Радиация – виды радиоактивных излучений, радиоактивная опасность
Что такое радиация установили Пьер и Мария Кюри. Они выделили из множества тонн руды вещества – полоний и радий, которые также испускали «лучи урана». Ученые объяснили этот процесс распадом неустойчивых атомов при произвольном превращении химических элементов.
Позже наука научилась создавать из стабильных веществ радиоактивные, определила радиацию как ионизирующее излучение, способное, при прохождении через вещество, передавать его атомам свою энергию. В ходе исследований выяснили, какое излучение наиболее опасно для человека.
Виды радиоактивных излучений
Изучая природу радиоактивного излучения, его подвергли воздействию электрического и магнитного полей. Результатом эксперимента стало разделение лучей на положительные и отрицательные, и понимание их неоднородности.
Были открыты закон распада, виды излучений и типы радиоактивности: α-распад, β-превращение, γ-излучение, нейтронное излучение, протонная, кластерная радиоактивности.
Время, за которое распадается ½ начального количества неустойчивых ядер, назвали периодом полураспада.
Проникая в среду, радиация взаимодействует с атомами, возбуждает их и вырывает электроны. Нейтральные атомы превращаются в положительно заряженные ионы – первичная ионизация. Выбитые электроны за счет собственной энергии сталкиваются с атомами среды и создают вторичную ионизацию.
Растеряв энергию, электроны становятся свободными и образуют отрицательные ионы.
Альфа излучение
Есть 40 природных α-активных ядер и 200 созданных человеком. Альфа излучение – это поток частиц из них.
Проникая через слой вещества, α-частица вступает в неупругое взаимодействие с его атомами и молекулами, ускоряет электроны до преодоления кулоновских ядерных сил и производит ионизацию.
Впоследствии, когда энергия частицы уменьшается, она присоединяет 2 свободных электрона и становится атомом гелия.
Пробег частицы в воздухе 10-11 см, а в тканях тела человека – микроны. Ее большая масса препятствует отклонению от прямого пути.
При внешнем воздействии этого типа излучения на кожу – опасности нет. Если радиоактивный элемент попадет во внутрь с пищей, водой или через рану, то нанесет непоправимые последствия для организма за счет продолжительного времени распада.
Нейтронное излучение
Этот тип излучения используется в оружии массового поражения – нейтронной бомбе. Она способна уничтожать живые объекты, оставляя нетронутыми здания, сооружения, технику.
Нейтральные частицы легко проникают сквозь любую среду и взаимодействуют с ядрами элементов. Отдавая им часть своей энергии, создают вторичную (наведенную) радиацию. Надежной защиты от поражающего фактора не существует. Задержать частицы способны большие объемы воды и некоторые виды полимеров, многослойные среды.
Бета-излучение
Бета-излучение представляет собой поток позитронов и нейтрино или электронов и антинейтрино. Существует третий вариант – k-эффект (захват электрона). Ядро поглощает электрон из оболочки и один из протонов становится нейтроном, при этом испускает нейтрино.
β-излучение распространяется со скоростью близкой к скорости света, сильно отклоняется в электромагнитных полях, но обладает меньшей в сотни раз ионизирующей способностью, чем α-частицы.
За счет лучшего сохранения энергии бета-частицы пробегают большее расстояние – от десятков метров в газах до нескольких мм в металлах. Проникновение в живые ткани – 1,5 см.
Гамма излучение
Y-излучение проникает в свинец на 5 см. В газах распространяется на сотни метров, тело человека «прошивает» насквозь.
За счет способности воздействовать на электроны, поле ядра, протоны и нейтроны, гамма-излучение быстро теряет энергию и имеет небольшой уровень ионизации.
Y-частицы – фотоны, создают Комптон-эффект и фотоэффект, образуют электронно-позитронные пары, что подтверждает возможность превращения электромагнитной волны в вещество – единую картину мира.
Рентгеновское излучение
В волновом спектре рентгеновское излучение расположено между ультрафиолетовыми лучами и γ-излучением.
Для создания потока фотонов на рентгеновских частотах используют электровакуумные приборы – трубки. В них 99% затрат энергии – тепловые потери, и 1% создает требуемое излучение.
