Чем опасна радиация, как ее обнаружить и защититься

Радиоактивные превращения

Опыты показали, что радиоактивные вещества не только излучают невидимые лучи, но и постоянно выделяют энергию. Например, 1г радия каждый час выделяет около 500 Дж тепла. Этой энергии хватит, чтобы нагреть 1 г воды от нуля градусов до кипения ! И эта энергия выделяется «ниоткуда» долгое время, не уменьшаясь. Это говорило о том, что в радиоактивном веществе происходят серьезные изменения.

Дальнейшие исследования подтвердили это предположение. Выяснилось, что атомы радиоактивного вещества, которые в то время считались неделимыми и неизменными, на самом деле серьезно меняются. В пробе чистого радиоактивного вещества со временем начинает появляться совсем другое вещество, существенно отличающееся по физическим и химическим свойствам от первоначального. При этом и это новое вещество может быть радиоактивным, и в свою очередь также может выделять энергию и невидимые лучи, превращаясь в третье вещество, отличающееся от двух первых. Таким образом, образуются целые ряды радиоактивных веществ, превращающихся одно в другое.

Рис. 2. Радиоактивные ряды.

Радиоактивные превращения

Дальнейшие исследования подтвердили это предположение. Выяснилось, что атомы радиоактивного вещества, которые в то время считались неделимыми и неизменными, на самом деле серьезно меняются. В пробе чистого радиоактивного вещества со временем начинает появляться совсем другое вещество, существенно отличающееся по физическим и химическим свойствам от первоначального. При этом и это новое вещество может быть радиоактивным, и в свою очередь также может выделять энергию и невидимые лучи, превращаясь в третье вещество, отличающееся от двух первых. Таким образом, образуются целые ряды радиоактивных веществ, превращающихся одно в другое.

Рис. 2. Радиоактивные ряды.

Бета излучение

• излучаются: электроны или позитроны
• проникающая способность: средняя
• облучение от источника: до 20 м
• скорость излучения: 300 000 км/с
• ионизация: от 40 до 150 пар ионов на 1 см пробега
• биологическое действие радиации: среднее

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.

Радиоактивность — что это за явление

Понятие «радиоактивность» было введено Марией Склодовской-Кюри. Оно тождественно понятию радиоактивный распад.

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

Для обозначения определенного нуклида используют запись вида 

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

Количество нейтронов в ядре  

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

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. 

В современной химии выделяют естественную и искусственную радиоактивность. 

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

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:

• беккерель;
• кюри;
• резерфорд.

В Международной системе единиц (CИ) 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:

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

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  распадам в 1 секунду. Точно равенство:

В дозиметрии используют свои единицы облучения:

• грэй;
• зиверт;
• бэр.

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.

Внесистемная единица измерения эквивалентной дозы — бэр. Бэр расшифровывается как «биологический эквивалент рентгена». 

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:

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

Открытие бета-лучей

После открытия радиоактивности в конце XIX в. многие физики стали изучать природу и свойства радиоактивного излучения. Одним из таких физиков был Э. Резерфорд. В 1899 г. он поставил опыт по определению состава радиоактивного излучения.

Рис. 1. Опыт Резерфорда по радиоактивности 1899.

В свинцовом контейнере находится радиоактивный препарат (как правило, соль радия). Через окно в контейнере радиоактивное излучение попадает на фотопластинку. Как и в опытах других физиков, на пластинке появлялась засвеченная область. Теперь, если на пути радиоактивного луча поместить сильное магнитное поле и если радиоактивный луч состоит из заряженных частиц, засвеченная область на фотопластинке сдвинется в сторону.

Опыт показал, что радиоактивное излучение имеет сложный состав. На фотопластинке после включения магнитного поля возникли три пятна. Это доказывало, что в радиоактивных лучах присутствуют частицы всех трех видов: тяжелые положительные, легкие отрицательные и нейтральные (неизвестного веса).

Положительная компонента радиоактивного излучения была названа альфа-лучами, отрицательная — бета-лучами, нейтральная — гамма-лучами.

Гамма-излучение

Наиболее высокой проникающей способностью обладает гамма-излучение. Эта компонента радиоактивных лучей не взаимодействует с магнитным полем, следовательно, гамма-частицы не имеют электрического заряда. Детальное изучение гамма-частиц показало, что их свойства эквивалентны квантам электромагнитного излучения (фотонам) высоких энергий с очень малой длины волны.

Гамма-излучение обладает наименьшей ионизирующей и наибольшей проникающей способностью: для защиты от гамма-излучения требуется слой вещества большой толщины.

Сравнительные характеристики радиоактивных излучений удобно представить в виде таблицы:

Рис. 3. Таблица: альфа-, бета-, гамма-излучения.

