Читать книгу Общая и военная гигиена - Коллектив авторов - Страница 23

Изучение радиационной гигиены предполагает знание основ ядерной физики, особенностей взаимодействия ИИ с веществом, в частности с живой тканью. В радиационной гигиене используются особый понятийный аппарат, строгая терминология и специальные единицы измерения.

Атом состоит из ядра, расположенного в центре, вокруг которого находятся электронные оболочки, заполненные вращающимися электронами.

Атомное ядро представляет собой совокупность ядерных частиц – нуклонов, к которым относятся положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны.

Протон (р) – устойчивая ядерная частица, несущая элементарный положительный заряд. Находясь вне ядра, протоны сохраняют стабильность и не испытывают превращений. Число протонов в ядре (Z) строго постоянно для атомов каждого данного элемента и соответствует порядковому номеру элемента в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева. Число протонов в ядре определяет число электронов в оболочке атома и, в конечном счете, – химические свойства элемента.

Нейтрон (n) – второй вид нуклонов. В отличие от протона нейтрон не несет заряда, т. е. электрически нейтрален. Нейтроны в ядрах стабильны, а в свободном состоянии неустойчивы. За каждые 11,7 мин половина данного числа нейтронов испытывает распад. При этом нейтрон, испуская электрон и антинейтрино и высвобождая некоторое количество энергии, превращается в протон.

Сумма числа протонов (Z) и нейтронов в ядре атома данного элемента называется его массовым числом (М). Оно близко к целочисленному значению атомного веса (атомной массы) элемента (А).

Оболочка атома образована элементарными частицами – электронами (е), имеющими массу примерно в 1840 раз меньше массы нуклонов и несущими один элементарный отрицательный заряд. Электроны вращаются на орбитах, которые группируются в определенные электронные слои, окружающие ядро, создавая его оболочку. Таких слоев может быть семь.

Соответственно числу электронных слоев в Периодической системе все элементы размещаются в семи периодах. Сумма отрицательных зарядов электронов оболочки уравновешивается равновеликим, но положительным зарядом ядра. Поэтому в невозбужденном состоянии атом в целом электрически нейтрален. Поскольку в каждом слое электроны имеют свой уровень энергии, то перескок отдельного электрона с орбиты на орбиту всегда связан с поглощением или высвобождением энергии.

Атомы, имеющие определенный состав и структуру ядра, называются нуклидами. Индивидуальность нуклида определяется зарядом ядра (числом протонов), но один и тот же элемент может иметь несколько разновидностей, которые различаются числом нейтронов и, следовательно, атомной массой, сохраняя при этом практически одинаковые химические свойства. Поскольку в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева все разновидности каждого данного элемента занимают одинаковое место, то их называют изотопами (от греч. isos – одинаковый + topos – место).

Таким образом, изотопы – это атомы одного и того же элемента, имеющие разные массовые числа. Для обозначения нуклида или изотопа слева сверху от химического символа элемента пишут атомную массу, а слева внизу – атомный номер:

Свойства химического элемента определяются внешними электронными оболочками. Если один или несколько электронов оторвать от электронной оболочки, приложив соответствующую энергию, произойдет ионизация атома. Обратный процесс образования нейтрального атома из двух разнополярных ионов называется рекомбинацией. В случае недостаточного для ионизации количества энергии электрон может переходить на более удаленную от ядра орбиту (оболочку); в этом случае атом называется возбужденным. Переход атома из нормального состояния в возбужденное, т. е. переход электрона с более низкого на более высокий уровень, сопровождается поглощением строго определенного количества энергии, равного разности соответствующих энергетических уровней. Возвращение электрона на исходный или переход его на более низкий уровень сопровождается испусканием атомом строго определенной энергии, соответствующей разности между начальным и конечным энергетическими уровнями. Теряемая атомом порция энергии выделяется в виде электромагнитных излучений (фотонов).

