• 1. Радиоактивность, ионизирующие излучения и единицы их измерения

1.1 Строение атома

1.2 Радиоактивность

• 2. Средства индивидуальной защиты
• 3. Загрязнение окружающей среды радионуклидами в результате ядерных взрывов
• Список литературы

1 Радиоактивность, ионизирующие излучения и единицы их измерения

Атом -- мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая все его свойства. По своей структуре атом (размер примерно 10^-8 см) представляет сложную систему, состоящую из находящегося в центре атома положительно заряженного ядра очень малых размеров (10^-13 см) и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра на различных орбитах. Отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра, при этом атом в целом оказывается электрически нейтральным.

Любой атом состоит из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Элементарная частица в свободном состоянии характеризуется такими физическими величинами, как масса, электрический заряд (или его отсутствие), устойчивость. Протон и электрон относятся к так называемым устойчивым и стабильным частицам, тогда как нейтрон является стабильным, лишь находясь в ядре.

Массу ядер и элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а. е. м.). За атомную единицу массы (физическую) принята ¹/₁₂ массы изотопа атома ¹²С. Одна атомная единица массы равняется 1,67 · 10^-27 кг. Масса атома (99,9%) сосредоточена в центре атома -- ядре.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Общее название протонов и нейтронов -- нуклоны (от лат. nucleus ядро). Нуклоны образуют компактные ядра и находятся в состоянии движения; между ними действуют силы притяжения, которые проявляются только на очень малых расстояниях (10^-13 см).

Протон является элементарной частицей, входящей в состав любого атомного ядра, и имеет положительный заряд. Число протонов в ядре (атомный номер) равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева, а его масса состоит из протонов и нейтронов (масса электронов ничтожна). Нейтрон отсутствует лишь в ядре легкого водорода, состоящего из одного протона. В отличие от протона нейтрон не имеет заряда.

Простейшим ядром является ядро атома водорода, оно состоит из одного протона. Его заряд и массовое число равны единице. Следующий за водородом в периодической системе элемент гелий имеет более сложное ядро, состоящее из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов. Ядра одного и того же химического элемента всегда содержат одинаковое число протонов, но число нейтронов в них может быть различным. Так, например, в ядре атома кальция (⁴⁰₂₀Са) содержится 40 нуклонов (из них 20 протонов и 20 нейтронов). В ядре же атома урана (²³⁸₉₂U) из нуклонов 92 протона и 146 нейтронов. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, являются разновидностями одного и того же химического элемента и называются изотопами данного химического элемента. В качестве примера явления изотопии может служить водород: этот элемент имеет три изотопа -- два из них обнаружены в природе (протий -- ₁H¹ -- в количестве 99,9852 атомных % и дейтерий-- ₁H² -- в количестве 0,0148 атомных %), а третий -- тритий -- ₁Н³ -- получен искусственно.

Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами. Радионуклиды -- это радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером, а для изомерных атомов -- с данным определенным энергетическим состоянием атомного ядра.

Различные ядра имеют разную энергию связи. Одни нуклиды стабильны, т. е. в отсутствие внешнего воздействия никогда не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов нестабильно, они все время превращаются в другие нуклиды.

1.2 Радиоактивность

Радиоактивность -- это самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер некоторых химических элементов, приводящее к изменению их атомного номера и массового числа. Распад радиоактивных ядер сопровождается ионизирующим излучением. В результате радиоактивного распада могут испускаться г-кванты (г-распад), электроны (в^--распад), позитроны (в⁺-распад), б-частицы (б-распад). Основные типы радиоактивного распада показаны на рисунке 1.

б-Излучение -- поток положительно заряженных частиц (ядер атомов гелия), движущихся со скоростью около 20 000 км/с. б-Частицы имеют большую массу и обладают значительной энергией, но их проникающая способность невелика -- их пробег в твердых и жидких средах составляет сотые доли миллиметра.

в-Излучение -- поток отрицательно заряженных частиц (электронов). В электрическом поле они отклоняются к положительному полюсу. Их скорость приближается к скорости света. в-Частицы имеют небольшую массу (они в 1840 раз легче протонов), но отличаются большей проникающей способностью -- в воздухе они могут пробегать путь длиной, измеряемой десятками сантиметров и даже несколькими метрами (в мягких тканях максимальный пробег в-частиц достигает нескольких сантиметров).