По степени воздействия лучи относят к мягким или жестким. Для биологических объектов они мутагенные, приводят к ожогам, раку и лучевой болезни.
Источники радиации
С начала изучения урана и его обращения в изотоп свинца Пьером и Марией Кюри, ученые считали, что радиоактивность – природное качество. Но Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли радиоактивность ядерных реакций. В XXI в. из более 2000 радионуклидов – 300 имеют естественное происхождение, остальные виды радиации сделаны людьми.
Естественные источники
В единой вселенной не существует отдельных форм энергии, информации, внешнего и внутреннего, категорий причины и следствия, времени и пространства – все это ментальные конструкции человеческого мышления для ориентации в мире.
Природные источники радиации – формы электромагнитных излучений, которые являются неотделимой частью всего на планете – естественным фоном.
Разновидности источников естественного происхождения
Космические источники. Процессы в активных галактиках и взрывы «сверхновых» в нашей, сопровождаются появлением лучей, которые миллионы лет блуждают в пространстве и влетают в атмосферу Земли со скоростями близкими к световым.
Излучение идет от Солнца и от заряженных частиц, вращающихся вокруг планеты. Каждую секунду через 1 кв. м поверхности атмосферы проходят 10 тыс. частиц – 90% протонов (ядер водорода), 9% гелия и 1% почти всех элементов периодической таблицы.
Житель Москвы получает из космоса 0,5 мЗв/год, на вершине Эвереста – 8 мЗв/год.
Земные источники излучения. Природная радиация появляется от гранитных пород гор, базальтов, сланцев, урана-238 и тория-232 с периодом распада миллионы лет и продуктов их полураспада.
Есть геопатогенные зоны с вертикальным излучением альфа, бета и гамма типов, которые не экранируются и не уменьшаются при удалении от поверхности. Исследования разломов коры под населенными пунктами показало, что в некоторых районах смертность в 5-20 раз выше естественной.
Газ радон – продукт превращения радия, источник мифов о злых горных духах, непонятным способом связан с солнечной активностью и пятнами на звезде.
Внутреннее облучение – 60-70% воздействия на организм. Оно происходит от попадающих в тело с пищей, дыханием, повреждениями кожи радиоактивных элементов.
По оценкам ученых 180 мЗв/год человек получает с калием-40, который содержится в продуктах питания (больше всего в какао, горохе, картофеле, говядине).
Попав в организм, такие радионуклиды, как радий-226 или плутоний-239, не выводятся никогда, облучают до конца жизни.
Искусственные источники
Антропогенное радиационное излучение составляет 2-3% от всей радиации. Но оно часто бывает концентрированным – аварии на АС, атомные взрывы, ускорители, ядерные исследования, захоронения отходов, бытовые источники, и представляет угрозу персоналу, пользователям, населению.
Фосфатные удобрения увеличивают активность урана. Производящие их заводы наполняют местный воздух в 14 раз большим содержанием радионуклидов, чем нормальный фон. Сжигание каменного угля приводит к выбросам в атмосферу калия-40, урана и тория.
Дозу содержат строительные материалы, перераспределяемые людьми из зон с повышенной радиацией.
Облучением подвергаются пациенты при медицинских обследованиях с применением рентгена и радионуклидной диагностики.
Что такое нормальный радиационный фон?
Для Москвы на открытом воздухе все источники радиации вместе не дают более 15-25 мкЗв/час.
В России нормальным считается фон, который соответствует «Нормам радиационной безопасности» (НРБ). Муниципальные органы Госсанэпиднадзора могут разрешить повышение норм не более 100 мЗв/год. 200 мЗв/год допускается распоряжением федерального Госкомсанэпиднадзора.
Опасность радиации не выходит за рамки, если годовая доза населения от техногенных источников не превышает 1 мЗв/год.
Переселение жильцов из зданий необходимо, когда мощность γ-излучения не удается снизить меньше 0,6 мкЗв/час.
Проникающая способность излучений
Проникающая способность – расстояние, которое может пробежать частица в разных средах. Оно зависит от материала объекта, длинны волны (энергии) излучения.
Наименьшая способность к проникновению у альфа-частиц. Они тяжелые, сильно ионизируют вещество. За ним следуют: бета-излучение, гамма и рентгеновское, нейтронное.
