Открытие явления радиоактивности естественные источники радиоактивности на земле кратко

Обновлено: 05.07.2024

Радиоактивность вокруг нас: естественная и искусственная радиоактивность

Искусственная радиоактивность

Естественная радиоактивность

Естественная радиация была всегда: до появления человека, и даже нашей планеты. Радиоактивно всё, что нас окружает: почва, вода, растения и животные. В зависимости от региона планеты уровень естественной радиоактивности может колебаться от 5 до 20 микрорентген в час. По сложившемуся мнению, такой уровень радиации не опасен для человека и животных, хотя эта точка зрения неоднозначна, так как многие ученые утверждают, что радиация даже в малых дозах приводит к раку и мутациям. Правда, в связи с тем, что повлиять на естественный уровень радиации мы практически не можем, нужно стараться максимально оградить себя от факторов, приводящих к значительному превышению допустимых значений.

Существует три основных источника естественной радиации:

1. Космическое излучение и солнечная радиация — это источники колоссальной мощности, которые в мгновение ока могут уничтожить и Землю, и всё живое на ней. К счастью, от этого вида радиации у нас есть надёжный защитник — атмосфера. Впрочем, интенсивная человеческая деятельность приводит к появлению озоновых дыр и истончению естественной оболочки, поэтому в любом случае следует избегать воздействия прямых солнечных лучей. Интенсивность влияния космического излучения зависит от высоты над уровнем моря и широты. Чем выше Вы над Землей, тем интенсивнее космическое излучение, с каждой 1000 метров сила воздействия удваивается, а на экваторе уровень излучения гораздо сильнее, чем на полюсах.

Ученые отмечают, что именно с проявлением космической радиации связаны частые случаи бесплодия у стюардесс, которые основное рабочее время проводят на высоте более десяти тысяч метров. Впрочем, обычным гражданам, не увлекающимися частыми перелетами, волноваться о космическом излучении не стоит.

Уровень радиации в салоне самолета на высоте 10 000 метров превышает естественный в 10 раз.

2. Излучение земной коры. Помимо космического излучения радиоактивна и сама наша планета. В её поверхности содержится много минералов, хранящих следы радиоактивного прошлого Земли: гранит, глинозём и т.п. Сами по себе они представляют опасность лишь вблизи месторождений, однако человеческая деятельность ведёт к тому, что радиоактивные частицы попадают в наши дома в виде стройматериалов, в атмосферу после сжигания угля, на участок в виде фосфорных удобрений, а затем и к нам на стол в виде продуктов питания.

Это единственный способ померить уровень радиации в бытовых условиях и не приобретать опасные с радиационной точки зрения материалы.

3. Радон — это радиоактивный инертный газ без цвета, вкуса и запаха. Он в 7,5 раз тяжелее воздуха, и, как правило, именно он становится причиной радиоактивности строительных материалов. Радон имеет свойство скапливаться под землей в больших количествах, на поверхность же он выходит при добыче полезных ископаемых или через трещины в земной коре.

Радон активно поступает в наши дома с бытовым газом, водопроводной водой (особенно, если её добывают из очень глубоких скважин), или же просто просачивается через микротрещины почвы, накапливаясь в подвалах и на нижних этажах. Снизить содержание радона, в отличие от других источников радиации, очень просто: достаточно регулярно проветривать помещение и концентрация опасного газа уменьшится в несколько раз.

Мало кто слышал о том, что любой строительный материал может стать источником радиоактивного излучения.

Чем это опасно для человека и животных? На самом деле, радиация не опасна, если она ограничена небольшой дозой.

К сожалению, современные дорогостоящие материалы нередко имеют высокую степень радиации. Встречаются случаи, когда одна деревянная конструкция несет в себе до 60% допустимой дозы облучения.

В состав многих строительных материалов могут входить радиоактивные уран 238, калий 40 и торий 232, а также прочие радионуклеиды. В любом случае, конечным продуктом распада подобных элементов будет радон 222. Минеральные глины и калиевые, а также полевые шпаты обычно имеют повышенное содержание радионуклеидов.

Например, гранит, кварцевый диорит и прочие магматические породы кислотного и щелочного происхождения имеют свойство давать достаточно сильное радиоактивное излучение. Морские глубоководные глины и многие другие осадочные глины также представляют большую опасность для здоровья человека.
Силикатный кирпич, фосфогипс, стекловолокно, гранит, и щебень способны излучать радиацию. Не стоит думать, что использование таких материалов в строительстве помещений приведет к неизбежной смерти. На самом деле, и когда производится аренда дизель генераторов , установки излучают некоторые вредные лучи. Все же значения радиации находятся в пределах допустимой нормы. Если же собрать в своем доме все опасные стройматериалы, то вы вряд ли будете чувствовать себя хорошо.

