Что такое бета излучения?

Что же такое радиация? Так называют различные виды ионизирующего излучения, то есть того, которое способно отрывать электроны от атомов вещества. Три основных вида ионизирующего излучения принято обозначать греческими буквами альфа, бета и гамма. Альфа-излучение — это поток ядер гелия-4 (практически весь гелий из воздушных шариков когда-то был альфа-излучением), бета — поток быстрых электронов (реже позитронов), а гамма — поток фотонов высокой энергии. Еще один вид радиации — поток нейтронов. Ионизирующее излучение (за исключением рентгеновского) — результат ядерных реакций, поэтому ни мобильные телефоны, ни микроволновые печи не являются его источниками.

Заряженное оружие

Из всех видов искусства для нас важнейшим, как известно, является кино, а из видов радиации — гамма-излучение. Оно обладает очень высокой проникающей способностью, и теоретически никакая преграда не способна защитить от него полностью. Мы постоянно подвергаемся гамма-облучению, оно приходит к нам сквозь толщу атмосферы из космоса, пробивается сквозь слой грунта и стены домов. Обратная сторона такой всепроникаемости — относительно слабое разрушающее действие: из большого количества фотонов лишь малая часть передаст свою энергию организму. Мягкое (низкоэнергетическое) гамма-излучение (и рентгеновское) в основном взаимодействует с веществом, выбивая из него электроны за счет фотоэффекта, жесткое — рассеивается на электронах, при этом фотон не поглощается и сохраняет заметную часть своей энергии, так что вероятность разрушения молекул в таком процессе значительно меньше.

Бета-излучение по своему воздействию близко к гамма-излучению — оно тоже выбивает электроны из атомов. Но при внешнем облучении оно полностью поглощается кожей и ближайшими к коже тканями, не доходя до внутренних органов. Тем не менее это приводит к тому, что поток быстрых электронов передает облученным тканям значительную энергию, что может привести к лучевым ожогам или спровоцировать, например, катаракту.

Альфа-излучение несет значительную энергию и большой импульс, что позволяет ему выбивать электроны из атомов и даже сами атомы из молекул. Поэтому причиненные им «разрушения» значительно больше — считается, что, передав телу 1 Дж энергии, альфа-излучение нанесет такой же ущерб, как 20 Дж в случае гамма- или бета-излучения. К счастью, проникающая способность альфа-частиц чрезвычайно мала: они поглощаются самым верхним слоем кожи. Но при попадании внутрь организма альфа-активные изотопы крайне опасны: вспомните печально известный чай с альфа-активным полонием-210, которым был отравлен Александр Литвиненко.

Нейтральная опасность

Но первое место в рейтинге опасности, несомненно, занимают быстрые нейтроны. Нейтрон не имеет электрического заряда и поэтому взаимодействует не с электронами, а с ядрами — только при «прямом попадании». Поток быстрых нейтронов может пройти через слой вещества в среднем от 2 до 10 см без взаимодействия с ним. Причем в случае тяжелых элементов, столкнувшись с ядром, нейтрон лишь отклоняется в сторону, почти не теряя энергии. А при столкновении с ядром водорода (протоном) нейтрон передает ему примерно половину своей энергии, выбивая протон с его места. Именно этот быстрый протон (или, в меньшей степени, ядро другого легкого элемента) и вызывает ионизацию в веществе, действуя подобно альфа-излучению. В результате нейтронное излучение, подобно гамма-квантам, легко проникает внутрь организма, но там почти полностью поглощается, создавая быстрые протоны, вызывающие большие разрушения. Кроме того, нейтроны — это то самое излучение, которое вызывает наведенную радиоактивность в облучаемых веществах, то есть превращает стабильные изотопы в радиоактивные. Это крайне неприятный эффект: скажем, с транспортных средств после пребывания в очаге радиационной аварии альфа-, бета- и гамма-активную пыль можно смыть, а вот от нейтронной активации избавиться невозможно — излучает уже сам корпус (на этом, кстати, и был основан поражающий эффект нейтронной бомбы, активировавшей броню танков).

В природе нейтронное излучение весьма незначительно. По сути, риск подвергнуться ему существует лишь при ядерной бомбардировке или серьезной аварии на АЭС с расплавлением и выбросом в окружающую среду большей части активной зоны реактора (да и то лишь в первые секунды).

Газоразрядные счетчики

Радиацию можно обнаружить и измерить с помощью различных датчиков. Самые простые из них — ионизационные камеры, пропорциональные счетчики и газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера. Они представляют собой тонкостенную металлическую трубку с газом (или воздухом), вдоль оси которой натянута проволочка — электрод. Между корпусом и проволочкой прикладывают напряжение и измеряют протекающий ток. Принципиальное отличие между датчиками лишь в величине прикладываемого напряжения: при небольших напряжениях имеем ионизационную камеру, при больших — газоразрядный счетчик, где-то посередине — пропорциональный счетчик.

