IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение (распад) ядра атома химического элемента, приводящее к изменению его атомного номера или изменению массового числа. При таком превращении ядра происходит испускание радиоактивных излучений [1]. Существуют естественная и искусственная радиоактивности.

Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Естественная радиоактивность присутствует в нашей жизни повсеместно, она является частью среды обитания человека. Данное явление было открыто в 1896 году французским ученым А. Беккерелем, который обнаружил источник естественной радиоактивности совершенно случайно во время проведения опыта по изучению воздействия на фотопластинку, которая была завернута в черную бумагу, флюоресцирующего сернистого цинка. Отсюда, естественная радиоактивность – это превращение атомных ядер одного химического элемента в ядра атомов другого элемента. Данный процесс всегда сопровождается радиоактивным излучением. Он включает в себя два вида излучения: протонное, а также двухпротонное. Естественная радиоактивность включает в состав несколько компонентов. К ним относятся: космическое излучение, радиоактивные вещества, постоянно находящиеся в земле, а также источник излучения, который находится в строительных материалах, в пище и воде. В процентном соотношении естественная радиоактивность может быть представлена следующим образом: 73 % – связано с воздействием природных источников радиации, которые повсеместно окружают нас, 13 % – создается за счет медицинских процедур (наиболее значима по величине рентгеноскопия), а 14 % излучения приходится на лучи из космоса.

В формировании фонового облучения существенную роль отыгрывают искусственные источники радиации. Явление искусственной радиоактивности открыто в 1934 г. супругами Жолио-Кюри, которые показали, что при бомбардировке альфа-частицами ядер легких элементов образуются другие элементы, являющиеся радиоактивными.

Ядра стабильных элементов можно бомбардировать также нейтронами. В настоящее время известно свыше 900 радионуклидов, получаемых искусственным путем. Особенно много искусственных радионуклидов получают в ядерных реакторах, в т.ч. и реакторах АЭС. Большинство из них являются альфа-излучателями и имеют большие периоды полураспада. Стоит отметить, что не существует элементов, у которых не было бы радиоактивного изотопа.

Искусственные радионуклиды появились в связи с деятельностью человека. Они подразделяются на три группы:

1. Радиоактивные продукты ядерного деления. Они возникают при реакциях деления ядер ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu и т.д., которые происходят в результате действия на них нейтронов. Источники этой группы радионуклидов в атмосфере – испытания ядерного оружия, работа предприятий ядерного топливного цикла и атомной промышленности (ядерно-энергетические установки, радиохимические заводы и т. д.). При ядерных взрывах образуется около 250 изотопов 35 элементов. К радиоактивным продуктам деления (РПД): относятся: ¹³¹J, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ¹⁴⁰Ba, ¹³³Xe и многие другие. Период полураспада РПД от нескольких секунд до нескольких десятков лет.

Большинство образующихся радионуклиидов являются бета- и гамма-излучателями (¹³¹J, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba), остальные испускают или только бета-частицы (⁹⁰Sr, ¹³⁵Cs) или альфа-частицы (¹⁴⁴Nd, ¹⁴⁷Sm).

2. Радиоактивные трансурановые элементы, возникающие в ядерно-энергетических установках и при ядерных взрывах в результате последовательных ядерных реакций с ядрами атомов делящегося вещества и последующего радиоактивного распада образующихся сверхтяжелых ядер. К этим радионуклидам относятся ²³⁷Np, ²³⁹Pu, ²⁴¹Am, ²⁴²Cm и др. В основном они альфа-активны, характеризуются очень большим периодом полураспада, отсутствием стабильных изотопов.

3. Продукты наведенной радиоактивности, образующиеся в результате ядерных реакций элементарных частиц. Нейтроны, образующиеся при цепной реакции деления урана или плутония воздействуют на ядра стабильных элементов окружающей среды, превращая их в радиоактивные (реакция активации). К этим радионуклидам относятся: ⁴⁵Ca, ²⁴Na, ²⁷Mg, ²⁹Al, ³¹Si, ⁶⁵Zn, ⁵⁴Fe и др. Большая часть их распадается с испусканием β- частиц и γ- излучения [2].

Рисунок 1. Процесс распада урана

Основными компонентами, составляющими искусственный радиационный фон(ИРФ) являются:

1. Глобальные выпадения искусственных радионуклидов, связанные с испытанием ядерного оружия. США и СССР провели более 400 испытаний ядерных бомб. Это привело к глобальному повышению облучения населения Земли. Большая часть радионуклидов попадает в стратосферу, где они остаются на многие месяцы, и даже годы, медленно опускаясь и рассеиваясь по всей поверхности земного шара. Это приводит к изменению радиационного фона в различных точках земного шара, удаленных на десятки тысяч км от места взрыва. При ядерных взрывах в окружающую среду поступают радионуклиды деления, неразделившаяся часть ядерного заряда, нейтроны. Образуется также наведенная радиоактивность.