Альфа-частицы проходят в газе 100 мм, их можно остановить бумагой. Гамма-излучение – толстыми бетонными стенами.
При взрыве бомбы нейтроны убивают живые объекты на расстоянии 2-3 км. Через 12 часов территория становится безопасной.
Виды ионизирующего излучения
Не все электромагнитные колебания способны воздействовать на атомы и разрывать химические связи биологических молекул.
Для разрушающего влияния минимальная частота должна быть 5∙1016 Гц при работе 34 эВ. Чем больше частота, тем больше энергия.
Вредные для людей последствия наступают с ультрафиолетовых и рентгеновских значений спектра фотонов и γ-квантов.
Составляющие атом частицы – электроны, позитроны, нейтроны, нейтрино и антинейтрино, обладают еще большей кинетической энергией. Такие виды ионизирующего излучения, как альфа, бета, гамма, нейтронное, причиняют вред организму, превышающий рентгеновское или солнечное воздействие.
Радиация в медицине
Радиация в медицине используется все чаще. Например, изотоп технеция-99 вводят в тело пациента для «подсветки» больного органа. Радионуклид излучает гамма-кванты с энергией 140 кэВ. Применение ионизирующего излучения в медицине – изотопы талия и тантала для детализированных снимков сердца.
После 1926 г. более 100 тыс. женщин-техников радиологии длительное время наблюдали врачи. Они пришли к выводам, что состояние здоровья специалисток не отличается от контрольной группы.
Проверки последствий многократного облучении в клиниках больных не показали избытка заболеваний лейкемией. Ученые склонны считать, что в 15-30% случаях существует ремиссия, за счет стимулирующего действия радиоактивности.
Также польза радиации – во вращающемся радиоактивном источнике, который находится в камерах при топографических исследованиях.
Влияние радиации на человека
Влияние радиации на живые объекты изучает радиобиология. Подобно химическому воздействию точкой отсчета здесь является доза и концентрация.
Записные книжки, которые оставили после себя Кюри, больше века имеют следы радиоактивности. Анри Беккерель 6 часов носил в кармане жилетки драгоценность – пробирку с радием и получил ожог. Увлеченный работой ученый, чтобы исследовать действие на кожу радионуклида, продолжал эксперименты до образования струпьев и язв. Толчок в развитии методов исследования радиология получила после атомных бомбардировок.
Ионизирующая радиация приводит к изменению физиологических процессов, соматическим и генетическим последствиям для организмов.
Насколько опасно излучение?
Существует 2 механизма влияния излучения на организм – прямой и косвенный. Вместе с ионизацией и возбуждением атомов клеток, происходит распределение энергии облучения внутри тела между молекулами.
Это возможно потому, что вода под воздействием лучей делится на водород и гидроксильную группу, которые через цепь преобразований становятся высокоактивными химическими веществами: гидратным оксидом и перекисью водорода.
Соединения взаимодействуют с органикой, окисляют и разрушают ее. Примеры излучения подтверждают, что происходят изменения биотоков мозга, поражение мозговых структур костей, образование радиотоксинов, перемены в составе крови.
Дозировка облучения
Степень комплексного воздействия ионизации на организм человека характеризует поглощенная доза. В СИ ее принято измерять в Греях (Гр). В литературе часто используется 1 рад (1 Гр = 100 рад). Ионизация воздуха характеризуется экспозиционной дозой.
Радиационное облучение в зависимости от вида производит разное действие на организм. Более тяжелые частицы производят на пути движения больше ионов. Этот эффект учитывают с помощью эквивалентной дозы – измеряют в зивертах.
1 зиверт равен дозе любого вида излучения, которую поглотила биологическая ткань весом 1 кг. Считается, что ионизация создает такие же последствия для биологии, как и поглощенная доза в 1 грей при фотонной природе лучей.
Одни части тела более чувствительны к воздействию облучения, чем другие. Это учитывается с помощью коэффициента радиационного риска. При умножении эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент получается эффективная эквивалентная доза, которая характеризует риск для отдельных органов. Измеряется она в зивертах.
Мощность дозы рассчитывается в единицу времени. Например, 1 Гр/с или 1 рад/с.
Последствия облучения
Воздействие радиации на организм неощутимо человеком, а поглощенная энергия вызывает глубокие биологические изменения.
