Текст книги "Ядерные излучения и жизнь"

Автор книги: Вилен Барабой

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 18 страниц)

Лучи из недр атомов

В результате многих лет упорной работы физикам, наконец, удалось найти разгадку явления радиоактивности. Помогла им в этом планетарная теория атома.

Прежде всего удалось решить вопрос о природе лучей, испускаемых радиоактивными атомами. Было установлено, что это сложное излучение, в состав которого входят лучи трех видов, отличающиеся друг от друга проникающей способностью. Наименее проникающие лучи получили название альфа-лучей (α-лучей), более проникающие – бета-лучей (β-лучей), и, наконец, лучи, имеющие наибольшую проникающую способность – гамма-лучей (γ-лучей).

Альфа-лучи оказались потоком частиц с массой, равной четырем, и двойным положительным зарядом, т. е. потоком ядер атомов гелия. Эти частицы вылетают из ядра со скоростью 15 000 – 20 000 км/сек, имея энергию 2 – 9 Мэв[4]4
  Электрон-вольт – единица, применяемая в ядерной физике для измерения энергии. Это – количество энергии, которое приобретает частица с зарядом, равным заряду электрона при действии разности потенциалов 1 в; Мэв – 10 6 эв.


[Закрыть]. Альфа-частицы обладают очень малой проникающей способностью. В зависимости от энергии частиц в воздухе они могут пройти путь 2 – 9 см, в биологической ткани – 0,02 – 0,06 мм; они полностью поглощаются листом писчей бумаги.

Бета-лучи – это поток бета-частиц (электронов), вылетающих из ядер со скоростью, близкой к скорости света. Максимальная энергия бета-частиц радиоактивных изотопов может различаться в широких пределах – от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. В табл. 1 приведены значения максимальной энергии бета-частиц для некоторых изотопов, применяемых при биологических исследованиях. Проникающая способность этих частиц значительно больше, чем у альфа-частиц. Бета-частицы с энергией 3 Мэв (наибольшая энергия этих частиц изотопов, применяемых при биологических исследованиях) могут пройти в воздухе до 15 м, в воде и биологической ткани – до 12 мм и в алюминии до 5 мм.

Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны 10^-8– 10^-11см. Проникающая способность гамма-лучей очень велика – значительно больше, чем у альфа– и бета-частиц. Чтобы ослабить гамма-излучение радиоактивного кобальта вдвое, нужно взять слой свинца толщиной 1,6 см или слой бетона толщиной 10 см. Чем короче длина волны, тем большую проникающую способность имеют гамма-лучи.

Альфа– и бета-лучи относятся к корпускулярным излучениям, т. е. они представляют собой поток быстро летящих заряженных частиц (корпускул). Гамма-лучи – электромагнитное излучение (подобно рентгеновским лучам); они характеризуются длиной волны и частотой. К электромагнитным излучениям относятся также радиоволны, видимый свет, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, отличающиеся друг от друга только длиной волны. Все эти излучения распространяются со скоростью 300 000 км/сек,.

Деление ядерных излучений на корпускулярные и волновые хотя практически и удобно, но не совсем правильно, так как корпускулярные излучения имеют в определенной степени свойства волновых излучений, и наоборот. Так, электронные пучки, представляющие собой поток быстро летящих частиц – электронов, ведут себя подобно световым волнам. Они также могут преломляться и собираться с помощью электронных линз. На этом свойстве основано устройство одного из широко применяемых в научных исследованиях приборов – электронного микроскопа, с помощью которого можно получать огромные увеличения (в десятки и сотни тысяч раз), недоступные обычным световым микроскопам. Согласно квантовой теории, энергия, связанная с электромагнитными излучениями, в данном случае рентгеновскими и гамма-лучами, излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями – квантами (или фотонами). При этом величина квантов будет тем больше, чем больше частота и, следовательно, чем меньше длина волны излучения. Энергия квантов Е, выраженная в электрон-вольтах, связана с длиной волны λ соотношением

Е = 1230 / λ (эв),

где λ – выражена в нанометрах (1 нм = 10^-9м).

После того, как была выяснена природа радиоактивных излучений, установлено, что источником этих излучений являются ядра атомов, а возникают они в результате происходящих в них процессов, которые получили название радиоактивного распада.