Воздействие на человека радиоактивных выпадений включает β- и γ-облучение за счет радионуклидов, присутствующих в приземном воздухе и выпавших на поверхность земли; за счет загрязнения радионуклидами кожных покровов и одежды; за счет внутреннего облучения от попавших в организм радионуклидов с вдыхаемым воздухом, пищей, водой.

2. Загрязнения локального, регионарного и глобального характера, обусловленные неаварийными выбросами АЭС и радиоактивными отходами и особенно при авариях на АЭС. При работе ядерных реакторов как и при ядерных взрывах образуется большое количество радионуклидов (продукты деления ²³⁵U, ²³⁴Pu). Основная масса продуктов деления задерживается и остается непосредственно в топливной композиции. Радиоактивные отходы могут быть в виде газов, аэрозолей, жидкостей и в твердом виде. Для задержки газоаэрозольного выброса АЭС устанавливаются фильтры, используются камеры выдержки, радиохроматографические системы (адсорбция газов на активном угле). Газоаэрозольный выброс – поступление радиоактивных веществ в вытяжную трубу высотой 100-150 м. Рассеиваясь в атмосфере, они образуют облако выброса. При движении облака в атмосфере происходит облучение людей бета- и гамма-излучением. Аэрозольные частицы, выпадая из облака, оседают на местности и мигрируют в элементах экологических систем. Часть радионуклидов, поступивших с пищей обусловливают внутреннее облучение. Жидкие отходы могут попасть в реки и озера.

При работе предприятий урановой промышленности возможно загрязнение окружающей среды радионуклидами на каждом из этапов производства (добыча, переработка, обогащение урана, приготовление ядерного топлива). Так, на рудниках окружающая среда загрязняется радионуклидами семейства урана-235, в основном радоном и продуктами его распада, находящимися в вентиляционном воздухе. Отвалы бедных руд вблизи обогатительных фабрик также являются источником эмиссии в атмосферу радона и продуктов его распада. При регенерации ядерного топлива на радиохимических заводах в выбросах могут быть ³Н, ¹⁴С, ¹³⁷Сs и др.

3. Использование открытых источников ионизирующих излучений в промышленном производстве, сельском хозяйстве, в научных целях, медицине и т.д. Радиоактивные изотопы широко применяются в промышленности. Например, контроль износа поршневых колец в двигателях внутреннего сгорания осуществляют, облучая кольцо нейтронами, в результате чего оно становится радиоактивным. При работе двигателя частицы материала кольца попадают в смазочное масло. Исследуя уровень радиоактивности масла за определенное время работы двигателя, находят износ кольца. С помощью радиоактивной дефектоскопии устанавливают наличие, место нахождения, форму и размеры внутренних дефектов в материалах и изделиях и т.д.

Широкое применение нашли радионуклиды в медицине. С их помощью диагностируют состояние отдельных органов – печени, легких, щитовидной железы и т.д. (³²Р, ⁵⁷Се, ¹³¹J, ¹³³Хе и др.). Их используют для диагностики и лечения опухолей. С этой целью в организм вводят ¹³¹J, так как обмен веществ в опухоли происходит быстрей, чем в здоровых тканях, радиоизотоп йода быстрее накапливается в опухоли. Таким образом, рассматривая излучения над разными участками тела, находят месторасположения опухоли.

Особую роль играет радиационная стерилизация инструментов, одноразовых шприцев, ваты, бинтов и т.д. Нашли применение радионуклиды и в сельском хозяйстве. Облучение семян повышает их всхожесть и урожайность. Применяют излучения и для дезинсекции зерна, консервации сельхозпродуктов. Радиоактивные вещества (их излучения) применяются также в археологии, геологии, геохимии и в др. отраслях.

Радиоактивное (ионизирующее) излучение также можно разделить на несколько типов, в зависимости от вида элементов из которого оно состоит. Разные виды излучения вызваны различными микрочастицами и поэтому обладают разным энергетическим воздействием на вещество, разной способностью проникать сквозь него и как следствие различным биологическим действием радиации [3].

Существуют следующие виды радиоактивного излучения:

1. Альфа, бета и нейтронное излучения, состоящие из различных частиц атомов;

2. Гамма и рентгеновское излучения - это излучения энергии.