Вместе с тем, энергия взаимосвязи между нуклонами в ядре в миллионы раз превышает энергетическое взаимодействие между электронами и ядром, что обеспечивает высокую устойчивость ядра. Такое выраженное взаимодействие между нуклонами достигается за счет так называемых ядерных сил, величина которых на коротких расстояниях (в пределах размера ядра) достигает колоссальных значений и превышает влияние кулоновских сил отталкивания, действующих между одноименно заряженными частицами ядра (протонами). Поэтому многие нуклиды устойчивы, т. е. в отсутствие внешнего воздействия не претерпевают никаких превращений. Для того чтобы перевести ядро из основного состояния в возбужденное, необходимо затратить намного больше энергии, чем при подобном воздействии на атом в целом (имеются в виду электронные оболочки).

С ростом в ядре числа одноименно заряженных протонов действующие кулоновские силы отталкивания значительно возрастают. С другой стороны, энергия связи между нуклонами (ядерные силы) с увеличением атомного номера (размера ядра), ростом числа нейтральных нейтронов уменьшается. У элементов с атомным номером более 82 (свинец) ядерные силы притяжения уже не способны обеспечить полную устойчивость ядер. К тому же, в «тяжелых» ядрах все более увеличивается соотношение между количеством протонов и нейтронов в пользу последних (происходит как бы «разрыхление» ядра) и при превышении его в 1,6 раза стабильность ядер стремительно снижается. Неустойчивость нуклидов также повышается при недостатке нейтронов (при соотношении между нейтронами и протонами менее единицы). В связи с этим даже ядра атомов элементов, расположенных в начале и середине Периодической системы, могут становится неустойчивыми.

Таким образом, в зависимости от состава и энергетического состояния ядра нуклиды могут быть стабильными и нестабильными, иначе – радиоактивными. Ядра радиоактивных нуклидов (радионуклидов) неустойчивы, вследствие чего в них происходят сложные процессы – ядерные превращения, конечным результатом которых является образование стабильного нуклида той или иной разновидности. Совокупность таких ядерных превращений называется радиоактивным распадом, или радиоактивностью. При каждом акте распада высвобождается энергия, которая передается дальше в виде излучения того или иного вида. Иногда образовавшийся в ходе радиоактивного распада нестабильный нуклид оказывается настолько возбужденным, что испускание частицы не приводит к полному снятию возбуждения; в этом случае происходит выброс порции «чистой», квантовой, энергии, которая не имеет своего материального носителя с четкими пространственными и весовыми характеристиками. Иногда ядро последовательно испускает ряд квантов энергии, каждый раз переходя в менее возбужденное состояние, пока не станет стабильным. Это явление получило название каскадного излучения. Переход ядра из возбужденного состояния в основное путем испускания фотонов, при котором не изменяется ни атомный номер, ни атомная масса (массовое число), называется изомерным переходом. Это явление также относится к радиоактивному распаду.

Радионуклиды по своему происхождению подразделяются на природные, или естественные (появившиеся на Земле при ее возникновении или образующиеся постоянно в ядерных реакциях под воздействием космического излучения), и искусственные (образующиеся из стабильных нуклидов при работе ядерных устройств – реакторов, ускорителей или в результате ядерных взрывов).

Типы ядерных превращений

К основным типам ядерных превращений относятся: альфа-распад, бета-распад, радиационный (нейтронный) захват, деление тяжелых ядер, синтез легких ядер. При альфа-распаде из ядра радионуклида выделяется α-частица, представляющая

собой ядро атома гелия (⁴Не), состоящее их двух протонов и двух нейтронов, с образованием нового стабильного или радиоактивного нуклида. Альфа-распад характерен для тяжелых (трансурановых) естественных и искусственных радионуклидов. Масса α-частицы превышает массу электрона в 7300 раз. Альфа-распад претерпевает примерно 15 % всех радиоизотопов, которых насчитывается около 1500. Из них порядка 30 нуклидов относятся к радиоактивным семействам урана и тория.

