Излучения

ВВЕДЕНИЕ

Явление радиоактивности было открыто в 1896 г. французским физиком Анри Беккерелем. Он обнаружил, что содержащие уран вещества испускают невидимые лучи, вызывающие потемнение фотопластинки и способные проникать через бумагу, дерево и другие плотные среды. Некоторое время спустя знаменитые французские физики Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри установили, что способностью испускать такие лучи обладают, кроме урана, еще торий и полоний. Немного позднее (1898) ими был открыт радий. Супруги Кюри выделили радий в чистом виде, который представлял собой мягкий серебристо-белый металл, похожий по своим свойствам на барий. Исследования показали, что интенсивность излучения, испускаемого радием, в миллионы раз больше, чем у урана. Беккерель и супруги Кюри показали сильное действие излучения радия на человеческий организм.

Способность некоторых элементов испускать открытые Беккерелем лучи супруги Кюри назвали радиоактивностью, а вещества, обладающие этой способностью, - радиоактивными веществами.

В настоящее время излучения, возникающие при радиоактивном распаде, называют ионизирующими или ядерными, излучениями. Первое из этих названий связано с одним из главных свойств данных излучений -- способностью производить ионизацию в окружающей среде. Однако этой способностью обладают также и рентгеновские лучи и отчасти ультрафиолетовые. Поэтому более точным является название «ядерные излучения».

I ПРОИСХОЖДЕНИЕ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Проникающая радиация (ионизирующие излучения) представляет большую опасность для здоровья и жизни людей и животных. В больших дозах она вызывает серьезные поражения тканей организма, а в малых - онкологические заболевания, провоцирует генетические дефекты.

В природе существует некоторое количество химических элементов, ядра атомов которых самопроизвольно превращаются в ядра других элементов. Эти превращения сопровождаются излучением, которое назвали ионизирующим излучением, а само явление распада ядер - радиоактивностью.

Ионизирующие излучения представляют собой потоки элементарных частиц и квантов электромагнитного излучения, способных вызывать ионизацию атомов и молекул среды, в которой они распространяются.

Радиоактивное излучение невидимо. Оно обнаруживается с помощью различных явлений, происходящих при его действии на вещество (свечение люминофоров или флуоресцирующих экранов, ионизация вещества, почернение фотоэмульсии после проявления и т. п.)

К ионизирующим излучениям относятся:

      альфа-излучение (б-излучение) - представляют собой ядра атомов гелия и состоят из двух протонов и двух нейтронов; они имеют двойной положительный заряд и относительно большую массу, равную 4,003 а.е.м. б-частицы превышают массу электрона в 7300 раз; энергия их колеблется в пределах 2-11 МэВ. Для каждого данного изотопа энергия б-частиц постоянна. В спектре альфа-излучения очень незначительный процент короткопробежных и длиннопробежных частиц, поэтому альфа-излучение считают монохроматическим. Пробег альфа-частиц в воздухе составляет в зависимости от энергии 2-10 см, в биологических тканях - несколько десятков микрон. Так как альфа-частицы массивны и обладают сравнительно большой энергией, путь их в веществе прямолинеен; они вызывают сильно выраженные эффекты ионизации и флуоресценции. В воздухе на 1 см пути б-частица образует 100-250 тыс. пар ионов. Поэтому альфа-излучатели при попадании в организм крайне опасны для человека и животных. Вся энергия б-частиц передается клеткам организма, что наносит им вред;

