Естественная и искусственная радиоактивность природных вод. Явление радиоактивности. Естественная и искусственная радиоактивность. Радиоизотопы

Все известные радиоактивные элементы разделяют на две группы: естественные и искусственные (техногенные).

Внутреннее облучение.

Земная радиация.

В природе существует три ряда (семейства) радиоактивных веществ: ряд урана-радия, ряд тория и ряд актиния. В каждом ряду с течением времени атомы претерпевают последовательные радиоактивные распады, испуская на каждой ступени α- или β- частицы (с сопровождением γ- излучения или без него) и превращаясь в атомы других химических элементов.

Существование в природе этих трех рядов определяется наличием в каждом случае родоначального нуклида, период полураспада которого сравним с возрастом Земли. В уран-радиевом ряду родоначальником является изотоп урана -238 (238 U) с периодом полураспада 4,5 · 10 9 лет. Актиноуран (235 U) служит родоначальником ряда урана с периодом полураспада 7,1 · 10 8 лет. Изотоп тория-232 (232 Th) с периодом полураспада 1,4 · 10 10 лет является исходным элементом в ториевом ряду. Стабильными конечными продуктами каждого ряда превращений являются изотопы свинца - соответственно 206 Pb, 207 Pb, 208 Pb.

В настоящее время на Земле сохранилось 23 долгоживущих радиоактивных элемента с периодами полураспада от 10 7 лет и выше. Физические характеристики некоторых из них представлены в таблице 11.1.

Таблица 11.1.

Физические характеристики некоторых долгоживущих радиоактивных элементов.

В трех радиоактивных семействах: урана (238 U), тория (232 Th) и актиния (235 Ас) в процессах радиоактивного распада постоянно образуется 40 радиоактивных изотопов. Средняя эффективная эквивалентная доза внешнего облучения, которую человек получает за год от земных источников, составляет около 0.35 мЗв, т.е. чуть больше средней индивидуальной дозы, обусловленной облучением из-за космического фона на уровне моря.

Однако уровень земной радиации неодинаков в различных районах. Так, например, в 200 километрах к северу от Сан-Пауло (Бразилия) есть небольшая возвышенность, где уровень радиации в 800 раз превосходит средний и достигает 260 мЗв в год. На юго-западе Индии 70 000 человек живут на узкой прибрежной полосе, вдоль которой тянутся пески, богатые торием. Эта группа лиц получает в среднем 3.8 мЗв в год на человека. Как показали исследования, во Франции, ФРГ, Италии, Японии и США около 95% населения живут в местах с дозой облучения от 0.3 до 0.6 мЗв в год. Около 3% получает в среднем 1 мЗв в год и около 1.5% более 1.4 мЗв в год.

Структура и величины средних за год эффективных доз облучения населения Украины от природных источников ионизирующего излучения приведены на рисунке 11.1.

Средняя годовая доза облучения составляет 4,88 мЗв, а с учетом последних данных по содержанию радона - 220 (220 Rn) в воздухе жилых помещений значение средней годовой дозы облучения составляет 5,3 мЗв в год.

В разных странах мира величины средних доз различаются от 2,0 мЗв/год (Англия) до ~ 7,8 мЗв/год (Финляндия). Но общим является то, что наибольший вклад в дозу вызван наличием радона, радиоактивного газа, продукта распада природного радия.

Космические лучи.

Космическое излучение складывается из частиц, захваченных магнитным полем Земли, галактического космического излучения и корпускулярного излучения Солнца. В его состав входят в основном электроны, протоны и альфа-частицы. Это первичное космическое излучение. При взаимодействуя с атмосферой Земли образуется вторичное излучение.

Доза облучения от первичного космического излучения на уровне моря составляет 2.4 нЗв/час, при этом большинство населения получает дозу, равную около 0.35 мЗв в год.

Интенсивность космического излучения зависит от солнечной активности, географического положения объекта и возрастает с высотой над уровнем моря. Наиболее интенсивно оно на Северном и Южном полюсах, менее интенсивно в экваториальных областях. Причина этого - магнитное поле Земли, отклоняющее заряженные частицы космического излучения.

Величина дозы радиоактивного облучения, получаемая человеком, зависит от географического местоположения, образа жизни и характера труда. Например на высоте 8 км мощность эффективной дозы составляет 2 мкЗв/час, что приводит к дополнительному облучению при авиаперевозках.

При вторичном облучении, в результате ядерных реакций образуются радиоактивные ядра - космогенные радионуклиды.

