Радиоактивность в природе сообщение

Обновлено: 05.07.2024

Радиоактивность — это явление, при котором ядра одного химического элемента самопроизвольно превращаются в ядра другого элемента или изотопы того же элемента. Процесс сопровождается испусканием частиц и электромагнитного излучения. При этом происходит изменение состава ядра атома: его заряда и массового числа.

В определении присутствует термин изотоп. Прежде чем рассмотреть его, вспомним определение нуклида.

Нуклид — это отдельный вид атома химического элемента с определенными значениями массового и протонного чисел.

Для обозначения определенного нуклида используют запись вида

где X — символ химического элемента, A — массовое (нуклонное) число, Z — зарядовое (протонное) число.

Количество нейтронов в ядре N = A − Z

Изотоп — это разновидность атома определенного элемента с таким же атомным номером, но другим массовым числом.

Это значит, что в изотопах одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

У первого элемента в периодической системе элементов Менделеева, водорода ( H ) , известно три изотопа:

протий H 1 1 ;
дейтерий H 1 2 ;
тритий H 1 3 .

Всего известно более двух тысяч радиоактивных изотопов. Для сравнения, стабильных открыто около 280.

Ученые разделяют нуклиды на стабильные и нестабильные. Нестабильные, также известные как радионуклиды, со временем распадаются. Стабильные же способны существовать в неизменном виде неопределенно долгий промежуток времени.

Суть явления радиоактивности заключается в том, что при распаде ядра нестабильного атома из него с большой скоростью вылетает целое число частиц с высокой энергией. Вещества, которые содержат радиоактивные ядра, называют радиоактивными.

Радиация (радиоактивное излучение) — это поток частиц высокой энергии, вылетающих из нестабильного ядра.

В современной химии выделяют естественную и искусственную радиоактивность.

Естественная радиоактивность — это явление самопроизвольного распада атомных ядер в природе.

Примером естественной радиоактивности служит солнечная радиация. В ядре солнца постоянно происходят термоядерные реакции, в ходе которых водород превращается в гелий.

Искусственная радиоактивность — это явление самопроизвольного распада атомных ядер, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

Техногенная радиоактивность применяется людьми. Например, на атомных электростанциях электрическую энергию получают за счет искусственно созданных ядерных реакций.

В результате экспериментов было установлено, что в периодической системе Менделеева радиоактивны все элементы, начиная с висмута. Их порядковый номер больше 82.

Единицы измерения

В химии существует несколько единиц измерения радиоактивности:

В Международной системе единиц ( С И ) единицей измерения активности радионуклида является беккерель. На русском языке он обозначается как Бк, в международном формате — Bq.

Эту единицу назвали в честь Антуана Беккереля, одного из первооткрывателей радиоактивности. Один Беккерель равен одному распаду в секунду.

В Международной СИ секунде в минус первой степени равен не только беккерель, но и герц. Важно не путать их: беккерель используют для измерения случайных процессов распада, а герц — для периодических процессов. Их природа различна.

Один Беккерель — это маленькая единица измерения, так что на практике принято использовать кратные единицы.

Внесистемная, но широко распространенная единица — кюри. Ее используют для измерения активности радионуклидов. На русском обозначается как Ки, в международных исследованиях — Ci. Названа она в честь Пьера Кюри и Марии Склодовской-Кюри.

Точно установлена связь между значениями Ки и Бк:

1 К и = 3 , 7 ⋅ 10 10 Б к

Перевести значения из Бк в Ки сложнее, т.к. соотношение приблизительно:

1 Б к ≈ 2 , 7027 ⋅ 10 - 11 К и

Еще одна единица измерения, которой в современности пользуются редко — резерфорд. Его обозначают как Рд или Rd в русском и международном стандартах соответственно. Единица тоже названа в честь ученого — Эрнеста Резерфорда, также изучавшего природу радиоактивности.

Один резерфорд равен 10 6 распадам в 1 секунду. Точно равенство:

1 Р д = 1 ⋅ 10 6 Б к = 1 М Б к

Дозиметрия — это определение дозы радиоактивного излучения, поглощаемого объектом.

