Читать книгу Занимательная радиация - Александр Павлович Константинов - Страница 6

Откуда взялась эта мрачная популярность радиоактивного стронция? Ведь в работающем ядерном реакторе образуется 374 искусственных радионуклида, из них одного стронция – 10 разных изотопов. Нет, подавай нам не абы какой, а именно – стронций-90.

Возможно, в головах читателей мелькает смутная мысль о таинственном периоде полураспада, о долгоживущих и короткоживущих радионуклидах? Что ж, попробуем разобраться. Кстати, не пугайтесь слова радионуклид. Сегодня этим термином принято называть радиоактивные изотопы. Именно так: радионуклид, а не исковерканный радионуклеид или даже радионуклеотид. Со взрыва первой атомной бомбы прошло 70 лет, и многие термины обновились. Сегодня вместо «атомный котёл» мы говорим – ядерный реактор, вместо «радиоактивные лучи» – ионизирующие излучения; ну а вместо «радиоактивный изотоп» – радионуклид.

Но вернемся к стронцию. И в самом деле, всенародная любовь к стронцию-90 связана с его периодом полураспада.

А кстати, что это такое – период полураспада? Дело в том, что все радионуклиды тем и отличаются от стабильных изотопов, что их ядра неустойчивы, нестабильны. Рано или поздно они распадаются – это и называется радиоактивным распадом. При этом радионуклиды превращаются в другие изотопы и, самое главное, испускают эти самые ионизирующие излучения. Так вот, различные радионуклиды нестабильны в разной степени. Одни распадаются очень медленно, в течение сотен, тысяч, миллионов и даже миллиардов лет. Их называют долгоживущими радионуклидами. Например, все природные изотопы урана – долгоживущие. А есть короткоживущие радионуклиды, они распадаются быстро: в течение секунд, часов, суток, месяцев. Но радиоактивный распад всегда происходит по одному и тому же закону (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Закон радиоактивного распада

Сколько бы радионуклида мы ни взяли (тонну или миллиграмм) половина этого количества всегда распадается за одинаковый (для данного радионуклида) промежуток времени. Его-то и называют периодом полураспада и обозначают: Т_1/2.

Повторим: этот временной промежуток уникален и неизменен для каждого радионуклида. Можно делать что угодно с тем же стронцием-90: нагревать, охлаждать, сжимать под давлением, облучать лазером – всё равно половина любой порции стронция распадётся за 29,1 лет; половина оставшегося количества – ещё в течение 29,1 лет и так далее. Считается, что через 20 периодов полураспада радионуклид исчезает полностью.

Очевидно, чем быстрее распадается радионуклид, тем он более радиоактивен. Ведь каждый распад сопровождается выбросом одной порции ионизирующего излучения – альфа- или бета-частицы, иногда «в сопровождении» гамма-излучения («чистого» гамма-распада в природе не существует).

Но что значит «большая» или «маленькая» радиоактивность, в чём её измерить? Для этой цели используют понятие активность. Активность позволяет оценить интенсивность радиоактивного распада в цифрах. Если в секунду происходит один распад, говорят: активность радионуклида равна одному беккерелю (1 Бк). А раньше использовали намного более крупную единицу – кюри: 1 Ки = 37 миллиардов Бк.

Конечно, сравнивать следует одинаковые количества разных радионуклидов, например 1 кг или 1 мг. Активность единицы массы радионуклида называют удельной активностью. Вот она-то, эта самая удельная активность, обратно пропорциональна периоду полураспада данного радионуклида (так, надо передохнуть).

Давайте сравним эти характеристики для самых известных радионуклидов (таблица 2.1).

Так почему же всё-таки стронций-90? Вроде бы ничем особенным не выделяется. Так, серединка на половинку. Как раз в этом-то всё дело!

Сначала попробуем ответить на один (сразу предупреждаю) провокационный вопрос. Какие радионуклиды опаснее: короткоживущие или долгоживущие? Так, мнения разделились.

С одной стороны, опаснее короткоживущие: ведь они более активны. А с другой стороны, такие изотопы распадаются быстро – и проблема радиации исчезает.