г-Излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. г-Лучи не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном поле. По свойствам это излучение близко к рентгеновскому, но обладает значительно большей скоростью и энергией. Оно распространяется со скоростью света. Характерная особенность г-излучения -- исключительно большая проникающая способность -- пробег г-квантов в воздухе может достигать 100 м, в мягких тканях --десятков см.

Интенсивность ядерных превращений (распадов) обычно характеризуется числом таких событий в единицу времени. У каждого радиоактивного изотопа (радионуклида) вероятность распада ядра в единицу времени является величиной постоянной и обозначается символом л, который характеризует вероятность распада за единицу времени. Для характеристики радионуклидов используют такой параметр, как период полураспада радионуклида. Период полураспада (T_1/2) -- время, в течение которого число ядер данного радионуклида в результате самопроизвольных ядерных превращений уменьшается в 2 раза (величина, обратно пропорциональная постоянной распада л).

Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен каким-либо способом. Для каждого изотопа имеются свои значения л и Т_1/2. На основании изложенного можно дать следующее определение активности как количественной характеристики источника излучений: активностью называется мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени.

Единицы активности. До недавнего времени в качестве единицы активности использовали кюри (Ки)-- 3,7·10¹⁰ ядерных превращений в 1 с. Производными единицами являются: пикокюри (1 пКи=1·10^-12 Ки); нанокюри (1 нКи=1·10^-9 Ки); микрокюри (1 мкКи = 1·10^-6 Ки); милликюри (1 мКи=1·10^-3 Ки); кило-кюри (1 кКи=1·10³ Ки); мегакюри (1 МКи=1·10⁶ Ки). Сейчас наряду с указанными единицами в научной литературе нередко используются в системе единиц СИ единица активности беккерель (Бк) -- одно ядерное превращение в секунду и производные этой единицы: ки-лобеккерель (1 кБк=10³ Бк); мегабеккерель (1 МБк = 10⁶ Бк). Соотношение между указанными единицами активности: 1 Бк = 27 пКи (табл. 1). Концентрация радиоактивных веществ в исследуемых образцах обычно выражается в единицах активности в расчете на единицу массы (пКи/кг; мкКи/кг; кБк/кг и т. п.) или на единицу объема (пКи/м³; пКи/л; кБк/л и т. п.). Кроме того, в литературе для характеристики миграции ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs по пищевым цепям часто используют так называемые стронциевые единицы (с. е.) и цезиевые единицы (ц. е.), которые соответственно представляют собой концентрацию 1 пКи ⁹⁰Sr/l г Са и 1 пКи ¹³⁷Cs/l г К.

Ионизирующие излучения и единицы их измерения. Важнейшее свойство ядерных излучений -- их способность вызывать ионизацию атомов и молекул, в связи с чем ядерные излучения называют также ионизирующими излучениями.

Радиобиологические эффекты, наблюдаемые при воздействии ионизирующих излучений на живые организмы, обусловлены поглощенной энергией излучения, т. е. количеством энергии, поглощенной 1 см³ ткани. Поглощенную энергию измеряют, определяя ионизацию в воздухе с последующим пересчетом на ткань. В качестве дозы ионизирующего излучения служат специальные единицы -- рентгены.

За единицу дозы излучения в воздухе (1 Р)--экспозиционная доза -- принимается поглощенная энергия (0,114 эрг/см³), которая в 1 см³ воздуха при 0°С и 760 мм рт. ст. (1013,3 гПа) приводит к образованию 2,08·10⁹ пар ионов. При дозе ионизирующего излучения в воздухе, равной 1 Р, поглощенная энергия в воздухе в расчете на 1 г составляет 88 эрг, а в мягких тканях в расчете на 1 г -- 92--97 эрг.

Доза излучения в ткани (поглощенная доза) D измеряется в радах, причем 1 рад= 100 эрг/г=1·10^-2 Дж/кг. В системе единиц СИ в качестве единицы поглощенной дозы принят грей (Гр), при этом 1 Гр = 1 Дж/кг=100 рад. Для измерения дозы излучения применяют и производные единицы: 1·10^-6 (микро -- мк): мкР, мкрад, мкГр; 1·10^-3 (милли -- м): мР, мГр, 1·10³ (кило -- к): кР, крад, кГр; 1·10⁶ (мега -- М): МР, Мрад, МГр.