В дозиметрии используют свои единицы облучения:

Поглощенную дозу в Международной СИ измеряют в единицах грэй (Гр). Один грэй равен энергии излучения в 1 Дж, поглощенной 1 кг вещества.

Эквивалентную дозу, т.е. произведение поглощенной дозы на коэффициент качества излучения, в Си измеряют в зивертах. Один зиверт эквивалентен излучению, создающему такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр гамма-излучения или рентгеновского излучения.

1 З в = 1 Д ж / к г

За один бэр принято считать такое количество энергии излучения, поглощенного 1 кг вещества, при котором биологическое воздействие соответствует поглощенной дозе в 1 рад гамма-излучения или рентгеновского излучения. То есть:

1 б э р = 0 , 01 З в = 100 э р г / г

Для измерения воздействия радиации используют также понятие мощность дозы. Это доза, полученная объектом за выбранную единицу времени.

Кто открыл, как это произошло

Лучи Рентгена представляют собой электромагнитное излучение длиной волн от ~ 10 3 д о ~ 10 - 2 Å ( от ~ 10 2 ;до ~ 10 - 3 н м ) . Энергия фотонов этих волн лежит между ультрафиолетовым и гамма-излучением.

Хотя рентгеновское излучение менее вредно, чем радиоактивное, оно все равно является ионизирующим и в больших объемах способно навредить живым организмам.

Вскоре после Рентгена новый вид лучей открыл французский физик Антуан Анри Беккерель. В 1896 году Беккерель посетил заседание Академии наук, на котором узнал о предполагаемой связи рентгеновского излучения и флуоресценции. Чтобы проверить эту гипотезу, Беккерель провел эксперимент с фотопластинкой и солями урана. Он обнаружил, что лучи проходят через препятствия, оставляя изображение на фотопластинке.

Сперва Беккерель предположил, что открыл новый, более простой способ делать рентгеновские снимки. Но после многочисленных экспериментов он не мог дать объяснения, откуда уран получает свою энергию. К тому же, вопреки его данным, уран фосфоресцировал даже без солнечного света, что никак не согласовывалось с его гипотезой.

Так Беккерель понял, что открыл новый вид лучей. Но из-за неспособности разрешить найденное противоречие ученый временно отказался от изучения, как известно теперь, радиоактивности.

В 1898 году Мария и Пьер Кюри обнаружили, что новые лучи свойственны не только урану, но и торию. Позднее пара ученых открыла радиоактивность полония и радия. От названия последнего и было дано название явлению — радиоактивность.

К тому же, Беккерель и Кюри совместно обнаружили биологическое действие радиоактивности. На одной из лекций Беккерель держал в пробирке в жилетном кармане радиоактивное вещество. На следующий день на теле под карманом он обнаружил покраснение в форме пробирки. Пьер Кюри после этого 10 часов носил на себе пробирку с радием, и спустя несколько дней у него тоже появилось покраснение. Это покраснение впоследствии перешло в тяжелую язву, с которой Пьер боролся еще два месяца.

Пагубное влияние радиоактивных веществ не остановило ученых. В 1934 году Мария Склодовская-Кюри умерла от осложнений, вызванных долгой работой с радием.

В дальнейшем значительную роль в исследовании радиоактивности сыграл Эрнест Резерфорд. Ученый установил природу радиоактивных превращений и излучения, обнаружил сложный состав излучения.

Разновидности излучения, свойства и характеристики

Ученые выделили 3 вида излучения:

альфа-излучение ( α ) — поток ядер гелия (их называют альфа-частицами);
бета-излучение ( β ) — поток электронов;
гамма-излучение ( γ ) — электромагнитное излучение с большой проникающей способностью.

На основе излучения выделяют 3 основных типа радиоактивного распада:

альфа-распад;
бета-распад;
гамма-распад, или изомерный переход.

Известны также распады с испусканием протонов (одного или двух), нейтрона и кластерная радиоактивность.

Процесс радиоактивного распада может быть продолжительным. Если дочернее ядро, полученное в результат радиоактивного распада, также является радиоактивным, то со временем и оно распадается. Так продолжается, пока не образуется стабильное нерадиоактивное ядро.

При этом некоторые изотопы могут одновременно испытывать более одного вида распада.