В чем же причина распада ядер радиоактивных элементов? Между частицами, входящими в состав ядра, действуют, с одной стороны, ядерные силы, скрепляющие ядро, а с другой – электрические силы отталкивания, возникающие между одноименно заряженными частицами – протонами. Ядра атомов устойчивы только тогда, когда существуют определенные соотношения между числом протонов и нейтронов. Если эти соотношения нарушены, происходит перераспределение частиц. Этот процесс сопровождается вылетом частиц из ядра, в результате чего образуются ядра элементов, обладающих иными химическими и физическими свойствами.

Таблица 1. Радиоактивные изотопы, применяемые при биологических исследованиях

Известны два основных вида радиоактивного распада:

I. Альфа-распад, сопровождающийся вылетом из ядра альфа-частицы. Примером такого распада может служить распад ядра радия с образованием радона:

Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Следовательно, после вылета из ядра альфа-частицы образуется новое ядро, у которого атомный номер будет на два, а атомная масса на четыре меньше, чем у исходного ядра.

II. Бета-распад, при котором из ядра вылетает бета-частица, либо отрицательная, представляющая собой электрон, либо положительная, называемая позитроном. Масса позитрона равняется массе электрона, а заряд его по величине равен заряду электрона, но только имеет знак плюс. Позитрон – неустойчивая частица и при первой же возможности соединяется с электроном, в результате чего возникает гамма-излучение.

Примером бета-распада служит распад радиоактивных изотопов фосфора и бария:

В обоих случаях бета-распада, так же как при альфа-распаде, получаются новые элементы с отличными от исходного элемента свойствами.

При бета-распаде из ядра атома вылетает либо отрицательная, либо положительная бета-частица. Но в состав ядра входят только протоны и нейтроны. Откуда же берутся вылетающие из ядра бета-частицы? Дело в том, что и нейтрон и протон имеют сложное строение и могут превращаться друг в друга. Если один из нейтронов превращается в протон, при этом освобождается отрицательная бета-частица; если же протон превращается в нейтрон, освобождается положительная бета-частица. Этим объясняется и то, что в первом случае количество протонов, входящих в состав ядра, увеличивается, а во втором – уменьшается.

Гамма-лучи могут излучаться и при альфа-, и при бета-распаде. Если ядро, образовавшееся в результате радиоактивного распада, обладает избытком энергии, т. е. находится в возбужденном состоянии, оно излучает избыток энергии в виде кванта гамма-излучения. В этом случае альфа– или бета-излучение сопровождается гамма-излучением.

Гамма-лучи принято характеризовать энергией квантов излучения. В таблице 1 приведены значения энергии гамма-квантов, возникающих при распаде некоторых радиоактивных веществ. Чем больше энергия кванта, тем больше проникающая способность гамма-лучей.

Гамма-лучи и рентгеновские лучи обладают одинаковыми свойствами, однако энергия квантов рентгеновских лучей меньше, чем у гамма-лучей. Рентгеновские лучи получают в специальных рентгеновских трубках при торможении быстро летящих электронов. Таким образом, в отличие от гамма-лучей, рентгеновские лучи возникают вне ядра. Благодаря одинаковым свойствам рентгеновские лучи часто используют вместо гамма-лучей для экспериментального облучения животных и семян растений. Рентгеновские установки, применяемые для этой цели, дают лучи с максимальной энергией – 0,2 Мэв.

Иногда ядро, образовавшееся в результате радиоактивного распада, само является радиоактивным и распадается, образуя новое ядро. Так, ядро радона, образовавшееся в результате распада радия, радиоактивно и в свою очередь распадается с выделением альфа-частицы. Таким образом возникают цепочки, или ряды атомных ядер, каждое из которых возникает из предыдущего в результате альфа– или бета-распада. Цепочка распада продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро. Такой ряд радиоактивных элементов носит название семейства. Например, в семействе урана родоначальником является уран-238, а в числе 16 продуктов распада имеются такие широко используемые в медицине радиоактивные элементы, как радий и радон. Заканчивается этот ряд стабильным изотопом свинца Pb ²⁰⁶₈₂

У радиоактивных элементов в результате непрерывно происходящего распада ядер количество радиоактивного вещества постоянно убывает. Это убывание происходит по определенному закону, называемому законом радиоактивного распада, который гласит, что количество атомов, распадающихся за 1 сек, пропорционально количеству имеющихся активных атомов. Число актов распада, происходящих за 1 сек., называется активностью данного препарата.