Например, n + 14 N 3 H + 12 C , p + 14 N n + 14 C

В создание дозы наибольший вклад вносят 3 H, 7 Be, 14 C и 22 Na которые поступают вместе с пищей в организм человека (табл.11.2.)

Таблица 11.2.

Среднее годовое поступление космогенных радионуклидов в организм человека.

Взрослый человек потребляет с пищей 95 кг углерода в год при средней активности на единицу массы углерода 230 Бк/кг. Суммарный вклад космогенных радионуклидов в индивидуальную дозу составляет около 15 мкЗв/год.

Радон.

Наиболее весомым из всех естественных источников радиации (рис. 11.2.) является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ (в 7,5 раза тяжелее воздуха) — радон - 222 (222 Rn). Человек подвергается воздействию радона и продуктов его распада в основном за счет внутреннего облучения при поступлении радионуклидов в организм через органы дыхания и, в меньшей мере, с продуктами питания. Поступив в организм при вдохе, он вызывает облучение слизистых тканей легких. При длительном поступлении радона и его продуктов в организм человека многократно возрастает риск возникновения рака легких.

Человек получает 3,8 мЗв в год за счет внутреннего облучения радоном, что составляет 77, 9% среднегодовой дозы облучения от естественных источников радиации.

Основным источником этого радиоактивного инертного газа является земная кора. Проникая через трещины и щели в фундаменте, полу и стенах, радон задерживается в помещениях. Другой источник радона в помещении - это сами строительные материалы (бетон, кирпич, пемза, гранит и другие.), содержащие естественные радионуклиды, которые являются источником радона. Радон может поступать в дома также с водой (особенно если она подается из артезианских скважин), при сжигании природного газа и других источников.

Сравнить мощность излучения различных источников радона поможет следующая диаграмма

Рис. 11.2. Диаграмма мощности излучения различных источников радона.

Внутреннее облучение от радионуклидов земного происхождения.

В организме человека постоянно присутствуют радионуклиды земного происхождения, поступающие через органы дыхания и пищеварения. Наибольший вклад в формирование дозы внутреннего облучения вносят 40 К, 87 Rb, и нуклиды рядов распада 238 U и 232 Th (табл.11.3.).

Таблица 11.3.

Среднегодовая эффективная эквивалентная доза внутреннего облучения

Для Украины средняя годовая доза внутреннего облучения составляет 200мкЗв, что составляет 4,1% от суммарной дозы природных источников.

Искусственная радиоактивноть.

Врезультате деятельности человека во внешней среде появились искусственные радионуклиды и источники излучения.

В природную среду стали поступать в больших количествах естественные радионуклиды, извлекаемые из недр Земли минеральные и органические природные ресурсы :

Геотермические электростанции, создающие в среднем выброс около 4 · 10 14 Бк изотопа 222 Rn на 1 ГВт выработанной электроэнергии;

Фосфорные удобрения, содержащие 226 Ra и 238 U (до 70 Бк/кг в Кольском апатите и 400 Бк/кг в фосфорите);

Сжигаемый в жилых домах и электростанциях газ и уголь, содержит естественные радионуклиды 40 К, 232 U и 238 U в равновесии с их продуктами распада.

За последние несколько десятилетий человек создал несколько тысяч радионуклидов и начал использовать их в научных исследованиях, в технике, медицинских целях и других целях. Это приводит к увеличению дозы облучения, получаемой как отдельными людьми, так и населением в целом. Иногда облучение за счет источников, созданных человеком, оказывается в тысячи раз интенсивнее, чем от природных источников.
В настоящее время основной вклад в дозу от источников, созданных человеком, вносит внешнее радиактивное облучение при диагностике и лечении.

Средняя эффективная эквивалентная доза, получаемая от всех источников облучения в медицине, в промышленно развитых странах составляет 1 мЗв в год на каждого жителя, т.е. примерно половину средней дозы от естественных источников.

Роль различных искусственных источников излучений в создании радиационного фона иллюстрируется таблице 11.4.

Таблица 11.4.

Среднегодовые дозы, получаемые от естественного радиационного фона и различных искусственных источников излучения.

Испытания ядерного оружия.

Радиологические последствия испытаний ядерного оружия определяются количеством испытаний, суммарными энерговыделением и активностью осколков деления, видами взрывов (воздушные, наземные, подводные, надводные, подземные) и геофизическими факторами окружающей среды в период испытаний (район, метеообстановка, миграция радионуклидов и другие.). Испытания ядерного оружия, которые особенно интенсивно проводились в период 1954-1958 и 1961-1962 гг. стали одной из основных причин повышения радиационного фона Земли и, как следствие этого, глобального повышения доз внешнего и внутреннего облучения населения.

