Радіоактивність. Фізична природа радіоактивності.

Як відомо, ядро атома складається з певного набору протонів, тобто заряджених часток, кожна з масою 1,672 ·10^{-24 г і електричним зарядом q}_e = 1,6 · 10^-19 Кл, і нейтронів. Нейтрон є нейтральною часткою з масою 1,674·10^{-24 г. Загальна назва цих часток – нуклони. Кількість нуклонів у ядрі може бути різною і ця кількість має назву – масове число А. Число протонів позначається літерою Z, яка визначає заряд ядра, або число електронів в електронній оболонці атома. Число нейтронів позначається літерою N. Тому формулу ядра атома можна записати так:}

A = Z + N.

Число нейтронів у ядрах може бути різним. Найменше число нейтронів може дорівнювати нулю (ядро водню). Ядра різних елементів позначають хімічний символ Х, угорі ліворуч якого ставиться масове число А, а ліворуч унизу атомний номер Z. Наприклад, у загальному випадку .

Між протонами в ядрі діють сили відштовхування, що залежать від їхнього однойменного заряду. Але одночасно між протоном і нейтроном діють сили притягання, що не залежать від заряду часток. Ці сили називаються ядерними, діють у межах 1,4 ·10^{-13 см і на кілька порядків перевищують сили електричного відштовхування між частками, утримуючи ці частки у ядрі.}

Зі збільшенням числа протонів у ядрі сили відштовхування значно збільшуються, а це може привести до ослаблення сил притягування настільки, що ядро може розпастися на частини, тобто такі ядра стають нестійкими.

Нестійкі ядра або розпадаються на частини, перетворюючись у ядра нових елементів, або випускають елементарні частки, перетворюючись у ядра нових елементів без усякого впливу із зовні. Такі ядра називаються радіоактивними, а випущення радіоактивним ядром елементарних часток називається радіоактивністю (від латинського слова radiare – випромінювати).

Розпад радіоактивних ядер не залежить від зовнішніх впливів, носить імовірнісний характер і визначається законом радіоактивного розпаду, що виражає зменшення кількості ядер атомів радіоактивної речовини в часі. Математичний вираз цього закону має вигляд:

N = N_o·e^-λ·t,

де N₀ – вихідна або первісна кількість нестійких ядер у речовині;

N – число ядер, що залишилися, у речовині, що не перетерпіли розпаду за час t ;

λ – імовірність розпаду кожного ядра або постійна розпаду (для кожного елемента своя).

Характер радіоактивного розпаду такий, що час, протягом якого розпадається половина наявних спочатку ядер радіоактивної речовини, є постійним і називається періодом напіврозпаду Т. Залежність величини Т від величини λ має вигляд:

Т = .

Постійна розпаду та відповідний їй період напіврозпаду залежить тільки від стійкості ядер і різні для ядер різних радіоактивних елементів.

Перетворення ядер може відбуватися різними шляхами. Розглянемо більш докладно ці шляхи.

Радіоактивність

Якщо помістити радій у свинцеву коробку з вузькою щілиною, то за допомогою приладів можна визначити, що через неї виходить пучок випромінювань, що розділяються в магнітному полі (рис.1). Випромінювання, що відхиляються на Північ, називається a- випромінюванням, на Південь b- випромінюванням; випромінювання, що не відхиляється магнітним полем, називається g- випромінюванням (воно не має електричного заряду).

Альфа-випромінювання – потік позитивно заряджених часток (ядер атомів гелію), що рухаються зі швидкістю близько 20 000 км/сек. Пробіг α-частки в біологічній тканині незначний, тому поверхневий шар шкіри цілком забезпечує захист від зовнішніх потоків α-часток.

Бета-випромінювання – потік негативно заряджених часток (електронів). Їхня швидкість наближається до швидкості світла. Розрахунки свідчать, що при енергії β-частки, наприклад в 3 МеВ, її пробіг у повітрі складе 14,41 м, у воді - 15,3 мм, в алюмінії - 7,74 мм.

Гамма-випромінювання являє собою короткохвильове електромагнітне випромінювання. За властивістю воно близьке до рентгенівського, але має значно більшу швидкість і енергію. Гамма-випромінювання розповсюджується зі швидкістю світла.

Іонізуючі випромінювання мають ряд загальних властивостей, два з яких – здатність проникати через матеріали різної товщини та іонізувати повітря і живі клітини організму заслуговують особливо пильної уваги.

