющих нить, катод, анод и разреженный воздух или какой-то инертный газ. В отсутствие ионов такая система будет непроводящей, но стоит ионизирующей частице (гамма-кванту, рентгеновскому кванту, альфа-частице или электрону) прилететь и ионизировать воздух, как начинает фиксироваться ток. Так работают газоразрядные счетчики, например известный счетчик Гейгера (он же счетчик Гейгера — Мюллера), который изобрели в лаборатории Резерфорда еще в начале XX века. Впоследствии эти приборы еще долго совершенствовались.
Для регистрации ионизирующего излучения применяется также ряд веществ — так называемых сцинтилляторов, излучающих свет, когда в них попадает какая-то высокоэнергетичная частица. Одни из первых детекторов на основе сернистого цинка, в которых появление альфа-частицы вызывало вспышку света, использовались во время проведения опытов Резерфорда. Ученые просто смотрели в окуляр на то, как альфа-частицы взаимодействуют со сцинтиллятором, и буквально считали количество вспышек света.
На текущий момент у нас есть детекторы широкой линейки применимости — для разных энергий и частиц, основанные на разных физических принципах. Сегодня мы можем очень хорошо измерить радиацию, и это приводит к тому, что мы постоянно уточняем мировые константы, периоды полураспада и многие другие физические характеристики. У нас уже есть бытовые дозиметры, позволяющие измерить радиационный фон и понять, не превышен ли он по какой-то причине (это может быть локальный всплеск — например, выход урановой руды на поверхность, радиоактивное загрязнение продуктов природного или техногенного происхождения). И, конечно, мы можем измерять радиацию там, где ее всегда много: в ядерных реакторах, медицинских установках.
На сегодняшний день человечество имеет большой опыт и осознание того, какое излучение опасно, а какое нет. Несмотря на отсутствие «рецепторов радиации», мы понимаем ее суть и влияние на живые организмы, знаем норму радиационной безопасности, читаем инструкции по работе с ионизирующим излучением и радиоактивными препаратами, и поэтому они дают людям больше пользы, чем вреда. Можно сравнить радиацию с огнем, которым тоже нужно уметь пользоваться. Если сунуть руку в огонь, кожа обгорит, но мы прекрасно об этом осведомлены и не удивимся, если так произойдет.
Радиофобия
Нас окружает радиация. Но измерять ее, не будучи задействованным в работе с радиоактивными источниками, не нужно. Сегодня выстроена мощная мировая система радиоактивного мониторинга, международные организации, оценивающие опасность нуклидов и рекомендующие нормы радиационной безопасности аналогичным организациям внутри стран. Во всех учреждениях, где используются радиоактивные источники, соблюдаются правила, предотвращающие вред для работников и окружающей среды.
Удивительно, но в какой-то мере последствия воздействия излучения на человека зависят от его психотипа и от того, как он воспринимает повышенные дозы. Было замечено, что при одной и той же полученной дозе облучения люди по-разному на нее реагируют и зачастую страх радиации и стресс влияют на человека гораздо хуже, чем сама радиация. Поэтому необходимо всегда трезво оценивать риски и не паниковать. Вокруг радиации распространено много мифов, но превышение радиационного фона даже в несколько раз не может влиять на качество жизни. У человеческого организма есть мощный запас защиты от радиационного воздействия, потому что оно существует и в природе. Есть даже эффект радиационного гормезиса (впрочем, признанный не всеми медиками), вследствие которого организм, наоборот, мобилизуется, улучшая свои защитные характеристики.
Главный источник радиофобии — СМИ, пишущие о катаклизмах, произошедших из-за применения ионизирующего излучения. После аварии на ЧАЭС в прессе писали о миллиардах смертей и генетических последствиях в пяти поколениях. Но все это имеет мало отношения к реальности — в отличие от конкретных исследований, в частности работ японских ученых по наблюдению за людьми, облученными в Хиросиме и Нагасаки, или работ европейских, российских и украинских ученых, до сих пор исследующих воздействие радиации в зоне чернобыльского следа. Все оказалось не настолько страшно, как это описывалось в СМИ, и после Чернобыля и Фукусимы произошел мощный ренессанс атомной энергетики.
Воздействие ионизирующего излучения на живые и неживые объекты
Сегодня появляется новый тип эксперимента — вычислительный. С помощью мощных современных компьютеров можно прогнозировать воздействие излучения не просто с помощью математических моделей, а путем моделирования самих атомов, структуры веществ. Это молодое направление в экспериментировании, которое будет развиваться вместе с вычислительной техникой.