Наиболее сильное радиоактивное излучение способен давать графит. У данного материала уровень излучения может достигать 30 рентген в час, а в жилых помещениях общий радиационный фон от локальных источников не может превышать 60 рентген в час. Проще говоря, и излучение от графита нельзя назвать критичным, хоть оно довольно опасно для человека. При нагревании данного материала начинает выделяться радон. Следовательно, уровень радиации сильно повышается. Если вы решили использовать в качестве материала облицовки камина графит, то это необходимо учесть.
Наконец, наиболее безопасным материалом сегодня признан мрамор. Кроме того, можно обратиться к искусственному камню. Если вы хотите использовать графит, то лучше применять его для наружной облицовки здания.
Даже обычный кирпич выделяет радон. Все бы ничего, но этот же газ выделяет земная кора, а через трещины в домах он просачивается в помещение. Получается, что уровень концентрации вредного газа значительно повышается.

Радиация может попадать в наш организм как угодно, часто виной этому становятся предметы, не вызывающие у нас никаких подозрений.

Специалисты радиационно-гигиенической лаборатории много лет работают на благо и здоровее населения всего края.

Виды исследований по показателям радиационной безопасности, выполняемые лабораторией:

– дозиметрические измерения (альфа-, бета-, гамма-излучение, рентгеновское, нейтронное) – территорий открытой местности, земельные участки, помещения, металлолом, рабочие места, в том числе индивидуальный эквивалент дозы персонала группа А термолюминесцентным методом, радиационный выход рентгеновских излучателей медицинских рентгенодиагностических аппаратов;

- гамма-спектрометрические исследования – определение удельной активности техногенных и природных радионуклидов в пищевых продуктах, строительных материалах, почвах, отходах, изделиях из древесины, донных отложениях ;

- бета-спектрометрические исследования с использованием методов термического концентрирования – определение удельной активности техногенных радионуклидов в пищевых продуктах, почвах, отходах, изделиях из древесины, донных отложениях .

Радиационный контроль в пищевых продуктах выполняется по двум основным дозообразующим радионуклидам - цезию-137 и стронцию-90.

Дополнительно проведена калибровка аппаратуры для измерения удельной активности йода-131, кобальта-60. Определение удельной активности цезия-137 возможно в течение 3 часов. На о пределение удельной активности стронция-90 потребуется больше времени (от 8 до 24 часов), так как требуется частичное концентрирование пробы методом сжигания. Измерения выполняются на гамма-, бета-спектрометрах, минимально измеряемая активность (МИА) которых от 2 - 3 Бк/кг.

Мы сами ответственны за свою жизнь и здоровье. Защитите себя от радиации!

Радиационно-гигиеническая лаборатория

2. Естественные источники радиоактивности окружающей среды

Существует большое количество естественным образом радиоактивных веществ. Эти природные радионуклиды делятся на первичные и космогенные. Первичные образовались одновременно со всем стабильным веществом Земли, а космогенные постоянно поступают с внеземным веществом либо образуются в результате ядерных реакций, происходящих под действием космических лучей.
На рис. 1 приведено соотношение вкладов различных источников. Как уже было сказано, что несмотря на развитие ядерной промышленности, основной вклад (более 80%) дают различные природные источники.

Рис. 1. Соотношение различных источников облучения [6].