Бета-распад является наиболее распространенным типом распада (им обладают до 57 % всех известных радионуклидов) и может протекать в трех разновидностях. Для большинства природных и искусственных радионуклидов характерен электронный или отрицательный α-распад (46 %), при котором ядро радионуклида излучает высокоэнергетический электрон – β-частицу (-β). Реже (у некоторых искусственных радионуклидов) встречается позитронный, или положительный, бета-распад (11 %) с испусканием позитрона (+β), а также электронный К-захват, при котором ядро радионуклида поглощает орбитальный электрон с ближайшей К-оболочки собственного атома. Во всех случаях бета-распада образуются новые нуклиды, ядра которых часто содержат избыток энергии, поскольку находятся в возбужденном состоянии. При переходе их в стабильное (основное) состояние избыток энергии излучается в виде γ-квантов. Однако известен ряд β-активных радионуклидов, например углерод-14, фосфор-32, стронций-90, рутений-106, распад которых не сопровождается гамма-излучением.

Радиационный (нейтронный) захват, или реакция активации, – это поглощение нейтрона ядром стабильного или радиоактивного нуклида с образованием нового изотопа исходного или другого радионуклида.

Такой тип ядерных превращений происходит при столкновении потока медленных (с энергией до нескольких электронвольт) нейтронов со стабильными ядрами. Нейтроны с энергией 0,5 МэВ и более, быстро пролетая вблизи ядра, не успевают вступить с ним во взаимодействие.

При столкновении ядро захватывает нейтрон и превращается в собственный изотоп, массовое число которого увеличивается на единицу по сравнению с исходным ядром. Таким образом, новое ядро получает избыток энергии, которая высвечивается в виде γ-кванта. Новое ядро неустойчиво и испытывает последующий электронный распад. Поэтому данную реакцию называют еще реакцией активации, а про стабильные нуклиды, претерпевшие подобные ядерные превращения в радионуклиды под действием нейтронов, говорят, что они испытывают наведенную радиоактивность.

Деление ядер тяжелых элементов (урана-235, плутония-239) происходит при поглощении ими медленных (низкоэнергетических) нейтронов. Процесс деления начинается с того, что нейтрон, влетев в ядро обстреливаемого элемента, увеличивает его массовое число на единицу (например, ²³⁵U превращается в ²³⁶U). Но новое ядро оказывается энергетически неустойчивым, вследствие чего оно мгновенно делится. При этом образуются различные пары «осколков» (в большинстве случаев γ-, β-активных), которые представляют собой ядра радионуклидов, находящихся в средней части Периодической системы элементов от номера 30 (цинк) до 65 (тербий), высвобождаются 2–3 свободных нейтрона, способных вызвать деление других тяжелых ядер, а также выделяется огромное количество тепловой энергии.

Образующиеся при делении тяжелых ядер осколки имеют избыточное число нейтронов и претерпевают несколько последовательных электронных распадов, как правило, с испусканием гамма-квантов различных энергий.

Если возникающие при делении нейтроны используются для последующего деления других ядер, реакция становится цепной. При делении ²³⁵U и ²³⁸U нейтронами с энергией 14 МэВ цепной процесс развивается очень быстро, так как число вторичных нейтронов достигает 4 и даже 5. Если делящийся материал для появления такого лавинного процесса имеется в достаточном количестве, то возникает мгновенная неуправляемая цепная реакция взрывного характера. Именно такие реакции лежат в основе ядерного оружия. В атомной бомбе используются ²³⁵U или ²³⁹Pu, которые делятся любыми нейтронами. Если масса урана или плутония мала, то цепная реакция развиться не может, так как свободные нейтроны, возникшие при делении первого же ядра, вылетают за пределы данной массы урана (плутония), не успев произвести новые акты деления. Минимальное количество делящегося вещества, в котором уже возможна цепная реакция, называется критической массой.

Число свободных нейтронов можно регулировать, т. е. частично поглощать, чтобы при каждом акте деления свободным оказался только один нейтрон, который и произведет новый, но одиночный акт деления другого атома ²³⁵U или ²³⁹Pu. В ядерных реакторах плотность нейтронного потока регулируется особыми стержнями – поглотителями избытка нейтронов. Этот тип ядерных превращений в виде управляемой цепной ядерной реакции деления используется в реакторах различных типов.