      бета-излучение (в-излучение) - представляет поток частиц (электроны и позитроны), испускаемых ядрами при бета-распаде. в-частицы одного и того же радиоактивного элемента обладают различным запасом энергии. Это объясняется тем, что при бета-распаде из атомного ядра вылетают одновременно с в-частицей нейтрино. Энергия, освобождаемая при каждом акте распада, распределяется между в-частицей и нейтрино. Если в-частица вылетает из ядра с большим запасом энергии, то нейтрино испускается с малым уровнем энергии и наоборот. Поэтому энергетический спектр бета-излучения сплошной или непрерывный. Средняя энергия в-частиц в спектре равна примерно 1/3 их максимальной энергии. Поскольку в-частицы одного и того же радиоактивного элемента имеют различный запас энергии, то величина их пробега в одной и той же среде будет неодинаковой. Путь в-частиц в веществе извилист, так как, обладая крайне малой массой, они легко изменяют направление движения под действием электрических полей встречных атомов. Бета-излучение образует 50-100 пар ионов на 1 см пути в воздухе и имеет «рассеянный тип ионизации». Пробег в-частиц в воздухе может составлять в зависимости от энергии до 25 м, в биологических тканях - до 1 см. Скорость движения в-частиц в вакууме равна 1•1010-2,9•1010 см/с (0,3-0,99 скорости света). Различные радиоактивные изотопы значительно отличаются друг от друга по уровню энергии бета-частиц. Максимальная энергия бета-частиц различных элементов имеет широкие пределы от 0,015-0,05 МэВ (мягкое бета-излучение) до 3-12 МэВ (жесткое бета-излучение);

      гамма-излучение (г-излучение) - представляет собой поток электромагнитных волн; это, как и радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, а также рентген излучение. Различные виды электромагнитного излучения отличаются условиями образования и определенными свойствами (длиной волны и энергией). Рентген излучение возникает при торможении быстрых электронов в электрическом поле ядра атомов вещества (тормозное рентген излучение) или при перестройке электронных оболочек атомов при ионизации и возбуждении атомов и молекул (характеристическое рентген излучение). При различных переходах атомов и молекул из возбужденного состояния в невозбужденное может происходить испускание видимого света, инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. Гамма-кванты - это излучение ядерного происхождения. Они испускаются ядрами атомов при альфа- и бета-распаде природных и искусственных радионуклидов в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением (альфа- или бета-частицей). Этот избыток мгновенно высвечивается в виде г-квантов. Гамма-кванты лишены массы покоя. Это значит, что фотоны существуют только в движении. Они не имеют заряда и поэтому в электрическом и магнитном поле не отклоняются. В веществе и вакууме г-лучи распространяются прямолинейно и равномерно во все стороны от источника. Скорость распространения их в вакууме равняется скорости света (3*1010 см/с).Энергия г-кванта пропорциональна частоте колебаний. Частота колебаний гамма-квантов связана с длиной их волны. Чем больше длина волны, тем меньше частота колебаний, и наоборот, частота колебаний обратно пропорциональна длине волны. Чем меньше длина волны и больше частота колебаний излучения, тем больше его энергия и, следовательно, проникающая способность. Энергия гамма-излучения естественных радиоактивных элементов колеблется от нескольких кэВ до 2-3 МэВ и редко достигает 5-6 МэВ. Гамма-кванты, не имея заряда и массы покоя, вызывают слабое ионизирующее действие, но обладают большой проникающей способностью. Путь пробега в воздухе достигает 100-150 м.

Излучения разных видов оказывают неодинаковое воздействие на организм, что объясняется разной их ионизирующей способностью.

Так, альфа-излучения не способны проникнуть через наружный слой кожи и не представляют опасности до тех пор, пока вещества, испускающие альфа-частицы не попадут внутрь организма.

Бета-излучения опасны для организма, особенно при попадании радиоактивных веществ на кожу или внутрь организма.

Гамма-излучение обладает сравнительно небольшой ионизирующей активностью, но в силу очень высокой проникающей способности представляет большую опасность для организм.

Все живые существа на земле постоянно подвергаются воздействию ионизирующей радиации путем внешнего и внутреннего облучения за счет естественных (космическое излучение и природные радиоактивные вещества) и искусственных (отходы атомной промышленности, радиоактивные изотопы, используемые в биологии, медицине и сельском хозяйстве и др.) источников ионизирующих излучений.

1.1 Космическое излучение

Космическое излучение - это ионизирующее излучение, непрерывно падающее на поверхность земли из мирового пространства (первичное космическое излучение) и образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия первичного космического излучения с атомами воздуха (вторичное космическое излучение).