Сегодня мы знаем, как радиация влияет на материалы, ищем способы возвращения их первоначальных свойств, если это необходимо, и возможные пути использования этого влияния. Есть интересные варианты применения радиоактивного излучения, например, в отношении полимеров — длинных цепочек атомов, которые рушатся под воздействием мощного потока излучения. Фактически ионизация — разрушение химических связей, электронных оболочек. Но вследствие выполнения закона сохранения электрического заряда структуры переформируются и меняются свойства объектов, делая их полезными для человека. Например, тот же каучук — вязкая субстанция, которая во время вулканизации твердеет и превращается в резину. Сегодня существует не только термовулканизация, но и радиационная вулканизация, имеющая ряд преимуществ перед первой: в частности, полученная таким способом резина оказывается прочнее. Другой пример — воздействие пучком электронов на определенные пленки превращает их во вспененные, довольно прочные и гибкие материалы.
Разумеется, ионизирующее излучение может оказывать и негативные эффекты на твердые материалы. Так, например, прочная сталь обычно имеет четкую структуру, но если она попадает в мощные потоки излучения, допустим, гамма-квантов или нейтронов, то может рушиться ее кристаллическая структура и вполне возможно радиационное распухание. Вследствие излучения меняются свойства стали, происходит ее радиационное охрупчивание.
Радиация меняет условия применения материалов, поэтому необходимо продолжать изучать действие ионизирующих излучений на твердые вещества. Это особенно актуально для мест с большими радиационными потоками, например для ядерных реакторов, где нужно правильно подбирать материалы и вводить специальные добавки в сталь, чтобы минимизировать влияние излучения. Корпуса реакторов, в частности водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР), специально нагревают, чтобы продлить их ресурс и снять напряжение, возникшее в результате радиационного охрупчивания. Этот процесс называется отжигом корпусов ядерных реакторов.
Познакомившись с радиацией, люди стали использовать это явление, еще не зная о его последствиях для своего здоровья. Например, считалось полезным пить воду из радиоактивных источников, и в малых дозах она действительно оказывала положительный эффект. Негативные последствия для организма, возникающие при превышении доз радиации, заметили даже не знаменитые радиевые девушки, которые вручную красили радиевой краской циферблаты часов, а заодно и свои ногти и зубы, а медики, работавшие с рентгеновскими трубками: они первыми начали видеть последствия радиации и стали что-то подозревать.
Но чтобы понять, что именно было не так, нужно было пройти большой исследовательский путь. И «Манхэттенский проект», и последующие советские проекты, связанные с изучением атомных взрывов и воздействия мощных потоков излучения на живые объекты, внесли большой вклад в понимание того, как именно радиация воздействует на живые организмы.
Сегодня люди научились защищаться от радиации, но в космосе с ней по-прежнему есть несколько проблем. Одна из них — воздействие солнечного ветра. Экспедиция на Марс и обратно вполне реальна, но встает вопрос переоблучения космонавтов. Как только мы выходим на дальние орбиты, где магнитное поле Земли перестает нас защищать, то попадаем под достаточно мощный поток частиц. Все аппараты, которые полетят в дальний космос, обязательно будут иметь радиационную защиту — либо активную (специальные устройства, создающие электромагнитное поле, тормозящее заряженные частицы), либо чисто физическую (толщина материала). А в перспективе, когда у нас появятся ядерные двигатели и мы полетим осваивать дальний космос, встанет проблема защиты от излучения самого двигателя. Таким образом, необходимо сделать полет в космос безопасным с точки зрения радиационной защиты космонавтов от ионизирующих излучений, как космических, так и техногенных. Сегодня мы уже понимаем, как этого добиться, но это требует новых исследований и разработок.
Перспективы использования ионизирующего излучения
С радиацией мы знакомы уже более 125 лет. За это время мы многое узнали, построили немало интересных моделей. Мы понимаем, что такое вещество, как оно образовалось и почему оно радиоактивно. Мы приблизительно знаем, что будет через несколько миллиардов лет. Но есть что-то, чего мы еще не понимаем. Рубежи, которые на текущий момент осваиваются в теоретической физике, — это темная материя и темная энергия. В их изучении нам помогает использование ионизирующего излучения.
В ближайшее время ядерные источники энергии дадут нам толчок к освоению Луны и Марса. Даже если сегодня это кажется фантастикой, лет через 50–100 это, скорее всего, будет реальностью.
В ИТЭР на больших масштабах будут опробованы определенные физические принципы, уже доказанные на токамаках меньшего размера. Но, в отличие от них, в ИТЭР будет сделана бланкетная зона, необходимая, чтобы превратить энергию нейтронов в тепловую энергию, которую в перспективе можно будет пустить, например, в турбину. Однако в самом ИТЭР турбина не предусмотрена: на текущий момент токамаки используются только для исследовательских целей. Впрочем, если проект решит все поставленные задачи, то следующим шагом станет как раз строительство термоядерных электростанций (их прототип — DEMO, DEMOnstration Power Plant). Но даже в случае стабильного развития ИТЭР они появятся не раньше конца текущего века.