Радіація не завжди страшна: всі, що ви хотіли про це знати

Що ж таке радіація? Так називають різні види іонізуючого випромінювання, тобто того, яке здатне відривати електрони від атомів речовини. Три основні види іонізуючого випромінювання прийнято позначати грецькими буквами альфа, бета і гамма. Альфа-випромінювання - це потік ядер гелію-4 (практично весь гелій з повітряних кульок колись був альфа-випромінюванням), бета - потік швидких електронів (рідше позитронів), а гамма - потік фотонів високої енергії. Ще один вид радіації - потік нейтронів. Іонізуюче випромінювання (за винятком рентгенівського) - результат ядерних реакцій, тому ні мобільні телефони, ні мікрохвильові печі не є його джерелами.

заряджена зброя

З усіх видів мистецтва для нас найважливішим, як відомо, є кіно, а з видів радіації - гамма-випромінювання. Воно має дуже високу проникаючу здатність, і теоретично ніяка перешкода не здатна захистити від нього повністю. Ми постійно піддаємося гамма-опроміненню, воно приходить до нас крізь товщу атмосфери з космосу, пробивається крізь шар грунту і стіни будинків. Зворотний бік такої всепроникність - відносно слабкий руйнівну дію: з великої кількості фотонів лише мала частина передасть свою енергію організму. М'яке (низькоенергетичний) гамма-випромінювання (і рентгенівське) в основному взаємодіє з речовиною, вибиваючи з нього електрони за рахунок фотоефекту, жорстке - розсіюється на електронах, при цьому фотон не поглинається і зберігає помітну частину своєї енергії, так що ймовірність руйнування молекул в такому процесі значно менше.

Бета-випромінювання за своїм впливом близько до гамма-випромінювання - воно теж вибиває електрони з атомів. Але при зовнішньому опроміненні воно повністю поглинається шкірою і найближчими до шкіри тканинами, не доходячи до внутрішніх органів. Проте це призводить до того, що потік швидких електронів передає опроміненим тканинам значну енергію, що може привести до променевим опіків або спровокувати, наприклад, катаракту.

Альфа-випромінювання несе значну енергію і великий імпульс, що дозволяє йому вибивати електрони з атомів і навіть самі атоми з молекул. Тому завдані їм «руйнування» значно більше - вважається, що, передавши тілу 1 Дж енергії, альфа-випромінювання завдасть такої ж шкоди, як 20 Дж в разі гамма-або бета-випромінювання. На щастя, проникаюча здатність альфа-частинок надзвичайно мала: вони поглинаються самим верхнім шаром шкіри. Але при попаданні всередину організму альфа-активні ізотопи вкрай небезпечні: згадайте сумнозвісний чай з альфа-активним полонієм-210, яким був отруєний Олександр Литвиненко.

нейтральна небезпека

Але перше місце в рейтингу небезпеки, безсумнівно, займають швидкі нейтрони. Нейтрон не має електричного заряду і тому взаємодіє ні з електронами, а з ядрами - тільки при «прямому влученні». Потік швидких нейтронів може пройти через шар речовини в середньому від 2 до 10 см без взаємодії з ним. Причому в разі важких елементів, зіткнувшись з ядром, нейтрон лише відхиляється в сторону, майже не втрачаючи енергії. А при зіткненні з ядром водню (протонів) нейтрон передає йому приблизно половину своєї енергії, вибиваючи протон з його місця. Саме цей швидкий протон (або, в меншій мірі, ядро ​​іншого легкого елемента) і викликає іонізацію в речовині, діючи подібно альфа-випромінювання. В результаті нейтронне випромінювання, подібно гамма-квантів, легко проникає всередину організму, але там майже повністю поглинається, створюючи швидкі протони, що викликають великі руйнування. Крім того, нейтрони - це те саме випромінювання, яке викликає наведену радіоактивність в опромінюються речовинах, тобто перетворює стабільні ізотопи в радіоактивні. Це вкрай неприємний ефект: скажімо, з транспортних засобів після перебування в осередку радіаційної аварії альфа-, бета- і гамма-активну пил можна змити, а ось від нейтронної активації позбутися неможливо - випромінює вже сам корпус (на цьому, до речі, і був заснований вражаючий ефект нейтронної бомби, активоване броню танків).

У природі нейтронне випромінювання досить незначно. По суті, ризик піддатися йому існує лише при ядерному бомбардуванню або серйозної аварії на АЕС з розплавленням і викидом у навколишнє середовище здебільшого активної зони реактора (та й то лише в перші секунди).