Первичный компонент космических лучей образуется вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. Он состоит в основном из ядер легких атомов: водорода - протонов (79 %), гелия - б-частиц (20 %), лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и других элементов, большинство из которых обладают очень высокой энергией - в интервале 3*109-15*109 эВ, а некоторые - 1017-1018 эВ. Такие большие энергии первичные космические частицы приобретают за счет ускорения их в переменных электромагнитных полях звезд, многократного ускорения в магнитных полях звезд, многократного ускорения в магнитных полях облаков космической пыли межзвездного пространства и в расширяющихся оболочках новых и сверхновых звезд. Однако лишь немногие частицы достигают поверхности земли, так как они взаимодействуют с атомами воздуха, рождая потоки частиц вторичного космического излучения. Поэтому основную массу космических лучей, достигающих поверхности земли, составляет вторичное космическое излучение.

Вторичное космическое излучение состоит из всех известных элементарных частиц и излучений. Основную массу их, достигающих уровня моря, составляют: м±-и р±-мезоны (70 %), электроны и позитроны (26 %), первичные протоны (0,05 %), г-кванты, быстрые и сверхбыстрые нейтроны.

Вторичное космическое излучение по уровню энергии и составу:

1) мягкий, или малопроникающий, компонент объединяет электроны, позитроны, г-кванты и частично быстрые протоны с энергиями порядка 100 МэВ;

2) жесткий, или сильнопроникающий, - состоит в основном из м±-мезонов с энергиями порядка 600 МэВ, небольшого количества сверхбыстрых протонов, с энергией более 400 МэВ, б-частиц и незначительного количества р±-мезонов;

3) сильноионизирующий - содержит продукты ядерных расщеплений: протоны, б-частицы, дейтроны, тритоны и более тяжелые осколки ядер с энергией 10-15 МэВ;

4) нейтронный компонент - нейтроны различных энергий.

На уровне моря космическое излучение состоит в основном, как правило, из мягкого и жесткого компонентов.

Мягкий компонент поглощается слоями свинца толщиной 8-10 см и железа - 15-20 см; жесткий - проходит через свинец толщиной более метра, его можно обнаружить под землей и под водой на глубине нескольких километров.

Частицы мягкого и жесткого компонентов, обладая большими энергиями в веществе, создают наименьшую плотность ионизации. Поэтому их относительная биологическая эффективность приравнивается к 1.

Частицы сильноионизирующего компонента обладают большой плотностью ионизации. Их относительная биологическая эффективность приравнивается к относительной биологической эффективности протонов, нейтронов и б-частиц с энергией 10-15 МэВ, т. е. она равна 10.

На уровне моря сильноионизирующие частицы составляют 0,5 %, а слабоионизирующие - 99,5 %.

