Природа радиации

Еще 100 лет тому назад человечество не знало о существовании радиоактивности в окружающей среде. Об ионизирующем излучении стало известно после открытия в 1895 году немецким физиком В. Рентгеном нового вида лучей, позднее назваными рентгеновскими, а также установления в 1896 году французским ученым Анри Беккерелем явления естественной радиоактивности, т.е. способности атомов некоторых элементов испускать ионизирующие излучения.

Немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) занимался экспериментальными исследованиями электрического разряда в стеклянных вакуумных трубках. 8 ноября 1895 года Рентген, как обычно, работал в своей лаборатории, занимаясь изучением катодных лучей. Почувствовав усталость, он собрался уходить. Окинув взглядом лабораторию, погасил свет и вдруг заметил в темноте какое-то светящееся пятно. Оказывается, светился экран из синеродистого бария. Свечение вызывала катодная трубка. Рентген начал изучать обнаруженное явление и новые лучи, названные им икс-лучами. Когда рука ученого оказалась на пути неизвестных лучей, он увидел на экране силуэт ее костей. Ученый обнаружил, что лучи засвечивают фотопластинку, что они не расходятся сферически вокруг трубки, а имеют определенное направление.

Первым человеком, кому Рентген продемонстрировал свое открытие, была его жена Берта. Именно снимок ее кисти, с обручальным кольцом на пальце, был приложен к статье Рентгена «О новом роде лучей». 20 января 1896 года американские врачи с помощью лучей Рентгена уже впервые увидели перелом руки человека. Его опыты были повторены почти во всех лабораториях мира. Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии 1901 года по физике. Он умер от рака внутренних органов.

Термин «радиация» происходит от латинского слова «radius» и означает луч. В самом широком смысле слова радиация охватывает все существующие в природе виды излучений – радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолет и, наконец, ионизирующее излучение. Все эти виды излучения, имея электромагнитную природу, различаются длиной волны, частотой и энергией.

Существуют также излучения, которые имеют другую природу и представляют собой потоки различных частиц, например, протонов, электронов, нейтронов и т.д. Каждый раз, когда на пути излучения возникает барьер, оно передает часть или всю энергию этому барьеру. И от того, насколько много энергии было передано и поглощено в барьере, зависит конечный эффект облучения.

Наука, изучающая радиацию и ее действие на организм живого существа, называется радиологией. Основные понятия радиологии.

Нуклид –это атомное ядро, характеризующееся некоторым нуклонным составом (количеством протонов и нейтронов) и определенным энергетическим состоянием. Ядра, имеющие одинаковый нуклонный состав, но разные энергетические состояния, называются ядерными изомерами. Ядра, сохраняющие нуклонный состав и энергетическое состояние в течение неограниченно долгого времени, называются стабильными; в противном случае речь идет о радиоактивных нуклидах, о радионуклидах.

Радиоактивный распад –это явление самопроизвольного превращения атомных ядер ряда элементов в ядра атомов других элементов, сопровождающееся испусканием альфа- и бета-частиц и гамма-лучей.

Одной из важнейших характеристик радионуклидов является период полураспада – время, необходимое для распада 50% присутствующих радиоактивных атомов. Так называемые короткоживущие изотопы, имеющие очень короткий период полураспада, в биологическом смысле не очень опасны для живых существ, так как не способны аккумулироваться в биосфере. Радионуклиды, имеющие большой период полураспада, могут накапливаться в живых тканях или выпадать в виде радиоактивных осадков. Характеристики основных радионуклидов приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3 – Характеристики радионуклидов

Активность радионуклида в источнике (А). Активность равна отношению числа самопроизвольных ядерных превращений в этом источнике за малый интервал времени (dN) к величине этого интервала (dt):

A = dN/dt.

Число радиоактивных ядер N(t) данного радионуклида уменьшается со временем по закону:

N(t) = N₀ exp(–0.693t / ),

где N₀ – число радиоактивных ядер в момент времени; –период полураспада – время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер.

Ионизирующее излучение– поток частиц или квантов электромагнитного излучения, взаимодействие которого с веществом приводит к ионизации и возбуждению его атомов и молекул. Взаимодействуя с молекулами человеческого организма, ионизирующие излучения также приводят к их возбуждению и ионизации. В результате в составе клеток появляются совершенно неожиданные вещества. Некоторые органы являются менее чувствительными по отношению к подобным метаморфозам, некоторые – более. Наиболее критичными по отношению к ионизирующим излучениям элементами человеческого организма являются: легкие, щитовидная железа, красный костный мозг, хрусталик глаза.

Люди в течение всей истории своего существования подвергаются действию ионизирующего излучения. Некоторые ученые полагают, что ионизирующее излучение сыграло важную роль в эволюции человека. Источники ионизирующего излучения, существующие на Земле в настоящее время, можно разделить на две группы: естественные и техногенные, то есть источники, появившиеся в результате человеческой деятельности.

Естественные источники существуют с момента возникновения планеты Земля. Одним из таких источников является космическое излучение, которое облучает всю поверхность Земли. Космическое излучение складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. Космическому внешнему облучению подвергается вся поверхность Земли. Однако облучение это неравномерно. Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и высоты над уровнем моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно в экваториальных областях. Причина этого – магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического излучения. Космическое излучение частично поглощается атмосферой, поэтому мощность эффективной дозы, которую получает человек от космического излучения, возрастает с высотой. Например, человек, летящий на самолете или находящийся на вершине высокой горы, получает большую дозу, чем за тот же самый промежуток времени человек, находящийся на поверхности земли.