В США, СССР, Франции, Великобритании и Китае в общей сложности проведено не менее 2060 испытаний атомных и термоядерных зарядов в атмосфере, под водой и в недрах Земли, из них непосредственно в атмосфере 501 испытание.

По оценкам международных организаций во второй половине 20-го века за счет ядерных испытаний во внешнюю среду поступило 1.81 · 10 21 Бк продуктов ядерного деления (ПЯД), из них на долю атмосферных испытаний приходится 99.84 %. Распространение радионуклидов приняло планетарные масштабы (рис. 11.3.-11.4.).

Продукты ядерного деления представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов (от цинка до гадолиния). Большую часть активности составляют короткоживущие радионуклиды. Так, через 7, через 49 и через 343 суток после взрыва активность ПЯД снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва. Выход наиболее биологически значимых радионуклидов приведен в таблице 11.5.

Экологическое значение разных радиоактивных изотопов совершенно различно. Радиоактивные вещества с коротким периодом полураспада менее (2 суток) не представляют большой опасности, так как они сохраняют высокий уровень радиации в зараженном биотопе непродолжительное время. Вещества с очень длинным периодом полураспада, например 238 U, также почти безопасны, поскольку они в единицу времени испускают очень слабое излучение.

Наиболее опасными радионуклидами являются те, у которых период полураспада изменяется от нескольких недель до нескольких лет (таблица 11.5.). Этого времени достаточно для того, чтобы упомянутые элементы смогли проникнуть р различные организмы и накопиться в пищевых цепях.

Следует также отметить высокую радиотоксичность для тех элементов, которые являются аналогами биогенных элементов.

Рис. 11.3. Содержание стронция-90 и цезия-137 в продуктах питания и суммарная годовая мощность ядерных взрывов атмосфере.
Рис.11.4. Содержание цезия-137 в различных продуктах питания: А - зерновые продукты, Б - мясо, В - молоко, Г - фрукты, Д - овощи.
Таблица 11.5. Выход некоторых продуктов деления при ядерном взрыве.
Элемент	Заряд	Период полураспада	Выход на одно деление,%	Активность на 1 Мт, (10 15 Бк)
Стронций-89		50.5 сут	2.56
Стронций-90		28.6 лет	3.5	3.9
Цирконий-95		64 сут	5.07
Рутений-103		39.5 сут	5.2
Рутений-106		368 сут	2.44
Иод-131		8 сут	2.90
Цезий-136		13.2 сут	0.036
Цезий-137		30.2 лет	5.57	5.9
Барий-140		12.8 сут	5.18
Церий-141		32.5 сут	4.58
Церий-144		284 сут	4.69
Водород-3		12.3 лет	0.01	2.6 · 10 -2

Атомная энергетика.

Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции. Преимущество атомной энергетики состоит в том, что она требует существенно меньших количеств исходного сырья и земельных площадей, чем тепловые станции (таблица 11.6.), не загрязняет атмосферу дымом и сажей.

Опасность состоит в возможности возникновения катастрофических аварий реактора, а также в реально не решенной проблеме утилизации радиоактивных отходов и утечке в окружающую среду небольшого количества радиоактивности.

Таблица 11.6.

Расход природных ресурсов для производства 1 ГВт в год электроэнергии в угольном и ядерном топливных циклах

При прямоточном охлаждении.

К концу 1984 г. в 26 странах работало 345 ядерных реакторов, вырабатывающих электроэнергию. Их мощность составляла 220 ГВт или 13% суммарной мощности всех источников электроэнергии. К 1994 году в мире работало 432 атомных реактора, их суммарная мощность составила 340 ГВт.

Прогнозируемые перспективы развития ядерной энергетики мире показаны в таблице 11.7.

Таблица 11.7.

Перспективы развития ядерной энергетики в мире.

В условиях нормальной эксплуатации АЭС выбросы радионуклидов во внешнюю среду незначительны и состоят в основном из радионуклидов йода и инертных радиоактивных газов (Хе, Сг), периоды полураспада которых в основном не превышают нескольких суток. 90% всей дозы облучения, возможной в результате выброса на атомной станции и обусловленной короткоживущими изотопами, население получает в течение года после выброса, 98% - в течение 5 лет. Почти вся доза приходится на людей, живущих вблизи АЭС. Дозы облучения обычно значительно ниже установленных пределов для отдельных лиц из населения (0.5 бэр/год).