Что мы узнали?

Главными компонентами радиоактивного излучения являются альфа-, бета- и гамма-частицы. Альфа-частицы — это положительно заряженные ядра гелия, бета-частицы — это отрицательные электроны, гамма-частицы — это нейтральные фотоны высоких энергий.

1. /10

   Вопрос 1 из 10

Открытие радиоактивности

Радиоактивность была открыта в конце XIXв физиком А.Беккерелем. Он изучал явление послесвечения солей урана после облучения их солнечными лучами.

В один из пасмурных дней, Беккерель случайно обнаружил, что соли урана оставляют след на фотопластинке, даже тогда, когда они не облучаются солнцем. Вскоре подтвердилось, что соли урана сами, без облучения, выделяют какие-то невидимые лучи. При этом интенсивность излучения зависела исключительно от количества урана в пробе, никакие химические воздействия на излучение не влияли. Это говорило о том, что открытое излучение имеет не химическую природу, а свойственно самим атомам урана. В дальнейшем выяснилось, что таким же свойством обладают все элементы с порядковым номером более 83.

Рис. 1. Открытие радиоактивности Беккерелем.

Способность излучать невидимые лучи была названа радиоактивностью.

Естественные источники радиации

Родон

В 80% случаев люди подвергаются ионизирующему излучению «природного» характера . В основном (в 42% случаев) это происходит из-за воздействия природного газа радона. Он появляется после распада урана в почве. Газ не имеет цвета и запаха. Люди годами могут не подозревать, что вдыхают это вещество.

Газ залегает глубоко под землей, но иногда попадает во внешнюю среду. Это происходит при так называемом тектоническом разломе (трещина в земной коре), сообщает РБК руководитель экологического холдинга ЮМАН Маргарита Лупунчук. Много ли газа попадает в жилые помещения — зависит от проницаемости почвы, использованных строительных материалов и качества вентиляции в зданиях. Чем лучше проветриваются помещения, тем ниже вероятность отравления радоном.

В старых домах, уровень содержание радона выше, чем в новых. Неблагополучными по уровню радиации являются многие здания 1930-х годов постройки — для засыпки межэтажных перекрытий в них применяли богатый радоном материал.

Маргарита Лупунчук:

«Проверить отсутствие радона легко — сделать заявку в региональный Центр гигиены и эпидемиологии на комплексное радиологическое обследование квартиры, дома для того, чтобы быть спокойным за свое здоровье и здоровье своих близких».

Почвы

Около 16% всех случаев облучения происходит при контакте с почвой . Человек прикасается к ней руками или вдыхает пыль, в которых присутствуют радиоактивные металлы калий, уран, торий и другие. Хозяйственная деятельность — одна из главных причин их появления. Концентрация естественных радионуклидов увеличивается за счет технологических процессов. Это добыча, переработка, складирование полезных ископаемых, производство и внесение удобрений, сжигание угля на тепловых электростанциях. Радиоактивные отходы оседают на почве .

Космическое излучение

На него приходится около 13% всех случаев воздействия радиации на человека. В межзвездном пространстве множество источников излучения. Иногда радиоактивные лучи проникают сквозь магнитное поле земли. Чем выше над уровнем моря находится местность, тем сильнее воздействие радиации. Воздуха, выполняющего роль защитного слоя, становится все меньше. Высокие дозы могут получать пассажиры самолетов, которые летают часто и на большие расстояния.

Андрей Фролов, сопредседатель Союза экологических организаций Москвы, эколог:
«Если человек совершил полет на самолете, который длился пару часов, это то же самое, что он сходил в рентгеновской кабинет. Это небольшое излучение. Если он летает каждую неделю, то можно говорить уже о серьезной дозе облучения».

Еда и напитки

Радионуклиды могут попасть на растение, а потом на животное с камней и минералов, присутствующих в почве и воде. Дозы облучения зависят от концентрации радионуклидов в пище и воде и от пищевых привычек. Например, рыба и ракообразные содержат высокий уровень свинца и полония. Люди, которые потребляют в пищу много морских продуктов, могут получить более высокие дозы радиации, чем мясоеды.

Человеческий организм

Человек тоже немного радиоактивен . В состав тканей организма входят в небольших дозах радионуклиды и от них нельзя избавиться. Их всего два. Это калий-40 и углерод-14 (так называемый радиоуглерод). Вреда для здоровья они не несут.