Ионизационные камеры и пропорциональные счетчики позволяют определить энергию, которую передала газу каждая частица. Счетчик Гейгера-Мюллера только считает частицы, зато показания с него очень легко получать и обрабатывать: мощность каждого импульса достаточна, чтобы напрямую вывести ее на небольшой динамик! Важная проблема газоразрядных счетчиков — зависимость скорости счета от энергии излучения при одинаковом уровне радиации. Для ее выравнивания используют специальные фильтры, поглощающие часть мягкого гамма- и всё бета-излучение. Для измерения плотности потока бета- и альфа-частиц такие фильтры делают съемными. Кроме того, для повышения чувствительности к бета- и альфа-излучению применяются «торцевые счетчики»: это диск с донышком в качестве одного электрода и вторым спиральным проволочным электродом. Крышку торцевых счетчиков делают из очень тонкой (10−20 мкм) пластинки слюды, через которую легко проходит мягкое бета-излучение и даже альфа-частицы.

Полупроводники и сцинтилляторы

Вместо ионизационной камеры можно использовать полупроводниковый датчик. Простейшим примером служит обычный диод, к которому приложено запирающее напряжение: при попадании ионизирующей частицы в p-n-переход она создает дополнительные носители заряда, которые приводят к появлению импульса тока. Чтобы повысить чувствительность, используют так называемые pin-диоды, где между слоями p- и n-полупроводников есть относительно толстый слой нелегированного полупроводника. Такие датчики компактны и позволяют измерять энергию частиц с высокой точностью. Но объем чувствительной области у них мал, а потому чувствительность ограничена. Кроме того, они куда дороже газоразрядных.

Еще один принцип — подсчет и измерение яркости вспышек, которые возникают в некоторых веществах при поглощении частиц ионизирующего излучения. Увидеть невооруженным глазом эти вспышки нельзя, но специальные высокочувствительные приборы — фотоэлектронные умножители — на это способны. Они даже позволяют измерять изменение яркости во времени, что характеризует потери энергии каждой отдельной частицей. Датчики на этом принципе называют сцинтилляторными.

Щит от радиации

Для защиты от гамма-излучения наиболее эффективны тяжелые элементы, такие как свинец. Чем больше номер элемента в таблице Менделеева, тем сильнее в нем проявляется фотоэффект. Степень защиты зависит и от энергии частиц излучения. Даже свинец ослабляет излучение от цезия-137 (662 кэВ) лишь в два раза на каждые 5 мм своей толщины. В случае кобальта-60 (1173 и 1333 кэВ) для двукратного ослабления потребуется уже более сантиметра свинца. Лишь для мягкого гамма-излучения, такого как излучение кобальта-57 (122 кэВ), серьезной защитой будет и достаточно тонкий слой свинца: 1 мм ослабит его раз в десять. Так что противорадиационные костюмы из фильмов и компьютерных игр в реальности защищают лишь от мягкого гамма-излучения.

Бета-излучение полностью поглощается защитой определенной толщины. Например, бета-излучение цезия-137 с максимальной энергией 514 кэВ (и средней 174 кэВ) полностью поглощается слоем воды толщиной в 2 мм или всего 0,6 мм алюминия. А вот свинец для защиты от бета-излучения использовать не стоит: слишком быстрое торможение бета-электронов приводит к образованию рентгеновского излучения. Чтобы полностью поглотить излучение стронция-90, нужно менее 1,5 мм свинца, но для поглощения образовавшегося при этом рентгеновского излучения требуется еще сантиметр!

От внешнего альфа-облучения защититься проще всего: для этого достаточно листа бумаги. Впрочем, большая часть альфа-частиц не проходит в воздухе и пяти сантиметров, так что защита может потребоваться разве что в случае непосредственного контакта с радиоактивным источником. Куда важнее защититься от попадания альфа-активных изотопов внутрь организма, для чего используется маска-респиратор, а в идеале — герметичный костюм с изолированной системой дыхания.

Наконец, от быстрых нейтронов лучше всего защищают богатые водородом вещества. Например, углеводороды, самый лучший вариант — полиэтилен. Испытывая столкновения с атомами водорода, нейтрон быстро теряет энергию, замедляется и вскоре становится неспособен вызывать ионизацию. Однако такие нейтроны все еще могут активировать, то есть преобразовывать в радиоактивные, многие стабильные изотопы. Поэтому в нейтронную защиту часто добавляют бор, который очень сильно поглощает такие медленные (их называют тепловыми) нейтроны. Увы, толщина полиэтилена для надежной защиты должна быть как минимум 10 см. Так что она получается ненамного легче, чем свинцовая защита от гамма-излучения.