Долгоживущие продукты выброса (137 Сз, 90 Ce, 85 Кг и другие.) распространяются по всему земному шару. Оценка ожидаемой коллективной эквивалентной дозы от облучения такими изотопами составляет 670 чел-Зв на каждый ГигаВатт вырабатываемой электроэнергии.

Приведенные выше оценки получены в предположении, что ядерные реакторы работают нормально. Вклады различных источников облучения в этом случае приведены на рисунке 11.5.

Рис.11.5. Вклады различных источников радиации

Количество радиоактивных веществ, поступивших в окружающую среду при аварии, существенно больше. Известно, что за период с 1971 по 1984 гг. в 14 странах мира произошла 151 авария на АЭС.

26 апреля 1986 г. на Чернобыльской атомной электростанции произошла авария с разрушением активной зоны реактора, что привело к выбросу части накопившихся в активной зоне радиоактивных продуктов в атмосферу .

В результате аварии в окружающую среду было выброшено от5 до 30 % ядерного топлива. Кроме того, часть содержимого реактора расплавилась и переместилась через разломы внизу корпуса реактора за его пределы.

Кроме топлива, в активной зоне в момент аварии содержались продукты деления и трансурановые элементы — различные радиоактивные изотопы, накопившиеся во время работы реактора. Именно они представляют наибольшую радиационную опасность.

Большая их часть осталась внутри реактора, но наиболее летучие вещества были выброшены наружу, в том числе:

Все благородные газы, содержавшиеся в реакторе;

Примерно55 % йода в виде смеси пара и твёрдых частиц, а также в составе органических соединений;

Цезий и теллур в виде аэрозолей.

Суммарная активность веществ, выброшенных в окружающую среду, составила, по различным оценкам, до 14Ч 1018 Бк (14 ЭБк), в том числе:

1,8 ЭБк йода-131,

0,085 ЭБк цезия-137,

0,01 ЭБк стронция-90 и

0,003 ЭБк изотопов плутония;

На долю благородных газов приходилось около половины от суммарной активности (Рис. 11. 6.).

Рис.11.6 Доза внешнего гамма - облучения , получаемого человеком около Чернобыльской станции.

Загрязнению подверглось более 200 тыс. км², примерно 70 % — на территории Белоруссии, России и Украины. Радиоактивные вещества распространялись в виде аэрозолей, которые постепенно осаждались на поверхность земли. Большая часть стронция и плутония выпала в пределах 100 км от станции, так как они содержались в основном в более крупных частицах. Иод и цезий распространились на более широкую территорию.

С точки зрения воздействия на население в первые недели после аварии наибольшую опасность представлял радиоактивный иод, имеющий сравнительно малый период полураспада (восемь дней) и теллур. В настоящее время (и в ближайшие десятилетия) наибольшую опасность представляют изотопы стронция и цезия с периодом полураспада около 30 лет. Наибольшие концентрации цезия-137 обнаружены в поверхностном слое почвы, откуда он попадает в растения и грибы. Загрязнению также подвергаются насекомые и животные, которые ими питаются. Радиоактивные изотопы плутония и америция сохранятся в почве в течение сотен, а возможно и тысяч лет.

Значительному загрязнению подверглись леса. Из-за того, что в лесной экосистеме цезий постоянно рециркулирует, а не выводится из неё, уровни загрязнения лесных продуктов, таких как грибы, ягоды и дичь, остаются опасными. Уровень загрязнения рек и большинства озёр в настоящее время низкий. Однако в некоторых «замкнутых» озёрах, из которых нет стока, концентрация цезия в воде и рыбе ещё в течение десятилетий может представлять опасность.

Загрязнение не ограничилось 30-километровой зоной. Было отмечено повышенное содержание цезия-137 в лишайнике и мясе оленей в арктических областях России, Норвегии, Финляндии и Швеции.

Радиоактивность - это способность некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния) самопроизвольно распадаться и испускать невидимые излучения.

Радиоактивные вещества (РВ) распадаются со строго определённой скоростью, измеряемой периодом полураспада, т.е. временем, в течение которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен каким-либо способом.

Пучок излучений в магнитном поле разделяется на три вида излучения:

б-излучение - поток положительно заряженных частиц представляющих собой ядро гелия, движущийся со скоростью около 20 000 км /с, т.е. в 35 000 раз быстрее, чем современные самолёты. Альфа-частица относится к тяжелым частицам, она в 7300 раз тяжелее электрона. В животных тканях её проникающая способность ещё меньше и измеряется микронами. Альфа- частицы входят в состав космических лучей у Земли (6%).

