Ионизирующее излучение
Радиоактивность - отнюдь не новое явление; новизна состоит лишь в том, как люди пытались ее использовать. И радиоактивность, и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Но с момента открытия этого универсального фундаментального явления не прошло еще и ста лет.
История открытия радиоактивности
В 1896 году французский ученый Анри Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик стола, придавив их кусками какого-то минерала, содержащего уран. Когда он проявил пластинки, то, к своему удивлению, обнаружил на них следы каких-то излучений, которые он приписал урану. Вскоре этим явлением заинтересовалась Мария Кюри, молодой химик, полька по происхождению, которая и ввела в обиход слово "радиоактивность". В 1898 году она и ее муж Пьер Кюри обнаружили, что уран (U) после излучения таинственным образом превращается в другие химические элементы. Один из этих элементов супруги назвали полонием (Po) в память о родине Марии Кюри, а еще один – радием (Ra), поскольку по-латыни это слово означает "испускающий лучи".
Еще раньше, в 1895 году, были открыты рентгеновские лучи, названные так по имени открывшего их (тоже, в общем, случайно) немецкого физика Вильгельма Рентгена.
Беккерель один из первых столкнулся с самым неприятным свойством радиоактивного излучения: речь идет о его воздействии на ткани живого организма. Беккерель положил пробирку с радием в карман и получил в результате ожог кожи. Мария Кюри умерла, по всей видимости, от одного из злокачественных заболеваний крови, поскольку слишком часто подвергалась воздействию радиоактивного излучения.
Шли годы интенсивных научных изысканий. И в 1945 году, в конце Второй мировой войны, США сбросили сначала на Хиросиму (6 августа), а потом на Нагасаки (9 августа) атомные бомбы для капитуляции Японии. Взрывы привели к колоссальным человеческим жертвам, причем огромное количество людей погибло не сразу, а в течение нескольких дней и лет в результате «лучевой болезни».
В 1956 году была введена в эксплуатацию первая промышленная атомная электростанция в Колдер Холле (Великобритания)1. Следует добавить, что буквально с момента открытия рентгеновских лучей они стали применяться в медицине, и сфера их использования все расширяется.
Главным объектом исследования ученых было строение атома. Мы знаем теперь, что атом похож на Солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного ядра движутся по орбитам " планеты" - электроны. Размеры ядра в сто тысяч раз меньше размеров самого тома, но плотность его очень велика, поскольку масса ядра почти равна массе сего атома. Ядро состоит из нескольких более мелких частиц, которые плотно сцеплены друг с другом.
Некоторые из этих частиц имеют положительный заряд - называются «протоны». Число протонов в ядре и определяет, к какому химическому элементу относится данный атом: ядро атома водорода (H) содержит всего один протон, атома кислорода (О) - 8, урана (U) - 92.
В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в ядре; каждый электрон несет отрицательный заряд, равный по абсолютной величине заряду протона, так что в целом атом нейтрален.
В ядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа, электрически нейтральные, называемые нейтронами. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может быть разным.
Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же химического элемента, называемым изотопами данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов; в уране-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона.
Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу "нуклидов". Некоторые нуклиды стабильны, т. е. в отсутствие внешнего воздействия никогда не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды, т.е. они радиоактивны.
Распад Урана-238 | рис 1.1 | ||
Весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида (иначе говоря радиоактивного изотопа) называется радиоактивным распадом, а сам такой нуклид - радионуклидом.
Например, в атоме урана-238 протоны и нейтроны едва удерживаются вместе силами сцепления. Время от времени из него вырывается компактная группа из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов (альфа-частица). Уран-238 превращается, таким образом, в Торий-234 (Th), в ядре которого содержатся 90 протонов и 144 нейтрона. Но торий-234 также нестабилен. Его превращение происходит, однако, не так в предыдущем случае: один из его ионов превращается в протон, и торий-234 превращается в протактиний-234, которого содержатся 91 протон и 143 нейтрона. Эта метаморфоза, произошедшая в ядре, сказывается и на движущихся по своим орбитам электронах: од них становится неспаренным и вылетает из атома. Протактиний очень нестабилен, и ему требуется совсем немного времени на превращение... Далее следуют превращения, сопровождаемые излучениями , и вся эта цепочка в конце оканчивается стабильным нуклидом свинца (см рис 1.1). Разумеется, существует много таких цепочек самопроизвольных превращений (распадов) разных нуклиотидов по разным схемам превращений и их комбинациям.
При каждом таком акте распада высвобождается энергия, которая и передается дальше в виде излучения. Можно сказать (хотя это и не совсем строго), что испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов, - это альфа-излучение; испускание электрона, как в случае распада тория-234, - это бета-излучение. Часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения; тогда он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую гамма-излучением (гамма-квантом). Как и в случае рентгеновских лучей (во многом подобных гамма-излучению), при этом не происходит испускания каких-либо частиц.