На практике для измерения активности пользуются единицей, называемой кюри. Это такое количество радиоактивного вещества, в котором за 1 сек. происходит 3,7 · 10¹⁰ распадов. Можно считать, что примерно такую активность имеет 1 г радия.

Часто пользуются единицами меньше кюри: мкгори – милликюри и мккюри – микрокюри (1 мкюри = 0,001 кюри; 1 мккюри = 0,001 мкюри = 0,000 001 кюри).

Для измерения гамма-активности часто пользуются единицей грамм-эквивалент. Под грамм-эквивалентом понимают количество радиоактивного вещества, которое дает такое же гамма-излучение, как и 1 г. радия.

Между кюри и грамм-эквивалентом существует определенная зависимость, различная для разных изотопов. Так, для кобальта – 60 имеем 1 кюри = 1,6 г-экв, для радия 1 кюри = 1 г-экв и т. д.

Скорость распада радиактивного вещества всегда постоянна и не зависит от внешних условий. Удобнее всего ее характеризовать периодом полураспада. Радиоактивные изотопы, применяемые в биологии и медицине, имеют периоды полураспада от нескольких минут до многих тысячелетий.

Радиоактивные элементы Земли

Данные точных измерений показывают, что и сам человек, и все окружающие его объекты живой и неживой природы радиоактивны. Познакомимся ближе с теми радиоактивными элементами, которые обусловливают радиоактивность окружающего нас мира. В настоящем разделе речь будет идти только о так называемой естественной радиоактивности, т. е. о тех радиоактивных веществах, которые уже давно существуют в природе. Их возникновение не связано ни с испытаниями ядерного и термоядерного оружия, ни с развитием атомной промышленности.

Естественнорадиоактивные вещества в небольших количествах содержатся во всех оболочках и в ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы, т. е. той части земной оболочки, где обитают животные, растения и человек. Радиоактивные элементы рассеяны во всей биосфере, хотя редко встречаются в сколько-нибудь значительных количествах. Возникновение их относится к периоду образования Земли. По-видимому, несколько миллиардов лет тому назад, накануне образования нашей планеты, вещество Земли находилось в таких условиях, которые благоприятствовали возникновению радиоактивных и нерадиоактивных элементов. В этот период времени возникает основная масса радиоактивных изотопов, как долгоживущих, сохранившихся до настоящего времени, так и короткоживущих, в настоящее время уже полностью распавшихся. В зависимости от их происхождения все естественнорадиоактивные элементы Земли можно разделить на три группы.

К первой группе относятся элементы, объединенные в три радиоактивных семейства. Кроме долгоживущих родоначальников этих семейств – урана, тория и актиноурана – сюда входят и продукты их распада, в том числе и относительно короткоживущие – радий, радон, мезоторий и др. Количество радиоактивных элементов этой группы постепенно уменьшается в соответствии с законом радиоактивного распада. Наиболее широко распространенными элементами этой группы являются уран, количество которого в земной коре больше, чем серебра или ртути, и торий. Природный уран является смесью трех изотопов – урана – 238 (99,28%), урана – 235 (0,71%) и урана – 234 (0,006%). Уран – 238 и уран – 235 (актино-уран) – родоначальники двух радиоактивных семейств.

Один из продуктов распада урана – 238 – радий, о котором уже говорилось выше. Несмотря на сравнительно небольшой период полураспада, содержание радия в земной коре относительно стабильно, так как уменьшение его количества в результате распада компенсируется непрерывным образованием нового радия за счет распада урана.

Радий нашел себе широкое применение в медицине не только как источник гамма-лучей для облучения больных (в этой области его вытесняют значительно более дешевые искусственные радиоактивные вещества), но и как источник радона для радоновых ванн, часто применяемых физиотерапевтами.

Радон, период полураспада которого 3,8 дня, представляет собой радиоактивный газ, образующийся в результате распада радия. Ванны из воды, содержащей растворенный радон, применяются для лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы, суставов, периферической нервной системы, гинекологических и других заболеваний. Для таких ванн используют либо воду природных радиоактивных источников, либо обычную пресную воду, искусственно насыщенную радоном.

Торий, которого в природе значительно больше, чем урана, также нашел себе применение в ядерной энергетике. Из продуктов распада тория в медицине применяется радий-мезоторий (период полураспада 6,3 г). Применяется он для облучения вместо радия, так как стоимость его значительно ниже, чем радия. Мезоторий часто используется для изготовления светосоставов, наносимых на циферблаты часов и других приборов.