Таблетки от радиации

Человеческий организм более чем на три четверти состоит из воды, так что основное действие ионизирующего излучения — радиолиз (разложение воды). Образующиеся свободные радикалы вызывают лавинный каскад патологических реакций с возникновением вторичных «осколков». Кроме того, излучение повреждает химические связи в молекулах нуклеиновых кислот, вызывая дезинтеграцию и деполимеризацию ДНК и РНК. Инактивируются важнейшие ферменты, имеющие в своем составе сульфгидрильную группу — SH (аденозинтрифосфатаза, сукциноксидаза, гексокиназа, карбоксилаза, холинэстераза). При этом нарушаются процессы биосинтеза и энергетического обмена, из разрушенных органелл в цитоплазму высвобождаются протеолитические ферменты, начинается самопереваривание. В группе риска в первую очередь оказываются половые клетки, предшественники форменных элементов крови, клетки желудочно-кишечного тракта и лимфоциты, а вот нейроны и мышечные клетки к ионизирующему излучению довольно устойчивы.

Препараты, способные защитить от последствий облучения, стали активно разрабатываться в середине XX века. Более-менее эффективными и пригодными для массового использования оказались лишь некоторые аминотиолы, такие как цистамин, цистеамин, аминоэтилизотиуроний. По сути они являются донорами — SH групп, подставляя их под удар вместо «родных».

Радиация вокруг нас

Чтобы столкнуться с радиацией «лицом к лицу», аварии вовсе не обязательны. Радиоактивные вещества широко применяются в быту. Природной радиоактивностью обладает калий — очень важный для всего живого элемент. Из-за малой примеси изотопа K-40 в природном калии «фонит» диетическая соль и калийные удобрения. В некоторых старых объективах использовалось стекло с примесью оксида тория. Этот же элемент добавляют в некоторые современные электроды для аргоновой сварки. До середины ХХ века активно использовали приборы с подсветкой на основе радия (в наше время радий заменили на менее опасный тритий). В некоторых датчиках дыма используется альфа-излучатель на основе америция-241 или высокообогащенного плутония-239 (да-да, того самого, из которого делают ядерные бомбы). Но волноваться не стоит — вред здоровью от всех этих источников значительно меньше вреда от беспокойства по этому поводу.

Бета-излучение – это испускание β-лучей, представляет собой поток β-частиц (электронов или позитронов) при β-распаде атомных ядер. Скорость β-частиц в β-лучах близка к скорости света. Б.и. является следствием β-распада. β-распад – радиоактивные превращения атомных ядер, в процессе которых ядра испускают электроны и антинейтрино (β— -распад) либо позитроны и нейтрино (β+ -распад). Вылетающие при β-распаде электроны и позитроны носят общее название β-частиц. При β— -распаде в ядре происходит превращение одного нейтрона в протон, а при β+ -распаде – превращение одного протона в нейтрон. К β-распаду относится также электронный захват (Е-захват) – захват ядром электрона из электронной оболочки атома, сопровождающийся превращением одного протона в нейтрон с испусканием нейтрино.

Энергия, выделяющаяся при β-распаде, по-разному распределяется между электроном (позитроном) и антинейтрино (нейтрино). β-распад обусловлен особым, т.н. слабым взаимодействием, малым по сравнению не только с ядерным взаимодействием, но и с электромагнитным. Б.и. обладает большей проникающей способностью, чем α-излучение. Как и α-излучение, оно отклоняется в магнитном и электрическом полях, но в противоположную сторону и на большее расстояние; Б.и. является потоком отрицательно заряженных частиц малой массы. Известны следующие типы β-распада: электронный распад (превращение нейтрона в протон), позитронный распад (протона в нейтрон) и электронный захват. При электронном β-распаде заряд ядра увеличивается на 1, при позитронном – уменьшается на 1; массовое число не меняется. Б.и. приводит к развитию всех признаков лучевого поражения, вплоть до гибели клеток, тканей и всего организма. При внешнем облучении организма Б.и. поражает в основном поверхностные ткани, т.к. проникающая способность β-частиц не превышает нескольких миллиметров. При попадании источников Б.и. в организм особенности лучевого поражения зависят от его распределения в организме и от периода полураспада.

Нейтроны—нейтральные частицы с единичной массой — обладают очень большой проникающей способностью. Нейтроны высокой энергии (быстрые нейтроны) взаимодействуют с ядрами, вызывая выброс протона. Нейтроны низкой энергии (тепловые нейтроны) при взаимодействии с ядрами образуют радиоактивные ядра, испускающие (3-частицы или улучи — Действие нейтронов на целлюлозу является результатом этих вторичных излучений.