Таким образом, все радиоактивное излучение делится на:
1. Альфа излучение - поток тяжелых частиц, состоящих из нейтронов и протонов. Попадает в организм через открытые раны, с пищей и вдыхаемым воздухом. В 20 раз опаснее прочих видов излучения.
2. Бетта - излучение проходит в ткани организма на 1-2 см.
3. Гамма - излучение может быть задержано только толстой свинцовой или бетонной плитой. Наибольшую дозу человек получает от естественных источников радиации. Она зависит от места и образа жизни людей. Облучение делится на внешнее (В и Y излучения) и внутреннее (А излучение).
1. Альфа излучение - поток тяжелых частиц, состоящих из нейтронов и протонов. Попадает в организм через открытые раны, с пищей и вдыхаемым воздухом. В 20 раз опаснее прочих видов излучения.
2. Бетта - излучение проходит в ткани организма на 1-2 см.
3. Гамма - излучение может быть задержано только толстой свинцовой или бетонной плитой. Наибольшую дозу человек получает от естественных источников радиации. Она зависит от места и образа жизни людей. Облучение делится на внешнее (В и Y излучения) и внутреннее (А излучение).
Хотя все радионуклиды нестабильны, одни из них более нестабильны, чем другие. Время, за которое распадается в среднем половина всех радионуклидов, называется периодом полураспада соответствующего изотопа. Этот процесс продолжается непрерывно. За время, равное одному периоду полураспада, останутся неизменными каждые 50 атомов из 100, за следующий аналогичный промежуток времени 25 из них распадутся, и так далее по экспоненциальному закону. Число распадов в секунду в радиоактивном образце называется его активностью. Единицу измерения активности (в системе СИ) назвали беккерелем (Бк) в честь ученого, открывшего явление радиоактивности; один Беккерель равен одному распаду в секунду.
Естественные радиоактивные изотопы обнаружены не только у калия, но и у таких элементов, как рубидий (87Rb), индий (115In), лантан (138La), у некоторых лантаноидов, у гафния (174Hf), тантала (180Ta) и платины (190Pt). Значения Т1/2 этих радионуклидов, как правило, велики и составляют 1012-1014 лет. Поэтому радиоактивность веществ, содержащих эти элементы, очень низкая, и их ионизирующее излучение практически не влияет на живые организмы. Так что можно совершенно не беспокоиться, например, о вреде для здоровья платинового ювелирного изделия, всегда содержащего радионуклид 190Pt.
Проникающая способность излучений | рис. 1.2 | ||||
Бумага | Человек | Металл | |||
a | |||||
b | |||||
g | |||||
Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма (см рис 1.2). Альфа-излучение, которое представляет собой поток тяжелых частиц, состоящих из нейтронов и протонов, задерживается, например, листом бумаги и практически не способно проникнуть через наружный слой кожи, образованный отмершими клетками. Поэтому оно не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие а-частицы, не попадут внутрь организма через открытую рану, с пищей или с вдыхаемым воздухом; тогда они становятся чрезвычайно опасными. Бета-излучение обладает большей проникающей способностью: оно проходит в ткани организма на глубину один-два сантиметра. Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется со скоростью света, очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита.
Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество такой переданной организму энергии называется дозой. Дозу излучения организм может получить от любого радионуклида или их смеси независимо от того, находятся ли oн вне организма или внутри его (в результате попадания с пищей, водой или воздухом).
Количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма), называется поглощенной дозой. (см рис 1.3) и измеряете системе СИ в грэях (Гр). Но эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощенной дозе альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-излучений.
Дозы радиационного облучения | Рис. 1.3 |
Единицы | таб 1.1 |
Беккерель (Бк, Bq) | Единица активности нуклида в радиоактивном источнике (в системе СИ). Один беккерель соответствует одному распаду в секунду для любого радионуклида |
Грей (Гр, Gy) | Единица поглощенной дозы в системе СИ. Представляет собой количество энергии ионизирующего излучения, поглощенной единицей массы какого-либо физического тела, например тканями организма 1 Гр = 1Дж/кг |
Зиверт (Зв,Sv) | Единица эквивалентной дозы в системе СИ. Представляет собой единицу поглощенной дозы, умноженную на коэффициент, учитывающий неодинаковую радиационную опасность для организма разных видов ионизирующего излучения. Один зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Дж/кг (для рентгеновского, g- и b-излучений) |
внесистемные | |
Кюри (Ки, Cu) | Единица активности изотопа 1 Ки = 3,700 * 1010 Бк |
рад (рад, rad) | единица поглощенной дозы излучения 1 рад = 0,01 Гр |
бэр (бэр, rem) | единица эквивалентной дозы 1 бэр = 0,01 Зв |
Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами (см рис 1.4). Умножив валентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в зивертах.
Коэффициенты радиационного риска | рис 1.4 |
Есть ли радиация в вашем доме
Теперь, давайте, перечислим лишь некоторые источники радиации, разрушающие наш организм в повседневной жизни. Это - системы сигнализации, радиоприемники, системы радиосвязи, телефоны, медицинские приборы, электронные игры, устройства дистанционного управления, микроволновые печи, радарные устройства, спутники, генераторы сигналов, линии высоковольтных передач и т. д.