Поражение кожи, заболевания лучевого характера, имеет инкубационный период. Влияние от малых доз накапливается. Красный костный мозг, кровь, хрусталик глаза наиболее уязвимые места.
Лейкоз и другие виды рака
Облучение радиацией в опасных дозах разрушает иммунную систему организма. Тело становится неспособным распознавать и удалять микробы, вирусы, грибки, собственные клетки и ткани, которые становятся чужеродными под влиянием окружающей среды. Первоначально разрушается ДНК и клеточные мембраны.
Тяжелые стадии лучевой болезни вызывают головные боли и головокружение, тошноту, рвоту снижение памяти, нарушение сна, изменение состава крови, кровоизлияние, язвы. Сопротивляемость инфекциям отсутствует. Большинство людей погибают.
Способность радионуклидов вызывать злокачественные опухоли расценивается учеными противоречиво. Некоторые специалисты считают, что рак развивается при нарушениях в иммунной системе, а не вследствие ионизации.
Опыты на мышах не установили однозначность зависимости лейкоза от облучения. Результаты исследований подвергшихся атомной бомбардировки жителей японских городов дают неоднозначную информацию при разных интерпретациях.
Поэтому принято считать, что повышенная доза увеличивает риск заболевания лейкозом и другими формами рака. В малых дозах радиоактивность используют для лечения и профилактики злокачественных опухолей.
Мутации
Опасна радиация для человека тем, что влияет на наследственность. Дефект, при котором участки генетического кода меняются местами, называется мутацией.
Если ген с повреждениями (или хромосома) появится в сперматозоиде или яйцеклетке, то во всех клетках зародыша повторяться эти дефекты.
Мутация в соматической клетке окажет влияние на жизнь индивида. Изменения половых клеток вызовут генетические последствия.
Облучение увеличивает вероятность возникновения новых клеток. Высокая частота врожденных и наследственных дефектов у детей, имеющаяся изначально, усложняет действия ученых по выделению влияния облучения.
Работа с пострадавшими жителями городов Хиросима и Нагасаки позволили науке сделать вывод, что мутации увеличиваются в 2 раза.
Проявление поражения организма
Радиационные поражения бывают разной тяжести. Медицина делит последствия лучевой болезни на 3 вида:
На первой стадии болезнь протекает незаметно для пациента. Медицинские анализы показывают изменения в крови. Следом появляется жалобы на общее недомогание, ухудшение аппетита, сна, шелушение кожи.
На второй стадии появляются головные боли теряется память, ноет сердце, исчезает половое влечение, сон. Возможно кровотечение десен и подкожные кровоизлияния. Если ионизация прекращается, лечебные процедуры способны восстановить организм.
На третьей стадии наступают необратимые последствия. Апатия, тошнота, рвота, выраженные изменения крови, кровоизлияния в головной мозг и внутренние органы. Полное выздоровление уже невозможно. Продолжение контакта с радиоактивной средой приводит к смерти.
Отличие радиации от радиоактивности
Радиоактивность открыта как свойство урана. В этом смысле можно характеризовать объект – радиоактивный элемент таблицы Менделеева, радиоактивный человек и т. д.
Радиацией называют само излучение. Наиболее сильной проникающей способностью обладают альфа, бета, гамма и нейтронные лучи. Какое излучение, таким будет тип радиоактивности. Ионизирующая способность зависит от размера и энергии частиц. И радиоактивность, и излучение бывают ионизирующими.
Солнечные (ультрафиолетовые) лучи, облучающее воздействие медицинских аппаратов, бытовых приборов, в зависимости от величины энергии излучения, могут быть полезными, нейтральными, опасными.
Норма радиоактивного излучения
Институт медико-биологических проблем формирования здоровья в Москве пришел к выводу, что продолжительность жизни на 20% зависит от состояния здоровья, еще на 20% от окружающей среды, на 10% от уровня медобслуживания и на 50% от образа жизни, режима питания и отдыха. Радиоактивное излучение составляет 5% экологическим проблем цивилизации.
Какие бывают нормы радиоактивности?
Радиоактивное облучение техногенного характера совместно с естественными источниками не должно превышать индивидуальную предельно допустимую дозу (ИПДД).
