Радиоактивность - это что за явление? Виды радиоактивности

Радиация существовала задолго до появления человека и сопровождает человека от рождения до смерти. Ни один из наших органов чувств не способен распознавать коротковолновое излучение. Для выявления его человеку пришлось изобрести специальные приборы, без которых никак нельзя судить ни об уровне радиации, ни об опасности, которую она в себе несет.

История изучения радиоактивности

Все живое на нашей планете возникло, развивалось и существует в условиях, иногда далеких от благоприятных. На живые организмы действуют перепады температур, атмосферные осадки, движение воздуха, изменения атмосферного давления, чередование дня и ночи и другие факторы. Среди них особое место занимает ионизирующая радиация, образующаяся за счет 25 природных радиоактивных элементов, таких как уран, радий, радон, торий и др. Естественная радиоактивность - это частицы, летящие сквозь атмосферу от Солнца и звезд Галактики. Это два источника ионизирующего облучения всего живого и неживого.

Рентгеновское, или γ-излучение, представляет собой электромагнитные волны с высокой частотой и чрезвычайно большой энергией. Все виды ионизирующего излучения обусловливают ионизацию и изменение облучаемых объектов. Считается, что все живое на Земле приспособилось к действию ионизирующих излучений и не реагирует на них. Существует даже гипотеза, что естественная радиоактивность - это двигатель эволюции, благодаря которому возникло такое большое количество видов, самых разнообразных по форме и способам жизни организмов, поскольку мутации есть не что иное, как возникновение новых признаков организма, которые могут привести к появлению совершенно нового вида.

В течение XVIII-XIX столетий, а особенно сейчас, естественный радиационный фон на Земле повысился и продолжает увеличиваться. Причиной стала прогрессирующая индустриализация всех развитых стран, в результате которой при увеличении добычи металлических руд, угля, нефти, строительных материалов, удобрений и других полезных ископаемых на ее поверхность в больших количествах поступают различные минералы, содержащие природные радиоактивные элементы. При сжигании минеральных источников энергии, особенно таких, как уголь, торф, горючие сланцы, в атмосферу попадает много различных веществ, в том числе и радиоактивных. В середине XX века была открыта искусственная радиоактивность. Это привело к созданию атомной бомбы в США, а затем и в других странах, а также к развитию атомной энергетики. Во время атомных взрывов, работы АЭС (особенно при авариях), в окружающей среде, кроме постоянного естественного фона, накапливается искусственная радиоактивность. Это приводит к появлению очагов и больших территорий с высоким уровнем радиоактивности.

Что такое радиоактивность, кто открыл это явление?

Радиоактивность была открыта в 1896 году физиком из Франции А. Беккерелем. Он определил, что главным источником радиационного облучения является гамма-излучение вследствие его большой проникающей способности. Радиоактивность - это излучение, которому постоянно подвергается человек в результате воздействия природных источников радиации (космические и солнечные лучи, земное излучение). Его называют естественным радиационным фоном. Он существовал всегда: с момента образования нашей планеты и до настоящего времени. Человек, как и любой другой организм, постоянно находится под действием естественного радиационного фона. По данным Научного Комитета ООН по действию атомной радиации (НКДАР), радиоактивное облучение человека, вызванное действием природных источников радиоактивности, составляет около 83 % всей радиации, полученной человеком. Остальные 17 % вызываются техногенными источниками радиоактивности. Открытие и практическое применение ядерной энергии вызвало много проблем. С каждым годом расширяется сфера контактов человечества и всего живого с ионизирующим излучением. Уже сегодня из-за загрязнения почвы и атмосферы радиоактивными продуктами атомной энергетики и экспериментальных ядерных взрывов, большого распространения лучевого лечения и медицинской диагностики, применения новых стройматериалов радиационное давление увеличилось более чем в два раза.

Виды радиоактивности

На получение человеком предельных доз действует искусственная и естественная радиоактивность. Это процесс, который активизирует изучение биологического воздействия радиации все более широким кругом лиц. Каждый человек должен знать, какая есть связь между мощностью экспозиционной дозы излучения (МЭД) и эквивалентной дозой облучения, которая является определяющей для оценки ущерба, причиненного человеку радиацией.

β-частицы имеют энергию примерно от 0,01 до 2,3 МэВ, движутся со скоростью света. На своем пути создают в среднем 50 пар ионов на 1 см пути и не так быстро тратят свою энергию, как α-частицы. Чтобы задержать β- облучение, требуется металл толщиной не менее 3 мм.

