Радиоактивность

Радиоактивность – самопроизвольные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или более лёгких ядер. Ядра, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными, а процесс превращения – радиоактивным распадом.  
    Радиоактивный распад возможен только тогда, когда он энергетически выгоден, т.е. сопровождается выделением энергии. Условием этого является превышение массы М исходного ядра суммы масс m_i продуктов распада, т.е. неравенство

M >∑m_i.    

 Из около  3000 известных ядер (большинство из  них получено искусственно) лишь 264 не являются радиоактивными. Основными  видами радиоактивного распада  являются альфа-распад (испускание  ядрами альфа-частиц), бета-распад (испускание (или поглощение) электрона, а  также антинейтрино, или испускание  позитрона и нейтрино), гамма-распад (испускание гамма-квантов) и спонтанное деление (распад ядра на два осколка сравнимой массы). К более редким видам радиоактивного распада относятся испускание ядрами одного или двух нуклонов, а также испускание фрагментов (кластеров) – лёгких ядер от ¹²С до ³²S. Во всех видах радиоактивности (кроме гамма-радиоактивности) изменяется состав ядра – число протонов Z , массовое число А или и то и другое. 
    Важнейшей характеристикой радиоактивности является закон радиоактивного распада, показывающий как со временем t изменяется (в среднем) число N радиоактивных ядер в образце

N(t) = N₀e^–λt,

где N₀ – число исходных ядер в начальный момент (момент их образования или начала наблюдения), а λ – постоянная распада (вероятность распада радиоактивного ядра в единицу времени). Через эту постоянную можно выразить среднее время жизни радиоактивного ядра τ = 1/λ, а также период полураспада T_1/2 = ln2/τ. Период полураспада наглядно характеризует скорость распада, показывая за какое время число радиоактивных ядер в образце уменьшится вдвое. 
    Следует подчеркнуть, что процесс радиоактивного распада (как и все процессы в микромире) это случайный процесс и можно говорить лишь о вероятности его протекания. Так если в образце N радиоактивных ядер, то в единицу времени не обязательно произойдёт λN актов радиоактивного распада. Это число может быть и больше и меньше λN, которое в данном случае является лишь средним (математическим ожиданием). 
    На характеристики радиоактивного распада, в частности его скорость (период полураспада), оказывают существенное влияние силы (взаимодействия), вызывающие распад. Альфа-распад изначально вызывается сильным взаимодействием, но его скорость определяется кулоновским барьером (электромагнитным взаимодействием). Бета-распад вызывается слабым взаимодействием, а гамма-распад – электромагнитным. 
    Явление радиоактивности открыто в 1896 г. А. Беккерелем. В 1899 г. Э. Резерфордоткрыл, что уран излучает положительно заряженные частицы (α-частицы) и отрицательно заряженные β-частицы (электроны). В 1900 г. П. Виллард открыл нейтральные частицы (γ-кванты) при изучении распада урана. Спонтанное деление ядер открыто в 1940 г. К.А. Петржаком и Г.Н. Флёровым.

Виды ионизирующих излучений:

Связи между жизнью, здоровьем  людей, положением флоры  и  фауны  и современным уровнем радиационного загрязнения всей планеты и  отдельных ее регионов очень сложные. Изучение и использование их на благо человека - одно из главных заданий радиоэкологии. Основными аспектами радиоэкологии является изучение радиоактивного фона, характера  антропогенных радиоактивных загрязнений геосфер, продуктов питания, организма человека, исследование эффектов и установка нормативов ионизирующего  излучения.

До середины ХХ в. основным источником ионизирующего излучения  были природные источники - горные породы, Космос. Однако и  тогда  уровни земной радиации в разных регионах были различны, достигая  максимальных значений в районах залежей урановых руд, радиоактивных сланцев,  фосфоритов или  кристаллических  пород,  ториевых  песков,  радоновых  минеральных источников (Индия - штаты Керала и Тамилнад,  Бразилия  -  штат Рио-де-Жанейро, Иран, Канада, Чехия и Словакия, ЮАР,  Нигерия  и  др.).

Известны такие аномальные районы и у нас на Украине -  Хмельник,  Мироновка, Желтые воды. В этих местах уровни природного  активного  фона  в десятки и сотни раз выше, чем в других.