Альфа (α) излучение возникает при распаде нестабильных изотопов элементов.

Альфа излучение – разновидность излучений ионизирующих. Это поток тяжёлых частиц, заряженных положительно, движущихся со скоростью около 20000 км/сек и имеющих достаточную энергию. Основные источники этого типа излучения – радиоактивные изотопы веществ, имеющих свойства распада в связи со слабостью атомных связей. Такой распад способствует излучению альфа-частиц.

Рисунок 2. Выделение α-частицы

Альфа-распад сопровождается вылетом из ядра α-частицы (Не), при этом первоначально превращается в ядро атома нового химического элемента, заряд которого меньше на 2, а массовое число – на 4 единицы.

Например, распад изотопа урана ²³⁴U, протекающий с образованием тория ²³⁴Th:

Скорости, с которыми α-частицы (т.е. ядра ) вылетаютиз распавшегося ядра, очень велики (~10⁶ м/с).

Пролетая через вещество, α-частица постепенно теряет свою энергию, затрачивая ее на ионизацию молекул вещества, и, в конце концов, останавливается. α-частица образует на своем пути примерно 10⁶ пар ионов на 1 см пути.

Чем больше плотность вещества, тем меньше пробег α-частиц до остановки.

Данные частицы несут в себе большую энергию и при взаимодействии с веществом вызывают его значительную ионизацию. А в клетках живого организма, помимо ионизации, α-излучение разрушает ткани, приводя к различным повреждениям живых клеток.

Из всех видов радиационного излучения, альфа излучение обладает наименьшей проникающей способностью, лист плотной бумаги полностью задерживает их. Надежной защитой от альфа-частиц является также одежда человека. Даже если альфа-излучение попадает на обнаженного человека, хотя этого допускать тоже нельзя, дальше поверхностных слоев кожи оно не пройдет. Однако, несмотря на малую проникающую способность, альфа-излучение обладает мощной ионизацией. Поэтому внешнее облучение альфа-частицами практически безвредно, но попадание их внутрь организма весьма опасно.

Облучение радиацией в виде альфа-излучения может произойти при попадании радиоактивных элементов внутрь организма, например, с воздухом, водой или пищей, а также через порезы или ранения. Попадая в организм, данные радиоактивные элементы разносятся током крови по организму, накапливаются в тканях и органах, оказывая на них мощное энергетическое воздействие. Поскольку некоторые виды радиоактивных изотопов, излучающих альфа-радиацию, имеют продолжительный срок жизни, то попадая внутрь организма, они способны вызвать в клетках серьезные изменения и привести к перерождению тканей и мутациям.

Радиоактивные изотопы фактически не выводятся с организма самостоятельно, поэтому попадая внутрь организма, они будут облучать ткани изнутри на протяжении многих лет, пока не приведут к серьезным изменениям. Организм человека не способен нейтрализовать, переработать, усвоить или утилизировать, большинство радиоактивных изотопов, попавших внутрь организма [4].

Бета-излучение — поток бета-частиц (позитронов или электронов), которые в зависимости от энергии излучения могут распространяться со скоростью, близкой к скорости света (300 тыс. км/с). Заряд бета-частиц меньше, а скорость больше, чем у альфа-частиц, поэтому они имеют меньшую ионизирующую, но большую проникающую способность. Длина пробега бета-частиц с высокой энергией составляет в воздухе до 20 м, воде и живых тканях — до 3 см, металле — до 1 см.

Рисунок 3. Проходимость излучений через препятствия

Бета-распад бывает трех разновидностей. Первый – ядро, претерпевшее превращение, испускает электрон, второе – позитрон, третье – называется электронный захват (е-захват), ядро поглощает один из электронов.

Первый вид распада протекает по схеме:

(антинейтрино)

где Z - атомный номер, А - массовое число.

Весь процесс протекает так, как если бы один из нейтронов ядра превратился в протон, испустив электрон и антинейтрино:

Второй вид распада протекает по схеме:

(нейтрино).

Процесс протекает так, как если бы один из протонов исходного ряда превратился в нейтрон, испустив при этом позитрон и нейтрино:

Третий вид распада (электронный захват) заключается в том, что ядро поглощает один из электронов своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон, испуская при этом нейтрино:

Скорость движения β-частиц в вакууме равна 0,3 – 0,99 скорости света. Они быстрее чем α-частицы, пролетают через встречные атомы и взаимодействуют с ними. β–частицы обладают меньшим эффектом ионизации (50-100 пар ионов на 1 см пути в воздухе) и при попадании β-частицы внутрь организма они менее опасны чем α-частицы.