В нашем доме, так же есть радиация, например, уран, содержащийся в земной коре, входящий в состав стройматериалов при строительстве. Проживая в таком доме, Вы можете подвергаться разрушающему действию радона (радиоактивного газа), образуемого продуктами распада урана.
Нарушение здоровья от этих факторов: патология родов, катаракта, нарушение мозгового кровообращения, нарушение работы эндокринных желез, генетические нарушения, сердечно-сосудистые заболевания, нарушение психики, лейкемия, мышечная слабость, поражение кожи, утомление, головокружение, раздражительность и т. д.
В чем опасность радиации?
В огромном количестве свободных радикалов. В небольших количествах свободные радикалы не причиняют организму особого вреда. Они являются продуктами биохимических реакций, и организм обычно контролирует их концентрацию. Однако при воздействии ионизирующего излучения образование свободных радикалов идет очень интенсивно.
Свободные радикалы могут разрушать наши клетки и вызывать нарушения работы защитных систем организма. Наконец, свободные радикалы могут нарушить кодирование генетической информации в клетке, тем самым, вызывая сбой иммунной системы. Наиболее коварным из всех последствий облучения является общее снижение сопротивляемости организма, - это приводит к"возникновению различных инфекций (например, эпидемия гриппа).
Еще Лайнус Полинг лауреат двух Нобелевских премий был одним из немногих, кто предупреждал об генетических последствиях ядерного взрыва. Он предупреждал, что не существует безопасного порога радиоактивного излучения. Он так, же говорил, что облучение приведет в будущем к росту рождаемости детей с серьезным дефектам.
Еще в 50-х годах ученые пришли к выводу, что дети, родившиеся от матерей, подвергшихся рентгеновским исследованиям во время беременности, заболевали лейкемией вдвое чаще других. Рентгеновские лучи в первые 3 месяца в 16 раз более канцерогенны, чем в последующие. Было открыто коммулятивное действие малых доз радиации. Вывод был таков, чем больше время экспозиции, тем меньше доза радиации, которая разрушает мембрану.
Итак, прекрасное здоровье - это лучший способ защиты от радиации в ядерном веке. Существует в диете атомного века 2 принципа:
- Принцип избирательного поглощения
- Принцип выживания здоровых (естественный отбор)
Суть принципа избирательного поглощения основана на известном биологическом факте, что когда наши клетки насыщаются необходимыми питательными веществами, то уменьшается вероятность поглощения клетками радиоактивных веществ.
Например: если наши органы не получают необходимое количество кальция и калия в течение длительного времени, то наш организм начинает активно поглощать радиоактивные вещества подобные недостающим. Стронций 90 (это радионуклид обнаруженный во всех радиоактивных выбросах) схож с кальцием. Поглощенный стронций будет откладываться в костях и зубах и облучать здоровые клетки.
В будущем он может привести к развитию рака. Калий заменяется на радионуклид цезий 137, концентрируется в мышцах и органах самовоспроизведения, в частности в яичниках.
Йод и йод 131. В Японии, где пища включает в себя океаническую рыбу и водоросли с высоким содержанием обычного йода наблюдается самая низкая в мире смертность.
Радиация и жизнь
Когда речь заходит о радиации и ее влиянии на все живое на Земле, в настоящее время господствует мнение, что от радиации одни неприятности. Конечно, при неумелом обращении с источниками ионизирующих излучений, природными и техногенными радионуклидами здоровью и каждого отдельного человека и человечеству в целом может быть нанесен существенный урон.
Но вместе с тем нельзя не учитывать и того, что мутации, обусловленные природными радионуклидами, которые наблюдались в ходе развития жизни на Земле, способствовали эволюции видов. Имеется и такая точка зрения, что само возникновение жизни на Земле было бы невозможно без воздействия ионизирующих излучений.
Земные организмы адаптировались к колебаниям естественного фона. Например, на продолжительности жизни людей, живущих в регионах Земли с заметно различающимся фоном ионизирующего излучения, значимые колебания фона никак не сказываются, более того, в некоторых местах с повышенным фоном средняя продолжительность жизни оказывается заметно больше, чем людей, живущих в регионах с низким естественным фоном. В настоящее время вклад техногенных радионуклидов в значение средней эффективной дозы незначителен и составляет несколько процентов от общей дозы, он значительно меньше, чем вклад только от природного 222Rn.
Нужно подчеркнуть, что вред для здоровья от всех техногенных радионуклидов для жителей России неизмеримо меньше того вреда, который приносит такая вредная привычка, как табакокурение. Можно надеяться, что в дальнейшем будут разработаны менее опасные, чем сегодня, процессы получения ядерной энергии и более надежные способы обращения с высокорадиоактивными отходами, так что даже потенциальный вред от использования радионуклидов будет практически исключен.
http://isa.pnz.ru/readarticle.php?article_id=33
http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/1168.html