Альфа-распад

Альфа-распад — вид самопроизвольного распада атомного ядра на дочернее ядро, при котором происходит испускание альфа-частицы — ядра атома атома гелия. При этом массовое число дочернего ядра меньше на 4, а атомный номер — на 2.

Альфа-распад, т.е. поток положительно заряженных частиц, характерен для изотопов всех тяжелых элементов, начиная с висмута.

Альфа-частицы покидают ядро со скоростью от 9400 до 23700 км/с. При этом в воздухе при нормальных условиях альфа-излучение способно преодолеть лишь расстояние от 2,5 до 7,5 см.

Эффективно задержать радиоактивное излучение альфа-частиц можно несколькими десятками микрометров плотного вещества. К примеру, листом бумаги или даже ороговевшим слоем кожи — человеческим эпидермисом. Это делает его относительно безопасным для человека.

Однако если источник альфа-излучения все же попадет в организм (например, в виде пыли), это может привести к серьезным последствиям. Альфа-частицы наносят примерно в 20 раз больше повреждений, чем бета- и гамма-частицы той же энергии.

Правило смещения Содди, также закон радиоактивных смещений — это правило, описывающее превращение элементов в процессе радиоактивного распада.

Рассмотрим правило смещения Содди для α -распада:

X Z A → Y Z - 2 A - 4 + H 2 4 e

Пример
Как уже было описано ранее, процесс радиоактивного распада продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро. Рассмотрим такую цепочку на основе альфа-распада урана-238:

U 92 238 → α - р а с п а д T 90 234 h + H 2 4 e → α R 88 230 a + H 2 4 e → α R 86 226 n + H 2 4 e → α P 84 222 o + H 2 4 e → α P 82 218 b + H 2 4 e

Бета-распад

Бета-распад — вид самопроизвольного распада атомного ядра на дочернее ядро, при котором происходит испускание потока электронов и антинейтрино. Массовое число при этом остается тем же, поскольку число нуклонов в ядре остается неизменным.

Бета-излучение как отрицательное излучение малой массы обладает большей проникающей способностью, нежели альфа-частицы. Задержать его можно алюминиевой фольгой.

Среди всех видов радиоактивного распада бета-распад является наиболее распространенным. Он особенно характерен для искусственных радионуклидов.

Выделяют несколько подвидов бета-распада:

бета-минус распад;
бета-плюс распад;
электронный захват.

Бета-минус распад представляет собой испускание из ядра электрона, образовавшегося в результате самопроизвольного превращения одного из нейтронов в протон и электрон. Такой электрон называют бета-минус частицей.

Правило смещения Содди для β - -распада:

X Z A → Y Z + 1 A + e - 1 0 + ν ¯ e

Рассмотрим бета-минус распад трития в гелий-3:

H 1 3 → H 2 3 e + e - 1 0 + ν ¯ e

Бета-плюс распад, или позитронный распад сопровождается испусканием из ядра позитрона (античастицы электрона), образовавшегося в результате самопроизвольного превращения одного из протонов в нейтрон и позитрон. Получившуюся частицу называют бета-плюс частицей.

Правило смещения Содди для β + -распада:

X Z A → Y Z - 1 A + e + + ν e

Рассмотрим бета-плюс распад углерода:

C 6 11 → B 5 11 + e + + ν e

Позитронный распад всегда сопровождается электронным захватом. Ядро захватывает электрон из атомной оболочки и испускает нейтрино. Заряд ядра также уменьшается на единицу.

Правило смещения Содди для электронного захвата:

X Z A + e - → Y Z - 1 A + ν e

Рассмотрим электронный захват на примере захвата бериллия в литий:

B 4 7 e + e - → L 3 7 i + ν e

Гамма-распад

Гамма-распад чаще называют изомерным переходом. Такое название обосновано существованием изомерных состояний ядер. Большинство ядер способны существовать в возбужденном состоянии очень малое количество времени — менее наносекунды. Некоторые ядра способны существовать дольше — микросекунды, сутки или даже года. Такие долгоживущие состояния и называют изомерными.

При гамма-распаде изомерные состояния ядер переходят в основное состояние с излучением одного или нескольких гамма-квантов.