Солнечные вспышки представляют большую радиационную опасность. Космические лучи, идущие от Солнца, в основном состоят из протонов широкого энергетического спектра (энергия протонов до 100 МэВ). Заряженные частицы от Солнца способны достигать Земли через 15–20 мин после того, как вспышка на его поверхности становится видимой. Длительность вспышки может достигать нескольких часов.

Другим источником ионизирующего излучения являются естественные радиоактивные элементы. Основными естественными радиоактивными элементами, от которых зависит доза, получаемая человеком, являются калий (K40), уран (U238) и торий (Th232). Эти три элемента являются долгоживущими. Они возникли в то время, когда появилось вещество, из которого состоит наша Земля и другие планеты, и до сих пор не успели полностью исчезнуть в результате радиоактивных превращений.

Сразу же после открытия явления распада было признано, что оно оказывает опасное воздействие на живой организм, но до недавнего времени было распространено мнение, что существует безопасный уровень, ниже которого радиация не влияет на здоровье человека. К такому безопасному уровню относились очень малые дозы естественной радиоактивности и еще меньшие добавки к уровню фоновой радиации от искусственных источников.

Самым убедительным доводом было успешное развитие жизни, несмотря на постоянное воздействие радиации окружающей среды, и то, что уже продолжительное время практикуется применение диагностических рентгеновских лучей без какого-либо заметного влияния их на здоровье пациентов.

Данные, собранные исследователями в течение последних лет, показывают, что риск воздействия на здоровье следовых количеств радиоактивных веществ, содержащихся в воздухе и воде, недооценивается примерно в 100–1000 раз. Причем это открытие произошло в тот момент, когда человечество рассчитывало удовлетворить свои громадные потребности в энергии путем использования деления урана взамен истощающихся запасов ископаемых видов топлива.

Еще в начале века первые исследователи установили, что встречаются два основных типа излучения: в виде волн и частиц. Волновое излучение подобно свету, но с более короткой длиной волны, а потому с большей энергией, приходящейся на фотон, или «пакет» энергии.

Основные виды ионизирующего излучения.

Альфа-излучение – непосредственно ионизирующее излучение, состоящее из α-частиц, испускаемых при ядерных превращениях. Альфа - частицы – это поток положительно заряженных частиц с большой массой (ядра атома гелия, состоящие из двух позитронов и двух нейтронов). Обладая сравнительно большой массой, альфа-частицы быстро теряют свою энергию при взаимодействии с веществом, что обуславливает их низкую проникающую способность и высокую удельную ионизацию, составляющую в воздухе на 1 см пути несколько десятков тысяч пар ионов (до 30 000). Пробег альфа-частиц с энергией 4 мэВ[5] в воздухе составляет 2,5 см, а в биологической ткани лишь 31 мкм. Альфа-излучающие нуклиды представляют большую опасность

Альфа-лучи не могут проникнуть сквозь кожные покровы, от них можно защититься листом писчей бумаги. Однако лучи весьма опасны при загрязнении α- излучающими веществами кожи и слизистой оболочки глаз, при поступлении внутрь организма через органы дыхания и пищеварения, открытые раны и ожоговые поверхности, так как эти частицы создают высокую плотность ионизации. Опасны альфа-лучи и при воздействии их на хрусталик глаза.

Бета-излучение – поток частиц с отрицательным зарядом, состоящий из электронов, испускаемых при ядерных превращениях. β-частицы характеризуются относительно небольшим пробегом. Энергия бета-частиц не превышает нескольких мэВ. Максимальный пробег в воздухе составляет 20 см, а в живых тканях 2,5 см. Ионизирующая способность бета-частиц ниже: несколько десятков пар (до 70) на 1см пробега, а проникающая способность выше, чем альфа-частиц.

Летняя одежда наполовину задерживает бета-частицы.

Нейтронное излучение – нейтроны - это частицы, не имеющие заряда. Они обладают большой проникающей способностью. Под влиянием нейтронного облучения элементы, входящие в ткани, могут сами стать радиоактивными (например, фосфор). В связи с отсутствием у нейтронов электрического заряда они проходят в веществе без взаимодействий сравнительно большие расстояния, измеряемые сантиметрами. Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов. Поэтому обычно нейтроны делят на отдельные энергетические группы – тепловые, медленные и быстрые нейтроны.

Гамма-излучение – электромагнитное косвенно - ионизирующее излучение, испускаемое при ядерных превращениях или взаимодействии частиц. Гамма-лучи в зависимости от энергии делят на мягкие (0,1–0,2 мэВ), средней жесткости (0,2–1 мэВ) и жесткие (1–10 мэВ). Жесткие лучи наиболее проникающие и опасные. Они обладают высокой проникающей способностью (пробег частиц в воздухе может достигать сотен метров, в биологической ткани до 10–15 см), одежда не защищает организм от облучения, поэтому гамма-лучи представляет большую опасность как источник внешнего облучения.

Рентгеновское излучение возникает в среде, окружающей источник бета-излучения (в рентгеновских трубках, в ускорителях электронов и т.п.) и представляет собой совокупность тормозного и характеристического излучения, энергия фотонов которых составляет не более 1 мэВ. Тормозное излучение – это фотонное излучение с непрерывным спектром, испускаемое при изменении кинетической энергии заряженных частиц. Характеристическое излучение – это фотонное излучение с дискретным спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния атомов. Рентгеновское излучение обладает малой ионизирующей способностью и большой глубиной проникновения.