Введение
Природное ионизирующее излучение присутствует повсюду. Оно поступает из космоса в виде космических лучей. Оно есть в воздухе в виде излучений радиоактивного радона и его вторичных частиц. Радиоактивные изотопы естественного происхождения проникают с пищей и водой во все живые организмы и остаются в них. Ионизирующего излучения невозможно избежать. Естественный радиоактивный фон существовал на Земле всегда, и жизнь зародилась в поле его излучений, а затем - много-много позже - появился и человек. Эта природная (естественная) радиация сопровождает нас в течение всей жизни.
Физическое явление радиоактивности было открыто в 1896 г., и сегодня оно широко применяется во многих областях. Несмотря на радиофобию, атомные электростанции играют важную роль в энергетике многих странах. Рентгеновское излучение используется в медицине для диагностики внутренних повреждений и заболеваний. Ряд радиоактивных веществ используется в виде меченых атомов для исследования функционирования внутренних органов и изучения процессов обмена веществ. Для лечения рака методами лучевой терапии используются гамма-излучение и другие виды ионизирующих излучений. Радиоактивные вещества широко используются в различных приборах контроля, а ионизирующие излучения (в первую очередь рентгеновское) - для целей промышленной дефектоскопии. Знаки «выход» в зданиях и самолетах благодаря содержанию радиоактивного трития светятся в темноте в случае внезапного отключения электричества. Многие приборы пожарной сигнализации в жилых домах и общественных зданиях содержат радиоактивный америций.
Радиоактивные излучения разного типа с разным энергетическим спектром характеризуются разной проникающей и ионизирующей способностью. Эти свойства определяют характер их воздействия на живое вещество биологических объектов.
Считают, что часть наследственных изменений и мутаций у животных и растений связана с радиационным фоном.
В случае ядерного взрыва на местности возникает очаг ядерного поражения - территория, где факторами массового поражения людей являются световое излучение, проникающая радиация и радиоактивное заражение местности.
В результате поражающего действия светового излучения могут возникнуть массовые ожоги и поражения глаз. Для защиты пригодны различного рода укрытия, а на открытой местности - специальная одежда и очки.
Проникающая радиация представляет собой гамма-лучи и поток нейтронов, исходящих из зоны ядерного взрыва. Они могут распространяться на тысячи метров, проникать в различные среды, вызывая ионизацию атомов и молекул. Проникая в ткани организма, гамма-лучи и нейтроны нарушают биологические процессы и функции органов и тканей, в результате чего развивается лучевая болезнь. Радиоактивное заражение местности создается за счет адсорбции радиоактивных атомов частицами грунта ( так называемое радиоактивное облако, которое перемещается по направлению движения воздуха ). Основная опасность для людей на зараженной местности - внешнее бета-гаммма-облучение и попадание продуктов ядерного взрыва внутрь организма и на кожные покровы.
Ядерные взрывы, выбросы радионуклидов предприятиями ядерной энергетики и широкое использование источников ионизирующих излучений в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине и научных исследованиях привели к глобальному повышению облучения населения Земли. К естественному облучению прибавились антропогенные источники внешнего и внутреннего облучения.
При ядерных взрывах в окружающую среду поступают радионуклиды деления, наведенной активности и неразделившаяся часть заряда (уран, плутоний). Наведенная активность наступает при захвате нейтронов ядрами атомов элементов, находящихся в конструкции изделия, воздухе, почве и воде. По характеру излучения все радионуклиды деления и наведенной активности относят к - или ,-излучателям.
Выпадения подразделяются на местные и глобальные (тропосферные и стратосферные). Местные выпадения, которые могут включать свыше 50% образовавшихся радиоактивных веществ при наземных взрывах, представляют собой крупные аэрозольные частицы, выпадающие на расстоянии около 100 км от места взрыва. Глобальные выпадения обусловлены мелкодисперсными аэрозольными частицами.
Радионуклиды, выпавшие на поверхность земли, становятся источником длительного облучения.
Воздействие на человека радиоактивных выпадений включает внешнее -, -облучение за счёт радионуклидов, присутствующих в приземном воздухе и выпавших на поверхность земли, контактное в результате загрязнения кожных покровов и одежды и внутреннее от поступивших в организм радионуклидов с вдыхаемым воздухом и загрязнённой пищей и водой. Критическим радионуклидом в начальный период является радиоактивный йод, а в последующем 137Cs и 90Sr.
