Защита населения

В связи с высокой проникающей и ионизирующей способностью β-лучи представляют опасность для людей как при наружном облучении, так и при попадании внутрь организма.

Зимняя одежда и защитные очки с толщиной стекол 3-4 мм защищают от внешнего бетта-излучения.

Иногда α - и β-распад сопровождаются не только выбросом бета- и альфа-частицы, но и гамма-квантов.

Гамма-кванты – это электромагнитные излучения или поток квантов длинной волны от 0,001 до 1 нм (нанометра) с энергией до 10 МЭВ. Это происходит в том случае, если при распаде не вся энергия передается выбрасываемому электрону, позитрону или альфа-частице.

 Гамма-лучи распространяются  со скоростью света. Длина пробега  в воздухе достигает до 1000 м, в  воде и биологической среде - 1 м. Ионизирующая способность низкая. На 1 см пробега гамма-квант образует  несколько пар ионов.

Радиоактивные превращения ядер могут происходить и при захвате ядром орбитального электрона (К-захват). Позитронный распад и К-захват конкурируют, т.е. если происходит один, возможен и другой. К-захват характерен для нейтронно дефицитных ядер. Поглотив орбитальный ē протон превращается в «n». На освободившееся место переходит ē с более высокого энергетического уровня, атом испускает характерное рентгеновское излучение, по которому и фиксируют К-захват.

Тяжелые ядра U-238, 235, Кф-240, 248, 249, 250, Ku-244, 248 и другие могут делиться самопроизвольно из-за того, что ядра сами по себе нестабильны.

 При этом ядро расщепляется  на два близких по массе  осколка, но mяд. > m1 + m2, т.е. масса ядра  больше масс ядер-осколков.

 На первый акт деления  выбрасывается 2-3 нейтрона и происходит  огромное энерговыделение (в миллионы  раз больше, чем при сжигании  топлива). Ядра-осколки тоже радиоактивны. Они перегружены нейтронами и  их испускают, а также α-частицы, β-частицы

В зависимости от вида реакции нейтроны могут нести энергию от 3 до 14 МГ.ЭВ. Путь пробега в воздухе достигает несколько тысяч метров. Обладая большой энергией и нейтральностью, они, встречаясь с ядрами атомов других элементов, создают наведенную радиоактивность.

Нейтронный поток оказывает сильное поражающее действие на человека. На глубине 10 см в организме поглощается 50 % энергии нейтронов и почти вся энергия при прохождении через тело.

 

2.2.  Закон радиоактивного распада

 

Закон радиоактивного распада — закон, открытый Фредериком Содди и Эрнестом Резерфордом экспериментальным путём и сформулированный в 1903 году. Современная формулировка закона:

 

что означает, что число распадов за интервал времени  в произвольном веществе пропорционально числу имеющихся в образце атомов.

В этом математическом выражении  — постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеющая размерность с−1. Знак минус указывает на убыль числа радиоактивных ядер со временем.

Этот закон считается основным законом радиоактивности, из него было извлечено несколько важных следствий, среди которых формулировки характеристик распада — среднее время жизни атома и период полураспада.

 

 

2.3  Единицы радиоактивности

 

 

 

Радиоактивность как физическое явление - это способность самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа химического элемента в устойчивый изотоп.

Такое превращение сопровождается испусканием элементарных частиц (a-,β -) и излучения (γ - кванты).

Существуют и другие формулировки термина  радиоактивность:

Радиоактивность - совокупность излучений, испускаемых каким-либо препаратом, содержащим радиоактивные изотопы;

Радиоактивность - способность вещества давать излучение в виде α-, β-частиц, или γ-квантов.

В природе установлено более 230 радиоактивных ядер естественного происхождения, и их количество существенно дополняется техногенными (искусственными) радионуклидами практически всех элементов таблицы Д.И. Менделеева.

Все известные радиоактивные элементы следует разделить на две группы: естественные и искусственные (техногенные).

Среди естественных радиоактивных элементов выделяются долгоживущие (U, Th, К-40, Rb-87 и др.), короткоживущие продукты распада долгоживущих изотопов (радий, радон и т.д.) и нуклиды, постоянно образующиеся в природной среде за счет ядерных реакций (С-14, Н-3, Ве-7 и др.).