Естественная радиоактивность вещества - это когда α-частицы выпускаются ядрами и имеют энергию от 4 до 9 МэВ. Выброшеные из ядер с большой начальной скоростью (до 20000 км/с), α-частицы тратят энергию на ионизацию атомов вещества, которые встречаются на их пути (в среднем 50 000 пар ионов на 1 см пути), и останавливаются.

γ-излучение принадлежит к электромагнитному излучению с длиной волны меньше 0,01 нм, энергия γ-кванта изменяется примерно от 0,02 до 2,6 МэВ. Фотоны γ-излучения поглощаются в одном или в нескольких актах взаимодействия с атомами вещества. Вторичные электроны ионизируют атомы окружающей среды. Частично гамма-излучение задерживается лишь толстой свинцовой (толщиной более 200 мм) или бетонной плитой.

Явление радиоактивности - это излучения, сопровождающиеся освобождением разного количества энергии и обладающие различной проникающей способностью, поэтому они оказывают различное влияние на организмы и экосистемы в целом. В дозиметрии пользуются величинами, которые количественно характеризуют радиоактивное свойство вещества и вызванные действием радиации эффекты: активность, экспозиционная доза излучения, поглощенная доза излучения, эквивалентная доза облучения. Открытие радиоактивности и возможность искусственного превращения ядер способствовали разработке методов и техники измерения радиоактивности элементов.

Лучевая болезнь

Радиоактивность - это излучение, которое является причиной лучевой болезни. Различают хроническую и острую формы этой болезни. Хроническая лучевая болезнь начинается в результате долгого облучения организма малыми (от 1 мЗв до 5 мЗв в сутки) дозами радиации после накопления суммарной дозы 0,7 ... 1,0 Сб. Острая лучевая болезнь вызывается однократным интенсивным облучением от 1-2 Зв дозе более 6 Сб. Выполненные расчеты эквивалентной дозы облучения показывают, что дозы, которые получает человек в обычных условиях в городе, к счастью, значительно ниже, чем те, что вызывают лучевую болезнь.

Мощность эквивалентной дозы, вызванной естественным излучением, - от 0,44 до 1,75 мЗв в год. Во время медицинской диагностики (рентгеновские исследования, лучевая терапия и т.д.) человек получает примерно 1,4 мЗв в год. Добавим, что в строительных материалах (кирпиче, бетоне) в небольших дозах также присутствуют радиоактивные элементы. Поэтому доза облучения возрастает еще на 1,5 мЗв в течение года.

Для фактологической оценки вредности радиоактивного излучения используют такую характеристику, как риск. Под риском обычно понимают вероятность нанесения вреда здоровью или жизни человека в течение определенного отрезка времени (как правило, в течение одного календарного года), рассчитывая его по формуле относительной частоты наступления опасного случайного события в совокупности всех возможных событий. Основным проявлением ущерба, причиненного радиоактивным излучением, является заболевание человека раком.

Группы радиотоксичности

Радиотоксичность - свойство радиоактивных изотопов вызвать патологические изменения при поступлении их в организм. Радиотоксичность изотопов зависит от ряда их характеристик и факторов, главными из которых являются следующие:

1) время поступления в организм радиоактивных веществ;
2) виды радиоактивности;
3) схема радиоактивного распада в организме;
4) средняя энергия одного акта распада;
5) распределение радиоактивных веществ по системам и органам;
6) пути поступления в организм радиоактивных веществ;
7) время пребывания в организме радионуклида;

Все радионуклиды как потенциальные источники внутреннего облучения распределяются на четыре группы радиотоксичности:

• группа А - с особо высокой радиотоксичностью, min активность 1 кБк;
• группа Б - с высокой радиотоксичностью, min активность не более 10 кБк;
• группа В - со средней радиотоксичностью, min активность не более 100 кБк;
• группа Г - с малой радиотоксичностью, min активность не более 1000 кБк.

Принципы нормирования радиактивного воздействия

В результате экспериментов на животных и изучения последствий облучения людей при ядерных взрывах, авариях на предприятиях ядерно-топливного цикла, лучевой терапии злокачественных опухолей, а также исследований других видов радиоактивности были установлены реакции организма на острое и хроническое облучение.

Нестохастические, или детерминистические эффекты имеют зависимость от дозы и проявляются в облученном организме за относительно короткий срок. С увеличением дозы облучения возрастает степень поражения органов и тканей - наблюдается эффект градуировки.

Стохастические, или вероятные (случайные) эффекты относятся к удаленным последствий облучения организма. В основе возникновения стохастических эффектов лежат вызванные облучением мутации и другие нарушения в клеточных структурах. Они возникают как в соматических (от латинского somatos -тело), так и в половых клетках и приводят к образованию в облученном организме злокачественных опухолей, а у потомства - аномалий развития и других нарушений, которые передаются по наследству (генетические эффекты). Принято считать, что порога мутагенного действия радиации не существует, а значит, нет и вполне безопасных доз. При дополнительном действии ионизирующего излучения как одного из многих факторов мутагенеза в дозе 1 сЗв (1 бэр) риск возникновения злокачественных опухолей возрастает на 5 %, а проявление генетических дефектов - на 0,4 %.

Риск гибели людей от дополнительного воздействия ионизирующего облучения в таких малых дозах значительно меньше риска их гибели в самом безопасном производстве. Но он есть, потому дозовые нагрузки на организм человека строго регламентированы. Эту функцию выполняют нормы радиационной безопасности.

НРБУ-97 направлены на недопущение возникновения детерминированных (соматических) эффектов и ограничение на принятом уровне возникновения стохастических эффектов. Радиационно-гигиенические регламенты, установленные НРБУ-97, построены на следующих трех принципах защиты:

• принцип оправданности;
• принцип непревышения;
• принцип оптимизации.

Естественная радиоактивность: уровни, дозы, риски

Система радиационной защиты граждан, построенная на результатах медико-биологических исследований, кратко формулируется так: степень возможного негативного влияния облучения на здоровье человека определяет только величина дозы, независимо от того, каким источником ионизирующего излучения она сформирована - естественным или искусственным. Техногенно усиленные источники природного происхождения относятся к управляемым компонентам суммарной дозы, и их вклад можно уменьшить, приняв соответствующие меры. Например, для радона в воздухе помещений и основных доз, которые формируют источники, оговорено две ситуации облучения: облучение в уже эксплуатируемых строениях и новых домах, которые только сдаются в эксплуатацию.

Нормативы требуют, чтобы эквивалентная равновесная активность радона в воздухе (ЭРОА) для домов эксплуатируемых не превышала 100 Бк/м3, что соответствует величине 250 Бк/м3 в сроке объемной активности, который применяется в большинстве европейских стран. Для сравнения, в новых "Основных стандартах безопасности" (BSS) МАГАТЭ референтный уровень для радона определен в 300 Бк/м3.

Для новых домов, детских учреждений и больниц эта величина равна 50 Бк/м3 (или 125 Бк/м3 газа радона). Измерение радиоактивности радона, по НРБУ-97, как и по нормативным документам других стран мира, проводится только интегральными методами. Это требование очень важно, потому что уровень радона в воздухе одной квартиры или дома может изменяться в 100 раз в течение суток.

Радон - 222

В ходе исследований, которые проводились в России в последние годы, были проанализированы структура и величина существующих доз облучения и установлено, что для населения в помещениях главное опасное вещество, которое создает радиоактивность, - это радон. Содержание этого вещества в воздухе можно легко снизить, если увеличить вентилирование помещения или ограничить поступление газа герметизацией подвального пространства. По данным отдела радиационной гигиены, порядка 23 % жилого фонда не соответствуют требованиям действующей нормативной базы по содержанию радона в воздухе помещений. Если жилой фонд довести до действующих нормативов, убытки можно уменьшить вдвое.

Расмотрим, почему же так вреден радон? Радиоактивность - это распад естественных радионуклидов уранового ряда, при котором радон-222 преобразуется в газ. При этом он образует коротко существующие дочерние продукты (ДПР): полоний, висмут, свинец, которые, присоединяясь к частицам пыли или влаги, образуют радиоактивный аэрозоль. Попадая в легкие, эта смесь через небольшой период полураспада ДПР радона-222 приводит к относительно высоким дозам облучения, которые могут быть причиной дополнительного риска заболеваний раком легких.