Іонізація

Іонізуюче випромінювання, яке проходить через різні речовини, взаємодіє з їхніми атомами і молекулами. Така взаємодія призводить до порушення атомів і відокремлення окремих електронів з електронних оболонок нейтрального атома. У результаті атом, позбавлений одного або декількох електронів, перетворюється у позитивно заряджений іон – відбувається первинна іонізація. Вибиті при первинній взаємодії електрони, що володіють певною енергією, самі взаємодіють із зустрічними атомами і також створюють нові іони – відбувається вторинна іонізація. Електрони, що втратили в результаті багаторазових зіткнень свою енергію, залишаються вільними або приєднуються, «прилипають» (у газах) до якого-небудь нейтрального атома, утворюють негативно заряджені іони.

Рис.2. Радіоактивні випромінювання, проходячи через яке-небудь середовище, іонізують нейтральні молекули перетворюючи їх у пари електрично заряджених часток.

Радіаційна безпека – це дотримання припустимих меж радіаційного впливу на персонал, населення та навколишнє природне середовище, установлених нормами, правилами та стандартами з безпеки.

Радіаційний захист – це сукупність радіаційно-гігієнічних, проектно-конструкторських, технічних та організаційних заходів, спрямованих на забезпечення радіаційної безпеки.

Радіаційний захист при проведенні робіт із джерелами іонізуючих випромінювань ґрунтується на наступних основних принципах:

- не може бути дозволена ніяка діяльність, пов'язана з іонізуючим випромінюванням, якщо кінцева вигода від такої діяльності не перевищує заподіяного нею збитку;

- величина індивідуальних доз, кількість осіб, що опромінюються, і ймовірність опромінення від кожного з видів іонізуючого випромінювання повинні бути найнижчими з тих, які можна практично досягти з урахуванням економічних і соціальних факторів;

- опромінення окремих осіб від всіх джерел та видів діяльності в підсумку не повинне перевищувати встановлених дозових меж.

Радіаційний небезпечний об’єкт (РНО) – об’єкт, на якому зберігають, переробляють, використовують або транспортують радіоактивні речовини (РР), при аварії на якому або його руйнуванні може виникнути опромінювання іонізуючим випромінюванням або радіоактивне забруднення людей, сільськогосподарських тварин і рослин, суб’єктів господарської діяльності, а також довкілля.

До РНО належать:

- атомні електростанції та дослідницькі реактори;

- сховища відпрацьованого ядерного палива;

- підприємства з видобутку та переробки уранової руди;

- підприємства, що використовують джерела іонізуючого випромінювання та радіаційно-небезпечні технології.

Радіаційна аварія – втрата керування джерелом іонізуючого випромінювання, викликане несправністю устаткування, неправильними діями персоналу, стихійними лихами або іншими причинами, які могли призвести або призвели до опромінення людей або радіоактивного забруднення навколишнього середовища, що перевищує величини, регламентовані для контрольованих умов.

Іонізуюче випромінювання – випромінювання, що створюється при радіоактивному розпаді, ядерних перетвореннях, гальмуванні заряджених часток у речовині та утворюють при взаємодії із середовищем іони різних знаків.

Говорячи про небезпеку радіаційно-небезпечних об'єктів, слід зазначити, що в цей час загальновизнаним є твердження фахівців про те, що атомна енергетика та промисловість є одними з найбільше «чистих» галузей виробництва. Порівняльний аналіз небезпеки різних об'єктів показує, що ризик смертельних уражень, наприклад, від викидів АЕС при нормальній їхній роботі в 400 разів менше, ніж від викидів шкідливих речовин, джерелами яких є теплові електростанції (ТЕС). За оцінками учених, у США із середньорічної загальної смертності від раку, що становить 400 тис. чоловік, у результаті функціонування АЕС помирає лише 3 особи. Проте, за результатами ранжування за ступенем ризику тридцяти різних видів технологій і видів діяльності людини, виконаного на основі опитувань суспільної думки в США, атомна енергетика займає 1 місце, а традиційна електроенергетика стоїть на 18-19 місці. Примітно, що експерти-фахівці, навпаки, ставлять атомну енергетику за ступенем небезпеки лише на 20-е місце, а неатомну електроенергетику – на 9-е.

За офіційною статистикою в США скорочення середньої тривалості життя за рахунок функціонування об'єктів атомної енергетики та промисловості становить усього 0,05 дня, у той час як за рахунок забруднення повітря, обумовленого спалюванням кам'яного вугілля, – 13 днів, а загибелі на автотранспорті – 200 днів.