На данный момент, очевидно, из первичных радионуклидов сохранились только такие, которые имеют период полураспада порядка возраста Земли. К таковым относятся изотопы урана 238 U (T_1/2 = 4.5∙10 9 лет), 235 U (T_1/2 =7.0∙10 8 лет) и тория 232 Th (T _1/2 =1.4∙10 10 лет). Эти изотопы являются родоначальниками трех естественных радиоактивных рядов.
Именно уран-238, находящийся в почве, порождает при распаде главный источник фоновой радиации – газ радон 222 Rn, дающий почти половину средней годовой дозы. Он довольно быстро распадается (T_1/2 = 4 дня), образуя короткоживущие изотопы полония 218 Po и 214 Po, которые могут накапливаться в легких, продолжая распадаться. Тем не менее, в воздухе концентрация радона мала. Она несколько больше внутри зданий, где радон имеет тенденцию накапливаться в подвалах и на нижних этажах.
Уровни естественной радиации, в том числе и от радона, сильно отличаются в разных точках земного шара, в зависимости от геологического состава пород конкретной местности. Так, в Китае, Индии, Бразилии и Иране были обнаружены области с аномально высоким радиационным фоном. В Рамсаре в Иране доза, получаемая жителями, достигает 260 мЗв/год, что превышает считающуюся максимально допустимой в десятки раз. Несмотря на такой высокий фон, люди жили и продолжают жить в этих областях без негативных последствий для здоровья.
В случае с радоном дополнительную роль в неравномерности концентрации играют конструкции домов. В отдельных зданиях в Канаде, Швеции и Швейцарии были измерены концентрации радона, на 1–2 порядка превышающие средние значения. Однако это − единичные случаи, связанные с совпадением многих природных (свойства пород и почв) и искусственных факторов (материалы построек и вентиляция).

.Рис. 2: Калибровочная кривая радиоуглеродного метода, соответствующая количеству 14 С в атмосфере [10].

Большое практическое значение играет радиоактивный углерод 14 С, имеющий период полураспада около 6 тыс. лет. На изменении его отношения к количеству обычного углерода основан радиоуглеродный метод. На рис. 2 приведена калибровочная кривая этого метода, экстраполированная назад по времени на основе существующих данных. По сути, эта кривая соответствует содержанию изотопа в атмосфере. Видно, что начало ядерных испытаний увеличило концентрацию 14 С в атмосфере почти в 2 раза к 1963 году, после чего концентрация стала постепенно спадать после запрета атмосферных испытаний.
Другим источником природной радиации является долгоживущий (T_1/2 =1.3∙10 9 лет) изотоп калия 40 K. Его распад в 40 Ar тоже используется для датирования, и видимо, именно 40 K ответственен за присутствие значительного числа этого изотопа аргона в атмосфере. Кроме того, радиоактивный калий - основной источник радиации, исходящей от живых существ, включая и самого человека. .

3. Искусственные источники радиоактивности окружающей среды

В окружающей среде всегда присутствовали радиоактивные вещества. Однако с появлением ядерного оружия и ядерной энергетики к ним добавились новые, так называемые искусственные источники радионуклидов, попадающие в окружающую среду благодаря деятельности человека. Они до сих пор вносят незначительный вклад в среднюю общую дозу, получаемую человеком, но в отдельных местностях — например, в зонах аварий АЭС — эти источники могут оказывать большее влияние

Оценки выбросов техногенных радионуклидов (РБГ — радиоактивные благородные газы: 85 Kr, 131 Xe, 133 Xe и др.) [1, 2, 3, 11].

Источник	Активность выбросов, ПБк
Источник	3 Н	14 С	РБГ	90 Sr	131 I	137 Cs
Атмосферные ядерные взрывы	2.4·10 5	220	604	6.5·10 5	910
Подземные ядерные взрывы	50	15
Ядерный топливный цикл, в том числе
работа реакторов	140	1.1	3200	0.4
переработка ОЯТ	57	0.3	1200	4·10 -3	40
Производство и использование радионуклидов	2.6	1.0	52	6.9	6.0
Аварии
Три-Майл Айленд (1979)	270	6·10 -4	40
Чернобыль (1986	10	1800	85
Кыштым (1957)	5.4	0.04
Селлафилд (1958)	1.2	0.7	0.02
"Космос-954" (1978)	3·10 -3	0.2	3·10 -3
Фукусима (2011)	11000	150	12

Искусственные радионуклиды появляются в результате ядерных испытаний, взрывов, как следствие деятельности ядерной энергетической промышленности. Долгое время многие страны сбрасывали в моря радиоактивные отходы, усиливая радиоактивное загрязнение гидросферы. Колоссальный вклад вносят аварии на АЭС. В таблице 1 представлены обобщенные данные о выбросе искусственных радионуклидов в результате ядерных испытаний, штатной работе АЭС и аварийных ситуаций на них

3.1. Ядерные взрывы

.Рис. 3. Относительная интенсивность радиоактивного излучения после ядерных испытаний в Неваде в 1953 году [4].

