Радиоактивность. Основы дозиметрии

Большинство атомных ядер стабильно, но есть ядра, в которых соотношение протонов и нейтронов таково, что этим ядрам энергетически выгодно распасться, превращаясь в ядра других элементов. Радиоактивностью называются процессы самопроизвольного превращения ядер некоторых изотопов (радионуклидов) в другие ядра, сопровождающиеся испусканием так называемых радиоактивных излучений.

Радиоактивное излучение первым обнаружил А. Беккерель в 1896 г. Основоположниками изучения радиоактивности стали М. Склодовская-Кюри и П. Кюри (Нобелевская премия 1903 г., совместно с А. Беккерелем).

Различают естественную радиоактивность некоторых природных изотопов, и искусственную радиоактивность изотопов, возникающих в результате ядерных реакций.

Основными видами радиоактивных превращений являются альфа-распад ( -распад) и электронный бета- распад ( -распад).

При -распаде из ядра вылетает -частица, то есть ядро гелия ₂He⁴. При -распаде ядра испускают -частицы, то есть быстро движущиеся электроны (у электрона массовое число считается равным нулю, так как его масса 0.00055 а.е.м. много меньше 1 а.е.м.). Возникающие при - и -распаде ядра, как правило, находятся в возбужденном состоянии и испускают -излучение, то есть электромагнитное излучение с очень малой длиной волны 10^-10 м. Для столь коротковолнового излучения сильно проявляются его корпускулярные свойства и -излучение обычно рассматривают, как поток квазичастиц - -квантов.

Итак, основными видами радиоактивных излучений являются:

- -излучение - поток массивных, положительно заряженных ядер гелия ₂He⁴. Оно обладает сравнительно низкой проникающей способностью (задерживается даже листом бумаги), но высокой ионизующей способностью (способностью к ионизации – разрушению атомов и молекул вещества);

- -излучение – поток быстрых, легких, отрицательно заряженных электронов . Обладает большей проникающей способностью (обычно задерживается слоем металла в несколько миллиметров), но меньшей, чем у -излучения, ионизующей способностью;

- -излучение – электромагнитная волна с малой длиной волны или, иначе говоря, поток -квантов. Имеет максимальную проникающую способность (задерживается слоем металла или бетона толщиной в несколько десятков сантиметров или метров) и минимальную ионизующую способность.

Превращения исходных ядер при - и электронном -распаде определяют так называемые правила смещения (правила Фаянса-Содди), основанные на законах сохранения электрического заряда и массы (последний в рамках теории относительности не является строгим законом).

При -распаде:

_ZX^A _Z-2Y^A-4 + ₂He⁴, (10.6)

то есть образуются ядра элемента Y, смещенного через одну клетку ближе к началу таблицы Менделеева относительно исходного элемента X.

Рассмотрим очень важный для строительной радиационной экологии пример такого превращения. При строительстве используются горные породы магматического происхождения: гранит, базальт и т.п. В них содержится -радиоактивный изотоп радий-226. Само по себе это не так опасно, так как испускаемое им -излучение легко задерживается самими стенами. Однако при его распаде образуется изотоп радон-222:

₈₈Ra²²⁶ ₈₆Rn²²² +₂He⁴,

а радон – это тяжелый газ, который по микротрещинам и порам проникает в помещения и скапливается в них, особенно на нижних этажах и в подвалах. Сам же радон-226 также -радиоактивен и опасен для людей (радоновая проблема в строительстве).

При электронном -распаде:

_ZX^A _Z+1Y^A + , (10.7)

где - электронное антинейтрино – электронейтральная, очень легкая, трудноуловимая частица (см. раздел 11). При таком распаде образуются ядра элемента Y, смещенного на одну клетку к концу таблицы Менделеева относительно исходного элемента X. Пример – превращение радиоактивного изотопа углерод-14 в стабильный азот-14:

₆C¹⁴ ₇N¹⁴ + .

Интересно, что при электронном -распаде из ядра вылетает электрон, которого в составе ядра, казалось бы, быть не должно! Но учтем, что, как показывает уравнение (10.7), при этом распаде число протонов в образующемся ядре увеличивается на единицу ( ), а число нейтронов уменьшается на единицу ( ). Следовательно, при электронном -распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, что и приводит к появлению электрона и электронного антинейтрино, покидающих ядро:

. (10.8)

Уравнение (10.7) указывает на замечательную особенность элементарных частиц – из взаимопревращаемость, о чем более подробно будет рассказано в разделе 11.

С течением времени количество ядер исходного изотопа (материнских ядер) уменьшается, а количество возникших ядер нового изотопа (дочерних ядер) увеличивается, что описывается законом радиоактивного распада:

, (10.9)

где - количество материнских ядер в начальный момент времени , - количество не распавшихся материнских ядер в некоторый последующий момент времени , - постоянная радиоактивного распада - табличная величина, характеризующая скорость распада рассматриваемого изотопа.

Наряду с постоянной характеристикой скорости распада является период полураспада - время, за которое распадается половина материнских ядер. Константы и взаимосвязаны:

. (10.10)

Например, для изотопов йода и стронция, загрязнивших окружающую среду после аварии на Чернобыльской АЭС 26 апреля1986 г., периоды полураспада таковы: =8 суток для ₅₃I¹³¹, =27 лет для ₃₈Sr⁹⁰.

Активностью A радиоактивного образца называется количество распадов, происходящих в нем за единицу времени. Активность зависит от времени по закону, аналогичному (10.9):

. (10.11)

В системе СИ единица измерения активности - беккерель (Бк), то есть активность образца, в котором за одну секунду происходит один распад: 1Бк = 1 распад/с. Внесистемная единица – кюри (Ки): 1 Ки = 3.7·10¹⁰ Бк.

