12.1. Открытие явления радиоактивности

В конце 1895 г. весь ученый мир был взволновал появившимися в печати сообщениями об открытии профессором Вильгельмом Конрадом Рентгеном лучей, обладавших необычными свойствами.

Радиоактивность — это способность ряда химических элементов самопроизвольно распадаться и испускать невидимое излучение.

Глубокое изучение свойств радиоактивных элементов привело к созданию так называемой планетарной модели атома (английский физик Э. Резерфорд. 1911 г.), затем она была усовершенствована датским ученым Нильсом Бором. Этой моделью мы пользуемся до настоящего времени.

Атом похож на солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного ядра (размеры атома очень малы — поперечник атома составляет около 10"8 см, следовательно, на 1 см можно уложить 100 млн атомов) движутся по орбитам крошечные «планеты* — электроны.

В ядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа — нейтроны, поскольку они электрически нейтральны. Ядра атомов одного и того же элемента содержат всегда одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же химического элемента, называемым изотопами данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента добавляют число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов; в уране-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона. Ядра всех изотопов химических элементов образуют группу нуклидов.

Некоторые нуклиды стабильны, то есть в отсутствие внешнего воздействия никогда не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабильны, они все время превращаются в другие нуклиды. При каждом акте распада высвобождается энергия, которая и передается в виде радиоактивного излучения. Сразу же после открытия радиоактивности перед наукой встал ряд новых вопросов: что собой представляют открытые лучи, каковы их природа и свойства, насколько широко радиоактивные вещества распространены в природе, какое действие они оказывают на человека и окружающую природу. Понадобилось, однако, несколько десятков лет, чтобы получить ответ на поставленные вопросы.

Прежде всего удалось решить вопрос о природе лучей, испускаемых радиоактивными атомами.

Альфа-лучи оказались потоком частиц с массой, равной четырем, и двойным положительным зарядом, то есть потоком ядер атомов гелия. Эти частицы вылетают из ядра со скоростью 15 000-20 000 км/с. а-частицы обладают очень малой проникающей способностью. В зависимости от энергии частиц в воздухе они могут пройти путь 2—9 см, в биологической ткани — 0,02—0,06 мм; они полностью поглощаются листом чистой бумаги.

Бета-лучи — это ноток (3-частиц (электронов), вылетающих из ядер со скоростью света. Максимальная энергия 3-частиц радиоактивных изотопов может различаться в широких пределах — от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон- вольт. Проникающая способность этих частиц значительно больше, чем у а-час- тиц. Бета-частицы могут пройти в воздухе до 15 м, в воде и биологической ткани — до 12 мм, и алюминии до 5 мм.

у -лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны 10 — 10 11 см. Проникающая способностьу-лучей очень велика — значительно больше, чем у а- и Р-частиц. Чтобы ослабить у-излучение радиоактивного кобальта вдвое, нужно установить защиту из слоя свинца толщиной 1,6 см или слоя бетона толщиной 10 см. Чем короче длина волны, тем большую проникающую способность имеют у-лучи.

Таким образом, под проникающей радиацией понимают поток у-лучей и нейтронов. Коэффициенты половинного ослабления приведены в табл. 12.1.

Таблица 12.1. Коэффициенты половинного ослабления материалов, см Материал Проникающая радиация у-лучи нейтроны Свинец 1,8 8,7 Сталь 2,8 4.7 Бетон 10 12 Грунт, кирпич, песок 14 12 Дерево 30 10 Вода 23 3

Сейчас каждый школьник знает, что проникающая радиация разрушает организм человека, может вызвать у него лучевую болезнь различной степени.

На организм воздействует не вся энергия излучения, а только поглощенная энергия. Поглощенная доза более точно характеризует воздействие ионизирующих лучей на биологические ткани и измеряется во внесистемных единицах, называемых рад. Достоинства рада как дозиметрической единицы в том. что его можно использовать для любого вида излучений в любой среде. Рад - это такая доза, когда энергия, поглощенная 1 кг вещества, равна 0.01 Дж, или 105 эрг. Биологическим эквивалентом рада является бэр.

Надо учитывать тот факт, что при одинаковой поглощенной дозе а-излученне гораздо опаснее Р- и у-излучений. Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вила повреждать ткани организма; а-излученне считается при этом в 20 раз опаснее

б 3«. 287

других видов излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой; в СИ ее измеряют в единицах, называемых зивертами (Зв). Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма, — она измеряется в зивер- тах.

Величины и единицы, используемые в дозиметрии ионизирующих излучений, приведены в табл. 12.2.

Таблица 12.2. Величины и единицы, используемые в дозиметрии ионизирующих излучений Физическая величина и ее символ В СИ Внесистемная Соотношение между ними Активность (С) Беккерель(Бк) Кюри (Ки) 1 Бк = 1 расп/с = 2,7 • 10'" Ки 1 Ки = 3,7 • 10'° Бк Поглощенная доза (Д) Грей(Гр) Рад (рад) 1 Гр = 100 рад = 1 Дж/кг 1 рад = 10'2Гр= 100эрг/г Эквивалентная доза (Н) Зиверт(Зв) Бэр(бэр) 1 Зв = 100 бэр = 1 ГрО =

= 1 Дж/кг • О 1 бэр = 10'2 Зв = = 10‘2 Гр -0=1 рад ? О

Активность радионуклида означает число распадов в секунду. Один беккерель равен одному распаду в секунду. 12.2.