Избыточные нейтроны, вылетая в окружающую среду, испытывают там радиационный захват. Таким образом, в процессе цепной реакции деления ядер тяжелых элементов помимо радиоактивных продуктов деления образуются и продукты активации. Ими становятся конструкционные материалы самой бомбы или реактора, а при взрыве – и объекты окружающей среды.

Синтез ядер легких элементов представляет собой слияние ядер изотопов водорода – трития и дейтерия в ядро гелия, что возможно лишь при нагревании смеси ядер-реагентов до температуры в несколько миллионов градусов, при которой легкие ядра, двигаясь с большими кинетическими энергиями, способны преодолеть кулоновские силы отталкивания положительно заряженных ядер и объединиться в ядра более тяжелых элементов.

На Земле такая температура достижима только в условиях атомного взрыва, поэтому реакцию синтеза называют термоядерной. В результате этой реакции выделяется колоссальное количество тепловой энергии с образованием мощного нейтронного и γ-излучения. Реакция синтеза ядер используется в термоядерном оружии (водородной бомбе), в котором для достижения высокой температуры применяется урановый или плутониевый заряд.

Хотя среди продуктов термоядерной реакции синтеза нет осколочных радионуклидов, потоки нейтронов вызывают наведенную активность объектов окружающей среды. Для увеличения мощности водородная бомба заключена в толстую оболочку из урана. Поэтому взрыв ядерной бомбы крупного калибра основан на принципе «деление – синтез – деление» и сопровождается значительным загрязнением окружающей среды радиоактивными осколками деления.

В настоящее время ученые работают над созданием управляемой термоядерной реакции, в которой необходимая температура достигается с помощью высокотемпературной плазмы, удерживаемой магнитным полем. Успешное решение этой задачи даст человечеству практически неиссякаемый источник экологически чистой энергии, поскольку в результате такой реакции образуется главным образом инертный нерадиоактивный газ гелий.

Радионуклиды трудно получить в абсолютно чистом виде. Обычно они находятся в смеси с нерадиоактивными веществами в количествах, зачастую не поддающихся весовому определению. Поэтому мерой количества радионуклида служит не масса, выраженная в граммах, а активность, или число ядерных превращений (распадов) в единицу времени. Одинаковые весовые количества различных радионуклидов обычно имеют различную активность, так как скорость распада у них неодинакова. Активность пропорциональна количеству радионуклида; она зависит от скорости распада и уменьшается со временем.

Единица активности – беккерель (Бк) – одно ядерное превращение в секунду. Специальной единицей активности является Кюри (Ки), равное 3,7 · 10¹⁰ Бк (1 Бк = = 2,7 · 10^–11 Ки). Кюри – достаточно большая величина. В области радиационной гигиены, радиобиологии, в расчетах и практической деятельности чаще используют дольные единицы: милликюри (1 мКи = 1 · 10^–3 Ки); микрокюри (1 мкКи = 1 · 10^–6 Ки); нанокюри (1 нКи = 1 · 10^–9 Ки = 37 Бк). Иногда приходится оперировать кратными единицами: килокюри (1 кКи = 1 · 10³ Ки); мегакюри (1 МКи = 1 · 10⁶ Ки).

Для практических целей в радиометрии пользуются также числом распадов в минуту: 1 Ки = 2,22 · 10¹² расп/мин.

Концентрацией радиоактивного вещества в любой среде называют количество распадов на единицу объема или массы. Единицами концентрации радионуклида являются Бк/кг, Бк/л (Ки/л, Ки/кг). Концентрация 1 Ки/л означает, что в 1 л жидкости или газа, активностью в 1 кюри, в секунду происходит 3,7 · 10¹⁰, а в минуту – 2,22 · 10¹² распадов. Понятие «удельная активность» – синоним концентрации.

Ядерные превращения, независимо от типа, носят вероятностный характер. Скорость радиоактивного распада ядер разных радионуклидов неодинакова, однако в равные промежутки времени распадается одна и та же доля ядер каждого конкретного радионуклида. Поэтому общим для всех радионуклидов является закон радиоактивного распада, который носит экспоненциальный характер и выражается формулой:

A_t = A₀ · e^—λt,

где А_t – активность радионуклида по прошествии времени t; А₀ – начальная активность; е – основание натурального логарифма, равное 2,72; λ – постоянная распада, характеризующая вероятность распада радионуклида.