Кто постарше, помнит: сразу после чернобыльской аварии больше всего шума было вокруг радиоактивного йода. Короткоживущий йод-131 подорвал здоровье многих чернобыльцев. Зато сегодня с этим радионуклидом проблем нет. Уже через полгода после аварии весь выброшенный из реактора йод-131 распался, даже следа не осталось.

Теперь о долгоживущих изотопах. Их период полураспада может составлять миллионы и миллиарды лет. Такие нуклиды малоактивны. Поэтому в Чернобыле не было, нет, и не будет проблем с радиоактивным загрязнением территорий ураном. Хотя по массе выброшенных из реактора химических элементов лидировал именно уран – с большим отрывом. Но кто же измеряет радиацию в тоннах? По активности, по беккерелям уран не представляет серьёзной опасности. Слишком долгоживущий.

И вот теперь мы подошли к ответу на вопрос о стронции-90. У этого изотопа самый «противный» период полураспада – 29 лет. Этот срок соизмерим с продолжительностью жизни человека. Стронций-90 достаточно долгоживущий, чтобы загрязнить территорию на десятки и сотни лет. И в то же время не настолько долгоживущий, чтобы иметь низкую удельную активность. По значению периода полураспада к стронцию очень близок цезий-137 (30 лет). Вот почему при радиационных авариях именно эта «сладкая парочка» создаёт большую часть «долгоиграющих» проблем. Кстати, в негативных последствиях чернобыльской аварии гамма-активный (потерпите три странички) цезий виновен сильнее чистого бета-излучателя стронция.

А пройдет лет шестьсот – и в зоне чернобыльской аварии не останется ни цезия, ни стронция. И на первое место выйдет… вы уже догадались, верно? Плутоний.

Но мы ещё далеки от понимания главной проблемы – опасности разных радионуклидов для здоровья. Ведь период полураспада, как и удельная активность, напрямую с такой опасностью не связан. Эти свойства характеризуют лишь сам радионуклид.

Возьмём, к примеру, одинаковые количества урана-238 и стронция-90. Одинаковые по активности, а конкретно – по миллиарду беккерелей каждого. Для урана-238 это около 80 кг, а для стронция-90 – 0,2 мг. Будет ли отличаться их опасность для здоровья? Как небо от Земли!

Рядом со слитком урана массой 80 кг можно спокойно стоять, можно даже сесть на него. Ведь почти все альфа-частицы, образующиеся в процессе распада урана, останутся внутри слитка.

А вот такое же по активности и при этом ничтожно малое по массе количество стронция-90 чрезвычайно опасно. Если человек находится рядом без средств защиты – за короткое время он получит как минимум радиационные ожоги глаз и кожи.

Знаете, на что похожа удельная активность? Тут напрашивается аналогия – скорострельность оружия. Помните, я предупреждал – вопрос об опасности долго- и короткоживущих радионуклидов – провокационный? Так оно и есть. Всё равно, что спросить: какое оружие опасней: которое делает сто выстрелов в минуту или один выстрел в час? Здесь важно и другое: калибр оружия, чем оно стреляет? И, самое главное: долетит ли пуля до цели, поразит ли её, и какие при этом будут повреждения?

Начнём с простого – с «калибра». Вы наверняка и раньше слыхали об альфа-, бета- и гамма-излучениях. Именно эти виды излучений образуются при радиоактивных распадах (вернёмся к таблице 2.1). У этих излучений имеются общие свойства – и есть различия.

Общие свойства: все три вида излучений – ионизирующие. Что это значит? Высокая энергия излучений. Настолько высокая, что при попадании в другой атом они выбивают с его орбиты электрон. Атом-мишень при этом превращается в положительно заряженный ион (вот почему излучения – ионизирующие). Именно высокая энергия отличает ионизирующие излучения от всех прочих (например, от микроволнового или ультрафиолетового).

Чтобы стало совсем понятно, представим атом. При огромном увеличении он выглядит как маковое зерно (ядро атома), окружённое тончайшей сферической плёнкой типа мыльного пузыря диаметром несколько метров (электронная оболочка).

И вот из нашего зёрнышка-радионуклида вылетает совсем крошечная пылинка (альфа- или бета-частица). Это радиоактивный распад – процесс физический. Ведь при испускании заряженной частицы заряд ядра изменяется – и образуется новый химический элемент.

