Природа естественной радиоактивности, виды ионизирующего излучения. Меры защиты

Природа естественной радиоактивности,

виды ионизирующего излучения. Меры защиты.

    Чтобы понять природу радиоактивности и сопутствующего ей ионизирующего излучения, необходимо рассмотреть строение атома. Образно выражаясь, атом похож на солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного «солнца» (ядро) движутся по орбитам мизерные «планетки» (электроны). Размеры ядра в сто тысяч раз меньше размеров самого атома, но плотность его так велика, что масса ядра почти равна массе всего атома. Ядро состоит из нескольких более мелких частиц, которые плотно сцеплены друг с другом. Некоторые из этих частиц имеют положительный заряд и называются протонами. Число протонов в ядре и определяет, к какому химическому элементу относится данный атом. Например, ядро атома водорода содержит всего один протон, атома кислорода – 8 протонов, урана – 92 протона. В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в ядре. Каждый электрон несёт отрицательный заряд, равный заряду протона, поэтому в целом атом нейтрален. В ядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа, называемые нейтронами, поскольку они электрически нейтральны. Ядра атомов одного и того же элемента всегда содержат одно и тоже число протонов, но число нейтронов в них может быть разным. Атомы с одинаковым числом протонов, но разные по числу нейтронов, относятся к разновидностям одного и того же химического элемента и называются изотопами данного элемента. Чтобы отличать их друг от друга, к названию 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 и при отсутствии внешнего воздействия никогда не изменяются. Большинство же нуклидов нестабильны и всё время превращаются в другие нуклиды. Например, в ядре атома урана-238 протоны и нейтроны едва удерживаются вместе. Иногда из него вырывается компактная группа из 4- частиц: двух протонов и двух нейтронов (альфа-частица) и уран-238 превращается в торий-234 с содержанием в ядре 90 протонов и 144 нейтронов. Торий тоже нестабилен и, распадаясь, теряет со своей орбиты электрон (бета-частица). Следует серия из 14-ти превращений одного элемента в другой, в результате чего в конечном итоге образуется стабильный нуклид свинца. При каждом таком акте распада высвобождается энергия, которая передаётся дальше в виде излучения. Этот процесс называется радиоактивным распадом ядер. Существует много таких цепочек самопроизвольных превращений (распадов) разных нуклидов по разным схемам. Таким образом, испускание ядром частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов – это альфа-излучение, испускание электрона – бета-излучение. Часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбуждённым, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения. Тогда он выбрасывает порцию чистой энергии, называемую гамма-квантом(гамма-излучение), при этом не происходит испускания каких-либо частиц. Нестабильный нуклид, самопроизвольно подвергающийся радиоактивному распаду, называется радионуклидом, причём разница времени распада разных радионуклидов колоссальна. Например, половина атомов полония-214 распадается за тысячную долю секунды, а урана-238 - за 4,5 миллиарда лет. Время, за которое распадается половина всех радионуклидов данного типа, называется периодом полураспада. За время, равное одному периоду полураспада, распадутся 50% атомов, за следующий такой же промежуток – 25%, затем – 12,5% и так далее до полного распада до стабильного нуклида. Тут следует упомянуть ещё один вид ионизирующего излучения - рентгеновское излучение, которое по своей природе и свойствам тождественно гамма-излучению. Единственное отличие состоит в способах их образования: рентгеновское излучение создано человеком и получается с помощью электронного аппарата, а гамма-излучение испускается нестабильными изотопами естественной природы.

   Число распадов в секунду в радиоактивном источнике называется его активностью, которая измеряется в беккерелях (Бк) в честь французского учёного Анри Беккереля, открывшего явление радиоактивности. Один беккерель равен одному распаду в секунду.

   Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтому оказывают разное воздействие на ткани организма. Альфа-излучение, которое представляет собой поток тяжёлых частиц, состоящих из нейтронов и протонов, задерживается листом бумаги и неспособно проникнуть через кожный покров. Поэтому оно не представляет опасности при внешнем облучении. Однако, попадание альфа-частиц внутрь организма с пищей, водой, воздухом чрезвычайно опасно, так как при коротком пробеге они обладают самой высокой плотностью ионизации. Бета-излучение обладает большей проникающей способностью: оно проходит в ткани организма на глубину 1-2 см. Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется  со скоростью света, очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. Степень повреждения организма определяется количеством энергии излучения, переданной живым тканям, которое называется поглощённой дозой.  Но эта величина не учитывает того, что при одинаковой поглощённой дозе альфа-излучение, например, в 20 раз опаснее вета- и гамма-излучений. Поэтому, поглощённую дозу умножают на коэффициент, отражающий способность того или иного вида излучения повреждать ткани организма. Рассчитанная таким образом доза называется эквивалентной дозой и измеряется в зивертах (Зв). Но и это ещё не всё. Необходимо также учитывать, что разные органы и ткани организма обладают разной чувствительностью к излучению. К примеру, красный костный мозг и лёгкие в 4 раза, а яичники и семенники в 8 раз более чувствительны к повреждающему действию ионизирующих излучений, чем костная ткань, почки. Поэтому, эквивалентные дозы облучения органов и тканей умножают на соответствующие этим органам и тканям коэффициенты радиационного риска. Просуммировав полученные таким образом эквивалентные дозы по всем органам и тканям, получаютэффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения всего организма (измеряется также в зивертах).