Излучение ионизирующее — электромагнитная (рентгеновские лучи, улучи) и корпускулярная] (ос-частицы, (3-частицы, поток протонов и нейтронов) радиация, в той или иной степени проникающая в живые ткани и вызывающая в них изменения, связанные с «выбиванием» электронов из атомов и молекул или прямым и опосредованным возникновением ионов. В дозах, превышающих естественные (природный радиационный фон), И.и. вредно для организмов.

Нейтроны в районе взрыва захватываются атомами азота воздуха, создавая при этом гамма-излучение, механизм воздействия которого на окружающий воздух аналогичен первичному гамма-излучению, то есть способствует поддержанию электромагнитных полей и токов.

Нейтронное излучение преобразует свою энергию в результате соударения с ядрами вещества. При неупругих взаимодействиях возможно возникновение вторичных излучений, которые могут иметь как заряженные частицы, так и у-излучения. При упругих столкновениях возможна ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов в значительной степени зависит от их энергии.

Нейтронное излучение представляет собой поток ядерных частиц, не имеющих электрического заряда. Масса нейтрона приблизительно в 4 раза меньше массы альфа-частиц. В зависимости от энергии различают медленные нейтроны (с энергией менее 1 КэВ1), нейтроны промежуточных энергий (от 1 до 500 КэВ) и быстрые нейтроны (от 500 КэВ до 20 МэВ). Среди медленных нейтронов различают тепловые нейтроны с энергией менее 0,2 эВ. Тепловые нейтроны находятся по существу в состоянии термодинамического равновесия с тепловым движением атомов среды. Наиболее вероятная скорость движения таких нейтронов при комнатной температуре составляет 2200 м/с. При неупругом взаимодействии нейтронов с ядрами атомов среды возникает вторичное излучение, состоящее из заряженных частиц и гамма-квантов (гамма-излучение). При упругих взаимодействиях нейтронов с ядрами может наблюдаться обычная ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии, но она существенно выше, чем у альфа- или бета-частиц. Так, длина пробега нейтронов промежуточных энергий составляет около 15 м в воздушной среде и 3 см в биологической ткани, аналогичные показатели для быстрых нейтронов — соотве-ственно 120 м и 10 см. Таким образом, нейтронное излучение обладает высокой проникающей способностью и представляет для человека наибольшую опасность из всех видов корпускулярного излучения. Мощность нейтронного потока измеряется плотностью потока нейтронов (нейтр./см2 • с).

Доля нейтронов в общей дозе облучения при проникающей радиации меньше дозы гамма-излучения, но с уменьшением мощности ЯБП она увеличивается. Нейтроны вызывают наведенную радиацию в металлических предметах и фунте в районе взрыва. Радиус зоны поражения проникающей радиацией значительно меньше радиусов поражения ударной волной и световым импульсом.

Гамма-излучение представляет собой поток у — квантов, т. е. это электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны, у — лучи глубоко проникают в организм человека и представляют большую радиационную опасность. Нейтронное излучение также обладает большой проникающей способностью.

Термин «излучения высокой энергии» используется в настоящем обзоре для обозначения излучений, которые взаимодействуют с веществом неспецифическим (в химическом отношении) образом, т. е. характер взаимодействия почти не зависит от химического строения вещества. Для излучения такого рода часто применяют также термин «ионизирующие излучения». Энергия излучений этого типа обычно во много раз превосходит энергию химической связи. Напротив, энергия ультрафиолетового или видимого света обычно представляет собой величину примерно того же порядка, что и энергия химической связи. Поглощение ультрафиолетового и видимого света зависит от химической структуры вещества (разд. В настоящем разделе описано в основном влияние рентгеновских и гамма-лучей , электронов и нейтронов на химические и физические свойства целлюлозы.

Фотонное излучение, а также нейтроны и другие незаряженные частицы непосредственно ионизацию не производят, но в процессе взаимодействия со средой они высвобождают заряженные частицы (электроны, протоны и т.д.), способные ионизировать атомы и молекулы среды, через которую они проходят. Таким образом, ионизирующее излучение, состоящее из незаряженных частиц (например, нейтронов) или фотонов, которые в свою очередь могут создавать непосредственно ионизирующее излучение и (или) вызывать ядерные превращения, называется косвенным ионизирующим излучением.

КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Корпускулярная радиация сложного состава с высокой энергией и большой проникающей способностью, пронизывающая всю толщу атмосферы с неизменной во времени интенсивностью. Первичное К. И., проникающее в атмосферу из мирового пространства с очень большими скоростями, это — протоны, альфа-частицы (ядра гелия) и атомные ядра ряда других элементов с очень высокой энергией (109—1016 эВ). Ионизируя атомы атмосферных газов, они дают начало вторичному К. И., которое содержит все известные виды элементарных частиц (электроны, мезоны, протоны, нейтроны, фотоны и др.). Поэтому с высотой интенсивность К. И. быстро увеличивается. На уровне 15 км она становится в 150 раз больше, чем у земной поверхности, затем убывает и в высоких слоях атмосферы остается постоянной (около 10 частиц на 1 см2/мнн). К. И. является важнейшим ионизатором атмосферного воздуха.