На практике бета-частицы почти полностью поглощают оконные или автомобильные стекла и металлические экраны толщиной в несколько миллиметров. Одежда поглощает до

50 % бета-частиц. При внешнем облучении организма на глубину около 1 мм проникает 20—25 % бета-частиц. Поэтому внешнее бета-облучение представляет серьезную опасность лишь при попадании радиоактивных веществ непосредственно на кожу (особенно на глаза) или же внутрь организма. Так, после Чернобыльской аварии наблюдались бета-ожоги ног за 50—100 км от АЭС (например, в г. Народичи Житомирской области). Поэтому местному населению не рекомендовалось ходить по земле босиком.

Некоторые радиоактивные изотопы с бета излучением имеют длительный период распада, то есть попадая в организм, они будут облучать его годами, пока не приведут к перерождению тканей и как следствие к раку [5].

Нейтронное излучение - это поток нейтральных частиц. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана и плутония. Вследствие того, что нейтроны не имеют электрического заряда, нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью. В зависимости от кинетической энергии нейтроны условно делятся на быстрые, сверхбыстрые, промежуточные, медленные и тепловые. Нейтронное излучение возникает при работе ускорителей заряженных частиц и реакторов, образующих мощные потоки быстрых и тепловых нейтронов. Отличительной особенностью нейтронного излучения является способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, что резко повышает опасность нейтронного облучения.

Нейтронное излучение при прохождении через биологические ткани, причиняет клеткам серьезный ущерб, так как обладает значительной массой и более высокой скоростью чем альфа излучение [6].

К волновой группе ионизирующих излучений относят рентгеновское и гамма-излучение.

Гамма-излучение (и близкое к нему рентгеновское излучение) разновидность ионизирующей радиации, которая является родственной световому потоку, но с лучшей способностью к проникновению в окружающие предметы.По своему характеру это высокоэнергетическое коротковолновое электромагнитное (фотонное) излучение, состоящее из гамма-квантов. Как правило, γ-излучение сопутствует α- и β-излучениям, так как в природе практически не встречаются атомы, излучающие только γ-кванты. Ионизирующая способность его значительно меньше, чем у бета-частиц и тем более у альфа-частиц. Зато гамма-излучение имеет наибольшую проникающую способность и в воздухе может распространяться на сотни метров. Защититься от воздействия γ-излучения сложнее, чем от воздействия α- и β-частиц. Проникающая способность его очень высока, и γ-излучение способно насквозь пронизывать живую человеческую ткань. Из-за наибольшей проникающей способности гамма-излучение является важнейшим поражающим фактором радиоактивных излучений при внешнем облучении.

Для того, чтобы задержать гамма-излучение в отдельных случаях может потребоваться стена из нескольких метров свинца, или нескольких десятков метров плотного железобетона. Для человека такое излучение является самым опасным. Основным источником этого вида излучения в природе является Солнце, однако, до человека смертоносные лучи не доходят благодаря защитному слою атмосферы.

Рентгеновское излучение – это энергетическое электромагнитное излучение в виде фотонов, возникающие при переходе электрона внутри атома с одной орбиты на другую.Рентгеновское излучение сходно по действию сгамма излучением, но обладает меньшей проникающей способностью, потому что имеет большую длину волны [7].

Таким образом, рассмотрев различные виды радиоактивного излучения, можно сделать вывод, что понятие радиация включает в себя совершенно различные виды излучения, которые оказывают разное воздействие на вещество и живые ткани, от прямой бомбардировки элементарными частицами (α-, β- и нейтронное излучение) до энергетического воздействия в виде γ- и рентгеновского излучения.

Список использованной литературы

1. Румянцев Г. И. Гигиена, М., ГЭОТАР-Медиа. 2009

2. Василенко О.И. и др. Радиация, М., Изд-во Московского университета. 1996.

3. Василенко О.И.Радиационная экология - М.: Медицина, 2004.

4. Кэбин Э.И. Радиация. Страхи реальные и ложные, М., Изд-во Московского университета. 1996.

5. Архангельский В. И. Радиационная гигиена М., ГЭОТАР-Медиа. 2009

6. Бекман И.Н. Радон: враг, врач и помощник М.: Медицина, 2008

7. Ревелль П., Ревелль Ч. Среда нашего обитания. Кн. 3. Энергетические проблемы человечества/Пер. с англ. М.; Наука, 1995. 296с.

Код для цитирования: Скопировать