Знак (-) означает, что реакция идет с уменьшением и величина А_t будет всегда меньше А₀. Время (Т_1/2), в течение которого распадается половина всех ядер данного радионуклида, называется периодом полураспада. Постоянная распада (λ) и период полураспада (Т_1/2) связаны соотношением:

λ = 0,693/Т_1/2,

где 0,693 – логарифм 2.

Отсюда закон радиоактивного распада можно выразить формулой:

A_t = A₀ · e–0,693t/T_1/2

Благодаря этой формуле можно, зная период полураспада того или иного радионуклида, рассчитать его активность на любой момент времени (t).

Скорость радиоактивного распада для каждого радионуклида – строго определенная величина, и никакие температурные воздействия, давление или катализаторы не в силах ее изменить. Чем короче период полураспада, тем быстрее идет распад. В зависимости от скорости распада радионуклиды делятся на: короткоживущие, период полураспада которых исчисляется секундами, минутами, часами, днями, неделями; среднеживущие (месяцы, годы); и долгоживущие, чьи периоды полураспада составляют от десятков до миллиардов лет.

Чем короче период полураспада радионуклида, тем выше его радиоактивность при одинаковой массе, и наоборот: равная активность разных по периоду полураспада радионуклидов имеют различную массу. Так, для ¹³¹I, у которого период полураспада равен 8,06 сут, масса с активностью в 1 Kи составляет всего 0,008 мг, а аналогичная по активности масса ²³⁸U с периодом полураспада равным 4,5 млрд лет – около 3 т.

Виды ионизирующих излучений

Радиоактивный распад сопровождается излучением – выделением из ядер элементарных частиц и (или) γ-квантов, неизбежно взаимодействующих с атомами и молекулами среды, в которой находятся радионуклиды. Это взаимодействие возможно благодаря некоторому запасу энергии, с которым частицы и кванты вылетают из материнского ядра. Результаты этого взаимодействия различны, однако наиболее важным из них является эффект ионизации.

Важнейший фактор в явлениях взаимодействия излучения со средой – ионизационные потери, которые представляют собой акт ионизации, происходящий в том случае, когда кинетическая энергия облучающей частицы больше энергии связи орбитального электрона с ядром атома облучающейся среды. При этом электрон может быть сорван с оболочки облучаемого атома, и электрически нейтральный атом временно превращается в заряженное образование – ион, несущий положительный заряд. Сорванный электрон, теряя свою кинетическую энергию на ионизацию встречных атомов (вторичная ионизация), замедляется и захватывается каким-либо атомом, превращающимся при этом в отрицательный ион, т. е. возникает пара ионов.

Помимо ионизационных потерь энергии, в веществе с высоким атомным номером имеют значение так называемые радиационные потери, возникающие при торможении движущейся частицы в электрическом поле встречных атомов. Энергия, затраченная при этом движущейся частицей, высвечивается квантами тормозного рентгеновского излучения. Радиационные (тормозные) потери выражены слабее в среде, состоящей из легких атомов. Воздух и биологические среды содержат тяжелые атомы в ничтожных количествах, и возникающее в этих средах тормозное рентгеновское излучение крайне слабо. Биологического значения оно практически не имеет.

Излучения наряду с ионизацией вызывают возбуждение атомов среды (перевод электронов с ближайшей к ядру оболочки на более удаленную от него). Возбуждение атомов требует меньше энергии, чем ионизация. В связи с этим летящая заряженная частица способна возбуждать атомы, расположенные на большем удалении от ее траектории, чем при ионизации. Поэтому на каждый акт ионизации приходится примерно два – три акта возбуждения.