Биологические эффекты при облучении живых организмов (систем) зависят не только от дозы излучения, но и от качества ионизирующего излучения.

Накоплен большой экспериментальный материал, свидетельствующий о том, что радиобиологический эффект при идентичных дозах увеличивается по мере роста плотности ионизации.

Линейная передача энергии (ЛПЭ), характеризуемая отношением полной энергии (dе), переданной веществу заряженной частицей вследствие столкновений на пути (dl), к длине этого пути, измеряется во внесистемных единицах как килоэлектрон-вольт на микрометр воды (кэВ/мкм).

В радиобиологии есть понятие коэффициент качества излучения (k). Он позволяет учитывать возможные различия биологической эффективности ионизирующих излучений разного качества (по критерию ЛПЭ). Согласно Нормам радиационной безопасности НРБ -- 76/87 коэффициент качества, учитывающий неблагоприятные биологические последствия облучения человека в малых дозах, составляет: для рентгеновского и г-излучения-- 1, для протонов с энергией меньше 10 МэВ -- 10, нейтронов с энергией 0,1--10 МэВ--10, для б-излучения с энергией меньше 10 МэВ -- 20.

1. Соотношение между единицами СИ и внесистемными единицами активности и характеристик поля излучения

При работе с радиоактивными веществами в открытом виде необходимо использовать средства индивидуальной защиты. Средствами индивидуальной защиты принято называть спецодежду, обувь, различные приборы и приспособления (респираторы, противогазы, пневмокостюмы), применяемые индивидуально и обеспечивающие защиту работающего с радиоактивными веществами от попадания радиоактивных веществ в органы дыхания, пищеварения и на кожу. Различают следующие виды средств индивидуальной защиты: изолирующие костюмы (пневмокостюмы, гидроизолирующие костюмы); средства защиты органов дыхания (респираторы, противогазы, пневмошлемы и т. д.); специальная одежда (комбинезоны, полукомбинезоны, куртки, брюки, халаты, фартуки и т. д.); специальная обувь (сапоги, ботинки, следы и т. д.); средства защиты рук (перчатки, рукавицы); средства защиты глаз (защитные очки); предохранительные приспособления (ручные захваты, манипуляторы и т.д.).

Выбор средств индивидуальной защиты определяют условиями работы и радиационной обстановкой, характером и объемом выполняемых работ, уровнем загрязнения воздуха и рабочих поверхностей.

3. Загрязнение окружающей среды радионуклидами в результате ядерных взрывов

* С учетом излучения дочерних продуктов в состоянии равновесия.

**Принято экспоненциальное распределение со средней глубины 3 см.

Доза ионизирующих излучений на следе радиоактивного облака в основном формируется за счет локальных выпадений продуктов ядерного взрыва. Как правило, дозы излучений постепенно понижаются от эпицентра ядерного взрыва к периферии следа радиоактивного облака. Для характеристики зоны радиоактивного следа обычно используется такое понятие, как суммарная доза г-излучения за время от момента выпадения продуктов ядерного взрыва до полного их распада (D_?). Ее рассчитывают по формуле

D_? = 5P₀ = 5P_вt_в^1,2(P),

где Р₀ и Р_в -- мощности доз излучения соответственно через 1 ч после ядерного взрыва и в момент выпадения в конкретной зоне следа, Р/ч; t_B -- возраст осколков после взрыва, ч.

Для практических целей чаще всего полезно знать дозу излучения за определенный отрезок времени. В этом случае расчеты проводят по формуле

D_t1-t2 = 5P_lt₁^1,2(t₁^-0,2-t₂^-0,2),

где Dt_l-t₂ -- доза г-излучении за промежуток времени от t₁ до t₂, P; P₁ -- мощность дозы излучения в момент первого измерения во время t₁, Р/ч; t₁ и t₂ -- время, прошедшее после взрыва ядерной бомбы, ч.

Считается, что основная доза облучения растений и животных на следе радиоактивного облака формируется в первые 4 дня.