Искусственные радиоактивные элементы могут быть подразделены на:

• осколочные (продукт деления ядер урана-235 под воздействием тепловых нейтронов по схеме 1.):

 

Рисунок 1 – Осколочные радиоактивные элементы

• радиоактивные элементы - продукты активации за счет взаимодействия нейтронов, гамма - квантов и т.д. с веществом (60Со, 65Zn, 54Fe и т.д.);
• трансурановые радиоактивные элементы, образующиеся в результате поглощения нейтронов по схеме:

238U + (n°) → 239U → β → 239Np → β → 239Pu

239Pu + (γ,n) → 240Pu + (у,n) → 241Pu → β → 241Am

Наиболее широко распространенными естественными радиоактивными элементами в природе являются уран, торий и калий. Так, нуклид 40К обуславливает 40-45% существующей мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в природе. На долю 232Th и продуктов его распада приходится около 35%, а на уран и продукты его распада - 20-25%

Все радиоактивные элементы распадаются по закону радиоактивного распада.

Следует отметить, что существуют определенные объективные трудности в восприятии и понимании  единиц радиоактивности. Это связано, во-первых, с тем, что имеются единицы измерения, как самого явления, так и единицы по измерению воздействия этого явления на вещество, и зачастую необходимо переходить от одних к другим; во-вторых, с наличием нескольких единиц с различными исторически сложившимися названиями, не связанных меж собой кратными или дольными соотношениями.

Исторически первой общепринятой  единицей   радиоактивности  была принята  радиоактивность  1 грамма химически чистого радия, которая была названа в честь супругов М. и П. Кюри.

 

        Радиоактивность 1 г Ra = 1 Кюри (Ки), англоязычное – Ci.

 

Позднее за единицу радиоактивности (активности) было принято количество радиоактивных превращений (распадов) в единицу времени.

Единица, характеризующая 1 распад радионуклида в 1 сек. была названа в честь французского физика А. Беккереля - Беккерелем (Бк), англоязычное – Bq.

Так как 1 г Ra давал 3,7×1010 распадов в сек., то между Ки и Бк установлено соотношение: 1 Ки = 3,7×1010 Бк, или 1 Бк = 2,7×10-11 Ки

Радиоактивность некоторых других элементов относительно радия будет следующей: 1 г 235 U = 2,1×10-6Kи,

1 г 137Cs = 87 Kи,

1 г I131= 1,2×105 Ки,

1 г 232Th= l,l×10-7 Kи,

1 г 239Рu= 6,1×10-2 Ки,

1 г 60Co = l,l×10-3 Kи,

1 г 14С = 4,6 Ки,

l г 87Rb = 8,5×10-8 Kи,

l г 90Sr =145 Kи,

1 г 40К = 6,8×10-6 Ки и т.п.

Таким образом, радиоактивность 1 г, например, кобальта-60 в 1000 раз выше, чем радиоактивность 1 г радия-226, а плутония в 100 раз меньше.

Активность радионуклида прямо пропорциональна его количеству, поэтому количество радиоактивного вещества можно измерить, определив его активность в Бк/кг, Ки/л и т.д.

Единицы активности 1 Бк и 1 Ки имеют кратные и дольные значения (см. Десятичные приставки), например:

1 мк Kи = 10-6Kи,

1 кБк = 103 Бк,

1 МКи = 106 Ки,

1. пКи = 10-12 Ки и т.д.

 

 

2.4 Удельная, поверхностная и объемная активность и методики их расчета

 

Существуют также понятия удельной активности, площадной (поверхностной) активности и объемной концентрации.

Удельная активность - это активность единицы массы вещества, т.е. Ки/г; Бк/кг; пКи/г и т.д.

Площадная активность - это радиоактивность вещества, приходящаяся на 1 ед. площади, то есть: Ки/м2; Ки/км2; Бк/м2 и т. д.

Характеризуя радиоактивность какого-либо материала, необходимо конкретно указывать, о каком радионуклиде идет речь. Так, если мы говорим, что удельная активность почвы по цезию-137 100 Бк/кг, то это значит, что речь идет только об этом изотопе, другие (уран, торий, калий и т.д.), присутствующие в почве, не учитываются.

Оценивая общую радиоактивность почв в единицах СИ от естественных радионуклидов, мы должны указать, например, радиоактивность по урану - 238 Бк/кг, по торию - 35 Бк/кг, по калию - 296 Бк/кг, тогда как общая суммарная радиоактивность данной почвы от естественных радиоэлементов будет не простая сумма активностей, равная 369 Бк/кг, а будет несколько больше, так как она рассчитывается по формуле с учетом коэффициентов.