Дозы быстрых нейтронов в 10 —20 раз меньше (выражают их в единицах поглощенной энергии — греях). После воздействия рентгеновским и гамма-излучением или быстрыми нейтронами семена можно сразу высевать.

Ионизирующее излучение по своей природе неоднородно. Оно представляет собой корпускулярную радиацию (альфа- и бета-частицы, поток протонов и нейтронов) и электромагнитные колебания (гамма-лучи). Обычно говорят (хотя это и не совсем точно), что альфа-излучение — это испускание ядром частиц, состоящих из двух протонов и двух нейтронов. Бета-излучение представляет собой испускание электронов. Когда нуклид частиц не выбрасывает, а испускает пучок чистой энергии (гамма-квант), говорят о гамма-излучении.

Из всех видов излучения, используемых в активационном анализе (быстрые и медленные нейтроны, протоны, дейтроны, а-частицы, жесткие у-кванты), наибольшее применение находят медленные (тепловые) нейтроны.

Ионизирующее излучение — любое излучение, за исключением видимого света и ультрафиолетового излучения, взаимодействие которого со средой приводит к ее ионизации, т. е. к образованию зарядов обоих знаков. Все виды ионизирующих излучений разделяют условно на электромагнитные (или волновые) и корпускулярные (а-, 3-, нейтронное, протонное, мезонное и другие излучения).

ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — поток частиц (электронов, позитронов, протонов, нейтронов) и квантов (рентгеновские и гамма-лучи) электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации возбуждению его атомов и молекул. И. и. в дозах, превышающих естественные, вредно для организма.

Ионизирующие излучения — это рентгеновское излучение (Х-лучи), протоны и нейтроны космических лучей, а также а-, Р- и у-л учи, освобождаемые радиоактивными элементами изотопов (плутония, 82Р,МС, 8Н, кобальта-90 и др.). Источником ионизирующего излучения также являются радиоактивные отходы ядерных реакторов.

Для защиты от у-излучения используются материалы, имеющие большой атомный номер (например, свинец), а от потока нейтронов — водородосодержащие материалы (вода, полиэтилен, парафин, каучук и др.).

Чувствительность нейтронно-активационного анализа даже при отсутствии мешающих радионуклидов является функцией многих переменных, которые могут быть объединены в три основные группы. К первой группе относятся параметры, связанные с облучением проб (плотность потока нейтронов, продолжительность облучения); ко второй группе — параметры, определяющие условия измерения (продолжительность выдержки проб, эффективность регистрации •уквантов, продолжительность измерений, уровень мешающих излучений); к третьей группе — ядерно-физические характеристики образующихся радионуклидов (сечение ядерной реакции, распространенность элемента, на котором происходит реакция, период полураспада и квантовый выход аналитической

Продукты деления и нейтронной активации испытывают радиоактивные превращения в основном путем р-распада, а в некоторых случаях — испускания позитронов и захвата орбитальных электронов . Ядра тяжелых элементов (ТЬ232, и233, и235, и238, Ри239) распадаются путем а-превращений. Распад подавляющего большинства ядер сопровождается у-излучением..

При расчете защиты от нейтронного излучения следует помнить, что защита основывается на поглощении тепловых и холодных нейтронов, а быстрые нейтроны должны сначала замедлиться. Защитные свойства материалов определяются их замедляющей и поглощающей способностями. Для замедления быстрых нейтронов используют материалы, имеющие водородосодержащие вещества (вода, бетон, пластмассы и др.). Для эффективного поглощения тепловых нейтронов используют материалы, обладающие большим сечением захвата (борная сталь, борный графит, сплав кадмия со свинцом).

Энергия ионизирующих излучений достаточна для того, чтобы вызвать деструкцию атомных и молекулярных связей в живой клетке, что очень часто и приводит к ее гибели. Чем интенсивнее процесс ионизации в живой ткани, тем больше биологическое воздействие этого излучения на живой организм. В результате сложных биофизических процессов, возникающих под воздействием ионизирующих излучений, в организме образуются разного рода радикалы, которые, в свою очередь, могут образовывать различные соединения, не свойственные здоровой ткани. Кроме того, вызванное ионизирующим действием радиоактивности расщепление молекул воды на водород и гидроксильную группу приводит к ряду нарушений в биохимических процессах. Под воздействием ионизирующих излучений в организме могут происходить торможение функций кроветворных органов, подавление иммунной системы и половых желез, расстройства желудочно-кишечного тракта, нарушения обмена веществ, канцерогенные реакции и т. д. При рассмотрении биологического действия радиоактивности различают внешнее и внутреннее облучения. Внешнее облучение представляет собой случай, когда источник радиации находится вне организма и продукты радиоактивности не попадают внутрь организма. При этом наиболее опасны /?-, у-, рентгеновское и нейтронное облучение. Этот случай на практике реализуется при работе на установках, имеющих рентгеновское и у-излучения, с радиоактивными веществами, запаянными в ампулах и т.п.