Вторую группу радиоактивных элементов Земли составляют радиоактивные изотопы элементов, не входящие в состав радиоактивных семейств. Они также возникли в период образования Земли, и количество их постепенно уменьшается за счет радиоактивного распада.

Из элементов этой группы наибольшее значение имеет калий, радиоактивность которого была открыта в 1906 г. Калий – один из наиболее распространенных элементов. Его доля составляет 1,1% общего числа атомов, образующих земную кору. Калий необходим для нормального развития растений, а также является неотъемлемой составной частью любого живого организма, в том числе и человека. Природный калий представляет собою смесь трех изотопов К³⁹, К⁴⁰ и К⁴¹, из которых радиоактивен только один – К⁴⁰. Количество этого изотопа в природной смеси невелико – всего 0,0119%; в 1 г природного калия происходит около 30 распадов в секунду. Несмотря на такую, казалось бы, незначительную по сравнению с радием и ураном активность, калий благодаря своей распространенности играет в природе большую роль.

Из других радиоактивных элементов второй группы заслуживает внимания рубидий Rb, обладающий свойством накапливаться в некоторых растениях (1 л виноградного сока содержит 1 мг рубидия). Однако вызванная им активность значительно меньше, чем К⁴⁰.

Третью группу естественнорадиоактивных веществ, входящих в состав биосферы, образуют радиоактивные изотопы, возникающие в атмосфере в результате действия космических лучей, о которых подробнее мы будем говорить ниже. К таким изотопам относятся радиоактивный углерод (С¹⁴), фосфор (Р³²) и некоторые другие. Количество этих изотопов в природе относительно невелико и обусловленная ими активность не имеет существенного значения.

Радиоактивность вокруг нас

Итак, мы уже знаем, какие радиоактивные элементы встречаются на Земле. Познакомимся теперь с круговоротом радиоактивных элементов в природе и с тем, как эти элементы распределяются в окружающей нас биосфере.

Основная масса радиоактивных элементов Земли содержится в горных породах, составляющих земную кору. Отсюда радиоактивные элементы переходят в грунт, затем в растения и, наконец, вместе с растениями попадают в организмы животных и человека. Этот круговорот радиоактивных элементов, непрерывно происходящий в природе, наглядно показан на рис. 1.

Большая роль в этом круговороте принадлежит подземным водам. Они вымывают радиоактивные элементы горных пород, переносят их из одних мест в другие и осуществляют обмен между живой и неживой природой. Другой процесс, приводящий к распространению радиоактивных веществ в биосфере, – выветривание горных пород. Мельчайшие частицы, образовавшиеся в результате разрушения горных пород под действием воды, льда, непрерывных колебаний температуры и других факторов, переносятся ветром на значительные расстояния.

Рис 1. Круговорот естественных радиоактивных изотопов в природе

Радиоактивные элементы распределены в толще Земли отнюдь не равномерно. Наибольшая концентрация их наблюдается в верхнем слое земной коры, толщина которого не превышает 15 км. С глубиной радиоактивность постепенно уменьшается, и в ядре Земли она приблизительно в 30 раз меньше, чем в магматических породах (гранитах, базальтах и др.).

Промежуточным этапом в процессе перехода радиоактивных элементов из неживой природы в живую являются грунты. Как правило, радиоактивность грунтов заметно выше, чем у материнских грунтообразующих пород. Объясняется это тем, что некоторые радиоактивные вещества, содержащиеся в атмосфере, поглощаются растениями (непосредственно и из осадков), а после смерти растения переходят в состав грунтов. Интересно, что в большинстве случаев более плодородным грунтам соответствует и более высокий уровень естественной радиоактивности.

В 1 кг грунта содержится 1,1 · 10^-9-1,9 · 10^-9 г радия, 1,10^-4-1,8 · 10^-3г урана и 1-30 г калия, гамма-излучение которых и обусловливает радиоактивное излучение земной поверхности (благодаря своей малой проникающей способности бета– и альфа-излучение практически не имеют значения).

Хорошо известно, какую огромную роль играет в жизни человека и в природе вода, которой покрыта большая часть нашей планеты. Поэтому, вполне естественно, нас интересует радиоактивность воды океанов, морей, озер, рек и других водоемов.

Радиоактивность воды морей и океанов обусловлена главным образом калием и составляет 3 – 5 · 10^-10кюри на 1 л. Воды рек и озер в большинстве случаев имеют значительно меньшую радиоактивность. Зато повышенной радиоактивностью, в сотни раз больше, чем вода морей и океанов, обладают воды некоторых радиоактивных источников (Цхалтубо, Белокуриха, Миргород, Мироновка и др.).