1.2 Земная радиация

Основные радиоактивные изотопы, встречающиеся в горных породах Земли, это калий-40,рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало соответственно от урана-238 и тория-232долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения. Разумеется, уровни земной радиации неодинаковы для разных мест земного шара и зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры. В местах проживания основной массы населения они примерно одного порядка. Так, согласно исследованиям, проведенным во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США, примерно
95% населения этих стран живет в местах, где мощность дозы облучения в среднем составляет от 0,3 до О,б миллизиверта (тысячных зиверта) в год. Но некоторые группы населения получают значительно большие дозы облучения: около 3% получает в среднем 1 миллизиверт в год, а около 1,5% более 1,4 миллизиверта в год. Есть, однако, такие места, где уровни земной радиации намного выше. Неподалеку от города Посус-ди-Калв Бразилии, расположенного в
200 км к северу от Сан-Паулу, есть небольшая возвышенность. Как оказалось, здесь уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 250 миллизивертов в год. По каким-то причинам возвышенность оказалась не обитаемой. Однако лишь чуть меньшие уровни радиации были зарегистрированы на морском курорте, расположенном в 600км к востоку от этой возвышенности. Гуарапари небольшой город с населением 12000 человек каждое лето становится местом отдыха примерно30000 курортников. На отдельных участках его пляжей зарегистрирован уровень радиации
175 миллизивертов в год. Радиация на улицах города оказалась намного ниже от
8 до 15 миллизивертов в год, но все же значительно превышала средний уровень.
Сходная ситуация наблюдается в рыбацкой деревушке Меаипе, расположенной в
50 км к югу от Гуарапари. Оба населенных пункта стоят на песках, богатых торием. В другой части света, на юго-западе Индии, 70000 человек живут на узкой прибрежной полосе длиной 55 км, вдоль которой также тянутся пески, богатые торием. Исследования, охватившие 8513 человек из числа проживающих на этой территории, показали, что данная группа лиц получает в среднем 3,8 миллизиверта в год на человека. Из них более 500 человек получают свыше 8,7 миллизиверта в год. Около шестидесяти получают годовую дозу, превышающую 17 миллизивертов, что в 50 раз больше средней годовой дозы внешнего облучения от земных источников радиации. Эти территории в Бразилии и Индии являются наиболее хорошо изученными нашей планеты. Но в Иране, например в районе городка Рамсер, где бьют ключи, богатые радием, были зарегистрированы уровни радиации до 400 миллизивертов в год. Известны и другие места на земном шаре с высоким уровнем радиации, например во
Франции, Нигерии, на Мадагаскаре. По подсчетам НКДАР ООН средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников естественной радиации, составляет примерно 350 микрозивертов, т. е. чуть больше средней индивидуальной дозы облучения из- за радиационного фона, создаваемого космическими лучами на уровне моря.

1.3 Внутреннее облучение

В среднем примерно 2/3 эффективной эквивалентной дозы облучения, которую человек получает от естественных источников радиации, поступает от радиоактивных веществ, попавших в организм с пищей, водой и воздухом.
Совсем небольшая часть этой дозы приходится на радиоактивные изотопы типа углерода-14 и трития, которые образуются под воздействием космической радиации. Все остальное поступает от источников земного происхождения. В среднем человек получает около 180 микрозивертов в год за счет калия-40, который усваивается организмом в месте с нерадиоактивными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Однако значительно большую дозу внутреннего облучения человек получает от нуклидов радиоактивного ряда урана-238 и в меньшей степени от радионуклидов ряда тория-232.Некоторые из них, например нуклиды свинца-210 и полония-210, поступают в организм с пищей. Они концентрируются в рыбе и моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, могут получить относительно высокие дозы облучения. Десятки тысяч людей на Крайнем Севере питаются в основном мясом северного оленя (карибу), в котором оба упомянутых выше радиоактивных изотопа присутствуют в довольно высокой концентрации.
Особенно велико содержание полония-210. Эти изотопы попадают в организм оленей зимой, когда они питаются лишайниками, в которых накапливаются оба изотопа. Дозы внутреннего облучения человека от полония-210 в этих случаях могут в 35 раз превышать средний уровень. А в другом полушарии люди, живущие в Западной Австралии в местах с повышенной концентрацией урана, получают дозы облучения, в 75 раз превосходящие средний уровень, поскольку едят мясо и требуху овец и кенгуру. Прежде чем попасть в  организм человека, радиоактивные вещества, как и в рассмотренных выше случаях, проходят по сложным маршрутам в окружающей среде, и это приходится учитывать при оценке доз облучения, полученных от какого-либо источника.

1.4 Другие источники радиации.