Некоторые другие типы излучения также представляют хотя бы косвенный интерес для эколога. Нейтроны — это крупные незаряженные частицы, которые сами по себе не вызывают ионизации, но, выбивая атомы из их стабильных состояний, создают наведенную радиоактивность в нерадиоактивных материалах или тканях, сквозь которые они проходят. При равном количестве поглощенной энергии «быстрые» нейтроны вызывают в 10, а «медленные» — в 5 раз большие поражения, чем Гамма-лучи. С нейтронным излучением можно встретиться вблизи реакторов и в местах ядерных взрывов, но, как указано выше, они играют главную роль при образовании радиоактивных веществ, которые затем широко распространяются в природе. Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное излучение, очень близкое гамма-лучам, но образующееся на внешних электронных оболочках, а не в ядре атома и не испускаемое радиоактивными веществами, рассеянными в окружающей среде. Так как действие рентгеновских и гамма-лучей одинаково и так как рентгеновские лучи легко получать на специальной установке, их удобно применять при экспериментальном изучении особей, популяций и даже небольших экосистем. Космические лучи — это излучение, приходящее к нам из космического пространства и состоящее из корпускулярной и электромагнитной компонент. Интенсивность космических лучей в биосфере мала, однако они представляют собой основную опасность при космическом путешествии (гл. 20). Космические лучи и ионизирующее излучение, испускаемое природными радиоактивными веществами, содержащимися в воде и почве, образуют так называемое фоновое излучение, к которому адаптирована ныне существующая биота. Возможно, что поток генов в биоте поддерживается благодаря наличию этого фонового излучения. В разных частях биосферы естественный фон различается в три-четыре раза. В этой главе мы сосредоточим внимание главным образом на искусственной радиоактивности, которая добавляется к фону.

Энергетический спектр нейтронов деления практически непрерывен и простирается от тепловых энергий до энергий около 25 МэВ со средней энергией 1—2 МэВ и наиболее вероятной энергией 0,72 МэВ. При этом доля нейтронов с энергией более 0,1 МэВ (промежуточные и быстрые нейтроны) составляет около 99%- Для поддержания цепной реакции нейтроны замедляются в специальных устройствах — замедлителях, где они приходят в тепловое равновесие со средой и снова взаимодействуют с ядерным топливом. Соотношение потоков быстрых нейтронов спектра деления, резонансных, промежуточных и тепловых нейтронов в активной зоне реактора зависит от типа горючего, замедлителя, геометрии системы и некоторых других факторов. Поскольку в каналах реактора тепловые нейтроны составляют 90—95%, нейтронами других энергий обычно пренебрегают. Однако в практике НАА для повышения селективности определения какого-либо элемента (или группы элементов) используют трансформацию нейтронного излучения за счет применения фильтров из Сс1 или В. Эти фильтры являются сильными поглотителями тепловых нейтронов, что обеспечивает проведение анализа на резонансных и быстрых нейтронах.

Энергия радиоактивного излучения измеряется в джоулях (Дж). Активность радиоизотопов определяется числом актов распада в единицу времени и измеряется в беккерелях (Бк), имеющих размерность с-1. В жидкостях удельную радиоактивность препарата выражают в Б к/кг. Важной единицей рентгеновского и 7-излучеиия является экспонирующая доза, измеряемая в кулонах (Кл) на 1 кг вещества. Мощность экспозиционной дозы выражается в А/кг. Мощность дозы — Р/с = = 2,58-10 4 Кл/кг, Р/мин = 4,30 • 10 6 Кл/кг. Доза излучения оценивается по его биологическому воздействию — коэффициенту качества К. Для рентгеновского и у-излучения К=1, для тепловых нейтронов К = 3.

Ионизирующее (проникающее) излучение, или радиация, представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение: рентгеновские и 7-лучи, высокоэнергетические заряженные частицы — электроны, протоны, а-частицы и др., а также быстрые нейтроны — частицы, не имеющие заряда.