газорозрядні лічильники

Радіацію можна виявити і виміряти за допомогою різних датчиків. Найпростіші з них - іонізаційні камери, пропорційні лічильники і газорозрядні лічильники Гейгера-Мюллера. Вони являють собою тонкостінну металеву трубку з газом (або повітрям), уздовж осі якої натягнута зволікання - електрод. Між корпусом і дротиком прикладають напругу і вимірюють протікає струм. Принципова відмінність між датчиками лише у величині прикладається напруги: при невеликих напругах маємо іонізаційну камеру, при великих - газорозрядне лічильник, десь посередині - пропорційний лічильник.

Камери іонізаційні і пропорційні лічильники дозволяють визначити енергію, яку передала газу кожна частка. Лічильник Гейгера-Мюллера тільки вважає частинки, зате свідчення з нього дуже легко отримувати і обробляти: потужність кожного імпульсу достатня, щоб безпосередньо вивести її на невеликий динамік! Важлива проблема газорозрядних лічильників - залежність швидкості рахунку від енергії випромінювання при однаковому рівні радіації. Для її вирівнювання використовують спеціальні фільтри, які поглинають частину м'якого гамма-і все бета-випромінювання. Для вимірювання щільності потоку бета-і альфа-частинок такі фільтри роблять знімними. Крім того, для підвищення чутливості до бета-і альфа-випромінювання застосовуються «торцеві лічильники»: це диск з денцем в якості одного електрода і другим спіральним дротяним електродом. Кришку торцевих лічильників роблять з дуже тонкої (10? 20 мкм) пластинки слюди, через яку легко проходить м'яке бета-випромінювання і навіть альфа-частинки.

Напівпровідники і сцинтилятори

Замість іонізаційнийкамери можна використовувати напівпровідниковий датчик. Найпростішим прикладом служить звичайний діод, до якого прикладено замикає напруга: при попаданні іонізуючої частинки в pn-перехід вона створює додаткові носії заряду, які призводять до появи імпульсу струму. Щоб підвищити чутливість, використовують так звані pin-діоди, де між шарами p- і n-напівпровідників є відносно товстий шар нелегованого напівпровідника. Такі датчики компактні і дозволяють вимірювати енергію частинок з високою точністю. Але обсяг чутливої ​​області у них малий, а тому чутливість обмежена. Крім того, вони набагато дорожче газорозрядних.

Ще один принцип - підрахунок і вимірювання яскравості спалахів, які виникають в деяких речовинах при поглинанні частинок іонізуючого випромінювання. Побачити неозброєним оком ці спалахи не можна, але спеціальні високочутливі прилади - фотоелектронні помножувачі - на це здатні. Вони навіть дозволяють вимірювати зміна яскравості в часі, що характеризує втрати енергії кожної окремої часткою. Датчики на цьому принципі називають сцінтілляторнимі.

Щит від радіації

Для захисту від гамма-випромінювання найбільш ефективні важкі елементи, такі як свинець. Чим більше номер елемента в таблиці Менделєєва, тим більше у ньому проявляється фотоефект. Ступінь захисту залежить і від енергії частинок випромінювання. Навіть свинець послаблює випромінювання від цезію-137 (662 кеВ) лише в два рази на кожні 5 мм своєї товщини. У разі кобальту-60 (одна тисяча сто сімдесят три і 1333 кеВ) для дворазового ослаблення потрібно вже більше сантиметра свинцю. Лише для м'якого гамма-випромінювання, такого як випромінювання кобальту-57 (122 кеВ), серйозним захистом буде і досить тонкий шар свинцю: 1 мм послабить його раз в десять. Так що протирадіаційні костюми з фільмів і комп'ютерних ігор в реальності захищають лише від м'якого гамма-випромінювання.

Бета-випромінювання повністю поглинається захистом певної товщини. Наприклад, бета-випромінювання цезію-137 з максимальною енергією 514 кеВ (і середньої 174 кеВ) повністю поглинається шаром води завтовшки в 2 мм або всього 0,6 мм алюмінію. А ось свинець для захисту від бета-випромінювання використовувати не варто: занадто швидке гальмування бета-електронів призводить до утворення рентгенівського випромінювання. Щоб повністю поглинути випромінювання стронцію-90, потрібно менше 1,5 мм свинцю, але для поглинання утворився при цьому рентгенівського випромінювання потрібно ще сантиметр!

Від зовнішнього альфа-опромінення захиститися найпростіше: для цього досить аркуша паперу. Втім, велика частина альфа-часток не проходить в повітрі і п'яти сантиметрів, так що захист може знадобитися хіба що в разі безпосереднього контакту з радіоактивним джерелом. Куди важливіше захиститися від попадання альфа-активних ізотопів всередину організму, для чого використовується маска-респіратор, а в ідеалі - герметичний костюм з ізольованою системою дихання.