По данным обследования жилищного фонда отдельных регионов (28000 домов) специалистами института гигиены и медицинской экологии, средневзвешенная по отдельным областям среднегодовая эффективная доза облучения населения от радона составляет 2,4 мЗв/год, для сельского населения эта величина выше почти вдвое и составляет 4,1 мЗв/год. Для отдельных регионов дозы радона варьируются в достаточно широких пределах - от 1,2 мЗв/год до 4,3 мЗв/год, а индивидуальные дозы населения могут превышать дозовые лимиты для профессионалов категории А (20 мЗв/год).

Если оценить по принятым в мировой практике методам смертность от рака легких, обусловленного облучением радоном-222, то она составляет порядка 6000 случаев в год. Необходимо также учитывать, что в последние годы получены знания о влиянии радона. Так, по данным некоторых эпидемиологических исследований установлено, что радон может вызывать лейкемию у детей. По данным AS Evrard, связь между радоном и лейкемией у детей имеет прирост 20 % на каждые 100 Бк/м3. По данным Raaschou-Nielsen, этот прирост больше 34 % на каждые 100 Бк/м3.

Радиоактивность и шлаки

Во всех странах очень остро стоит проблема переработки и захоронения металлических отходов, имеющих радиоактивность. Это тоже источник излучения - не только от аварий, как например, на Чернобыльской АЭС, но и от действующих атомных электростанций, где постоянно проводятся плановые замены агрегатов. Как при этом быть со старыми металлическими узлами и конструкциями, которые имеют высокую радиоактивность? Специалисты из института электросварки разработали плазменно-дуговой способ плавки в водоохлаждаемом тигле, который обеспечивает удаление в шлаки металла или сплава, которые имеют радиоактивность. Это физика самой безопасной очистки. При этом можно использовать различные шлаковые композиции с высокой ассимилирующей способностью. Этим способом можно удалить даже те радиоактивные элементы, которые находятся в трещинах и углублениях поверхности. Для разрезания металлических отходов предусмотрено применять плазменную резку и взрыв под водой, электрогидравлическую резку и уплотнение разрезаемых узлов и конструкций. Эти высокопроизводительные технологии исключают образование пыли при работе, следовательно, предотвращают загрязнение окружающей среды. Стоимость переработки радиоактивных отходов по отечественному проекту ниже, чем у иностранных разработчиков.

Основные принципы защиты от закрытых источников ионизирующих излучений

Закрытые источники ионизирующих излучений обусловливают лишь внешнее облучение организма. Принципы защиты можно вывести из таких основных закономерностей распределения излучений и характера их взаимодействия с веществом:

• доза внешнего облучения пропорциональна времени и интенсивности воздействия излучения;
• интенсивность излучения от источника прямо пропорциональна количеству частиц или квантов или частиц;
• проходя через вещество, излучения им поглощаются, и их пробег зависит от плотности этого вещества.

Основные принципы защиты от внешнего облучения базируются на:

а) защите временем;
б) защите количеством;
в) защите экранами (экранирование источников материалами);
г) защите расстоянием (увеличение расстояния до максимально возможных величин).

В комплексе защитных мероприятий следует учитывать и вид излучения радиоактивных веществ (α-, β-частицы, γ-кванты). Защита от внешнего излучения α-частицами не нужна, поскольку пробег их в воздухе составляет 2,4-11 см, а в воде и тканях живого организма - только 100 мк. Спецодежда полностью защищает от них.

При внешнем облучении β-частицы влияют на кожный покров и роговицу глаз и в больших дозах вызывают сухость и ожоги кожи, ломкость ногтей, катаракту. Для защиты от β-частиц используют резиновые перчатки, очки и экраны. В случае особо мощных потоков β-частиц следует применять дополнительные экраны, предназначенные для защиты от тормозного рентгеновского излучения: фартуки и перчатки из просвинцованной резины, просвинцованное стекло, ширмы, боксы и тому подобное.

Защита от внешнего γ-излучения может обеспечиваться сокращением времени непосредственной работы с источниками, применением защитных экранов, поглощающих излучение, увеличением расстояния от источника.

Вышеупомянутые способы защиты можно применять отдельно или в различных комбинациях, но так, чтобы дозы внешнего фотонного облучения лиц категории А не превышали 7 мР в день и 0,04 Р в неделю. Защита путем уменьшения времени непосредственной работы с источниками фотонного излучения достигается скоростью манипуляций с препаратом, сокращением продолжительности рабочего дня и рабочей недели.