   Перечисленные три понятия касаются только индивидуальных доз, получаемых одним человеком. Если же просуммировать индивидуальные эффективные эквивалентные дозы нескольких людей, то получится коллективнаяэффективная эквивалентная доза, которая измеряется в человеко-зивертах (чел/Зв).

   Существует два пути воздействия ионизирующих излучений на человека:

- внешнее облучение, когда источник излучения расположен вне организма,

- внутреннее облучение, когда радиоактивное вещество проникло в организм.

  Внешнее облучение может иметь место при воздействии глубоко проникающей радиации (гамма- и рентгеновские лучи, нейтроны) и неглубоко проникающей радиации (вета-лучи). Глубоко проникающая радиация может достигать и повреждать все органы и ткани тела. Способы защиты от глубоко проникающего внешнего излучения базируются на сочетании трёх факторов:

- время воздействия излучения,

- расстояние между источником и телом человека,

- наличие защитного экрана между источником и телом человека.

   Влияние времени воздействия излучения на человека понять нетрудно. Если, к примеру,  человек находится в зоне облучения мощностью 100 микрорентген в час, то через час он получит дозу в эти 100 микрорентген, через 2 часа - 200 микрорентген, через 3 часа – 300 микрорентген и так далее. То есть, величина поглощённой человеком дозы прямо пропорциональна времени воздействия излучения. 

   Напротив, расстояние от человекадо источника и величина поглощённой дозы находятся в обратной зависимости друг от друга, потому что интенсивность излучения снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Проще говоря, если имеется источник, создающий мощность дозы 100 милирентген в час (мр/ч) на расстоянии от него 1 метр, то на расстоянии от него 2 метра интенсивность облучения уменьшится в 4 раза, так как два в квадрате равно 4-м (2 х 2= 4) и составит всего 25 милирентген в час, ведь 100 мр/ч : 4 = 25 мр/ч. При увеличении расстояния от источника до 3-х метров, интенсивность облучения уменьшится в 9 раз (3 х 3 = 9) и так далее. Феномен уменьшения уровня радиации по мере удаления от источника излучения даёт очень эффективный способ защиты от воздействия рентгеновских лучей, гамма-лучей, нейтронов.

   Эффективность защитного экранирования от рентгеновских или гамма-лучей зависит от плотности используемого для этой цели материала. В этом смысле свинец гораздо более подходит для защитного экрана, чем алюминий, вода, или дерево. С другой стороны, наиболее эффективной защиты от нейтронов можно достигнуть за счёт применения веществ, содержащих в большом количестве нейтроны (вода, парафин).

    Проблемы внутреннего облучения гораздо более сложны, чем связанные с внешним облучением. Существуют 4 пути поступления радиоактивных веществ в организм:

1.Через лёгкие при дыхании,

2.С пищей и водой,

3.Через повреждения кожного покрова,

4.Абсорбцией через здоровую кожу.

   В случае поступления радиоактивных веществ в лёгкие с воздухом только очень маленькие частицы этих веществ могут выйти обратно наружу с выдохом. Более крупные частицы задерживаются ворсинками и слизью в дыхательных путях и выносятся наружу через некоторое время. Ещё более крупные нерастворимые частицы сохраняются в лёгких надолго и, если это альфа-частицы, то легочная ткань подвергнется чрезвычайно высокой степени местного облучения.  

   Если частица вещества растворима, то она поступит в кровоток и разнесётся к различным органам и тканям тела и дальнейшая судьба её зависит от её химических свойств. Некоторые вещества накапливаются в определённых органах, что приводит к высоким локальным дозам радиации. Например, кости хорошо усваивают кальций, поэтому радий, находящийся в той же группе элементов таблицы Менделеева, что и кальций, накапливается в костях и может привести к высоким дозам местного облучения в результате испускания альфа-, бета- и гамма-лучей. Другой подобный пример – радиоактивный йод, который усваивается щитовидной железой и может привести к высоким дозам облучения за счёт бета- и гамма-лучей. Кстати, орган, наиболее подверженный действию радиоактивного вещества называется критическим, и для каждого такого органа разработаны нормы содержания в них каждого радиоактивного элемента. Существуют также нормы допустимого содержания радиоактивных веществ в воздухе, питьевой воде, пище. А такие элементы, как натрий и калий присутствуют во всех клетках организма, значит при попадании в организм их радиоактивные формы разнесутся по всему телу человека. Важно знать, что живая клетка реагирует исключительно на химическую природу вещества, а не на наличие или отсутствие у него свойств радиоактивности. 

    После того, как радиоактивное вещество осело в организме, определяющими становятся величина энергии и вид излучения, форма и масса органа, физический и биологический периоды полураспада изотопа. Биологический период полураспада – это время выведения из организма половины радиоактивного вещества.

    Если же радиоактивные изотопы не внедрились в ткани и органы тела, они со временем выводятся через почки, кишечник, потовые и слюнные железы.

    Примечание: при подготовке сообщения использованы данные Научного Комитета по действию атомной радиации при ООН.