Нарешті, від швидких нейтронів найкраще захищають багаті воднем речовини. Наприклад, вуглеводні, найкращий варіант - поліетилен. Відчуваючи зіткнення з атомами водню, нейтрон швидко втрачає енергію, сповільнюється і незабаром стає нездатний викликати іонізацію. Однак такі нейтрони все ще можуть активувати, тобто перетворювати в радіоактивні, багато стабільні ізотопи. Тому в нейтронну захист часто додають бор, який дуже сильно поглинає такі повільні (їх називають тепловими) нейтрони. На жаль, товщина поліетилену для надійного захисту повинна бути як мінімум 10 см. Так що вона виходить не набагато легше, ніж свинцева захист від гамма-випромінювання.

Таблетки від радіації

Людський організм більш ніж на три чверті складається з води, так що основна дія іонізуючого випромінювання - радіоліз (розкладання води). Утворені вільні радикали викликають лавинний каскад патологічних реакцій з виникненням вторинних «осколків». Крім того, випромінювання пошкоджує хімічні зв'язки в молекулах нуклеїнових кислот, викликаючи дезінтеграцію і деполимеризацию ДНК і РНК. Инактивируются найважливіші ферменти, що мають в своєму складі сульфгідрильні групи - SH (аденозинтрифосфатаза, сукціноксідаза, гексокіназа, карбоксилаза, холінестераза). При цьому порушуються процеси біосинтезу і енергетичного обміну, із зруйнованих органел в цитоплазму вивільняються протеолітичні ферменти, починається самопереваривание. У групі ризику в першу чергу виявляються статеві клітини, попередники формених елементів крові, клітини шлунково-кишкового тракту і лімфоцити, а ось нейрони і м'язові клітини до іонізуючого випромінювання досить стійкі.

Препарати, здатні захистити від наслідків опромінення, стали активно розроблятися в середині XX століття. Більш-менш ефективними і придатними для масового використання виявилися лише деякі амінотіолов, такі як цистамін, цістеамін, аміноетілізотіуроній. По суті вони є донорами - SH груп, підставляючи їх під удар замість «рідних».

Радіація навколо нас

Щоб зіткнутися з радіацією «обличчям до обличчя», аварії зовсім не обов'язкові. Радіоактивні речовини широко застосовуються в побуті. Природного радіоактивністю володіє калій - дуже важливий для всього живого елемент. Через малу домішки ізотопу K-40 в природному калії «фонить» дієтична сіль і калійні добрива. У деяких старих об'єктивах використовувалося скло з домішкою оксиду торію. Цей же елемент додають в деякі сучасні електроди для аргоновой зварювання. До середини ХХ століття активно використовували прилади з підсвічуванням на основі радію (в наш час радій замінили на менш небезпечний тритій). У деяких датчиках диму використовується альфа-випромінювач на основі америцію-241 або високозбагаченого плутонію-239 (так-так, того самого, з якого роблять ядерні бомби). Але хвилюватися не варто - шкода здоров'ю від всіх цих джерел значно менше шкоди від занепокоєння з цього приводу.

Доза і потужність

При вимірюванні і оцінці радіації використовується безліч понять і одиниць.

• - Експозиційна доза пропорційна кількості іонів, які створюють гамма і рентгенівське випромінювання в одиниці маси повітря. Її прийнято вимірювати в рентгенах (Р).
• - Поглинена доза - кількість енергії випромінювання, поглинена одиницею маси речовини. Раніше її вимірювали в радах (рад), а зараз вимірюють в греях (Гр).
• - Еквівалентна доза додатково враховує різницю в руйнівною здатності різних типів радіації. Раніше її вимірювали в «біологічних еквівалентах рада» - берах (бер), зараз-в зіверт (Зв).
• - Ефективна доза враховує різну чутливість органів до радіації: так, опромінювати руку менш небезпечно, ніж спину або груди. Раніше вимірювалася в тих же берах, зараз - в зіверт.

Переклад одних одиниць вимірювання в інші не завжди коректний, але прийнято вважати, що експозиційна доза гамма-випромінювання в 1 Р принесе організму такої ж шкоди, як еквівалентна доза 1/114 Зв. Переклад радий в греі і берів в зіверт дуже простий: 1 Гр = 100 рад, 1Зв = 100бер. Для перекладу поглиненої дози в еквівалентну використовують коефіцієнт якості випромінювання, що дорівнює 1 для гамма-і бета-випромінювання, 20 для альфа-випромінювання і 10 для швидких нейтронів. Наприклад, 1 Гр швидких нейтронів = 10Зв = 1000 бер.

• - Природна потужність еквівалентної дози (ПЕД) зовнішнього опромінення зазвичай становить 0,06 - 0,10мкЗв / год, але в деяких місцях може бути і менше 0,02 мкЗв / год або більше 0,30 мкЗв / год. Рівень більш 1,2мкЗв / ч в Росії офіційно вважається небезпечним, хоча в салоні літака під час перельоту ПЕД може багаторазово перевищувати це значення. А екіпаж МКС піддається опроміненню з потужністю приблизно 40 мкЗв / год.