Уголь, подобно большинству других природных материалов, содержит ничтожные количества первичных радионуклидов. Последние, извлеченные вместе с углем из недр земли, после сжигания угля попадают в окружающую среду, где могут служить источником облучения людей. Хотя концентрация радионуклидов в разных угольных пластах различается в сотни раз, в основном уголь содержит меньше радионуклидов, чем земная кора в среднем. Но при сжигании угля большая часть его минеральных компонентов спекается в шлак или золу, куда в основном и попадают радиоактивные вещества. Большая часть золы и шлаки остаются на дне топки электросиловой станции. Однако более легкая зольная пыль уносится тягой в трубу электростанции. Количество этой пыли зависит от отношения к проблемам загрязнения окружающей среды и от средств, вкладываемых в сооружение очистных устройств. Облака, извергаемые трубами тепловых электростанций, приводят к дополнительному облучению людей, а оседая на землю, частички могут вновь вернуться в воздух в составе пыли.
Согласно текущим оценкам, производство каждого гигаватт-года электроэнергии обходится человечеству в 2 чел-Зв ожидаемой коллективной эффективной эквивалентной дозы облучения, т.е. в 1979 году, например, ожидаемая коллективная эффективная эквивалентная доза от всех работающих на угле электростанций во всем мире составила около 2000 чел-Зв. На приготовление пищи и отопление жилых домов расходуется меньше угля, но зато больше зольной пыли летит в воздух в пересчете на единицу топлива. Таким образом, из печек и каминов всего мира вылетает в атмосферу зольной пыли, возможно, не меньше, чем из труб электростанций. Кроме того, в отличие от большинства электростанций жилые дома имеют относительно невысокие трубы и расположены обычно в центре населенных пунктов, поэтому гораздо большая часть загрязнений попадает непосредственно на людей. До последнего времени на это обстоятельство почти не обращали внимания, но по весьма предварительной оценке из-за сжигания угля в домашних условиях для приготовления пищи и обогревания жилищ во всем мире в 1979 году ожидаемая коллективная эффективная эквивалентная доза облучения населения Земли возросла на 100000 чел-Зв. Не много известно также о вкладе в облучение населения от зольной пыли, собираемой очистными устройствами. В некоторых странах более трети ее используется в хозяйстве, в основном в качестве добавки к цементам и бетонам. Иногда бетон на 4/5 состоит из зольной пыли. Она используется также при строительстве дорог и для улучшения структуры почв в сельском хозяйстве. Все эти применения могут привести к увеличению радиационного облучения, но сведений по этим вопросам публикуется крайне мало. Еще один источник облучения населения термальные водоемы. Некоторые страны эксплуатируют подземные резервуары пара и горячей воды для производства электроэнергии и отопления домов; один такой источник вращает турбины электростанции в Лардерелло в Италии с начала нашего века. Измерения эмиссии радона на этой и еще на двух, значительно более мелких, электростанциях в Италии показали, что на каждый гигаватт-год вырабатываемой ими электроэнергии приходится ожидаемая коллективная эффективная эквивалентная доза 6 чел-Зв, т. е. в три раза больше аналогичной дозы облучения от электростанций, работающих на угле. Однако, поскольку в настоящее время суммарная мощность энергетических установок, работающих на геотермальных источниках, составляет всего 0,1% мировой мощности, геотермальная энергетика вносит ничтожный вклад в радиационное облучение населения. Но этот вклад может стать весьма весомым, поскольку ряд данных свидетельствует о том, что запасы этого вида энергетических ресурсов очень велики. Добыча фосфатов ведется во многих местах земного шара; они используются главным образом для производства удобрений, которых в 1977 году во всем мире было получено около 30 млн. т. Большинство разрабатываемых в настоящее время фосфатных месторождений содержит уран, присутствующий там в довольно высокой концентрации. В процессе добычи и переработки руды выделяется радон, да и сами удобрения радиоактивны, и содержащиеся в них радиоизотопы проникают из почвы в пищевые культуры.
Радиоактивное загрязнение в этом случае бывает обыкновенно незначительным, но возрастает, если удобрения вносят в землю в жидком виде или если содержащие фосфаты вещества скармливают скоту. Такие вещества действительно широко используются в качестве кормовых добавок, что может привести к значительному повышению содержания радиоактивности в молоке. Все эти аспекты применения фосфатов дают за год ожидаемую коллективную эффективную эквивалентную дозу, равную примерно 6000 чел-Зв, в то время как соответствующая доза из-за применения фосфогипса, полученного только в 1977 году, составляет около 300000 чел-Зв.