Ионизированное состояние длится лишь стомиллионные доли секунды, после чего положительный ион, присоединив к себе любой свободный электрон, рекомбинирует, т. е. восстанавливается в нейтральный атом. Рекомбинация сопровождается перегруппировкой орбитальных электронов; при этом энергия излучения, ранее поглощенная атомом при ионизации, превращается в простых веществах в тепловую энергию колебания молекул, но в некоторых веществах высвобождается (высвечивается) в виде квантов γ-излучения, рентгеновского или ультрафиолетового излучения и даже видимого света. В последнем случае возникает явление люминесценции. Таким же путем избыток энергии отдается и возбужденными атомами. В сложных веществах возвращение в невозбужденное состояние может приводить к появлению химически активных радикалов и к другим химическим превращениям, которые, в свою очередь, способны изменить физические свойства облучаемого объекта.

Таким образом, ионизирующее излучение, взаимодействуя с веществом, вызывает в нем различные эффекты: первичные (ионизация, возбуждение, люминесценция) и вторичные (химические и физические изменения). На выявлении перечисленных эффектов основаны средства и методы обнаружения и регистрации ИИ.

Из физических свойств ИИ, оказывающих влияние на их потенциальные возможности ионизировать нейтральные атомы, важными являются энергетические характеристики. Связь величины энергии излучения с возможным неблагоприятным воздействием на организм вполне понятна: чем больше величина энергии, тем больше способность к ионизации при столкновении различных «носителей» ИИ с нейтральными атомами. Поэтому одной из важнейших характеристик ИИ является энергетический спектр, представляющий распределение «носителей» ИИ по энергии.

Различают спектры дискретные и непрерывные. В первом случае величина энергии принимает дискретные (строго конкретные) значения, например 2, 5; 7,5 МэВ. Во втором – возможны произвольные значения из некоторого интервала: 12–23 кэВ, 1–5 МэВ.

Ионизирующее излучение классифицируется по разным признакам. В частности, различают два вида ионизирующего излучения: корпускулярное и фотонное.

Корпускулярное ионизирующее излучение представляет собой поток элементарных частиц, обладающих определенной энергией и массой покоя, отличной от нуля.

Частицы, имеющие электрический заряд (α-частицы, электроны, позитроны, протоны) и кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов среды, относятся к непосредственно ионизирующему излучению. Нейтральные элементарные частицы (нейтроны с разной энергией) из-за отсутствия электрического заряда сами по себе не вызывают ионизацию, однако в процессе взаимодействия их со средой происходит образование заряженных частиц, способных давать эффект ионизации. Поэтому нейтральные частицы относят к косвенно ионизирующим.

Фотонное ионизирующее излучение также является косвенно ионизирующим. Оно представляет собой поток электромагнитных колебаний (квантов) с определенной длиной волны и энергией, распространяющихся прямолинейно и равномерно во все стороны от источника в вакууме с постоянной скоростью, близкой к скорости света. Энергия кванта (фотона) зависит от частоты электромагнитных колебаний.

По условиям образования различают следующие виды фотонного ионизирующего излучения:

– γ-излучение с прерывистым (дискретным) энергетическим спектром, испускаемое при изменении энергетического состояния ядер в процессе радиоактивного распада, а также при аннигиляции частиц (позитрона и электрона). Испускание γ-квантов происходит в тех случаях, когда в дочернем ядре оказывается избыток энергии, не захваченный корпускулярным излучением. Этот избыток мгновенно высвечивается в виде γ-кванта;

– тормозное излучение с непрерывным энергетическим спектром, которое возникает при изменении скорости и кинетической энергии заряженных частиц, связанном с их торможением в электрическом поле ядра атома;

– характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, образующееся при изменении энергетического состояния атома в связи с перестройкой его внутренних электронных оболочек (перестройка внешних электронных оболочек атома сопровождается испусканием видимого света, инфракрасного или ультрафиолетового излучения, которые, как уже отмечалось, не относятся к ИИ);

– рентгеновское излучение – совокупность тормозного и характеристического излучения, генерируемого рентгеновскими аппаратами в диапазоне энергии квантов от 1 кэВ до 1 МэВ.

Плотность потока частиц и энергии – это число частиц или энергия ионизирующего излучения, проходящие через единицу площади в единицу времени.