Еще одной разновидностью радиоактивных излучений являются потоки нейтронов. Нейтроны — это составные части атомных ядер. Масса нейтрона примерно равна массе протона. Нейтроны не имеют электрического заряда. Быстрые нейтроны обладают большой энергией (до десятков Мэе). Они не отталкиваются электрически от положительно заряженных ядер атомов, а потому имеет место упругое соударение этих частиц, в результате которого возникают «протоны отдачи», движущиеся с энергией, примерно равной первоначальной энергии нейтрона. Проникающая способность быстрых нейтронов и «протонов отдачи» велика.

Одним из видов физического загрязнения является ионизирующее излучение. Оно обладает энергией, достаточной для того, чтобы выбить один или более электронов из атомов и образовать положительно заряженные ионы, которые в свою очередь вступают в реакцию и разрушают ткани живых организмов. Примерами ионизирующего излучения являются ультрафиолетовое излучение Солнца и аппаратов ультрафиолетового облучения, рентгеновское излучение, нейтронное излучение, возникающее в ходе реакции ядерного деления и ядерного синтеза, а также альфа-, бета- и гамма-излучение, испускаемое радиоактивными изотопами. У некоторых веществ все изотопы радиоактивные (технеций, прометий, а также все элементы таблицы Менделеева, начиная с полония и кончая трансурановыми).

В основе большинства радиометрических приборов лежит способность излучений ионизировать среду, через которую они проникают. Альфа- и бета-излучение непосредственно ионизирует атомы среды, а нейтральное излучение, то есть гамма-лучи, рентгеновские лучи и потоки нейтронов ионизируют атомы среды в результате вторичных процессов.

Методы, которые дают информацию о У-структуре,— это методы, использующие излучение или частицы, которые взаимодействуют с жидкостью только в течение короткого периода времени и обмениваются регистрируемой долей своей энергии с молекулами в жидкости. Инфракрасная и рамановская спектроскопия так же, как и неупругое рассеяние нейтронов, удовлетворяет этим требованиям и является главным источником информации о У-структуре жидкости (рис. 4.2). Рассеяние нейтронов дает информацию о промежутках времени продолжительностью 10 и с. Поскольку это время совпадает с периодом тп, рассеяние нейтронов является полезным методом исследования природы перемещения временных положений равновесия. Исследования релаксации диэлектрической поляризации и ядерного магнитного резонанса применяются для определения среднего времени между перемещениями. Порядок, в котором ниже рассматриваются свойства воды, основан на временном масштабе, о котором дают информацию указанные методы.

Для создания передвижных экранов используют различные материалы. Защита от альфа-излучения достигается применением экранов из обычного или органического стекла толщиной несколько миллиметров. Достаточной защитой от этого вида излучения является слой воздуха в несколько сантиметров. Для защиты от бета-излучения экраны изготавливают из алюминия или пластмассы (органическое стекло). От гамма- и рентгеновского излучения эффективно защищают свинец, сталь, вольфрамовые сплавы. Смотровые системы изготавливают из специальных прозрачных материалов, например, свинцового стекла. От нейтронного излучения защищают материалы, содержащие в составе водород (вода, парафин), а также бериллий, графит, соединения бора и т.д. Бетон также можно использовать для защиты от нейтронов.

Экраны из свинца и парафина предотвращают попадание в воду частиц высоких энергий — электронов, протонов, нейтронов и т. д., которые образуются при взаимодействии космического излучения с веществом в верхних слоях земной атмосферы. Чтобы экран предотвращал от проникновения магнитных полей, он должен быть сделан из ферромагнитного материала. Такие устройства существуют, они называются гипомагнитными камерами. В гипомагнитной камере (т. е. под железным колпаком) магнитное поле Земли можно ослабить в 10—100 000 раз.

Очень чувствительным является количественное определение мышьяка, основанное на измерении радиоактивного излучения изотопа мышьяка, получаемого действием медленных нейтронов . Этот метод был применен в Англии для определения мышьяка в морской воде.

Для сравнения: обычный ядерный заряд аналогичной мощности поражает около 50 га леса, т.е. примерно в 6 раз меньше, чем нейтронная бомба. При этом все объекты и предметы в зоне воздействия сами станут источниками радиоактивного излучения. В отношении людей возможные последствия ядерного излучения нейтронных боеприпасов примерно в 7 раз опаснее гамма-излучения.

Указанное утверждение вытекает из анализа результатов, полученных при изучении биологического действия ионизирующих излучений, которые убедительно свидетельствуют о высокой канцерогенности ионизирующих излучений. Следует, однако, отметить, что канцерогенность этих излучений подтверждалась, главным образом, данными, полученными при внешнем облучении рентгеновским, гамма-излучением, нейтронными потоками и в меньшей степени при внутреннем облучении излучениями инкорпорированных радионуклидов.

