Основные представления о радиоактивности и ионизирующих излучениях

Радиоактивное загрязнение

О существовании ионизирующего излучения и радиоактивности чело- вечество узнало немногим более 100 лет назад. В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген открыл неизвестные ранее Х-лучи, которые впо- следствии в его честь были названы рентгеновскими лучами. Через год, в

1896 г, французский физик Анри Беккерель, работая с солями урана, первым в истории человечества установил факт его естественной радиоактивности. Еще через год английский физик Эрнст Резерфорд доказал, что излучение урана состоит из α- и β- частиц.

Следующим большим шагом вперед были исследования физиков Пьера Кюри и Марии Склодовской-Кюри. Они получили около 1 г нового химиче- ского элемента, радиоактивность которого оказалась в миллион раз выше, чем урана. Новый элемент получил название «радий» (от лат. radium - лучи- стый). В течение следующих 20 лет различные ученые обнаружили большин- ство химических элементов, обладающих естественной радиоактивностью. Позже, в 1938 г., О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что атом урана при бомбардировке его нейтронами распадается на более легкие ядра, а Константин Антонович Петржак и Г.Н. Флеров установили, что процесс деления ядер урана может про- исходить и самопроизвольно, без внешних воздействий. В дальнейшем эти положения легли в основу создания ядерных реакторов - специальных уста- новок для осуществления цепной реакции деления. Так на рубеже двух веков были сделаны открытия, послужившие фундаментом для новой науки - ядер- ной физики, благодаря которой XX в. назван ядерным веком.

Изучать биологическое действие невидимых радиоактивных излуче- ний стали много позже. Первыми это испытали на себе исследователи, рабо- тавшие с радиоактивными веществами, не зная об их разрушительном био- логическом действии. Уже через год после открытия В.К. Рентгена, в 1896 г., русский ученый И.Р. Тарханов писал: «Х-лучами можно не только фотогра- фировать, но и влиять на ход жизненных функций». На основе таких откры- тий возникла еще одна новая наука - радиобиология.

Одним из основоположников радиобиологии по праву считается рус-

скийученый Е.С. Лондон, который уже в 1903 г. описал смертельное дейст-

вие лучей радия на организм некоторых животных и впоследствии проде- монстрировал высокую чувствительность кроветворных органов и половых желез к этому излучению. В 1904 г. Г. Петерс обнаружил повреждение хро- мосом при облучении радием делящихся клеток, а в 1908 г. А. Бенжамин и А. Слюк установили угнетение под воздействием ионизирующих излучений за- щитных сил организма - иммунитета.

• История познания человеком радиоактивных свойств материи

окрашена в трагические тона. Человечество дорого заплатило за полу-

ченные сведения - ценой здоровья и жизни первых исследователей и пер- вых врачей-рентгенологов. За первые 40 лет развития рентгенологии по- гибло более 200 врачей и рентгенотехников от так называемого рентге- новского рака, вызванного рентгеновским облучением.

• В 1936 г. в Гамбурге был воздвигнут монумент, на котором вы-

сечены имена 110 ученых и инженеров, ставших жертвами первых экспе-

риментов по изучению рентгеновских лучей. В 1959 г. в Германии издана

«Книга почета», куда занесены фамилии 360 врачей, физиков, лаборантов и медицинских сестер разных наций, в том числе 13 наших соотечествен- ников, умерших от отдаленных последствий профессионального облуче- ния.

• Люди никогда не забудут трагедии Хиросимы, Нагасаки,

Чернобыля, не только унесших одновременно жизни сотен тысяч лю-

дей, но продолжающие еще и сегодня творить свое черное дело - вы-

зывать у облученных людей лейкозы и злокачественные опухоли.

Радиоактивное излучение и его воздействие на человека стали в по- следние десятилетия для многих регионов планеты одним из основных ток- сикантов окружающей среды.

Электромагнитный спектр излучений, известных в природе, включает волны различной длины - от очень длинных волн, возникающих, например, при работе электрогенераторов, до очень коротких - рентгеновских и косми- ческих лучей. Отрицательное влияние излучений различной природы на здо- ровье человека зависит от длины волны.

Неионизирующие излучения представляют собой длинные волны - от ближнего ультрафиолета (УФ) до радиоволн, микроволн и далее. Неионизи- рующее излучение усиливает тепловое движение молекул в живой ткани. Это приводит к повышению температуры ткани и может вызвать ожоги и ка- таракты, а также аномалии развития плода. Возможны разрушения биологи- ческих структур, например клеточных мембран, для нормального функцио- нирования которых необходимо упорядоченное расположение молекул. Не исключена также возможность и более глубоких последствий.

Известно, что каждый орган человека работает на определенной часто- те: сердце - 700...800 Гц, печень – 300...400, мозг - в зависимости от степени возбуждения - от 10 до 50 Гц и т.д. Если на область сердца будет воздейство- вать источник излучения, работающий на аналогичной или кратной частоте, то он может либо увеличить, либо «погасить» частоту, которая является для

сердца нормой. Повышение частоты колебаний сердца до 1200 Гц приводит к стенокардии. Аналогичные изменения могут произойти и с другими органа- ми.