Питьевая вода в городских водопроводах подвергается очистке и фильтрации и потому содержит относительно небольшое количество радиоактивных веществ.

Воздух, которым мы дышим, также радиоактивен. Его радиоактивность обусловлена газообразными продуктами распада радиоактивных элементов земной коры (в первую очередь – радоном) и аэрозолями – мельчайшими частицами горных пород, образовавшимися в результате их выветривания. В зависимости от содержания радиоактивных элементов в почве может изменяться и радиоактивность находящегося над ней атмосферного воздуха.

В процессе своей жизнедеятельности растения усваивают, а некоторые растения и накапливают в себе радиоактивные вещества, содержащиеся в почве, воде и воздухе. Из всех радиоактивных веществ лучше всего усваивается растениями калий. В золе некоторых растений (бобовые, грибы, злаки, папоротники) содержание калия достигает 25 – 30%.

Количество радиоактивных веществ (радия, урана) в растениях может значительно изменяться в зависимости от содержания их в почве. Содержание урана и радия в золе растений обычно повышается там, где имеется большое количество этих элементов в почве.

Радиоактивность растений увеличивается от применения калийных удобрений, которые приводят одновременно к увеличению урожайности и улучшению качества различных сельскохозяйственных культур (повышение сахаристости сахарной свеклы, крахмалистости зерен озимой пшеницы и др.).

Радиоактивность животных организмов и растений в основном зависит от присутствия калия. У молодых животных радиоактивность тканей и органов больше, чем у старых.

Некоторые ткани животного организма обладают способностью накапливать в себе радиоактивные элементы. Так, например, радий концентрируется преимущественно в костной ткани. У некоторых животных и растений концентрация радиоактивных элементов может быть во много раз большей, чем в окружающей среде. Радиоактивный стронций (образующийся при ядерных взрывах) концентрируется в костях морского окуня в количестве, которое в 20 – 30 тысяч раз больше, чем в воде. В отдельных случаях, например, во время испытаний ядерного оружия в 1954 г., такую рыбу нельзя было употреблять в пищу.

В радиоактивности растений и животных – причина радиоактивности пищевых продуктов. Вместе с пищей радиоактивные вещества попадают в организм человека. В табл. 2 приведены приблизительные данные содержания калия в различных продуктах, потребляемых человеком.

Таблица 2. Количество калия, употребляемого человеком с пищей

Помимо калий, в организм человека попадают также радий и иные радиоактивные элементы. Так, в среднем активность радия, попадающего в организм человека, составляет 1 · 10^-12-1,5 · 10^-11кюри.

Интересно, что в процессе кулинарной обработки продуктов питания содержание радиоактивных элементов в них может существенно измениться. Так, масло, приготовленное из молока, содержащего радиоактивный стронций, практически не радиоактивно, так как весь стронций переходит в сыворотку. Если варить рыбу, содержащую радиоактивный стронций, в нейтральной или слабощелочной среде, то в бульон переходит около 10% стронция. Этот процент увеличивается до 40, если рыбу варить в кислой среде.

Вместе с пищей, водой и воздухом определенное количество радиоактивных элементов попадает в организм человека. Если бы все они оставались в организме, то радиоактивность человека была бы велика. Однако это не так – некоторая, притом довольно значительная их часть выделяется из организма вместе с мочой, калом, потом и др. Поэтому общая радиоактивность человека в значительной степени зависит от интенсивности обменных процессов.

Радиоактивные изотопы, поступившие в организм человека, взаимодействуя с веществами, входящими в состав тканей и плазмы, образуют ряд соединений, которые отлагаются в отдельных органах и тканях. Калий – основной элемент, определяющий радиоактивность человека, концентрируется преимущественно в нервной и мускульной ткани; уран, радий и стронций – в костной ткани и т. д.

Некоторые ученые заинтересовались тем, какие изменения в радиоактивности человека произошли за прошедшие тысячелетия и отличаются ли по радиоактивности современный человек и его предки. Для того чтобы получить ответ на эти вопросы, проделали следующий эксперимент. В музее взяли ребро египтянина, умершего 4 тыс. лет назад, и измерили его радиоактивность. Оказалось, что она близка к среднему значению радиоактивности костей человека нашего времени.