Различают внешнее и внутреннее облучение организма. Под внешним облучением понимают воздействие на организм ионизирующих излучений от внешних по отношению к нему источников. Внутреннее облучение осуществляется радиоактивными веществами, попавшими внутрь организма через дыхательные органы, желудочно-кишечный тракт или через кожные покровы. Источники внешнего излучения — космические лучи, естественные радиоактивные источники, находящиеся в атмосфере, воде, почве, продуктах питания и др., источники альфа-, бета-, гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений, используемые в технике и медицине, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы (в том числе и аварии на ядерных реакторах) и ряд других.

В зависимости от типа используемых фотоядерных реакций и аналитических задач применяют различные типы источников активирующего у-излучения (изотопные источники большой активности высокоэнергетического у-излучения с Еу > > 1 МэВ, источники моноэнергетического у-излучения на основе использования протонных, нейтронных и других ядерных реакций, источники тормозного излучения: линейные ускорители электронов, бетатроны, синхротроны и др.).

Вполне понятно, что новообразования (раковые опухоли) чаще всего появляются в наиболее облучаемых тканях. При равномерном облучении, что имеет место в поле гамма- или нейтронного излучения или при инкорпорации равномерно распределяющихся радионуклидов, вероятность возникновения опухоли определяется радиочувствительностью органа. Играет также роль путь поступления радиоактивных веществ в организм.

В мире, окружающем нас, на первый взгляд, царит беспорядок и хаос, однако в нем все взаимосвязано и взаимообусловлено, схвачено обратными связями и кооперативно согласовано. Между всеми объектами Вселенной, начиная от элементарной частицы и живой клетки до нейтронной звезды и Галактики, постоянно происходит обмен энергией. Многие процессы на Земле теснейшим образом связаны с процессами, происходящими на Солнце и в космосе. Незначительные флюктуации электромагнитного и корпускулярного излучений Солнца вызывают значительные вариации процессов магнитосферы Земли под воздействием солнечного ветра, а, следовательно, и изменение состояния ее атмосферы, литосферы и гидросферы.

Космические лучи, возникающие в Галактике, достигают Земли, причем их интенсивность меняется во времени за счет процессов модуляции, обусловленных действием Солнца. Энергия этих частиц 10 Мэв — 100 Гэв, что позволяет им проникать в земную атмосферу и вызывать вторичное излучение в виде потоков нейтронов и протонов. Интенсивность этого излучения циклически изменяется, однако конкретное ее значение в конкретной точке земного шара зависит от высоты и магнитной широты места.

Радиоизотопные источники. В настоящее время наибольшее распространение получили радиоизотопные источники, основанные на реакции (а, п). В качестве мишени обычно используют бериллий — Ве9(а, п)С12. Это приводит к тому, что спектр нейтронов Ро210—Ве-источника непрерывен и заключен в диапазоне энергий от долей электронвольта до 11,3 МэВ с максимумами в области 3 и 5 МэВ. Промышленность выпускает источники внешним излучением п-( 10®—10ь) нейтр/с. Недостатком этих источников является относительно малый период полураспада Ро210, равный 138 сут.

Роль трития как одного из основных компонентов длительного радиоактивного загрязнения внешней среды может выть весьма существенной, и это обстоятельство стимулирует разработку методов определения трития в объектах внешней среды. Вместе с тем тритий, являющийся изотопом водорода, по своим физико-химическим свойствам и энергии излучения значительно отличается от остальных компонентов радиоактивного загрязнения внешней среды (осколки деления, продукты нейтронной активации), поэтому и методы его определения •специфичны.

По своему назначению реакторы делятся на энергетические, экспериментальные и исследовательские . Экспериментальные реакторы — это реакторы, предназначенные для уточнения физических параметров и инженерных систем самих реакторов. Под исследовательскими реакторами понимаются такие реакторы, которые используются как мощные источники нейтронного и излучения для исследовательских работ и испытания твэлов. Такое деление не является четким, так как и экспериментальные и исследовательские реакторы предназначаются для различного рода исследований и более правильно их относить к одной группе.

Показания дозиметрического прибора от измерения к измерению могут значительно отличаться, особенно при измерении малых значений, так как радиоактивный распад — процесс вероятностный. Поэтому для получения более достоверного результата рекомендуется проводить измерения несколько раз. В качестве результата измерения принимают среднее значение т измерений (т — 3…10 раз). Кроме того, следует учитывать, что дозиметрические приборы для населения обеспечивают измерения или оценку мощности дозы внешнего гамма-излучения и практически не чувствительны к альфа-, бета- и нейтронному излучениям, а также к «мягкому» рентгеновскому и тормозному излучениям (цветного телевизора, цветных дисплеев компьютеров, рентгеновских установок с ускоряющим напряжением на трубке менее 60…80 кВ и др.).