Человек в среднем за 70 лет жизни получается 168 мЗв. Минздравом России через Национальную комиссию по радиационной защите установлено, что ИПДД не должна быть в 2 раза выше естественной величины облучения.
НРБ – нормы радиационной безопасности, выделяют 2 категории граждан, подвергающихся воздействию радиации.
Категория А – профессиональные сотрудники, которые работают с источниками ионизирующих излучений.
Категория B – часть населения, вынужденная проживать или работать в местах, где могут находиться радиоактивные вещества.
При ликвидации аварий превышение дозовых пределов допускается только ради спасения жизни людей и отсутствия возможности принять меры защиты.
Участвовать в спасательных мероприятиях могут только мужчины старше 30 лет, при их добровольном согласии в письменном виде, после полного информирования о возможных последствиях для здоровья.
Когда думать о радиации?
Вероятность радиационного поражения определяется с помощью дозиметрических приборов. Контроль осуществляется государственными органами. При желании приобрести в личное пользование в открытой продаже доступны разные варианты измерительных аппаратов.
Если человек не связан по роду профессиональной деятельности с ионизирующими излучениями, беспокоиться о наличие радиации следует, если это подтверждено дозиметром.
Как защититься от радиации?
Индивидуальные средства защиты действует ограниченное время. В случаях внезапного появления техногенных источников радионуклидов обезопасить население невозможно.
Борьба с ионизирующими излучениями возможна в рамках решения глобальных экологических проблем человечества.
Помогает ли от радиации алкоголь?
Подтвержденных научных данных о способности алкогольных напитков противостоять ионизирующему облучению нет.
Радиация не всегда страшна: что нужно знать об излучении
Что же такое радиация? Так называют различные виды ионизирующего излучения, то есть того, которое способно отрывать электроны от атомов вещества. Три основных вида ионизирующего излучения принято обозначать греческими буквами альфа, бета и гамма. Альфа-излучение — это поток ядер гелия-4 (практически весь гелий из воздушных шариков когда-то был альфа-излучением), бета — поток быстрых электронов (реже позитронов), а гамма — поток фотонов высокой энергии. Еще один вид радиации — поток нейтронов. Ионизирующее излучение (за исключением рентгеновского) — результат ядерных реакций, поэтому ни мобильные телефоны, ни микроволновые печи не являются его источниками.
Заряженное оружие
Из всех видов искусства для нас важнейшим, как известно, является кино, а из видов радиации — гамма-излучение. Оно обладает очень высокой проникающей способностью, и теоретически никакая преграда не способна защитить от него полностью. Мы постоянно подвергаемся гамма-облучению, оно приходит к нам сквозь толщу атмосферы из космоса, пробивается сквозь слой грунта и стены домов. Обратная сторона такой всепроникаемости — относительно слабое разрушающее действие: из большого количества фотонов лишь малая часть передаст свою энергию организму. Мягкое (низкоэнергетическое) гамма-излучение (и рентгеновское) в основном взаимодействует с веществом, выбивая из него электроны за счет фотоэффекта, жесткое — рассеивается на электронах, при этом фотон не поглощается и сохраняет заметную часть своей энергии, так что вероятность разрушения молекул в таком процессе значительно меньше.
Бета-излучение по своему воздействию близко к гамма-излучению — оно тоже выбивает электроны из атомов. Но при внешнем облучении оно полностью поглощается кожей и ближайшими к коже тканями, не доходя до внутренних органов. Тем не менее это приводит к тому, что поток быстрых электронов передает облученным тканям значительную энергию, что может привести к лучевым ожогам или спровоцировать, например, катаракту.
Альфа-излучение несет значительную энергию и большой импульс, что позволяет ему выбивать электроны из атомов и даже сами атомы из молекул. Поэтому причиненные им «разрушения» значительно больше — считается, что, передав телу 1 Дж энергии, альфа-излучение нанесет такой же ущерб, как 20 Дж в случае гамма- или бета-излучения. К счастью, проникающая способность альфа-частиц чрезвычайно мала: они поглощаются самым верхним слоем кожи. Но при попадании внутрь организма альфа-активные изотопы крайне опасны: вспомните печально известный чай с альфа-активным полонием-210, которым был отравлен Александр Литвиненко.