Как защититься от радиации

1. Ограничение воздействие радиации. Зная основные источники радиации, можно минимизировать риски. Например, подземный газ радон скапливается в основном в подвальных помещениях, сообщает Андрей Фролов. Поэтому долгое время пребывать там — плохая идея (например, не стоит заселяться в гостиницу, расположенную в цокольном этаже). Также эффективные меры (но не всегда возможные) — ограничения полетов на самолете, ограниченное количество медицинских вмешательств.
2. Покупка карманного дозиметра. Приобрести дозиметр по приемлемой цене и контролировать ситуацию в своем доме — полезная привычка, сообщает Маргарита Лупунчук. Но если человек уверен, что рядом нет источников радиации, достаточно произвести измерение один раз перед покупкой недвижимости. Карманный дозиметр показывает только гамма-излучение (вид электромагнитного излучения), а альфа и бета не фиксирует. Их можно выявить только с помощью профессионального оборудования, которого нет в свободной продаже, сообщил Андрей Фролов. При этом, например, альфа-источник в квартире человека может вызвать онкологические заболевания гораздо быстрее, чем гамма, сообщает эксперт.
3. Прием йода. Профилактика с помощью препаратов стабильного йода является одной из мер индивидуальной защиты населения в случае радиационной аварии, сообщает Федеральное медико-биологическое агентство. Ее цель — предотвращение или снижение поглощенной дозы в щитовидной железе. Принимая нерадиоактивный йод, человек вытесняет «вредный» из щитовидной железы, защищая ее. Но при других видах радиации (например, рентгеновском излучении) йод бесполезен. А в больших дозах токсичен. Для профилактики негативных последствий ежедневного столкновения с источниками радиации, он не подходит.
4. Собственные силы организма. За время эволюции живые существа приспособились выдерживать малые дозы радиации и не копить у себя в организме радиоактивные изотопы, отмечает Андрей Фролов. Организмы, которые не адаптировались, вымерли. Выжившие же — приобрели эту уникальную особенность, отмечает эксперт. Так что боятся радиации в малых дозах не стоит.

Бета-излучение

Бета-излучением были названы лучи, сильно отклоняющиеся магнитным полем в противоположную (относительно альфа-излучения) сторону. Такое отклонение означало, что бета-частицы имеют отрицательный заряд, а их отношение заряда к массе гораздо больше, чем у альфа-частиц и у протонов.

Дальнейшие исследования бета-излучения показали, что оно имеет все те же характеристики, что и катодные лучи, а в 1897 г. Дж. Томсон открыл электрон и доказал, что бета-частицы являются электронами, летящими с большой скоростью.

Бета-излучение обладает меньшей ионизирующей способностью, по сравнению с альфа-излучением, но при этом более глубоко проникает в вещество.

Искусственные источники радиации

Искусственные источники увеличивают дозу радиационного воздействия от естественных источников как для отдельных людей, так и для всего населения Земли.

Медицина

В среднем на нее выпадает 98% радиационного воздействия от всех искусственных источников радиации . В здравоохранении используется рентгенография, магнитно-резонансная томография, ультразвуковое исследование.

В последнее время распространение получила ядерная медицина. Это комплекс процедур, предполагающих введение радиоактивных веществ внутрь организма с целью исследовать структуру или функцию органа.

Зеленая экономика

Почти вечный движок на энергии атома: вызовы ядерной энергетики

Для лечения злокачественных и доброкачественных опухолей используется радиотерапия. Ионизирующему излучению подвергается весь организм. Еще один метод — брахитерапия — предполагает размещение металлических или герметичных радиоактивных источников внутри тела.

Ядерные реакторы

Так называется оборудование, с помощью которого выделяется энергия. Это происходит за счет особой химической реакции — деления ядер урана. Она может использоваться для производства электричества на атомных электростанциях. Это высокоэкологичный способ получения энергии, без токсичных отходов.

Производство электроэнергии атомными электростанциями вызывает много вопросов: при нормальном функционировании оно вносит малый вклад в глобальное радиационное воздействие. Но катастрофа случается, когда на предприятии происходит форс-мажор. Подобное было в 1986 году во время взрыва Чернобыльской АЭС. Последствия катастрофы ощущаются до сих пор, хоть и прошло уже 35 лет.

Радиоактивное излучение

Радиоактивность открыл французский физик А. Беккерель в конце XIX в. Было обнаружено, что соли урана способны засвечивать фотопластинку без ее освещения солнечным светом. Заинтересовавшись этим явлением, Беккерель выяснил, что фотопластинка засвечивается невидимым излучением, которое испускают соли урана.

Рис. 1. Открытие радиоактивности Беккерелем.

