Основные свойства радиоактивных веществ

И ионизирующих излучений

Изучение свойств РВ и ИИ необходимо начинать со строения атома и атомного ядра.

Весь мир состоит из атомов, имеющих размер порядка 10^-8…10^-10 м – атом меньше горошины настолько, насколько горошина меньше земного шара. Основная часть массы атома сосредоточена в ядре, вокруг которого с огромной скоростью (несколько тысяч км/с) вращаются электроны (рис. 1). Поскольку скорость вращения электронов велика, и движутся они во всех плоскостях вокруг ядра, формируются электронные оболочки – сферы определенного радиуса с центром в ядре.

Рис. 1. Строение атома

Ядро по размерам намного меньше самого атома – 10^-12…10^-15 м: если бы ядро было с копеечную монету, ближайший электрон обращался бы вокруг него на расстоянии около ста метров. Атомные ядра сложены из положительно заряженных протонов и нейтронов, не имеющих электрического заряда: по массе эти частицы примерно одинаковы. Масса протона (примерно 1,67 ·10^-27 кг) принята за эталонную единицу – атомную единицу массы (а.е.м.).

Электрон в 1836 раз легче протона, но его отрицательный заряд (1,6 ·10 ^‑19 Кл) полностью уравновешивает положительный заряд протона. Заряд электрона принят за эталонную единицу – элементарный заряд. Поскольку количество электронов в атоме равно количеству протонов в ядре, их заряды компенсируют друг друга и атом остается электрически нейтральным.

Число протонов в ядре определяет порядковый номер Z элемента в таблице Менделеева. Один химический элемент может иметь несколько разновидностей – изотопов, ядра которых содержат одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Нейтрон не влияет на заряд ядра, но увеличивает его массу. При обозначениях изотопов указывается символ элемента X (латинскими буквами) и атомная масса Am (общее количество протонов и нейтронов в ядре) – например: изотопы углерода ¹²C (углерод-12) и ¹⁴C (углерод-14); изотопы стронция ⁸⁹Sr (стронций-89) и ⁹⁰Sr (стронций-90); изотопы цезия ¹³⁴Cs (цезий-134) и ¹³⁷Cs (цезий-137). Изотопы имеют одинаковые химические свойства – различить их можно только по массе. Из 108 известных на сегодняшний день элементов каждый имеет несколько изотопов. Минимальное количество имеет водород – 3 изотопа: ¹H (протий), ²H (дейтерий), ³H (тритий). Максимальное количество изотопов у цезия – 38. Собственные названия имеют только изотопы водорода – для обозначения изотопов элементов используют либо сокращенную форму записи – ^AmX (например ⁹⁰Sr), либо полную – ^Am_ZX (например ⁹⁰₃₈Sr).

Многие изотопы стабильны – в отсутствие внешних воздействий никогда не претерпевают никаких изменений. Но большая часть изотопов нестабильна – с течением времени они превращаются в другие изотопы (данного элемента или других, более легких). Нестабильные изотопы называются радиоактивными.

Радиоактивность – способность самопроизвольного распада атомных ядер, сопровождающегося выделением ионизирующих излучений.

Ядра могут испускать излучение под действием как внутренних, так и внешних факторов, но в любом случае излучение идет из ядра – поэтому атомную энергию часто называют ядерной.

Атомные ядра называют в физике нуклидами. Радионуклиды – нестабильные нуклиды (нуклиды, подверженные радиоактивному распаду). Термин "радиоактивность" появился в конце ХIХ века, после открытия элемента радия (по-латински "испускающий лучи").

Поскольку протон и нейтрон имеют практически одинаковые массы (нейтрон примерно на 0,1% тяжелее протона), физики присвоили им общее название "нуклон". Когда известно общее количество нуклонов Am и порядковый номер элемента Z, равный количеству протонов, можно определить количество нейтронов в ядре N = Am – Z. Если количество нейтронов в ядре превосходит количество протонов в 1,5 и более раз, такое ядро является нестабильным и, рано или поздно, произойдет его распад. Если количество нейтронов в ядре незначительно превосходит число протонов, ядро стабильно и распасться может только при внешнем воздействии (например, облучение ядра потоком разогнанных до высоких скоростей элементарных частиц).

Излучение, испускаемое ядром, достигает соседних атомов – при этом может произойти их ионизация.

Ионизация – процесс разделения электрически нейтральных атомов на положительно- и отрицательно-заряженные ионы.