Из-за того, что до недавнего  времени не было  известно  о  присутствии тех или иных отклонений в здоровье и развитии людей, которые проживают в районах с повышенным радиоактивным фоном, показатели продолжительности жизни, количество мертворожденных, болезни  на лейкоз, рак  у жителей этих районов был среднестатистично нормальным. На основе  новых исследований и глубокого анализа проблемы можно сделать  вывод,  что  и раньше, десятки и сотни лет тому назад, повышенный радиационный фон негативно влиял на население. Это выявлялось  в  значительном  увеличении количества больных с синдромом Дауна (почти в 5 раз), другими патологическими проявлениями, особенно раковыми опухолями.

Сейчас главными источниками  радиоактивных загрязнений биосферы являются радиоактивные аэрозоли, которые  поступают а атмосферу  во  время испытаний ядерного оружия, аварий на АЭС и радиоактивных производствах, а также радионуклиды, которые выделяются из радиоактивных отходов,  захороненых на суше и в море, с отработанных атомных реакторов и сооружений. Во время аварий атомных  реакторов,  разгерметизаций  залежей  радиоактивных отходов радиационная грязь расползается на десятки и  сотни километров, вследствие взрывов ядерных бомб - по всей планете.

По силе и глубине влияния  на организм ионизирующее излучение  считается самым сильным. Разные организмы имеют неодинаковую  стойкость  к действию радиоактивного облучения, даже клетки одного  организма  имеют разную чувствительность.

Различают несколько видов  ионизирующего излучения. Излучение,  отклоняющееся в сторону Севера, называется альфа-излучением,  Юга  -  бета-излучением; излучение, не отклоняющееся магнитным полем,  называется гамма-излучением (оно не имеет электрического заряда).

В настоящее время известно около 40 естественных и более  200  искусственных альфа-активных ядер. Альфа-распад  характерен  для  тяжелых элементов (урана, тория, полония, плутония и др.). Альфа-частицы -  это положительно заряженные ядра гелия. Они обладают большой ионизирующей и малой проникающей способностью и двигаются со скоростью 20000 км/с.

Бета-излучение - это поток отрицательно заряженных  частиц  (электронов), которые выпускаются при бета-распаде  радиоактивных  изотопов.

Их скорость приближается к скорости света. Бета-частицы при  взаимодействии с атомами среды отклоняются от своего  первоначального  направления. Поэтому путь, проходимый бета-частицей  в  веществе,  представляет собой не прямую линию, как у альфа-частиц, а ломаную. Наиболее высокоэнергетические бета-частицы могут пройти слой алюминия до 5 мм.,  однако ионизирующая способность их меньше, чем у альфа-частицы.

Гамма-излучение, испускаемое  атомными  ядрами  при  радиоактивных превращениях, обладает энергией от нескольких тысяч до нескольких  миллионов электрон-вольт. Распространяется оно, как и рентгеновское  излучение, в воздухе со скоростью света. Ионизирующая способность гамма-излучения значительно меньше, чем у альфа-  и  бета-частиц. Гамма-излучение - это электромагнитные  излучения  высокой  энергии.  Оно  обладает большой проникающей способностью, изменяющейся в широких пределах.

 Биологическое действие ионизирующих излучений:

Ионизирующие излучения  имеют ряд общих свойств,  два  из  которых - способность проникать через материалы различной толщины и  ионизировать воздух и живые  клетки  организма - заслуживают  особенно  пристального внимания.

При изучении действия излучения  на организм были определены следующие  особенности:

1. Высокая эффективность  поглощенной энергии. Малые количества  поглощенной энергии излучения могут вызывать глубокие биологические  изменения в организме.

2. Наличие скрытого, или  инкубационного,  периода  проявления  действия ионизирующего излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность его сокращается  при  облучении  в больших дозах.

3. Действие от малых  доз может суммироваться или  накапливаться. Этот эффект называется  кумуляцией.

4. Излучение воздействует  не только на данный живой  организм,  но  и на его потомство. Это так называемый генетический эффект.

5. Различные органы живого  организма имеют свою  чувствительность  к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0,002 - 0,005 Гр уже  наступают изменения в крови.

6. Не каждый организм  в целом одинаково реагирует  на облучение.

7. Облучение зависит от  частоты. Одноразовое облучение  в большой дозе вызывает более  глубокие последствия, чем фракционированное.

Энергия, излучаемая радиоактивными веществами,  поглощается  окружающей средой. В результате воздействия ионизирующего излучения на  организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биохимические процессы.