Альфа - распад представляет собой самопроизвольное превращение ядер, сопровождающееся испусканием двух протонов и двух нейтронов, образующих ядро Не 4 2.

В результате альфа-распада заряд ядра уменьшается на 2, а массовое число на 4 единицы. Например: кинетическая энергия вылетающей б- частицы определяется массами исходного и конечного ядра б - частицы. Известно более 200 б- активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы. Известно также около 20 б-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь б -распад наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N=84, которые при испускании б-частиц превращаются в ядра с заполненной ядерной оболочкой (N=82). Время жизни б-активных ядер колеблются в широких пределах: от 3*10 -7 сек (для Po 212) до (2-5)*10 15 лет (природные изотопы Ce 142, 144, 176) Энергия наблюдаемого б-распада лежит в пределах 4-9 Мэв (за исключением длиннопробежных б-частиц) для всех тяжелых ядер и 2-4.5 Мэв для редкоземельных элементов.

в- излучение - поток заряженных отрицательно заряженных частиц (электронов). Их скорость 200 000-300 000 км/с приближается к скорости света. Масса бета- частиц равна 1/1840 массы водорода. Бета- частицы относятся к лёгким частицам.

г-излучение - представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. По свойствам оно близко к рентгеновскому излучению, но обладает значительно большей скоростью и энергией, но распространяется со скоростью света. В спектре электромагнитных волн эти лучи занимают почти крайнее справа место. За ними следуют лишь космические лучи. Энергия гамма- лучей в среднем составляет около 1,3 Мэв (мегаэлектроновольт). Это очень большая энергия. Частота колебаний волн гамма лучей равна, 10 20 раз/сек, то есть гамма лучи относятся к очень жёстким лучам, и проникающая способность велика. Через тело человека они проходят беспрепятственно.

При некоторых ядерных реакциях возникает сильно проникающее излучение, не отклоняющееся электрическим и магнитным полями. Эти лучи проникают через слой свинца толщиной в несколько метров. Это излучение представляет собой поток частиц, заряженных нейтрально. Эти частицы названы нейтронами.

Масса нейтрона равна массе протона. Нейтроны обладают различной скоростью, в среднем меньше скорости света. Быстрые нейтроны развивают энергию порядка 0,5 Мэв и выше, медленные - от долей до нескольких тысяч электроновольт. Нейтроны, являясь электрически нейтральными частицами, обладают, как и гамма- лучи, большой проникающей способностью. Ослабление потока нейтронов в основном происходит за счет столкновения с ядрами других атомов и за счет захвата нейтронов ядрами атомов. Так при столкновении с легкими ядрами нейтроны в большей степени теряют свою энергию, но легкие водородосодержащие вещества такие как: вода, парафин, ткани тела человека, сырой бетон, почва, являются лучшими замедлителями и поглотителями нейтронов.

В природе многие химические элементы выделяют излучения. Эти элементы называются радиоактивными элементами, а сам процесс получил название естественной радиоактивности. На процессы радиоактивного излучения не оказывают никакого действия ни огромные давления и температуры, ни магнитные и электрические поля. Радиоактивное излучение связано с превращением ядер элемента. Существует два вида естественного радиоактивного распада.

Альфа-распад, при котором ядро испускает альфа- частицу. При этом виде распада всегда из одного ядра получается ядро другого элемента, у которого заряд меньше на две единицы, а масса меньше на четыре единицы. Так, например, распадается радий, превращаясь в радон:

Ra 88 226 > He 2 4 + Rn 86 222

Бета-распад, при котором из ядра вылетает бета-частица. Так как бета-частица может быть различно заряженной, то бета-распад может быть или электронный, или позитронный.

При электронном распаде образуется элемент с той же массой, но с зарядом, большим на единицу. Так торий превращается в протактиний:

Th 90 233 >Pa 91 233 + e -1 + г - квант.

При позитронном распаде радиоактивный элемент теряет положительную частицу и превращается в элемент с той же массой, но с зарядом меньшим на единицу. Так изотоп магния, превращается в натрий:

Mg 12 23 > Na 11 23 + e +1 + г- квант.

Направляя, пучок альфа- частиц на пластинку алюминия, впервые получили искусственный радиоактивный изотоп фосфора Р 15 30:

Al 13 27 + He 2 4 > P 15 30 + n 0 1

Полученные таким образом изотопы были названы искусственно радиоактивными, а их способность распадаться получила название искусственной радиоактивности. В настоящее время получено свыше 900 искусственных радиоактивных изотопов.

Они широко используются в медицине и в биологии для изучения химических превращений в организме. Этот метод называется методом меченых атомов.