Радиоактивные излучения, взаимодействуя со средой, вызывают ионизацию ее атомов и молекул, то есть их разделение на положительные и отрицательные ионы, а также свободные электроны. Как правило, радиационная ионизация объектов, особенно – живых, вредна и нежелательна. Но сейчас технологии, основанные на ионизирующем воздействии радиоактивных излучений, широко используются и для получения положительных эффектов: в медицине (лучевая терапия), в радиационной химии и т.д.

Дозиметрия – раздел науки и техники, занимающийся измерением и расчетом величин, характеризующих воздействие радиоактивного излучения на неживые и живые объекты (дозиметрических величин).

Воздействие радиации на тот или иной объект характеризует доза излучения. Различают ряд разновидностей этой величины.

Поглощенная доза – поглощенная энергия радиоактивного излучения, приходящаяся на единицу массы облучаемого объекта:

, (10.12)

где m – масса объекта. Единица измерения поглощенной дозы – джоуль на килограмм или грей (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг. Внесистемная единица – рад: 1 рад = 0.01 Гр. Поглощенная доза, приходящаяся на единицу времени, - мощность поглощенной дозы, измеряемая в Гр/с, Гр/ч и т.п.

Ионизирующее воздействие рентгеновского и -излучений характеризует экспозиционная доза - отношение суммарного заряда Q положительных ионов, образующихся в воздухе при воздействии этих излучений, к массе m облучаемого воздуха:

. (10.13)

Единица измерения – кулон на килограмм (1 Кл/кг). Широко распространена внесистемная единица – рентген (Р): 1 Р = 2.58·10^-4 Кл/кг. Один рентген – доза, создающая в 1 см³ воздуха при 0°С и давлении 760 мм рт. ст. 2.08·10⁹ пар ионов.

Воздействие излучения на живые организмы зависит не только от величины поглощенной дозы, но и от вида излучения. Биологический эффект радиоактивного облучения характеризует эквивалентная доза H, равная величине поглощенной дозы, умноженной на коэффициент качества k, который показывает, во сколько раз биологический эффект, вызванный данным видом излучения, превосходит эффект, вызванный равной поглощенной дозой рентгеновского излучения (см. таблицу 10.1):

. (10.14)

Единица эквивалентной дозы - зиверт (Зв): 1 Зв = 1 Дж/кг. Мощность эквивалентной дозы измеряется в Зв/с, Зв/ч и т.д. Внесистемная единица – биологический эквивалент рада (бэр): 1 бэр = 1 рад = 0.01 Гр при k = 1.

Таблица 10.1 – Коэффициент качества для некоторых видов излучения.

Вид излучения	Коэффициент качества
Рентгеновское и -излучения
-излучение (электроны и позитроны)
Нейтроны с энергией меньше 20 кэВ
Нейтроны с энергией 0.1 – 10 МэВ
Протоны с энергией меньше 10 МэВ
-излучение с энергией меньше 10 МэВ

Человек постоянно подвергается воздействию радиоактивных излучений от природных источников: космического происхождения, от радона и других радионуклидов (калия-40, радона-222, радона-220 и др.).

Мощность эквивалентной дозы природного фона зависит от местности и обычно находится в пределах от 0,05 до 0,2 мкЗв/час. В местах, где массивы гранита залегают достаточно близко к поверхности, уровни природного радиационного фона выше и составляют 0,4 мкЗв/час. Население, которое живет в высоких широтах, получает ежегодно вдвое большие дозы, чем население экваториальных частей. Люди, живущие высоко в горах, получают в 5-10 раз большие дозы, чем те, кто живет на уровне моря. При этом Всемирная организация охраны здоровья не имеет данных, которые бы подтверждали влияние высокого природного фона на смертность и здоровье этих групп населения.

Радиационный уровень 0,1 – 0,2 мкЗв/час, соответствующий природному фону, считается нормальным, уровень 0,2 – 0,6 мкЗв/час - допустимым, а уровень более 0,6 – 1,2 мкЗв/час - повышенным.

Средняя эквивалентная доза, которую человек, живущий в средней полосе европейской части России, ежегодно получает от различных природных источников облучения, составляет ~2,4 мЗв (240 мбэр), а за 70 лет жизни - около 0,17 Зв (17 бэр). Дозы, получаемые от некоторых источников техногенного характера, приведены в таблице 10.2.

Таблица 10.2 – Эквивалентные дозы облучения тела человека от техногенных источников

Приведем некоторые критические значения эквивалентных доз:

- 20 мЗв (2 бэр) - предельно допустимая индивидуальная эквивалентная доза для персонала объектов атомной промышленности за календарный год. При такой годовой дозе равномерное облучение в течение 50 лет не может вызвать в состоянии здоровья неблагоприятных изменений, обнаруживаемых современными методами.

- 5 мЗв (0.5 бэр) - допустимая индивидуальная эквивалентная доза облучения населения, проживающего в санитарно-защитных зонах, зонах наблюдения объектов атомной промышленности за календарный год. При такой годовой дозе равномерное облучение в течение 70 лет не вызывает изменений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами.

- 0.1 Зв (10 бэр) в течение года - не наблюдается каких-либо заметных изменений в тканях и органах.

- 0.75 Зв (75 бэр) - незначительные изменения в крови.

- 1 Зв (100 бэр) - нижний предел начала лучевой болезни.

- 3-5 Зв (300-500 бэр) - тяжёлая степень лучевой болезни, погибают 50% облучённых.

- 6 Зв (600 бэр) - минимальная абсолютно летальная доза облучения, признанная Международной комиссией по радиационной защите.