А наша пылинка мчится с огромной скоростью – и врезается в электронную оболочку другого – ближайшего атома, выбивая из неё электрон. Атом-мишень, потеряв электрон, превращается в положительно заряженный ион. Но прежнего химического элемента. Такая ионизация – процесс химический: то же самое происходит с металлами при растворении в кислотах.

Вот по такой способности ионизировать атомы излучения и относят к радиоактивным. Ионизирующие излучения могкт возникать не только в результате радиоактивного распада. Их источником может служить реакция деления (атомный взрыв или ядерный реактор); реакция синтеза лёгких ядер (Солнце и другие звёзды, водородная бомба); ускорители заряженных частиц и рентгеновская трубка (сами по себе эти устройства не радиоактивны). Главное отличие радиации – высочайшая энергия ионизирующих излучений.

Различия же альфа-, бета- и гамма-излучений определяются их природой. В конце 19-го века, когда была открыта радиация, никто не знал, что это за зверь. И вновь открываемые «радиоактивные лучи» просто обозначали первыми буквами греческого алфавита.

Первым открыли альфа-излучение, испускаемое при распаде тяжёлых радионуклидов – урана, радия, тория, радона. Природу же альфа-частиц выяснили уже после их открытия. Оказалось, это летящие с огромной скоростью ядра атомов гелия. То есть тяжёлые положительно заряженные «пакеты» из двух протонов и двух нейтронов. Эти «крупнокалиберные» частицы далеко пролететь не могут. Даже в воздухе они проходят не более нескольких сантиметров; а лист бумаги или, скажем, внешний омертвевший слой кожи (эпидермис) задерживает их полностью.

Бета-частицы при ближайшем рассмотрении оказались обычными электронами, но опять же летящими с огромной скоростью. Они значительно легче альфа-частиц, и электрический заряд у них поменьше. Такие «мелкокалиберные» частицы глубже проникают в разные материалы. В воздухе бета-частицы пролетают несколько метров; их способен задержать тонкий лист металла, оконное стекло и обычная одежда. Внешнее облучение обычно приводит к ожогу хрусталика глаза или кожи (подобно солнечному ультрафиолету).

И, наконец, гамма-излучение. Оказалось, оно имеет ту же природу, что и видимый свет, ультрафиолетовые, инфракрасные лучи или радиоволны. То есть гамма-лучи – это электромагнитное (фотонное) излучение, но с чрезвычайно высокой энергией фотонов. Или, другими словами, с очень короткой длиной волны (рис. 2.2).

Гамма-излучение имеет очень высокую проникающую способность. Она зависит от плотности облучаемого материала и оценивается толщиной слоя половинного ослабления. Чем плотнее материал, тем лучше он задерживает гамма-лучи (вот почему для защиты от гамма-излучения чаще используют бетон или свинец). В воздухе гамма-лучи могут пройти десятки, сотни и даже тысячи метров. Для других материалов толщина слоя половинного ослабления показана на рис. 2.3.

Рис. 2.2. Шкала электромагнитных излучений

Рис. 2.3. Значение слоёв половинного ослабления гамма-излучения

При воздействии гамма-излучения на человека могут быть повреждены как кожа, так и внутренние органы и ткани. Если бета-излучение мы сравнили со стрельбой мелкокалиберными пулями, то гамма-излучение – стрельба тончайшими иголками.

По природе и свойствам на гамма-излучение очень похоже излучение рентгеновское. Отличается лишь происхождением: его получают искусственно в рентгеновской трубке.

Существуют и другие виды ионизирующих излучений. Например, при ядерной вспышке или работе ядерного реактора кроме гамма-излучений образуются потоки нейтронов. Космические лучи помимо этих же излучений несут протоны и много чего ещё.

Итак, мы ответили на вопрос о «скорострельности» и «калибре» ионизирующих излучений. Но этот вопрос вовсе не главный. Самое важное – последствия облучения. Можно ли их оценить, зная удельную активность источника и тип излучения? Увы, нет. Помимо свойств радионуклида нам необходимо узнать, как ионизирующие излучения действуют на живой организм.

Об этом – в следующей главе.