Первые сведения об атомной энергии были получены в конце прошлого столетия, когда ученые обнаружили, что некоторые химические элементы (уран, радий и др.) испускают в окружающее пространство не видимые гла­зом излучения. Это явление, т. е. испускание частиц и электромагнитного излучения атомами некоторых элемен­тов, происходящее вследствие ядерных превращений, стали называть радиоактивностью (от латинского слова «радиус» - луч). Ядерные превращения, т. е. самопроиз­вольные превращения ядер атомов одних элементов в ядра атомов других элементов, называются радиоак­тивным распадом .

Рис 8. Схема опыта по разделению радиоактивных лучей

Различают естественную и искусственную радиоактив­ность . Естественной называют радиоактивность естествен­ных изотопов, т. е. химических элементов, которые встре­чаются в природе. Искусственной называют радиоактив­ность изотопов, получаемых искусственным путем. Есте­ственная радиоактивность наблюдается у таких изотопов химических элементов, как, например, радий, ypart , торий и другие.

Достижения современной физики позволили получить очень большое количество искусственных радиоактивных изотопов. В настоящее время получены радиоактивные изотопы всех известных на сегодня химических элемен­тов, начиная от водорода, самого легкого химического элемента, занимающего первое место в таблице Менде­леева, и кончая центурием - самым тяжелым элементом, занимающим последнее, сотое место в этой таблице. При­чем для многих химических элементов получены не­сколько изотопов. Например, известны такие изотопы водорода: легкий водород - 1 протий 1 ,тяжелый водород - 1 дейтерий 2 и сверхтяжелый водород - 1 тритий 3 . Далее известны также несколько изотопов урана, например: 92 уран 233 , 92 уран 234 , 92 уран 235 , 92 уран 238 , 92 уран 239 . В пос­ледние годы было получено более 700 искусственных ра­диоактивных изотопов всех химических элементов, встре­чающихся в природе.

Какие же частицы испускают радиоактивные химиче­ские элементы при своем распаде? Как их можно обна­ружить?

Для этой цели крупинку радиоактивного препарата вкладывали в свинцовую коробку (рис. 8). Такую уста­новку помещали в сильное магнитное поле. Испускаемые этой крупинкой излучения, выходя через узкое отверстие, в магнитном поле раскладываются на три отдельных луча: вправо, влево и прямо, не отклоняясь. Этот опыт указывает, что некоторые вылетающие частицы имеют электрический заряд. Эти составляющие были названы соответственно альфа (α )-, бета (β )- и гамма (γ ) - лучами. Дальнейшим исследованием было установлено, что альфа-частицы несут положительный заряд и являются ядрами атома гелия (2 гелий 4). Они вылетают из ядра радиоактивного элемента со скоростью, достигающей примерно 20 000 километров в секунду.

Отрицательно заряженные бета-частицы (β ) представ­ляют собой электроны, которые движутся с различными скоростями, достигающими примерно 250 000 километров в секунду.

Альфа- и бета-распад зачастую сопровождается неви­димым электромагнитным излучением, получившим на­звание гамма-излучения . Гамма-излучение, испускаемое ядрами отдельными порциями, или, как говорят, кван­тами, представляет собой поток материальных электри­чески нейтральных частиц, называемых фотонами, и рас­пространяется со скоростью света, т. е. 300 000 километров в секунду.

Естественно, что не все радиоактивные изотопы явля­ются альфа- и бета-активными. Некоторые химические элементы испускают только альфа-частицы, другие эле­менты испускают только бета-частицы; существуют и та­кие элементы, которые испускают альфа- и бета-частицы одновременно.

Выше уже отмечалось, что в результате радиоактив­ного распада ядер образуются ядра новых химических элементов. Какие же это элементы?

Испускание альфа-частиц характерно для атомов тя­желых химических элементов. Очевидно, что заряд ядра, испускающего альфа-частицу, должен как-то измениться, ибо альфа-частица, являясь ядром атома гелия, уносит часть положительного заряда распадающегося ядра. В действительности так и происходит.

В результате альфа-распада получается ядро нового химического элемента, заряд ядра которого будет меньше заряда распавшегося ядра на две единицы, ибо альфа - частица, т. е. ядро атома гелия, несет положительный за­ряд в 2 элементарные единицы заряда. А так как место любого химического элемента в таблице Менделеева определяется зарядом ядра, то новый химический эле­мент, полученный в результате альфа-распада, будет на­ходиться на 2 клеточки левее исходного. Массовое число ядра нового элемента также уменьшится на 4 единицы (т. е. на величину- массового числа альфа-частицы). На­пример, радий, испуская альфа-частицу, превращается в радиоактивный газ - радон. Эта ядерная реакция альфа- распада может быть записана следующим образом:

88 радий 226 -> 86 радон 222 + 2 гелий 4 .