Большая часть опытных данных по неионизирующим излучениям от- носится к радиочастотному диапазону. Эти данные показывают, что дозы выше 100 мВт/см2 вызывают прямое тепловое повреждение тканей, включая развитие катаракты (помутнение хрусталика глаза). При дозах величиной от

10 до 100 мВт·см-2наблюдали термический стресс, приводящий к врожден-

ным аномалиям у потомков. При значениях 1...10 мВт·см-2отмечались изме-

нения в иммунной системе и гематоэнцефалическом барьере. При меньших дозах излучения не было достоверно установлено почти никаких последст- вий.

Рост использования микроволн в мире составляет около 15 % в год. Помимо применения в бытовых микроволновых печах, они используются в радарах, как средство передачи сигналов в телевидении, в телефонной и те- леграфной связи, в компьютерах различных типов. Законы об охране труда рекомендуют, чтобы рабочие не подвергались воздействию неионизирующих

излучений выше 10 мВт·см-2.

Ионизирующие излучения включают более короткие волны: рентге- новские лучи, γ-лучи и космические лучи. Они обладают достаточной энер- гией, чтобы высвободить электрон из атома. В результате образуются ионы, воздействие которых на живые клетки и обусловливают изменения в орга- низме человека. Ионизирующие излучения вызывают радиационное пораже- ние и различные формы рака.

Распад ядер нестабильных радиоактивных элементов порождает иони- зирующие частицы и ионизирующие излучения. Это свойство атомов хими- ческих элементов самопроизвольно превращаться в другие, испуская при этом элементарные частицы или фотоны, получило название радиоактивно- сти. Различают естественную радиоактивность, присущую радионуклидам, встречающимся в природе, например радиоактивность урана, тория и других элементов, и искусственную, свойственную радионуклидам, полученным ис- кусственно в результате ядерных реакций.

Атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов (p), но раз- ное число нейтронов (n), относятся к разновидностям одного и того же хими- ческого элемента. Это изотопы данного элемента. Чтобы отличать их друг от друга, к символу элемента приписывается число, равное сумме всех час- тиц в ядре данного изотопа. Например, уран – 238 содержит 92 p и 146 n, а уран - 235 тоже 92 p, но 143 n.

Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу нуклидов. Некоторые нуклиды стабильны, т.е. в отсутствие внешнего воздействия не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабиль- ны; они все время превращаются в другие нуклиды. При каждом акте распада высвобождается энергия, которая передается дальше в виде излучения.

Испускание ядром частицы, состоящей из двух p и двух n, представля- ет собой α- излучение; испускание электрона – β- - излучение; испускание позитрона - β+ - излучение.

Часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что при испускании частицы не приводит к полному снятию возбуждения; тогда

он высвобождает порцию чистой энергии – γ- излучение (γ – кванты). Как и в случае рентгеновских лучей (во многом подобных γ- излучению), при этом

не происходит испускания каких-либо частиц.

В зависимости от характера взаимодействия с веществом все ионизи-

рующие излучения делятся на две группы.

К первой относят излучения, состоящие из заряженных частиц (кор- пускулярные): α - и β-частиц, пучков электронов, протонов, тяжелых ионов и отрицательных π-мезонов. Эти излучения вызывают ионизацию вещества не- посредственно при столкновениях с атомами и молекулами, поэтому их на- зывают непосредственно ионизирующими излучениями.

Вторую группу составляют излучения, не имеющие электрических за- рядов, - нейтронное, рентгеновское и γ- излучения. Они передают свою энер- гию в веществе сначала электронам и положительно заряженным ядрам ато- мов, сталкиваясь с ними, а затем уже электроны и ядра атомов производят ионизацию атомов и молекул. Поэтому излучения этой группы называют косвенно ионизирующими излучениями.

Весь процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида на- зывается радиоактивным распадом, а сам такой нуклид – радионуклидом. Вещества, имеющие в своем составе радиоактивные нуклиды, называют ра- диоактивными. Физическая величина, характеризующая число радиоактив- ных распадов в единицу времени, называется активностью нуклида; чем больше радиоактивных превращений происходит в радиоактивном веществе в единицу времени, тем выше его активность. Единицей измерения активно- сти в системе СИ служит беккерель – в честь ученого, открывшего явление радиоактивности: 1 Бк = 1 распад в секунду.

Радиоактивные вещества обладают радиоактивностью только до тех пор, пока в них происходят ядерные превращения. По истечении определен- ного времени они становятся нерадиоактивными, превращаясь в стабильные изотопы. Все радионуклиды нестабильны в разной степени.

Для оценки продолжительности жизни радионуклида введено понятие период полураспада - время, в течение которого радиоактивность вещества (или число радиоактивных ядер) в среднем уменьшается вдвое. Период полу- распада различных радионуклидов колеблется в широких пределах - от долей секунды до многих миллионов лет. Периоды полураспада некоторых радио- нуклидов, внесших значительный вклад в облучение населения и загрязнение территории после чернобыльской катастрофы, приведены ниже: йод-133 -

20,8 ч; йод-131 - 8,05 суток; цезий-144 - 284 суток; рутений-106 - 1 год; це-

зий-134 - 2,1 года; стронций-90 - 28 лет; цезий-137 - 30 лет; плутоний-239 -

20 000лет.

Принято считать, что вещество становится нерадиоактивным по исте-

чении 10 периодов полураспада. За 1 период полураспада распадутся каждые

50 атомов из 100; за второй период полураспада (такой же промежуток вре-

мени) распадутся 25 атомов из 50 и т.д. - по экспоненте.

Повреждений, вызванных в живом организме, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям. Количество переданной организму энергии излучения называется дозой.