При этом не учитывается присутствие дочерних радионуклидов этих элементов (радий, полоний, и т.д.)

При оценке соответствия строительных и некоторых других материалов радиационно - гигиеническим нормативам, введено понятие суммарная эффективная удельная активность радионуклида (Ас).

Ac=ARa + 1,31 АTh + 0,085 Аk, где

АRa, АTh, Аk - удельная активность соответствующих радионуклидов.

Если в материале определялась концентрация урана, а не радия, то вместо АRа подставляется содержание равновесного урана, тогда расчётная формула будет иметь вид:

Аc = Аu ×3,4×10-7 + 1,31 АTh, + 0,085 Аk

Если почва была загрязнена техногенными радиоизотопами, например, цезием, стронцием и кобальтом, то указывается их радиоактивность, допустим:

по цезию-137 -100 Бк/кг,

по стронцию-90 - 20 Бк/кг,

по кобальту-60 - 80 Бк/кг

И тогда общая радиоактивность почв составит (Ас +100+20+80) Бк/кг.

Для перехода от удельной активности в Бк/кг, Бк/г и т.д. к площадной в Бк/м2, в Ки/км2 и т.д. необходимо знать плотность вещества.

Расчёт может вестись по разным формулам. Так, В.М. Гавшин и др. (1994) предлагает следующий вариант:

Р = A×d×h×107,

где Р - площадной запас радионуклидов в Бк/км2;

      А - активность почвы, Бк/кг;

      d - объёмный  вес пробы, г/см3;

      h - глубина  ячейки параллелепипеда отбираемой  пробы, см,

или по формуле:

Р = 0,27Adh мКи/км2.

 

Так, 34 Бк/кг активности почвы по цезию-137 будет соответствовать площадной активности 0,1 Ки/км2 при плотности почвы 1100 кг/м3 и глубине отбора 0,1 м.

Часто для ориентировочной оценки необходимо знать переход от мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в мкР/ч к площадной загрязненности почв (Ки/км2). Эта сугубо ориентировочная оценка должна учитывать весь энергетический спектр радионуклидов.

Так, М. Эйзенбад (1967) указывает, что для продуктов деления, средняя энергия гамма - квантов которых равна 0,7 Мэв (цезий - 137 + барий – 137m) площадной активности 1 Ки/км2 на высоте 0,9 м, будет соответствовать мощность экспозиционной дозы 10 мкР/ч.

Ориентировочно, при условии радиоактивного равновесия, можно считать, что:

1 мг/кг U = 12,6 Бк/кг;

1 мг/кг Th = 4,07 Бк/кг;

1 %К = 313 Бк/кг 40К.

Объемная концентрация радиоактивности - количество распадов в единицу времени, отнесенное к объему вещества, т.е. Kи/л, Ки/м3, Бк/л, Бк/м3 и т.п.

Первоначально объемная концентрация радона измерялась в эманах и махе - единицах: 1 эман = 10-10 Kи/л = 220 расп/мин.л;

1 махе = 3,64 эман = 3,64× 10-10 Kи/л = 780 расп/мин×л

В процессе распада радиоактивных ядер образуются потоки γ - квантов, α и β -частиц, способных ионизировать вещественную среду (воздух, воду, биологические клетки и др.) и сообщать веществу дополнительную энергию.

Количество поглощенной при этом энергии и образовавшихся пар ионов являются определенным интегрированным показателем величины радиоактивности вещества и измеряются различными физическими методами (по ионизации воздуха, например).

Так, например, если при воздействии у - квантов (фотонное излучение) в см3 воздуха при нормальных условиях (н.у.) происходит его ионизация с образованием 2,08*109 пар ионов, что соответствует электрическому заряду в 1 Кулон (1 К), то говорят, что экспозиционная доза γ- излучения соответствует 1 Рентгену (1 Р). Отсюда появился широко распространённый термин - ионизирующее излучение.

Экспозиционная доза, отнесенная ко времени, получила название мощности экспозиционной дозы (X) и измеряется в системе СИ в амперах на кг (а/кг), а во внесистемных единицах в Р/с, Р/ч и т.п.

Существуют и кратные им единицы (мР, мкР, мР/ч, мкР/ч и т.д.).

Переход от единиц активности вещества, выраженного, например, в мкКи к мощности экспозиционной дозы γ-излучения данного радионуклида в Р/ч, осуществляется при помощи гамма - постоянных (справочная величина), характерных для каждого радиоизотопа.