Электроны в атоме движутся на определенном, четко фиксированном расстоянии от ядра – по так называемым "разрешенным" стационарным орбитам. Если атом в результате внешнего облучения получает дополнительную энергию, электрон переходит на другую, более высокую стационарную орбиту, то есть более удаленную от ядра (рис. 2). Новое состояние атома, содержащее такие электроны, называется "возбужденным". Как только энергия возбуждения превысит энергию связи электрона с ядром, он вылетит из атома (рис. 3).

При ионизации атома образуется один или несколько легких отрицательно-заряженных ионов (электронов) и один тяжелый положительно-заряженный ион.

Рис. 2. Переход электрона на более высокую орбиту

Рис. 3. Схема ионизации атома

Ионизированные атомы приобретают особые физические и химические свойства: к примеру, они способны вступать в реакции, в которых неионизированные атомы не участвуют. Если эти химические реакции протекают в живых организмах, создается серьезная угроза для их жизни и здоровья.

Возникшие положительно-заряженные ионы могут захватывать электроны, вновь образуя нейтральный атом. Данный процесс называется рекомбинацией.

Излучение должно обладать достаточной большой энергией, чтобы "оторвать" один или несколько электронов от атома. К примеру, радиоволны, видимый свет или ультрафиолетовое излучение такой способностью не обладают – они могут только "передвинуть" электроны атома на более высокую орбиту.

Излучение, способное ионизировать атомы, называется ионизирующим.

При распаде радионуклиды испускают несколько видов ионизирующих излучений, основными из которых являются альфа-, бета- и гамма-излучение.

Рис. 4. Ионизирующие излучения,

выделяющиеся при распаде радионуклидов

Альфа-излучение – это поток положительно-заряженных частиц (α-частиц) (рис. 4). Источниками α-частиц являются тяжелые радионуклиды, расположенные в конце таблицы Менделеева: висмут-210, радон-222, уран-235, плутоний-239 и другие. Количество нейтронов в ядре данных изотопов значительно превосходит количество протонов. При распаде от ядра "отрывается" значительная по массе и размерам частица, состоящая из 2 протонов и 2 нейтронов. Фактически это ядро атома гелия, имеющая массу 4 и заряд +2. Начальная скорость α-частиц достигает 20000 км/с. Они способны ионизировать почти все атомы на своем пути (ионизирующая способность в воздухе достигает 6000 атомов на миллиметр траектории). Но из-за своей огромной, по атомным масштабам, массы α-частицы не способны преодолевать большие расстояния – в воздухе они представляют опасность на расстоянии до 10 сантиметров от источника радиации. По мере продвижения в веществе α-частицы теряют свою энергию, и на некотором расстоянии от начала пути их скорость становится равной скорости теплового движения атомов и молекул среды – в этом случае α-частицы опасности уже не представляют. Глубина проникновения частиц в вещество (так называемый пробег или длина пробега) является величиной, зависящей от типа излучения и его энергии. В воде пробег α-частиц не превышает 1 см, а в алюминии 0,01 мм. α-частицы легко задерживаются практически любыми материалами – бумагой, тканью одежды, полиэтиленовой пленкой и т.д. Даже человеческая кожа является непреодолимой преградой для данного вида излучения – пробег α-частиц в роговом слое, состоящем из мертвых, высохших клеток, не превышает 0,05 мм, тогда как средняя толщина этого слоя у человека составляет примерно 0,07 мм. Таким образом, при внешнем облучении α-частицы опасности не представляют – главное, чтобы α-излучающие радионуклиды не попали внутрь организма.

Альфа-излучающие радионуклиды практически безопасны при внешнем облучении, но чрезвычайно опасны при попадании внутрь организма (через поврежденную кожу, органы дыхания, желудочно-кишечный тракт).

Бета-излучение – поток отрицательно- (иногда положительно-) заряженных легких частиц (β-частиц) (рис. 4). β-частицы образуются при распаде элементов, расположенных в начале и середине таблицы Менделеева: трития-3, стронция-90 и т.д. β-частица представляет собой электрон (позитрон), передвигающийся в пространстве с очень большой скоростью (начальная скорость β-частиц достигает 200000 км/с). При обозначении "электронную" β-частицу обозначают β^– (отрицательный заряд), "позитронную" – β⁺ (положительный заряд). Ионизирующая способность β-частиц в воздухе достигает 6 атомов на миллиметр траектории, что намного меньше, чем у α-частиц, но благодаря своей малой массе β-частицы могут преодолевать большие расстояния, измеряемые метрами (в воздухе пробег – до 10 м и более).