1. История открытия радиоактивных излучений
Радиоактивность была открыта в 1896 году французским физиком А. Беккерелем. Он занимался исследованием связи люминесценции и недавно открытых рентгеновских лучей.
Беккерелю пришла в голову мысль: не сопровождается ли всякая люминесценция рентгеновскими лучами? Для проверки своей догадки он взял несколько соединений, в том числе одну из солей урана, фосфоресцирующую жёлто-зелёным светом. Осветив её солнечным светом, он завернул соль в чёрную бумагу и положил в тёмном шкафу на фотопластинку, тоже завёрнутую в чёрную бумагу. Через некоторое время, проявив пластинку, Беккерель действительно увидел изображение куска соли. Но люминесцентное излучение не могло пройти через чёрную бумагу, и только рентгеновские лучи могли в этих условиях засветить пластинку. Беккерель повторил опыт несколько раз и с одинаковым успехом. В конце февраля 1896 г. на заседании Французской академии наук он сделал сообщение о рентгеновском излучении фосфоресцирующих веществ.
Через некоторое время в лаборатории Беккереля была случайно проявлена пластинка, на которой лежала урановая соль, не облучённая солнечным светом. Она, естественно, не фосфоресцировала, но отпечаток на пластинке получился. Тогда Беккерель стал испытывать разные соединения и минералы урана (в том числе не проявляющие фосфоресценции), а также металлический уран. Пластинка неизменно засвечивалась. Поместив между солью и пластинкой металлический крестик, Беккерель получил слабые контуры крестика на пластинке. Тогда стало ясно, что открыты новые лучи, проходящие сквозь непрозрачные предметы, но не являющиеся рентгеновскими.
Беккерель установил, что интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Таким образом, это свойство было присуще не соединениям, а химическому элементу -- урану.
Своим открытием Беккерель делится с учёными, с которыми он сотрудничал. В 1898 г. Мария Кюри и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность тория, позднее ими были открыты радиоактивные элементы полоний и радий.
Они выяснили, что свойством естественной радиоактивности обладают все соединения урана и в наибольшей степени сам уран. Беккерель же вернулся к интересующим его люминофорам. Правда, он сделал ещё одно крупное открытие, относящееся к радиоактивности. Однажды для публичной лекции Беккерелю понадобилось радиоактивное вещество, он взял его у супругов Кюри и положил пробирку в жилетный карман. Прочтя лекцию, он вернул радиоактивный препарат владельцам, а на следующий день обнаружил на теле под жилетным карманом покраснение кожи в форме пробирки. Беккерель рассказал об этом Пьеру Кюри, и тот поставил на себе опыт: в течение десяти часов носил привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него тоже появилось покраснение, перешедшее затем в тяжелейшую язву, от которой он страдал в течение двух месяцев. Так впервые было открыто биологическое действие радиоактивности.
Но и после этого супруги Кюри мужественно делали своё дело. Достаточно сказать, что Мария Кюри умерла от лучевой болезни (дожив, тем не менее, до 66 лет).
В 1955 г. были обследованы записные книжки Марии Кюри. Они до сих пор излучают, благодаря радиоактивному загрязнению, внесённому при их заполнении. На одном из листков сохранился радиоактивный отпечаток пальца Пьера Кюри.
Понятие радиоактивности и типы излучений.
Радиоактивность - способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяют на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций).
Радиоактивное излучение разделяют на три типа:
-излучение - отклоняется электрическим и магнитными полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью; представляет собой поток ядер гелия; заряд -частицы равен +2е, а масса совпадает с массой ядра изотопа гелия 42Не.
-излучение - отклоняется электрическим и магнитным полями; его ионизирующая способность значительно меньше (приблизительно на два порядка), а проникающая способность гораздо больше, чем у -частиц; представляет собой поток быстрых электронов.
-излучение - не отклоняется электрическим и магнитными полями, обладает относительно слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью; представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны < 10-10 м и вследствие этого - ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является поток частиц - -квантов (фотонов).
Период полураспада Т1/2 - время, за которое исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое.