Дозы облучения различных органов и тканей от инкорпорированных, т. е. задержанных в них, продуктов ядерного взрыва (внутреннее облучение) могут варьировать в широких пределах. Для одних радионуклидов (^{103, 106}Ru, ^{141, 144}Ce, ²³⁹Pu) характерно поступление в организм ингаляционным путем, тогда как для основной массы радиологически значимых радионуклидов (³Н, ¹⁴С, ⁵⁵Fe, ^{89, 90}Sr, ¹³¹I, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba) основным является алиментарный (пищевой) путь поступления. В случаях наземных ядерных взрывов (особенно при ядерных взрывах мощностью менее 1 мегатонны) следует учитывать слабую биологическую доступность радионуклидов, находящихся обычно 'в труднорастворимой форме. Это может быть причиной низкого усвоения радионуклидов в организме и, следовательно, сравнительно невысоких доз внутреннего облучения по сравнению с внешним облучением.

При сравнении двух видов облучения (внешнего и внутреннего) необходимо иметь в виду, что основная часть поглощенной дозы от внешнего облучения формируется в первые несколько дней после образования радиоактивного следа. Напротив, формирование поглощенной дозы внутреннего облучения идет по нарастающей кривой, обусловленной радиоактивным распадом инкорпорированных и постоянно поступающих средне- и долгоживущих продуктов ядерного взрыва. Особое место занимает радиоактивный йод (¹³¹I), который имеет сравнительно короткий период полураспада (T_1/2= = 8,05 дня), и поэтому в щитовидной железе, где он накапливается, в течение нескольких недель формируется основная доля поглощенной дозы.

Интересны данные о дозах облучения человека в результате выпадения радиоактивных осадков после многолетних и интенсивных ядерных испытаний в 1945--1962 гг. Начиная с 1963 г. после заключения Московского договора о запрещении испытаний атомного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой существенного добавления продуктов ядерного взрыва в биосферу не происходило. Испытания ядерного оружия продолжают Франция и Китай, но мощность взрывов обычно измеряется десятками килотонн и образование продуктов ядерного взрыва относительно невелико.

По данным научного комитета ООН по действию атомной радиации, при испытаниях ядерного оружия, проводимых до 1963 г., суммарная мощность взорванных боеприпасов и устройств составила 510,9 мегатонны (в том числе при воздушных взрывах 406,2 мегатонны и при наземных--104,7 мегатонны). Интегральное выпадение радионуклидов на сушу и водную поверхность составило (МКи): ³Н --3560, ¹⁴С --6,2, ⁵⁵Fe - 50, ⁸⁹Sr - 2800, ⁹⁰Sr-- 12,2, ¹⁰⁶Ru --330, ¹⁴⁴Ce -- 182,4, ^l37Cs--19,5, ²³⁹Pu --0,32. Расчеты показали, что ожидаемые дозы от радионуклидов, образовавшихся в результате ядерных испытаний, проведенных до 1976 г., составляют (для населения умеренного пояса Северного полушария): от внешнего облучения--110 мрад, от инкорпорированных радионуклидов: для гонад (половых желез)--37 мрад, костного мозга--150, клеток, выстилающих костную ткань,-- 180 и для легких -- 150 мрад.

Следует специально отметить, что формирование поглощенных доз от коротко- и среднеживущих продуктов ядерных взрывов практически завершилось уже в 1975--1976 гг. В формирование текущих, годовых поглощенных доз основной вклад из долгоживущих радионуклидов вносят лишь ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr. Из этих двух радионуклидов ¹³⁷Cs подвергает организм внешнему и внутреннему облучению, ⁹⁰Sr ответствен лишь за внутреннее облучение. Ежегодное приращение поглощенной дозы от этих радионуклидов к поглощенным дозам, обусловленным (естественными ионизирующими излучениями), незначительно.

Список литературы

1. Анненков Б. Н., Юдиннева Е. В. Основы сельскохозяйственной радиологии.-- М.: Агропромиздат, 1991. -- 287 с: ил.

2. Белов А. Д., Киршин В. А., Лысенко Н. П., Пак В. В. и др. Радиобиология. -- М.: Колос, 1999. -- 384 с: ил.

3. Старков В.Д., Мигунов В.И. Радиационная экология. Тюмень: ФГУ ИПП "Тюмень", 2003, 304 с, табл. 57, ил. 77, прил. 10.

Размещено на Allbest.ru