Разом з тим не тільки в Україні, але й у світі проблема забезпечення радіаційної безпеки сьогодні є досить актуальною, що обумовлено значною кількістю різних джерел іонізуючих випромінювань, що використовуються як з мирними, так і військовими цілями, а отже, необхідністю захисту персоналу підприємств і організацій і також населення від їхнього шкідливого впливу, особливо від наслідків радіаційних аварій.

4.2. Радіаційна обстановка на території України

Радіаційна обстановка на території України в цілому визначається наступними джерелами іонізуючих випромінювань:

- природною радіоактивністю, включаючи космічні випромінювання;

- глобальним радіаційним фоном, обумовленим випробуваннями ядерної зброї, що проводилися в попередні роки;

- експлуатацією ядерно та радіаційно небезпечних об'єктів;

- наявністю територій, забруднених радіоактивними речовинами внаслідок діяльності об'єктів атомної енергетики і промисловості та аварій, що мали місце, на них у попередні роки.

Слід зазначити, що доза опромінення людей від природних джерел іонізуючих випромінювань не має істотно значимих величин. Відповідно до оцінки Наукового комітету з дії атомної радіації ООН сумарна доза на 1 чоловіка у середньому в усьому світі становить усього 2,4 мЗв за рік.

Таким чином, зазначені джерела в найкращому разі повинні враховуватися, але вони не представляють радіаційної небезпеки та не вимагають проведення яких-небудь захисних заходів.

Деякі технічні та організаційні заходи щодо забезпечення радіаційної безпеки населення необхідно здійснювати лише на окремих територіях, у місцях рудопроявлення урану і виходу корінних кристалічних порід з підвищеним вмістом природних радіонуклідів, з метою виключення або зниження фактора опромінення населення таким природним радіоактивним джерелом, як радон. На жаль, проблема радону в країні поки повністю не вирішена. Цілі галузі економіки, такі як нафтовидобування і переробка, видобування вугілля, житлове будівництво на радононебезпечних територіях, виробництво будматеріалів і мінеральних добрив по радоновому фактору, залишаються поки поза ретельним наглядом і регулюванням.

Доза опромінення людей від наслідків випробувань ядерної зброї в 50-х і початку 60-х років ХХ-го століття сьогодні становить близько 1 % від загальної фонової дози та до практично значимих факторів радіаційної небезпеки так само не відноситься.

Таким чином, перші два джерела іонізуючих випромінювань, зазначені вище, практичної значимості не представляють.

Основні проблеми радіаційної небезпеки на сьогодні тісно пов'язані з розвитком та експлуатацією об'єктів атомної енергетики і промисловості, інших форм мирного використання атомної енергії, а так само з наявністю значних територій, забруднених радіоактивними речовинами внаслідок діяльності об'єктів атомної енергетики і промисловості та аварій, що мали місце, на них у попередні роки. Всі ці об'єкти та території є потенційними радіаційно-небезпечними об'єктами (рис.3).

Рис. 3. Розташування підприємств з ядерними компонентами

До цих об'єктів відносяться:

а) за ознакою «об'єкти використання атомної енергії»:

- ядерні установки – споруди та комплекси з ядерними реакторами, у тому числі атомні електростанції; споруди та комплекси із промисловими, експериментальними і дослідницькими ядерними реакторами, комплекси, установки для виробництва, використання, переробки, транспортування ядерного палива і ядерних матеріалів;

- радіаційні джерела – комплекси, що не відносяться до ядерних установок, установки, апарати, устаткування та вироби, у яких утримуються радіоактивні речовини або генерується іонізуюче випромінювання;

- пункти зберігання ядерних матеріалів і радіоактивних речовин, сховища радіоактивних відходів, стаціонарні об'єкти та споруди, що не відносяться до ядерних установок і радіаційних джерел та призначені для зберігання ядерних матеріалів і радіоактивних речовин, зберігання або поховання радіоактивних відходів;

- ядерні матеріали – матеріали, що містять або здатні відтворити ядерні речовини, що діляться;

- радіоактивні речовини – речовини, які не відносяться до ядерних матеріалів, що випускають іонізуюче випромінювання;

- радіоактивні відходи – ядерні матеріали та радіоактивні речовини, подальше використання яких не передбачається;

б) за територіально-виробничою ознакою:

- об'єкти ядерного комплексу (ядерно-паливного циклу, атомної енергетики);

- території та водойми, забруднені радіонуклідами в результаті радіаційних аварій, що мали місце, ядерних вибухів з мирними цілями, виробничою діяльністю і т.п.