Гамма-излучение обладает намного большей проникающей способностью, чем альфа- и бета-излучение. Оно не имеет электрического заряда, обладает огромной энергией и может быть остановлено только толстым слоем железобетона, стали, свинца или другого серьезного препятствия.

Период полураспада, модели атомов и ядра, кратко

Рассмотрим общепринятую модель строения атома. В центре находится заряженное ядро, внутри которого — нейтральные нейтроны и положительно заряженные протоны. Почти вся масса атома приходится на тяжелое ядро. Вокруг положительно заряженного ядра движутся легкие отрицательно заряженные электроны. В невозбужденном состоянии и вне реакции количество протонов и электронов, как правило, равно, так что атом электронейтрален.

Наглядная схема представлена ниже.

Одной из главных характеристик радиоактивных атомов является его время жизни. Число ежесекундно происходящих распадов пропорционально количеству имеющихся атомов.

Если за промежуток времени распадается половина исходного количества радиоактивных атомов, то половина оставшихся атомов распадется в течение следующего промежутка той же длительности. Время T 1 / 2 , за которое распадается половина всех имеющихся радиоактивных ядер, называют периодом полураспада радиоактивного элемента.

Период полураспада радиоактивного изотопа бериллия-8 составляет всего 8 , 2 ⋅ 10 - 17 ;с. период полураспада фосфора-32 — 14,3 дня. Самый долгий период полураспада у изотопа теллура - 128 T 128 e — 2 , 2 ⋅ 1024 лет или 2,2 септиллиона лет.

На основе периода полураспада некоторых радиоизотопов основан исторический метод радиоизотопного датирования. Для определения возраста некоторых объектов определяют, какая доля радиоактивного изотопа в составе успела распасться. Используют:

уран-свинцовый метод;
калий-аргоновый метод;
радиоуглеродный метод и др.

Любой радиоактивный распад происходит по закону радиоактивного распада. Математически данный закон выражается в следующем виде:

где N — число нераспавшихся атомов в любой момент времени, N 0 — число радиоактивных атомов в начальный момент времени, T — период полураспада, t — период времени.

Один из самых распространённых и живучих мифов о радиации гласит: радиоактивное излучение — дело рук человека. Технические процессы, научные эксперименты якобы создают излучение, которого в природе не существовало. На самом деле источники радиации легко найти даже в далёких джунглях или пустынях, независимо от того, как часто посещает их человек.

Радиоактивностью называют излучение, которое выделяется при распаде нестабильных атомных ядер. В природе таковых насчитывается немало, содержатся они даже в нашем организме. Распадаясь, такие ядра становятся источниками гамма-излучения, то есть электромагнитных волн, и альфа/бета частиц. Проходя через вещество, частицы или лучи вызывают ионизацию, то есть образование ионов, электрически заряженных атомов или молекул.

Первый источник природной радиации — небо над нашими головами. Солнце и другие звёзды посылают в космическое пространство множество протонов, электронов и альфа-частиц, которые взаимодействуют с магнитным полем Земли. Этот своеобразный ливень, попадая в атмосферу, меняется и создаёт так называемое вторичное излучение, которое и доходит до поверхности планеты. Больше всего космической радиации достигает полюсов, меньше — экваториальных областей. Интересно и то, что в результате реакций в атмосфере образуются радиоактивные ядра, которые затем поступают в организм человека. Так что даже жители Древнего Египта были знакомы с естественной радиоактивностью.

Другими источниками природной радиации выступают минералы (гранит, вулканическое стекло) и почва, в которых содержится уран , торий, некоторые другие радиоактивные элементы. Учитывая, что их количество различается в зависимости от местности и строения недр, уровень излучения в разных точках планеты неоднороден. Так, если принять за 100% годовую дозу естественной радиации, который получает житель Новосибирска, то москвич за тот же период получит 115% новосибирской дозы, а жители Якутска только 87%.

И наконец, следующим компонентом естественного облучения выступает радиоактивный газ радон. Он лишён цвета или запаха, концентрируется в закрытых помещениях, в низинах и может содержатся в воде. При этом вдыхание воздуха с высокой концентрацией радона чревато рисками для здоровья, поэтому установлены предельно допустимые уровни содержания этого газа в помещениях, где работают люди. Чтобы избавиться от избытков радона в большинстве случаев достаточно простого проветривания.