С середины ХХ века начинается развитие ядерной промышленности сначала в США и СССР, а потом и в других странах. Начало этому положили испытания 16 июля 1945 г. в пустыне Аламогордо в США и бомбы, сброшенные на Хиросиму и Нагасаки 6 и 9 августа того же года. После этого испытания ядерного оружия проводились многими странами в различных местах: на Новой Земле, в Сахаре, в Австралии, на Гвинейских островах. На рис. 3 показано распределение интенсивности радиоактивного фона в относительных единицах после одного из испытаний, проведенного в Неваде. Видно, что эффект взрыва не ограничен областью не только штата Невада, но и всей территории США.
Эти испытания достигли своего пика к 1960-м годам, помимо прочего в 1961 году на Новой Земле была взорвана сверхмощная термоядерная бомба. После этого проблема радиационного загрязнения окружающей среды привлекла к себе значительное внимание, и в 1963 году СССР, США и Великобритания подписали договор, запрещавший атмосферные и подводные взрывы. После этого этими странами производились только подземные взрывы на ограниченном числе полигонов.
На рис.3 хорошо виден резкий подъем концентрации, связанный с началом ядерных испытаний, а потом спад после 1963 года после запрета атмосферных испытаний. При этом практически не заметно влияние различных аварий − лишь в 1986 году можно заметить небольшой пик, связанный с аварией на Чернобыльской АЭС.
Одним из процессов, происходящих при ядерных взрывах, является деление тяжелых ядер. Значительную часть изотопов, образующихся в результате этого процесса, составляют изотопы стронция 90 Sr и цезия 137 Cs, формирующие два максимума распределения дочерних продуктов. Эти изотопы имеют довольно большие периоды полураспада (28,9 лет для стронция и 30,08 лет для цезия), а потому особенно опасны для человека

3.2. Захоронение ядерных отходов

В течения ряда лет обычной практикой был сброс радиоактивных отходов в моря и реки. Это в дальнейшем приводит к миграции радиоактивных элементов с течением; так, оценено, что перенос радионуклидов от места сброса отходов в Ирландском море до Баренцева моря происходит за 5-6 лет.
Кроме того, СССР сбрасывал в Карское море списанные атомные подводные лодки, реакторы ледоколов и контейнеры с радиоактивными отходами. Измерения содержания радиоактивных изотопов в воде подтверждают нарушение целостности некоторых из этих контейнеров с отходами, но в целом ситуация в Карском море на данный момент считается безопасной. Впрочем, пока еще неясно, какими будут последствия в случае более масштабной утечки.
Аналогичная ситуация наблюдается в бассейне реки Енисей, на берегу которой долгое время были расположены несколько заводов по переработке радиоактивных отходов. Впрочем, со времени прекращения работы этих заводов из строя, содержание радиоактивных веществ в воде Енисея заметно снизилось.
На данный момент применяют захоронения в земле или на больших глубинах в океане, так, чтобы отходы по возможности не контактировали со средой обитания человека. .

3.3. Ядерный топливный цикл

В ядерный топливный цикл входят добыча урановой руды, ее переработка и обогащение, собственно работа АЭС и последующие хранение и переработка отработанного топлива. Все эти этапы, несмотря на всевозможные меры предосторожности, также вносят вклад в радиоактивность окружающей среды.
Например, после извлечения урана остаются измельченные остатки урановых руд, в которых остаются дочерние продукты урана. Таких отходов в год вырабатывается очень много, поскольку урановые руды, как правило, довольно бедны. Например, в 1979 году для получения 38000 т урана было переработано 6.5∙10 7 т руды. Это порядка 0.05 %.
Однако особенно опасны аварии на предприятиях ядерного топливного цикла. При авариях на АЭС, а особенно при взрывах (как произошло в Челябинске в 1957 году и в Чернобыле в 1986 году), в окружающую среду выделяется колоссальное количество радионуклидов. Многие из этих веществ чрезвычайно летучи. Осадки также увеличивают площадь зараженной поверхности

4. Радионуклиды в атмосфере, гидросфере и литосфере Земли

4.1. Радионуклиды в атмосфере

.Рис. 4. Изменение содержания 14 С с годами в северном (NH zones) и южном (SH zone) полушариях [12].