Бумага или ткань одежды не защитят человека от бета-излучения. Необходимо использовать специальные экраны из металла (например, алюминия) или других материалов, способных затормозить бета-частицы. Для защитных экранов не используют плотные металлы, такие как свинец, потому что при быстром торможении β-частиц в данном материале образуется "тормозное" рентгеновское излучение. Можно использовать только легкие металлы, в которых торможение β-частиц происходит плавно, без выделения вредных излучений.

Лучшей защитной мерой будет удаление от источника бета-излучения на несколько метров. Главное, чтобы бета-излучающие радионуклиды не попали с вдыхаемым воздухом, пищей или водой внутрь организма.

Бета-излучающие радионуклиды представляют опасность как при внешнем, так и при внутреннем облучении организма.

Гамма-излучение (γ-лучи) – поток электромагнитных волн, по своей природе сходных с обычным светом, только имеющих короткую длину (и высокую частоту). Как и свет, гамма-излучение не имеет электрического заряда и массы покоя, и распространяется от источника радиации по прямолинейной траектории со скоростью 300000 км/с (рис. 4). Ионизирующая способность γ-лучей меньше, чем у β-частиц (в воздухе 1 атом на сантиметр траектории).

Защититься от гамма-излучения довольно сложно. Во-первых, в воздухе гамма-излучение способно преодолевать расстояния, измеряемые десятками и даже сотнями метров (в вакууме – километрами). Во-вторых, если используются защитные экраны, приходится делать их толстыми и массивными. Стены бревенчатого дома ослабляют гамма-излучение всего в 2 раза, кирпичного или бетонного – в 4...5 раз. Броня танка ослабляет гамма-излучение в 8...10 раз. Лучшей защитой является использование экранов, изготовленных из тяжелых металлов – вольфрама, висмута и т.д. Чаще всего используется свинец (причина – относительно низкая стоимость).

Удаление от источника радиации является самой эффективной мерой защиты. Интенсивность излучения уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника: интенсивность излучения на расстоянии 2 метра от источника в 4 раза меньше, чем на расстоянии 1 метр; на расстоянии 4 метра меньше уже в 16 раз; на расстоянии 10 метров меньше в 100 раз и т.д.

Гамма-излучающие радионуклиды представляют опасность в основном при внешнем облучении организма.

Гамма-излучение испускают многие радионуклиды: кобальт-60, йод-131, цезий-134, цезий-137 и т.д. Эти радионуклиды в больших количествах образуются при ядерных взрывах, а также могут попасть в окружающую среду из разрушенных атомных реакторов и радиоизотопных установок.

Большинство радионуклидов испускают смешанное излучение: гамма- и бета-, альфа- и гамма- и даже альфа-, бета- и гамма-, как у радия-226 (рис. 4).

При работе некоторых электрических установок (высоковольтных выпрямителей, рентгенодиагностических аппаратов, электронно-лучевых трубок) возникает рентгеновское излучение (X-лучи), по своим свойствам напоминающее гамма-излучение, но проникающая способность у X-лучей ниже, чем у γ-лучей (для защиты требуются защитные экраны из тяжелых металлов меньшей толщины). Ионизирующая способность рентгеновских лучей так же меньше, чем у γ-лучей, и в воздухе не превышает 1 атома на 2 см траектории.

Рентгеновское излучение представляет опасность только при внешнем облучении организма.

При ядерных взрывах и некоторых авариях на атомных реакторах серьезную угрозу для населения представляет нейтронное излучение. Нейтроны (n) образуются в большом количестве при ядерных цепных реакциях. Начальная скорость нейтронов не превышает 20000 км/с, но у этих частиц достаточно высокая ионизирующая способность (в воздухе – 60 атомов на миллиметр траектории) и большой пробег, измеряемый в воздухе десятками метров. Нейтроны движутся от источника радиации по сложной криволинейной траектории, что создает определенные трудности при сооружении защитных экранов. Особая опасность нейтронного излучения в том, что под его воздействием в облучаемых объектах (металлах) возникают ядерные реакции, в результате которых сами эти объекты становятся радиоактивными (так называемая наведенная γ-радиоактивность).

Нейтронное излучение представляет опасность только при внешнем облучении организма.

Защититься от нейтронного излучения труднее, чем от гамма-излучения: свинцовые экраны способны лишь незначительно ослабить поток нейтронов. Хорошо тормозят и задерживают нейтроны материалы, содержащие водород, такие как парафин, полиэтилен, а также обычная вода. В качестве защитных экранов используют также пластины из бора, графита и кадмия.

Таблица 1