Радиация представляет собой ионизирующее излучение, наносящее непоправимый вред всему окружающему. Страдают люди, животные, растения. Самая большая опасность заключается в том, что она не видима человеческим глазом, поэтому важно знать об ее главных свойствах и воздействии, чтобы защититься.

Радиация сопровождает людей всю жизнь. Она встречается в окружающей среде, а также внутри каждого из нас. Огромнейшее воздействие несут внешние источники. Многие наслышаны об аварии на Чернобыльской АЭС, последствия которой до сих пор встречаются в нашей жизни. Люди оказались не готовы к такой встрече. Это лишний раз подтверждает, что в мире есть события неподвластные человечеству.

Виды радиации

Не все химические вещества устойчивы. В природе существуют определенные элементы, ядра которых трансформируются, распадаясь на отдельные частички с выделением огромного количества энергии. Это свойство называется радиоактивностью. Ученые в результате исследований обнаружили несколько разновидностей излучения:

Альфа излучение — это поток тяжелых радиоактивных частиц в виде ядер гелия, способных нанести наибольший вред окружающим. К счастью, им свойственна низкая проникающая способность. В воздушном пространстве они распространяются всего на пару сантиметров. В ткани их пробег составляет доли миллиметра. Таким образом, внешнее излучение не несет опасности. Можно защититься, используя плотную одежду или лист бумаги. А вот внутреннее облучение – внушительная угроза.
Бета излучение – поток легких частичек, перемещающихся в воздухе на пару метров. Это электроны и позитроны, проникающие в ткань на два сантиметра. Оно несет вред при соприкосновении с кожей человека. Однако большую опасность дает при воздействии изнутри, но меньшую, чем альфа. Для предохранения от влияния этих частиц, используются специальные контейнеры, защитные экраны, определенное расстояние.
Гамма и рентгеновское излучение – это электромагнитные излучения, пронизывающие тело насквозь. Защитные средства от такого воздействия включает создание экранов из свинца, возведение бетонных конструкций. Наиболее опасное из облучений при внешнем поражении, так как оказывает влияние весь на организм.
Нейтронное излучение состоит из потока нейтронов, обладающих более высоким показателем проникающей способности, чем гамма. Образуется в результате ядерных реакций, протекающих в реакторах и специальных исследовательских установках. Появляется во время ядерных взрывов и находится в отходах утилизированного топлива от ядерных реакторов. Броня от такого воздействия создается из свинца, железа, бетона.

Источники радиации

Всю радиоактивность на Земле можно поделить на два основных вида: естественную и искусственную. К первой относятся излучения из космоса, почвы, газов. Искусственная же появилась благодаря человеку при использовании атомных электростанций, различного оборудования в медицине, ядерных предприятий.

Источники радиации

Естественные источники

Радиоактивность естественного происхождения всегда находилась на планете. Излучение присутствует во всем, что окружает человечество: животные, растения, почва, воздух, вода. Считается, что этот небольшой уровень радиации, не оказывает вредного воздействия. Хотя, некоторые ученые придерживаются иного мнения. Так как люди не имеют возможности повлиять на эту опасность, следует избегать обстоятельств, увеличивающих допустимые значения.

Разновидности источников естественного происхождения

Искусственные источники

Данный вид появился благодаря людям. Его действие увеличивается и распространяется с их помощью. Во время начала ядерной войны не так страшна сила и мощность оружия, как последствия радиоактивного излучения после взрывов. Даже если вас не зацепит взрывная волна или физические факторы — вас добьет радиация.

Взрыв атомной бомбы

К искусственным источникам относятся:

Ядерное оружие;
АЭС;
Медицинское оборудование;
Отходы с предприятий;
Определенные драгоценные камни;
Некоторые старинные предметы, вывезенные из опасных зон. В том числе из Чернобыля.

Норма радиоактивного излучения

Ученым удалось установить, что радиация по-разному оказывает влияние на отдельные органы и весь организм в целом. Для того чтобы оценить ущерб, возникающий при хроническом облучении ввели понятие эквивалентной дозы. Она рассчитывается по формуле и равна произведению полученной дозы, поглощенной организмом и усредненной по конкретному органу или всему организму человека, на весовой множитель.