При ядерных взрывах также появляется радиоактивный 14 С, что значительно усложняет методику радиоуглеродного датирования, так как даже небольшая примесь, полученная из современного воздуха, может существенно исказить результаты. На рис. 4 приведен график изменения содержания 14 С в атмосфере на разных широтах северного полушария и в южном полушарии. Из этих данных видно, что нет большой разницы между данными из разных точек северного полушария, а в южном пик активности 14 С лишь немногим ниже и появляется с небольшой задержкой, хотя все источники искусственно появившихся изотопов находились в северном полушарии. Это связано с движениями воздушных масс и легкостью миграции газообразных веществ

4.2. Радионуклиды в гидросфере

Гидросфера играет значительную роль в распределении радиоактивности в окружающей среде, поскольку в нее включаются и осадки, приносящие радиоактивные вещества из атмосферы, и радиоактивность подземных вод, контактирующих с почвой. Во многом именно гидросфера ответственна за перенос радиоактивных изотопов на большие расстояния и за перераспределение их между различными сферами Земли.
В гидросфере присутствует значительное количество естественных радиоактивных изотопов, но и уже упомянутые выше ядерные отходы вносят определенный вклад, особенно при их затоплении в реках или близко к поверхности океана.
Скорость распространения радиоактивных веществ в водной среде сильно зависит как от конкретного изотопа, так и от водоема. Некоторые вещества растворяются в воде, другие остаются в виде смеси, некоторые почти полностью оседают на дно. Кроме того, скорость дрейфа вод сильно разнится в разных типах вод. В океане весь объем поверхностной воды сменяется примерно за 2 тысячи лет, а вот подземные воды сменяются только каждые 8 тысяч лет. Чем глубже, тем медленнее движение. Именно поэтому захоронения ядерных отходов в океане можно производить только на больших глубинах.
В последнее время, в связи с запретом на проведение атмосферных взрывов, радиоактивные вещества перестали поступать в верхние слои океана из атмосферы. К настоящему моменту уже распалась большая часть короткоживущих нуклидов, а скорость поступления долгоживущих снизилась на порядки.

4.3. Радионуклиды в литосфере

В горных породах естественным образом присутствуют элементы всех трех радиоактивных рядов, а также другие радиоактивные нуклиды, например, 40 K, а также различные искусственные изотопы. Так, на рис. 5 представлено распределение искусственного изотопа 90 Sr в почве по данным за 1965–1967 гг. Видно, что, в отличие от радиоактивных изотопов в атмосфере, в почве наблюдаются заметные отличия между различными областями.

Рис. 5. Количество 90 Sr в земле в 1965–1967 годах (мКи/км 2 ) [4].

Тем не менее, несмотря на кажущуюся неподвижность земных пород, радионуклиды мигрируют в почве и переносятся посредством связи растений с почвой. Схема этих процессов представлена на рис. 6. Они представляют особый интерес, поскольку наиболее тесно связаны с вопросом безопасности человека

Рис. 6. Схема процессов, приводящих к перераспределению радионуклидов в почве [1].

5. Заключение

Несмотря на то, что большая часть радиоактивности окружающей среды связана с естественными радионуклидами, развитие ядерных технологий привело к значительному радиоактивному загрязнению окружающей среды. Лишь благодаря своевременным мерам, принятым для ограничения выбросов радиоактивных веществ, рост активности загрязнений был замедлен. Тем не менее, пока сложно в полной мере оценить возможные последствия использования ядерной энергии в различных целях и все еще есть необходимость в детальных исследованиях изменений в активности различных изотопов в атмосфере, водах и почве.
С другой стороны, радиоактивные изотопы предоставляют уникальную возможность для исследования взаимодействий этих сред между собой. Наблюдая за изменением уровней активности в образцах, можно получить уникальные данные об обмене веществом между средами

Ю.А. Сапожников, Р.А. Алиев, С.Н. Калмыков, Радиоактивность окружающей среды, М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.

Q. Hua, Radiocarbon: A chronological tool for the recent past, Quaternary Geochronology Vol. 4 (2009), No. 5, p. 378–390.

2 комментария к “ Радиоактивность Земли. ”

Идею радиоизотопного датирования предложил Эрнест Резерфорд в 1904 году, через 8 лет после открытия радиоактивности Анри Беккерелем. Тогда же он сделал первую попытку определить возраст минерала по содержанию урана и гелия В последующие годы шло интенсивное развитие ядерной физики и усовершенствование технологий, благодаря чему к середине 20 века была достигнута хорошая точность радиоизотопных датировок. Этому особенно помогло изобретение масс-спектрометра

В предыдущем посте я рассказал о единицах измерения ионизирующей радиации. А теперь поговорим об источниках излучения.

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.

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;

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.

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.

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 атмосфере.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

В конце \(XIX\) века в научном мире происходили удивительные и необычайно интересные события, которые положили начало новому этапу в формировании физической картины мира.

Читайте также: