Чтобы понять природу радиоактивности и сопутствующего ейионизирующего излучения, необходимо рассмотреть строение атома. Образновыражаясь, атом похож на солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного «солнца»(ядро) движутся по орбитам мизерные «планетки»(электроны). Размеры ядра в сто тысячраз меньше размеров самого атома, но плотность его так велика, что масса ядрапочти равна массе всего атома. Ядро состоит из нескольких более мелких частиц,которые плотно сцеплены друг с другом. Некоторые из этих частиц имеютположительный заряд и называются протонами.Число протонов в ядре и определяет, к какому химическому элементу относитсяданный атом. Например, ядро атома водорода содержит всего один протон, атомакислорода – 8 протонов, урана – 92 протона. В каждом атоме число электронов вточности равно числу протонов в ядре. Каждый электрон несёт отрицательныйзаряд, равный заряду протона, поэтому в целом атом нейтрален. В ядре, какправило, присутствуют и частицы другого типа, называемые нейтронами, поскольку они электрически нейтральны. Ядра атомов одногои того же элемента всегда содержат одно и тоже число протонов, но число нейтроновв них может быть разным. Атомы с одинаковым числом протонов, но разные по числунейтронов, относятся к разновидностям одного и того же химического элемента иназываются изотопами данного элемента.Чтобы отличать их друг от друга, к названию элемента приписывают число, равноесумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и146 нейтронов, в уране-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона. Ядра всех изотоповхимических 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 двухнейтронов (альфа-частица) и уран-238превращается в торий-234 с содержанием в ядре 90 протонов и 144 нейтронов.Торий тоже нестабилен и, распадаясь, теряет со своей орбиты электрон (бета-частица). Далее следует серия из14-ти превращений одного элемента в другой, в результате чего в конечном итогеобразуется стабильный нуклид свинца. При каждом таком акте распада высвобождаетсяэнергия, которая передаётся дальше в виде излучения. Этот процесс и называется радиоактивным распадом ядер. Существуетмного таких цепочек самопроизвольных превращений (распадов) разных нуклидов поразным схемам. Таким образом, испускание ядром частицы, состоящей из двухпротонов и двух нейтронов – это альфа-излучение,испускание электрона – бета-излучение.Часто нестабильный нуклид оказывается настолько возбуждённым, что испусканиечастицы не приводит к полному снятию возбуждения. Тогда он выбрасывает порциючистой энергии, называемую гамма-квантом (гамма-излучение), при этом не происходитиспускания каких-либо частиц. Нестабильный нуклид, самопроизвольноподвергающийся радиоактивному распаду, называется радионуклидом, причём разница времени распада разных радионуклидовколоссальна. Например, половина атомов полония-214 распадается за тысячную долюсекунды, а урана-238 - за 4,5 миллиарда лет. Время, за которое распадаетсяполовина 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% итак далее до полного распада до стабильного нуклида. Тут следует упомянуть ещёодин вид ионизирующего излучения - рентгеновское излучение, которое по своейприроде и свойствам тождественно гамма-излучению. Единственное отличие состоитв способах их образования: рентгеновское излучение создано человеком иполучается с помощью электронного аппарата, а гамма-излучение испускается нестабильнымиизотопами естественной природы.
Число распадов в секунду в радиоактивном источникеназывается его активностью, которая измеряется в беккерелях (Бк) в честь французского учёного Анри Беккереля, открывшегоявление радиоактивности. Один беккерель равен одному распаду в секунду.
Разные виды излучений сопровождаются высвобождением разногоколичества энергии и обладают разной проникающей способностью, поэтомуоказывают разное воздействие на ткани организма. Альфа-излучение, котороепредставляет собой поток тяжёлых частиц, состоящих из нейтронов и протонов,задерживается листом бумаги и неспособно проникнуть даже через кожный покров.Поэтому оно не представляет опасности при внешнем облучении. Однако, попаданиеальфа-частиц внутрь организма с пищей, водой, воздухом чрезвычайно опасно, таккак при коротком пробеге они обладают самой высокой плотностью ионизации.Бета-излучение обладает большей проникающей способностью: оно проходит в тканиорганизма на глубину 1-2 см. Проникающая способность гамма-излучения, котороераспространяется со скоростью света,очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита.Степень повреждения организма определяется количествомэнергии излучения, переданной живым тканям, которое называется поглощённой дозой. Но эта величина не учитывает того, что приодинаковой поглощённой дозе альфа-излучение, например, в 20 раз опаснее бета- игамма-излучений. Поэтому, поглощённую дозу умножают на коэффициент, отражающий способность того или иного вида излученияповреждать ткани организма. Рассчитанная таким образом доза называется эквивалентной дозой и измеряется в зивертах (Зв). Но и это ещё не всё. Необходимотакже учитывать, что разные органы и ткани организма обладают разной чувствительностьюк излучению. К примеру, красный костный мозг и лёгкие в 4 раза, а яичники исеменники в 8 раз более чувствительны к повреждающему действию ионизирующих излучений,чем костная ткань, почки. Поэтому, эквивалентные дозы облучения органов итканей умножают на соответствующие этим органам и тканям коэффициенты радиационного риска. Просуммировав полученные такимобразом эквивалентные дозы по всем органам и тканям, получают эффективную эквивалентную дозу,отражающую суммарный эффект облучения всего организма (измеряется также взивертах).
Перечисленные три понятия касаются только индивидуальныхдоз, получаемых одним человеком. Если же просуммировать индивидуальныеэффективные эквивалентные дозы нескольких людей, то получится коллективная эффективная эквивалентная доза, котораяизмеряется в человеко-зивертах (чел/Зв).
Существует два пути воздействия ионизирующих излучений начеловека:
- внешнее облучение, когда источник излучения расположен внеорганизма,
- внутреннее облучение, когда источник излучения (радиоактивноевещество) проник в организм.
Внешнее облучение может иметь место при воздействии глубокопроникающей радиации (гамма- и рентгеновские лучи, нейтроны) и неглубокопроникающей радиации (вета-лучи). Глубоко проникающая радиация может достигатьи повреждать все органы и ткани тела. Способы защиты от глубоко проникающеговнешнего излучения базируются на сочетании трёх факторов:
- время воздействияизлучения,
- расстояние междуисточником и телом человека,
- наличие защитногоэкрана между источником и телом человека.
Влияние времени воздействия излучения на человека понятьнетрудно. Если, к примеру, человекнаходится в зоне облучения мощностью 100 микрорентген в час, то через час он и получит дозу в эти 100 микрорентген, через 2часа - 200 микрорентген, через 3 часа – 300 микрорентген и так далее. То есть, величина поглощённой человеком дозыпрямо пропорциональна времени воздействияизлучения.
Напротив, расстояние отчеловека до источника и величина поглощённой дозы находятся в обратнойзависимости друг от друга, потому что интенсивностьизлучения снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.Проще говоря, если имеется источник, создающий мощность дозы 100 милирентген вчас (мр/ч) на расстоянии от него 1 метр, то на расстоянии 2 метра интенсивностьоблучения от него уменьшится в 4 раза, так как 22 = 4 и составитвсего 25 милирентген в час, так как 100 : 4 = 25. При увеличении расстояния отисточника до 3-х метров, интенсивность облучения уменьшится в 9 раз (33= 9) и так далее. Феномен уменьшения уровня радиации по мере удаления от источникаизлучения даёт очень эффективный способ защиты от воздействия рентгеновскихлучей, гамма-лучей, нейтронов.
Эффективность защитного экранированияот рентгеновских или гамма-лучей зависит от плотности используемого дляэтой цели материала. В этом смысле свинец гораздо более подходит для защитногоэкрана, чем алюминий, вода, или дерево. С другой стороны, наиболее эффективнойзащиты от нейтронов можно достигнуть за счёт применения веществ, содержащих вбольшом количестве нейтроны (вода, парафин).
Проблемы внутреннего облучения гораздо более сложны, чемсвязанные с внешним облучением. Существуют 4 пути поступления радиоактивныхвеществ 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 своздухом только очень маленькие частицы этих веществ могут выйти обратно наружус выдохом. Более крупные частицы задерживаются ворсинками и слизью вдыхательных путях и выносятся наружу через некоторое время. Ещё более крупные нерастворимыечастицы сохраняются в лёгких надолго и, если это альфа-частицы, то легочнаяткань подвергнется чрезвычайно высокой степени местного облучения.
Если частица вещества растворима, то она поступит в кровотоки разнесётся к различным органам и тканям тела и дальнейшая судьба её зависитот её химических свойств. Некоторые вещества накапливаются в определённыхорганах, что приводит к высоким локальным дозам радиации. Например, костихорошо усваивают кальций, поэтому радий, находящийся в той же группе элементовтаблицы Менделеева, что и кальций, накапливается в костях и может привести квысоким дозам местного облучения в результате испускания альфа-, бета- игамма-лучей. Другой подобный пример – радиоактивный йод, который усваиваетсящитовидной железой и может привести к высоким дозам облучения за счёт бета- игамма-лучей. Кстати, орган, наиболее подверженный действию радиоактивноговещества называется критическим, идля каждого такого органа разработаны нормы содержания в них каждогорадиоактивного элемента. Существуют также нормы допустимого содержаниярадиоактивных веществ в воздухе, питьевой воде, пище. А такие элементы, какнатрий и калий присутствуют во всех клетках организма, значит при попадании ворганизм их радиоактивные формы разнесутся по всему телу человека. Важно знать,что живая клетка реагирует исключительно на химическуюприроду вещества, а не на наличие или отсутствие у него свойстврадиоактивности.
После того, как радиоактивное вещество осело в организме,определяющими становятся величина энергии и вид излучения, форма и массаоргана, физический и биологический периоды полураспада изотопа. Биологический период полураспада – этовремя выведения из организма половины радиоактивного вещества.
Если же радиоактивные изотопы не внедрились в ткани и органытела, они со временем выводятся через почки, кишечник, потовые и слюнные железы.
Примечание: при подготовке сообщения использованы данныеНаучного Комитета по действию атомной радиации при ООН.