Другим видом радиоактивности является испускание бета-частиц, характерное для значительного числа есте­ственных и искусственных радиоактивных изотопов. Испускание ядром бета-частицы происходит вследствие того, что один из нейтронов ядра превращается в протон. Следовательно, в этом случае заряд нового ядра увели­чится на единицу. Так как вес электрона ничтожно мал, то потерей веса ядра вследствие испускания бета-частицы можно пренебречь. Поэтому в случае бета-распада принимается, что массовое число ядра остается прежним.

Пример такого бета-распада может быть записан так:

89 актиний 227 -> 90 торий 227 + -1 β 0

т. е. актиний, испуская бета-частицу, превращается в изотоп тория.

Возникает вопрос: какая же дальнейшая судьба альфа- и бета-частиц, испускаемых ядрами радиоактивных изо­топов?

Эти частицы, вылетая с большой скоростью, сталки­ваются с атомами окружающей среды. Сталкиваясь, они выбивают электроны из электронной оболочки атомов окружающей среды (воздуха, металлов и т. д.), в резуль­тате чего эти атомы превращаются в ионы.

Ионизирующую способность частиц оценивают удель­ной ионизацией, т. е. числом пар ионов, образующихся на одном сантиметре пути пробега частицы. В результате столкновения альфа-частицы с атомами окружающей среды она постепенно теряет скорость, а ее энергия посте­пенно уменьшается. Потеряв энергию, альфа-частица, т. е. ядро атома гелия, в конце концов присоединяет к себе свободные электроны, находящиеся всегда в любой среде, и таким образом превращается в атом гелия.

Бета-частица, т. е. быстро движущийся электрон, дви­гаясь, на своем пути также вызывает ионизацию атомов.

Замедленная бета-частица будет находиться в про­странстве до тех пор, пока не будет присоединена ядром или атомом какого-либо элемента.

Распространение в любой среде гамма-излучения также сопровождается ионизацией атомов. В этом случае степень ионизации характеризуется числом пар ионов, об­разовавшихся под воздействием гамма-излучения в одном кубическом сантиметре среды. Эта степень ионизации и является мерой интенсивности гамма-излучения. Степень ионизации является также мерой поглощенной энергии гамма-лучей.

Альфа- и бета-частицы, а также гамма-кванты, рас­пространяясь в любой среде (воздух, металл), взаимо­действуют с атомами этой среды. В результате такого взаимодействия они теряют свою энергию и ослабляются. Путь, пройденный альфа- и бета-частицами, а также гамма-квантами в веществе, получил название длины про­бега . Максимальной длиной пробега обладают гамма- лучи.

Длина пробега будет тем меньше, чем больше плот­ность материала, через который проникает излучение. Это видно из таких данных.

Длина пробега альфа-частицы, обладающей энергией в 8 мегаэлектрон-вольт, в такой среде, как воздух, со­ставляет 7,3 сантиметра, в воде - всего 0,06 миллиметра, в железе - 0,02 миллиметра.

Бета-частицы обладают большей длиной пробега. На­пример, бета-частица с энергией в 3 мегаэлектрон-вольта в воздухе имеет длину пробега 14,5 метра, в воде - 12,5 миллиметра, в алюминии - 4,9 миллиметра.

Гамма-излучение в воздухе распространяется на сотни метров без существенного ослабления. Даже очень плот­ные вещества слабо задерживают гамма-излучение. На­пример, слой железа толщиной 7 сантиметров ослабляет гамма-излучение, обладающее энергией в 1 мегаэлектрон­вольт, в 10 раз. Для ослабления гамма-излучения, обла­дающего той же энергией в 1 мегаэлектрон-вольт, в 10 раз требуется слой бетона около 25 сантиметров, а грунта - 30-35 сантиметров.

Из приведенных данных можно сделать вывод, что для защиты от альфа- и бета-излучения могут быть использованы простейшие средства, в то время как для защиты от гамма-лучей требуются специальные инже­нерные сооружения.

Итак, мы рассмотрели радиоактивные излучения хи­мических элементов. Однако процесс радиоактивного рас­пада у разных химических элементов протекает с различ­ными скоростями.