Первые опыты по исследованию радиоактивного излучения показали, что оно обладает высокой проникающей и ионизирующей способностью. И, поскольку ионизация чаще всего связана с воздействием на вещество электрического поля, предположили, что радиоактивное излучение — это поток заряженных частиц. Для их определения требовалось пропустить радиоактивное излучение через сильное магнитное поле и с помощью соответствующих формул установить необходимые данные. Такой опыт был проведен Э. Резерфордом и дал неожиданный результат.

Рис. 2. Опыт Резерфорда по составу излучения.

Оказалось, что радиоактивное излучение имеет сложный состав и состоит из трех видов с разными характеристиками. Они были названы альфа- бета- и гамма- излучением.

Альфа-излучение

Альфа-излучением был назван поток частиц, имеющих положительный заряд. Расчеты показали, что модуль заряда альфа-частицы равен двойному заряду электрона, а отношение заряда к массе вдвое меньше, чем у протона. Было сделано и позже доказано предположение, что альфа-частицы — это ядра гелия.

Альфа-частицы обладают наибольшей ионизирующей способностью, но при этом неспособны глубоко проникать в вещество. Альфа-радиоактивными являются все тяжелые элементы. При альфа-распаде номер элемента уменьшается на две единицы, а его масса уменьшается на четыре единицы.

Бета-излучение

Бета-излучением был назван поток частиц, имеющих отрицательный заряд. Расчеты показали, что и заряд и масса этих частиц эквивалентны электронным. То есть бета-излучение — это поток электронов, движущихся с большими скоростями.

Бета-излучение имеет большую проникающую способность, по сравнению с альфа-излучением, но при этом его ионизирующая способность меньше. Бета-радиоактивными являются элементы, в которых число нейтронов повышено, по сравнению с энергетически выгодным. Нейтрон является нестабильной частицей и распадается на протон, электрон и антинейтрино. Поэтому при бета-распаде номер элемента увеличивается на один, а масса остается прежней.

Бета-распад нейтрона — это проявление особого, слабого, фундаментального взаимодействия, которое проявляется на расстояниях менее атомного ядра.

Гамма-излучение

В радиоактивном излучении также была компонента, не реагирующая на магнитное поле. То есть заряд этих частиц был нулевым. Ее назвали гамма-излучением. Исследования показали, что гамма-частицы — это фотоны высоких энергий. Они обладают самой высокой проникающей способностью и меньше всего ионизируют вещество.

Гамма-частицы излучаются ядрами, которые в результате распада имеют повышенный уровень энергии. «Лишняя» энергия излучается в виде гамма-квантов.

Рис. 3. Виды радиоактивного излучения.

Что мы узнали?

Радиоактивное излучение имеет сложный состав и состоит из трех видов. Альфа-частицы — это тяжелые положительные частицы, являющиеся ядрами гелия. Бета-частицы — это электроны, движущиеся с высокими скоростями. Гамма-частицы — это фотоны высоких энергий.

1. /10

   Вопрос 1 из 10

Альфа-излучение

Альфа-лучами назвали положительно заряженные частицы, слабо отклонявшиеся магнитным полем. Альфа-излучение обладало самой малой проникающей способностью, но при этом наиболее сильно ионизировало вещество. По отклонению альфа-частиц установили, что отношение заряда к массе у этих частиц вдвое меньше, чем у протона, а масса — вчетверо больше, чем масса протона.

Было сделано предположение (позже доказанное), что альфа-частицы представляют собой ядра гелия. Большой заряд и масса частиц обусловили их высокую ионизирующую способность. При этом частицы быстро теряют энергию, и поэтому проникающая способность альфа-частиц очень невелика.

Слой вещества порядка миллиметра полностью задерживает поток альфа-частиц. Например, внутрь живой ткани альфа-частицы не проникают, задерживаясь кожей. Однако высокая ионизирующая способность приводит к сильным кожным ожогам. Еще более опасно попадание альфа-радиоактивных препаратов внутрь организма.

Состав невидимых лучей

При изучении невидимых радиоактивных лучей выяснилось, что они имеют сложный состав, и могут быть разделены с помощью магнитного поля. Поскольку магнитное поле действует на движущиеся заряды, было ясно, что излучение состоит частиц разных типов с разным знаком заряда.

Положительно заряженные тяжелые частицы, входящие в состав радиоактивных лучей были названы α-частицами. Исследования показали, что масса этих частиц вчетверо больше, чем масса атома водорода, а заряд – вдвое больше. Стало ясно, что α-частицы, фактически, являются ядрами гелия.

Отрицательно заряженные частицы были названы β-частицами. Исследования показали, что это электроны.

Нейтральная часть радиоактивных лучей, названная γ-частицами по всем признакам соответствовала электромагнитному излучению очень большой проникающей способности с малой длиной волны.

Рис. 3. Состав радиоактивного излучения.