Единицей измерения эквивалентной дозы есть соотношение Джоуля к килограммам, которое получило название – зиверт (Зв). С её использованием была создана шкала, позволяющая понять о конкретной опасности излучения для человечества:

100 Зв. Моментальная смерть. У пострадавшего есть несколько часов, максимум пару дней.
От 10 до 50 Зв. Получивший повреждения такого характера погибнет через несколько недель от сильного внутреннего кровотечения.
4-5 Зв. При попадании данного количества, организм справляется в 50% случаев. В остальном печальные последствия приводят к смерти спустя пару месяцев из-за повреждений костного мозга и нарушения кровообращения.
1 Зв. При поглощении такой дозы лучевая болезнь неизбежна.
0,75 Зв. Изменения в системе кровообращения на небольшой промежуток времени.
0,5 Зв. Данного количества достаточно, чтобы у больного развились онкологические заболевания. Остальные симптомы отсутствуют.
0,3 Зв. Такое значение присуще аппарату для проведения рентгена желудка.
0,2 Зв. Допустимый уровень для работы с радиоактивными материалами.
0,1 Зв. При таком количестве происходит добыча урана.
0,05 Зв. Данное значение – норма облучения медицинских аппаратов.
0,0005 Зв. Допустимое количество уровня радиации около АЭС. Также это значение годового облучения населения, которое приравнивается к норме.

К безопасной дозе радиации для человека относится значения до 0,0003-0,0005 Зв в час. Предельно допустимым считается облучение в 0,01 Зв в час, если такое воздействие непродолжительно.

Влияние радиации на человека

Радиоактивность оказывает огромное влияние на население. Вредному воздействию подвергаются не только люди, столкнувшиеся лицом к лицу с опасностью, но и последующее поколение. Такие обстоятельства вызваны действием радиации на генетическом уровне. Различают два вида влияния:

Соматический. Заболевания возникают у пострадавшего, получившего дозу радиации. Приводит к появлению лучевой болезни, лейкозу, опухоли разнообразных органов, локальные лучевые поражения.
Генетический. Связан с дефектом генетического аппарата. Проявляется в последующих поколениях. Страдают дети, внуки и более далекие потомки. Возникают генные мутации и хромосомные изменения

Помимо отрицательного воздействия, есть и благоприятный момент. Благодаря изучению радиации, ученым удалось создать на ее основе медицинское обследование, позволяющее спасать жизни.

Мутация после радиации

Последствия облучения

При получении хронического облучения в организме происходят восстановительные мероприятия. Это приводит к тому, что пострадавший приобретает меньшую нагрузку, чем получил бы при разовом проникновении одинакового количества радиации. Радионуклиды размещаются внутри человека неравномерно. Чаще всего страдают: дыхательная система, пищеварительные органы, печень, щитовидка.

Враг не дремлет даже спустя 4-10 лет после облучения. Внутри человека может развиться рак крови. Особую опасность он представляет у подростков, не достигших 15 лет. Замечено, что смертность людей, работающих с оборудованием для проведения рентгена, увеличена из-за лейкоза.

Самым частым результатом облучения проявляется лучевая болезнь, возникающая как при однократном получении дозы, так и при длительном. При большом количестве радионуклидов приводит к смерти. Распространен рак молочной и щитовидной желез.

Страдает огромное количество органов. Нарушается зрение и психическое состояние потерпевшего. У шахтеров, участвующих в добыче урана, часто встречается рак легких. Внешние облучения вызывают страшные ожоги кожных и слизистых покровов.

Мутации

После воздействия радионуклидов возможно проявление двух типов мутаций: доминантной и рецессивной. Первая возникает сразу же после облучения. Второй тип обнаруживается спустя большой промежуток времени не у пострадавшего, а у его последующего поколения. Нарушения, вызванные мутацией, приводят к отклонениям в развитии внутренних органов у плода, внешним уродствам и изменением психики.

К сожалению, мутации достаточно плохо изучены, так как обычно проявляются не сразу. Спустя время сложно понять, что именно оказало главенствующее влияние на её возникновение.

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.

Читайте также: