Таблица 2.1 Радиационные характеристики некоторых радионуклидов
Но мы ещё далеки от понимания главной проблемы – опасности разных радионуклидов для здоровья. Ведь период полураспада, как и удельная активность, напрямую с такой опасностью не связан. Эти свойства характеризуют лишь сам радионуклид.
Возьмём, к примеру, одинаковые количества урана-238 и стронция-90: одинаковые по активности, а конкретно – по миллиарду беккерелей каждого. Для урана-238 – это около 80 кг, а для стронция-90 – всего 0,2 мг. Будет ли отличаться их опасность для здоровья? Как небо от земли!
Рядом со слитком урана массой 80 кг можно спокойно стоять, можно посидеть на нём безо всякого вреда для здоровья, ведь почти все альфа-частицы, образующиеся в процессе распада урана, останутся внутри слитка.
А вот такое же по активности и при этом ничтожно малое по массе количество стронция-90 чрезвычайно опасно. Если человек находится рядом без средств защиты, то за короткое время он получит как минимум радиационные ожоги глаз и кожи.
Знаете, на что похожа удельная активность? Тут напрашивается аналогия – скорострельность оружия. Помните, что вопрос об опасности долго– и короткоживущих радионуклидов – провокационный? Так оно и есть! Всё равно, что спросить: "Какое оружие опасней: которое делает сто выстрелов в минуту или один выстрел в час?". Здесь важнее другое: калибр оружия, чем оно стреляет и, самое главное, долетит ли пуля до цели, поразит ли её, и какие при этом будут повреждения?
Начнём с простого – с "калибра". Вы наверняка и раньше слышали об альфа-, бета– и гамма-излучениях. Именно эти виды излучений образуются при радиоактивных распадах (вернёмся к таблице 2.1). У таких излучений имеются как общие свойства, так и различия.
Общие свойства: все три вида излучений относят к ионизирующим. Что это значит? Энергия излучений чрезвычайно высока. Настолько, что при попадании в другой атом они выбивают с его орбиты электрон. Атом-мишень при этом превращается в положительно заряженный ион (вот почему излучения – ионизирующие). Именно высокая энергия отличает ионизирующие излучения от всех прочих излучений, например, от микроволнового или ультрафиолетового.
Чтобы стало совсем понятно, представим атом. При огромном увеличении он выглядит как маковое зерно (ядро атома), окружённое тончайшей сферической плёнкой типа мыльного пузыря диаметром несколько метров (электронная оболочка).
И вот из нашего зёрнышка-ядра вылетает совсем крошечная пылинка, альфа– или бета-частица. Так выглядит радиоактивный распад. При испускании заряженной частицы заряд ядра изменяется, а значит, образуется новый химический элемент.
А наша пылинка мчится с огромной скоростью и врезается в электронную оболочку другого атома, выбивая из неё электрон. Атом-мишень, потеряв электрон, превращается в положительно заряженный ион. Но химический элемент остаётся прежним: ведь число протонов в ядре не изменилось. Такая ионизация – процесс химический: то же самое происходит с металлами при растворении в кислотах.
Вот по такой способности ионизировать атомы разные виды излучений и относят к радиоактивным. Ионизирующие излучения могут возникать не только в результате радиоактивного распада. Их источником может служить: реакция деления (атомный взрыв или ядерный реактор), реакция синтеза лёгких ядер (Солнце и другие звёзды, водородная бомба), ускорители заряженных частиц и рентгеновская трубка (сами по себе эти устройства не радиоактивны). Главное отличие радиации – высочайшая энергия ионизирующих излучений.
Различия же альфа-, бета– и гамма-излучений определяются их природой. В конце 19-го века, когда была открыта радиация, никто не знал, что это за "зверь". И вновь открываемые "радиоактивные лучи" просто обозначали первыми буквами греческого алфавита.
Сперва открыли альфа-лучи, испускаемые при распаде тяжёлых радионуклидов – урана, радия, тория, радона. Природу же альфа-частиц выяснили уже после их открытия. Оказалось, что это летящие с огромной скоростью ядра атомов гелия. То есть тяжёлые положительно заряженные "пакеты" из двух протонов и двух нейтронов. Эти "крупнокалиберные" частицы далеко пролететь не могут. Даже в воздухе они проходят не более нескольких сантиметров, а лист бумаги или, скажем, внешний омертвевший слой кожи (эпидермис) задерживает их полностью.