Известно, что 2/3 общего состава  ткани человека составляют вода  и углерод; вода под воздействием излучения расщепляется на  водород  H  и гидроксильную группу ОН, которые либо непосредственно, либо через  цепьвторичных превращений образуют продукты с высокой химической  активностью: гидратный оксид НО  и перекись водорода Н О . Эти соединения взаимодействуют с молекулами органического вещества ткани, окисляя и разрушая ее.

В результате воздействия  ионизирующего излучения  нарушаются  нормальное течение биохимических процессов и обмен веществ в организме.  В зависимости от величины поглощенной  дозы  излучения  и  индивидуальных особенностей организма вызванные изменения могут  быть  обратимыми  или необратимыми. При небольших дозах пораженная ткань восстанавливает свою функциональную деятельность. Большие дозы  при  длительном  воздействии могут вызвать необратимое поражение отдельных органов или  всего  организма.

Любой вид ионизирующих излучений  вызывает биологические  изменения в организме как при внешнем (источник находится вне организма),  так  и при внутреннем облучении (радиоактивные вещества попадают внутрь  организма, например пероральным или ингаляционным путем).

Рассмотрим действие ионизирующего  излучения, когда источник  облучения находится вне организма.

Биологический эффект ионизирующего  излучения зависит от  суммарной дозы и времени воздействия излучения, размеров облучаемой поверхности и индивидуальных особенностей организма. При однократном облучении  всего тела человека возможны биологические нарушения в зависимости от суммарной поглощенной дозы излучения.

При облучении дозами, в 100-1000 раз превышающими смертельную  дозу, человек может погибнуть во время облучения.

Поглощенная доза излучения, вызывающая поражение отдельных  частей тела, а затем смерть, превышает смертельную поглощенную дозу  облучения всего тела. Смертельные поглощенные дозы для отдельных частей тела следующие: голова - 20, нижняя часть живота - 30, верхняя часть  живота  - 50, грудная клетка - 100, конечности - 200 Гр.

Степень чувствительности различных  тканей к облучению неодинакова.

Если рассматривать ткани  органов  в  порядке  уменьшения  их  чувствительности  к  действию  излучения,  то  получим  следующую   последовательность: лимфатическая ткань, лимфатические узлы,  селезенка,  зобная железа, костный мозг, зародышевые клетки. Большая чувствительность кроветворных органов к радиации лежит в основе определения характера луче\вой болезни. При однократном облучении всего тела человека  поглощенной дозой 0,5 Гр через сутки после облучения может резко сократиться  число лимфоцитов (продолжительность жизни которых и без того незначительна  - менее 1 сут.

Уменьшится также и  количество эритроцитов (красных кровяных телец) по истечении двух недель после  облучения (продолжительность жизни  эритроцитов примерно 100 сут.). У здорового человека насчитывается  порядка 10  красных кровяных телец и  при  ежедневном  воспроизводстве  10  , у больного лучевой болезнью такое соотношение нарушается, и в  результате погибает организм.

Важным фактором при воздействии ионизирующего излучения  на  организм является время облучения. С увеличением мощности  дозы  поражающее действие излучения возрастает. Чем более дробно излучение  по  времени, тем меньше его поражающее действие.

Неодинаковую радиочув с твительность имеют организмы разного возраста. Чем молодее организм, тем он чувствительнее к радиации,  чем  сложнее организм, тем он больше поражается радиацией. В сложно  построенных организмах с их тонко с координированными  и  взаимозависимыми  функциями бесчисленных органов и систем намного больше и слабых звеньев, где возникают цепные реакции дезадаптации и патологии.

Считается, что биологическая  эффективность альфа-частиц и  тяжелых ядер в 20 раз выше, а нейтронов и протонов с энергией меньше 10  МеВ  в десять раз выше, чем гамма-частиц и рентгеновского излучения.

Конечный результат облучения (кроме отдаленных последствий)  зависит не столько от полной дозы, сколько от  действия  ее  мощности,  или времени, за которое она была накоплена,  а также  характера ее  распределения. Это связано с тем, что в живых организмах в ответ  на  облучение включаются защитные механизмы системы адаптации и компенсации,  которые должны обеспечить стабильность внутренней среды организма  (гомеостаз) и обновить нарушенные функции. Результат зависит от  соотношения количества поврежденных тканей и защитно-обновляющей способности  организма.

Внешнее облучение альфа-  , а также бета-частицами  менее  опасно.

Они имеют небольшой пробег в ткани и не достигают кроветворных  и  других внутренних органов. При внешнем облучении необходимо учитывать гамма- и нейтронное облучение, которые проникают в ткань на большую глубину и разрушают ее.