Нейтральная опасность
Но первое место в рейтинге опасности, несомненно, занимают быстрые нейтроны. Нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому взаимодействует не с электронами, а с ядрами — только при «прямом попадании». Поток быстрых нейтронов может пройти через слой вещества в среднем от 2 до 10 см без взаимодействия с ним. Причем в случае тяжелых элементов, столкнувшись с ядром, нейтрон лишь отклоняется в сторону, почти не теряя энергии. А при столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон передает ему примерно половину своей энергии, выбивая протон с его места. Именно этот быстрый протон (или, в меньшей степени, ядро другого легкого элемента) и вызывает ионизацию в веществе, действуя подобно альфа-излучению. В результате нейтронное излучение, подобно гамма-квантам, легко проникает внутрь организма, но там почти полностью поглощается, создавая быстрые протоны, вызывающие большие разрушения. Кроме того, нейтроны — это то самое излучение, которое вызывает наведенную радиоактивность в облучаемых веществах, то есть превращает стабильные изотопы в радиоактивные. Это крайне неприятный эффект: скажем, с транспортных средств после пребывания в очаге радиационной аварии альфа-, бета- и гамма-активную пыль можно смыть, а вот от нейтронной активации избавиться невозможно — излучает уже сам корпус (на этом, кстати, и был основан поражающий эффект нейтронной бомбы, активировавшей броню танков).
При измерении и оценке радиации используется такое количество различных понятий и единиц, что обычному человеку немудрено и запутаться.
Экспозиционная доза пропорциональна количеству ионов, которые создает гамма- и рентгеновское излучения в единице массы воздуха. Ее принято измерять в рентгенах (Р).
Поглощенная доза показывает количество энергии излучения, поглощенное единицей массы вещества. Ранее ее измеряли в радах (рад), а сейчас – в греях (Гр).
Эквивалентная доза дополнительно учитывает разницу в разрушительной способности разных типов радиации. Ранее её измеряли в «биологических эквивалентах рада» — бэрах (бэр), а сейчас – в зивертах (Зв).
Эффективная доза учитывает ещё и различную чувствительность разных органов к радиации: например, облучать руку куда менее опасно, чем спину или грудь. Ранее измерялась в тех же бэрах, сейчас — в зивертах.
Перевод одних единиц измерения в другие не всегда корректен, но в среднем принято считать, что экспозиционная доза гамма-излучения в 1 Р принесёт организму такой же вред, как эквивалентная доза 1/114 Зв. Перевод рад в греи и бэров в зиверты очень прост: 1 Гр = 100 рад, 1 Зв = 100 бэр. Для перевода поглощённой дозы в эквивалентную используют т.н. «коэффициент качества излучения», равный 1 для гамма- и бета-излучения, 20 для альфа-излучения и 10 для быстрых нейтронов. Например, 1 Гр быстрых нейтронов = 10 Зв = 1000 бэр.
Природная мощность эквивалентной дозы (МЭД) внешнего облучения обычно составляет 0,06 – 0,10 мкЗв/ч, но в некоторых местах может быть и менее 0,02 мкЗв/ч или более 0,30 мкЗв/ч. Уровень более 1,2 мкЗв/ч в России официально считается опасным, хотя в салоне самолёта во время перелёта МЭД может многократно превышать это значение. А экипаж МКС подвергается облучению с мощностью примерно 40 мкЗв/ч.
В природе нейтронное излучение весьма незначительно. По сути, риск подвергнуться ему существует лишь при ядерной бомбардировке или серьезной аварии на АЭС с расплавлением и выбросом в окружающую среду большей части активной зоны реактора (да и то лишь в первые секунды).
Газоразрядные счетчики
Радиацию можно обнаружить и измерить с помощью различных датчиков. Самые простые из них — ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера. Они представляют собой тонкостенную металлическую трубку с газом (или воздухом), вдоль оси которой натянута проволочка — электрод. Между корпусом и проволочкой прикладывают напряжение и измеряют протекающий ток. Принципиальное отличие между датчиками лишь в величине прикладываемого напряжения: при небольших напряжениях имеем ионизационную камеру, при больших — газоразрядный счетчик, где-то посередине — пропорциональный счетчик.