Бета-частицы при ближайшем рассмотрении оказались обычными электронами, но опять же летящими с огромной скоростью. Они значительно легче альфа-частиц, и электрический заряд у них поменьше. Такие "мелкокалиберные" частицы глубже проникают в разные материалы. В воздухе бета-частицы пролетают несколько метров, их способны задержать: тонкий лист металла, оконное стекло и обычная одежда. Внешнее облучение обычно приводит к ожогу хрусталика глаза или кожи, подобно солнечному ультрафиолету.
И, наконец, гамма-излучение. Оно имеет ту же природу, что и видимый свет, ультрафиолетовые, инфракрасные лучи или радиоволны. То есть гамма-лучи – это электромагнитное (фотонное) излучение, но с чрезвычайно высокой энергией фотонов. Или, другими словами, с очень короткой длиной волны (рис. 2.2).
Рис. 2.2 Шкала электромагнитных излучений
Гамма-излучение имеет очень высокую проникающую способность. Она зависит от плотности облучаемого материала и оценивается толщиной слоя половинного ослабления. Чем плотнее материал, тем лучше он задерживает гамма-лучи. Именно поэтому для защиты от гамма-излучения чаще используют бетон или свинец. В воздухе гамма-лучи могут пройти десятки, сотни и даже тысячи метров. Для других материалов толщина слоя половинного ослабления показана на рис. 2.3.
Рис. 2.3 Значение слоёв половинного ослабления гамма-излучения
При воздействии гамма-излучения на человека могут быть повреждены и кожа, и внутренние органы. Если бета-излучение мы сравнили со стрельбой мелкокалиберными пулями, то гамма-излучение – это стрельба иголками.
По природе и свойствам на гамма-излучение очень похоже излучение рентгеновское. Отличается происхождением: его получают искусственно в рентгеновской трубке.
Существуют и другие виды ионизирующих излучений. Например, при ядерной вспышке или работе ядерного реактора, кроме гамма-излучений, образуются потоки нейтронов. Космические лучи помимо этих же излучений несут протоны и много чего ещё.
Итак, мы ответили на вопрос о "скорострельности" и "калибре" ионизирующих излучений. Но этот вопрос вовсе не главный. Куда важнее последствия облучения. Поэтому необходимо узнать, как ионизирующие излучения действуют на живой организм.
Об этом – в следующей главе.
Миф третий: самый опасный вид радиации – гамма-излучение
Со школьных времен у многих сложилось впечатление: по-настоящему опасно именно гамма-излучение. Образуясь при ядерной вспышке, гамма-лучи пролетают многие километры, пронизывают людей насквозь и приводят к лучевой болезни. Именно для защиты от гамма-излучений ядерный реактор окружают бетонной толщей, а небольшие источники излучений прячут в свинцовые контейнеры.
Всё это так. Но не имеет прямого отношения к опасности излучений для человека. Почему? Потому что в этом случае речь идёт о совсем другом свойстве излучений – об их проникающей способности. Да, у гамма-излучений такая способность много выше, чем у альфа– и бета-лучей. Но опасность излучений определяется не проникающей способностью, а дозой. Позднее мы вернемся к нашим гамма-лучам, а пока попробуем понять, что такое доза.
Рассмотрим на бытовом примере. Человек выпил 250 граммов водки. Это что – доза? Нет, это порция, которая содержит 100 граммов спирта. А доза рассчитывается с учетом массы тела человека. Если он весит 100 кг, то в нашем примере доза будет равна 1 грамму алкоголя на 1 килограмм массы тела. Если же человек весит 50 кг, то доза будет равна 2 грамма на киллограм, то есть в два раза больше. Видите, как удобно сравнивать? Уже ясно, что на второго человека приём той же порции окажет более сильное действие. А от одинаковой дозы и последствия будут соразмерные.
Подобным образом оценивают и воздействие ионизирующих излучений на человека. Самая простая характеристика – так называемая поглощённая доза. Как её определяют? В два этапа. Сначала измеряют или рассчитывают – нет, не граммы спирта, а количество энергии, которое поглотило тело (человек или отдельный орган) в результате облучения. А потом эту поглощённую энергию делят на массу тела.