Альфа излучение - поток положительно заряженных частиц, образованная 2 протонами и 2 нейтронами. Частица идентична ядру атома гелия-4 (4He2+). Образуется при альфа-распаде ядер. Впервые альфа-излучение открыл Э. Резерфорд. Изучая радиоактивные элементы, в частности изучая такие радиоактивные элементы как уран радий и актиний, Э. Резерфорд пришел к выводу что все радиоактивные элементы испускают альфа- и бета-лучи. И, что еще более важно, радиоактивность любого радиоактивного элемента через определенный конкретный период времени уменьшается. Источником альфа-излучения являются радиоактивные элементы. В отличие от других видов ионизирующего излучения альфа-излучение является наиболее безобидным. Оно опасно лишь при попадании в организм такого вещества (вдыхание, съедание, выпивание, втирание и т.д.), так как пробег альфа частицы, например с энергией 5 МэВ, в воздухе составляет 3,7 см, а в биологической ткани 0,05 мм. Альфа-излучение попавшего в организм радионуклида наносит поистине кошмарные разрушения, т.к. коэффициент качества альфа излучения с энергией меньше 10 МэВ равен 20мм. а потери энергии происходят в очень тонком слое биологической ткани. Оно практически сжигает его. При поглощении альфа-частиц живыми организмами могут возникнуть мутагенные (факторы, вызывающий мутацию), канцерогенные (вещества или физический агент (излучение), способные вызвать развитие злокачественных новообразований) и другие отрицательные эффекты. Проникающая способность А.-и. невелика т.к. задерживается листом бумаги.
Бета-частица (в-частица), заряженная частица, испускаемая в результате бета-распада. Поток бета-частиц называется бета-лучи или бета-излучение.
Отрицательно заряженные бета-частицы являются электронами (в--), положительно заряженные -- позитронами (в+).
Энергии бета-частиц распределены непрерывно от нуля до некоторой максимальной энергии, зависящей от распадающегося изотопа; эта максимальная энергия лежит в диапазоне от 2,5 кэВ (для рения-187) до десятков МэВ (для короткоживущих ядер, далёких от линии бета-стабильности).
Бета-лучи под действием электрического и магнитного полей отклоняются от прямолинейного направления. Скорость частиц в бета-лучах близка к скорости света. Бета-лучи способны ионизировать газы, вызывать химические реакции, люминесценцию, действовать на фотопластинки.
Значительные дозы внешнего бета-излучения могут вызвать лучевые ожоги кожи и привести к лучевой болезни. Ещё более опасно внутреннее облучение от бета-активных радионуклидов, попавших внутрь организма. Бета-излучение имеет значительно меньшую проникающую способность, чем гамма-излучение (однако на порядок большую, чем альфа-излучение). Слой любого вещества с поверхностной плотностью порядка 1 г/см2.
Например, несколько миллиметров алюминия или несколько метров воздуха практически полностью поглощает бета-частицы с энергией около 1 МэВ.
Гамма - излучение вид электромагнитного излучения с чрезвычайно маленькой длиной волны -- < 5Ч10-3 нм и вследствие этого ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами. Гамма-квантами являются фотоны высокой энергии. Обычно считается, что энергии квантов гамма-излучения превышают 105 эВ, хотя резкая граница между гамма- и рентгеновским излучением не определена. На шкале электромагнитных волн гамма-излучение граничит с рентгеновским излучением, занимая диапазон более высоких частот и энергий. В области 1-100 кэВ гамма-излучение и рентгеновское излучение различаются только по источнику: если квант излучается в ядерном переходе, то его принято относить к гамма-излучению, если при взаимодействиях электронов или при переходах в атомной электронной оболочке -- то к рентгеновскому излучению. Очевидно, физически кванты электромагнитного излучения с одинаковой энергией не отличаются, поэтому такое разделение условно.
Гамма-излучение испускается при переходах между возбуждёнными состояниями атомных ядер (энергии таких гамма-квантов лежат в диапазоне от ~1 кэВ до десятков МэВ). При ядерных реакциях (например, при аннигиляции электрона и позитрона, распаде нейтрального пиона и т.д.), а также при отклонении энергичных заряженных частиц в магнитных и электрических полях.