Для характеристики распада ядер во времени принят так называемый период полураспада . Периодом полу­распада называется промежуток времени, в течение кото­рого распадается половина атомов этого вещества. Пе­риоды полураспада для различных химических элемен­тов колеблются в очень широких пределах - от мил­лиардных долей секунды до многих миллиардов лет. Так, период полураспада радия составляет 1590 лет, урана-238 - 4 500 000 000 лет. Это значит, что если взять один грамм, например, радия, то через 1590 лет от него останется полграмма, а через следующие 1590 лет - четверть грамма и т. д.

При распаде ядер большинства естественных и неко­торых искусственных радиоактивных элементов образу­ются также радиоактивные ядра, в свою очередь, претер­певающие радиоактивный распад. Таким образом, в ре­зультате ряда превращений, сопровождающихся испусканием альфа- или бета-частиц, образуется целая цепочка радиоактивных элементов. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не образуется конечный нерадиоактивный элемент. Совокупность всех продуктов последовательных радиоактивных распадов образует радиоактивное семей­ство , т. е. ряд данного элемента. В настоящее время таких радиоактивных семейств известно четыре; родоначальни­ками этих семейств являются: 92 уран 238 , 90 торий 232 , 92 уран 235 и 94 плутоний 241 .

Радиоактивность - это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным. Нельзя повлиять на течение процесса радиоактивного распада, не изменив состояния атомного ядра. На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.

Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью (космическая радиация и излучения природных радионуклидов, рассеянных в земных породах, почве, воде, воздухе, строительных и других материалах, живых организмах). Например, изотоп 40 K широко рассеян в почвах и прочно удерживается глинами вследствие процессов сорбции. Глинистые почвы почти везде богаче радиоактивными элементами, чем песчаные и известняки. Радиоактивные тяжелые элементы (U, Th, Ra) содержатся преимущественно в горных гранитных породах. Радиоактивные элементы распространены в природе в ничтожных количествах. В земной коре естественно-радиоактивные элементы есть преимущественно в урановых рудах, и почти все они являются изотопами тяжелых элементов с атомным номером более 83. Цепи радиоактивных распадов начинаются с урана - радия (- Ra), тория () или актиния ().

Аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), называют искусственной радиоактивностью (сжигание угля, разработка месторождений радиоактивных руд, применение радионуклидов в различных отраслях экономики, работа ядерно-технических установок, ядерные взрывы в мирных целях (строительство подземных хранилищ, нефтедобыча, строительство каналов), аварии на объектах, содержащих радиоактивные вещества, ядерные отходы АЭС, промышленности, флота, испытание ядерного оружия (при ядерных взрывах образуется около 250 изотопов 35 элементов (из них 225 радиоактивных) как непосредственных осколков деления ядер тяжелых элементов (235 U, 239 Pu, 233 U, 238 U), так и продуктов их распада.

Количество радиоактивных продуктов деления (РПД) возрастает соответственно мощности ядерного заряда. Часть образовавшихся РПД распадается в ближайшие секунды и минуты после взрыва, другая часть имеет период полураспада порядка нескольких часов.

Радионуклиды, такие как 86 Rb, 89 Sr, 91 Y, 95 Cd, 125 Sn. l25 Te, l31 I, 133 Xe, l36 Cs, 140 Ba, 141 Ce, 156 Eu, 161 Yb, обладают периодом полураспада в несколько дней, a 85 Kr, 90 Sr, 106 Ru, 125 Sb, 137 Cs, l47 Pm, l5l Sm, l55 Eu - от одного года до нескольких десятков лет. Группа, состоящая из 87 Rb, 93 Zr, l29 I, 135 Cs, 144 Nd, 137 Sm, характеризуется чрезвычайно медленным распадом, продолжающимся миллионы лет)).

Искусственные радионуклиды по различным причинам попадают в окружающую среду, повышая тем самым радиационный фон. Кроме того, они включаются в биологические системы и поступают непосредственно в организм животных и человека. Все это создает опасность для нормальной жизнедеятельности живого организма.

Внешние и внутренние источники, действуя непрерывно, сообщают организму определенную поглощенную дозу. Большую часть облучения от источников естественной радиации человек получает за счет земных источников -- в среднем более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением (в основном внутреннее облучение). Оставшаяся часть приходится на космическое излучение (главным образом внешнее облучение). Эффективная эквивалентная доза от воздействия космического излучения составляет около 300 мкЗв/год (для живущих на уровне моря), для живущих выше 2 тыс. м над уровнем моря эта величина в несколько раз больше. Среднегодовая безопасная доза для человека составляет около 1,2 мГр на гонады и 1,3 мГр на скелет.