Предисловие редактора

ВОПРОСЫ ДОЗИМЕТРИИ

И РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

НА АТОМНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СТАНЦИЯХ

Учебное пособиеПод редакцией А.В. Носовского

УКРАТОМИЗДАТСлавутич

УДК 628.518: 539.16.04

Рецензенты: академик HAH Украины, проф. В.Г.Барьяхтар,чл.-корр. HAH Украины, докт.техн.наук А.А. Ключников.

Авторы: Алексеев А.А., Андреев В.В., Бадовский В.П.,

Гарин Е.В., Глыгало В.H., Носовский А.В., Осколков Б.Я., Попов А.А., СейдаВ.А.,

Шостак В.Б.

Рассмотрены основы дозиметрии и принципы обеспечения радиационной безопасности, особенности ядерных энергетических установок как технических объектов повышенной радиационной опасности. На основании опыта ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС, законодательных и нормативных актов Украины, а также в соответствии с последними рекомендациями МАГАТЭ, НКДАР, МКРЗ, представлена концепция приемлемого риска, основы нормирования ионизирующих излучений, зашиты и организации радиационного контроля на АЭС.

Для специалистов служб радиационной безопасности и зашиты предприятий атомной промышленности, научных и практических работников, проектантов, работников медицинских и санитарно-эпидемиологических служб, а также студентов учебных заведений, изучающих основы дозиметрии и радиационной зашиты.

 

 

ISBN 966-95513-0-7

Вопросы дозиметрии и радиационная безопасность на атомных электрических станциях. Учебное пособие.

© Под редакцией А.В. Носовского© "Укратомиздат", Славутич, 1998.

 

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА

За 100 лет, прошедшие после открытия явления радиоактивности, практически не осталось областей народного хозяйства, где не применялись бы источники ионизирующих излучений. В промышленности и медицине, оборонном комплексе и транспорте, науке и сельском хозяйстве используются ядерные энергетические установки, мощные и малые гамма-стационарные и передвижные установки, аппараты лучевой терапии, дефектоскопы, различные измерители и сигнализаторы, электрокардиостимуляторы и счетчики предметов.

Одной из самых важных областей использования источников ионизирующих излучений является атомная энергетика. На территории Украины находятся пять атомных электрических станций (АЭС) с реакторами типа ВВЭР и РБМК, на которых вырабатывается до 40% производимой в стране электроэнергии. Авария на Чернобыльской АЭС в1986 году в определенной степени вызвала недоверие общественных слоев населения к атомной энергетике в целом, в результате чего произошло снижение темпов ввода в эксплуатацию новых АЭС. В 1991 году Парламентом Украины было принято решение о моратории на развитие атомной энергетики, которое просуществовало до 1994 года. Последствия этого моратория в полной мере до сих пор не оценены, но можно сказать, что это существенно сказалось на престиже атомной энергетики в целом и привело к колоссальным экономическим потерям для Украины.

Но авария на Чернобыльской АЭС явилась и тем позитивным толчком, который послужил началом целого ряда работ по переоценке уровня безопасности АЭС, разработке и внедрению дополнительных мероприятий по повышению безопасности реакторов, принципов культуры безопасности и новых методов радиационной защиты. Сегодня, через двенадцать лет после аварии, можно с уверенностью сказать, что опыт проведения работ по ликвидации ее последствий позволил значительно усовершенствовать системы радиационной защиты на атомных электростанциях и обеспечить их готовность к действиям в чрезвычайных ситуациях. Специфика проблемы безопасности применительно к ядерным энергетическим установкам определяется в основном тем обстоятельством, что с ней связана потенциальная опасность нанесения радиационного ущерба обществу и окружающей среде. Поэтому вопросы развития атомной энергетики, использования источников ионизирующих излучений в медицине и других отраслях народного хозяйства Украины неразрывно связаны с проблемой радиационной защиты персонала, населения и окружающей среды. Важное значение при этом приобретают количественные характеристики поля ионизирующего излучения, физические величины, определяющие последствия воздействия излучения на организм человека, окружающую среду, а также методы и средства их измерения. Свойства и особенности воздействия ионизирующего излучения на организм человека определяют специфику разработки формы методов защиты. К ним относятся нормирование дозиметрических величин, разработка системы профилактических организационно-технических мероприятий и подготовки квалифицированных кадров, правового регулирования, связанного с обеспечением радиационной безопасности и охраны окружающей среды.

Одним из основных выводов по анализу аварии на Чернобыльской АЭС был сделан вывод о низком уровне культуры безопасности, существовавшем на тот момент на АЭС страны. Знание и сознательное отношение каждого человека из числа персонала АЭСк вопросам радиационной безопасности и защиты имеет принципиальное значение в достижении задачи ограничения профессионального облучения и повышения уровня безопасности в целом. Нарушение принципов культуры безопасности автоматически отражается на достигнутом уровне радиационной защиты на АЭС и наоборот. В этой связи актуальным является вопрос об уровне культуры безопасности, необходимым элементом которой должно быть понимание природы опасных факторов, сопутствующих развитию ядерных технологий. Пути повышения культуры безопасности разнообразны, но применительно к специалистам, непосредственно работающим в условиях ионизирующих излучений, все они связаны с подготовкой, переподготовкой и постоянным повышением квалификации в области радиационной безопасности, дозиметрии и методов зашиты. Возвращаясь к анализу причина аварии на ЧАЭС можно констатировать, что вопросы дозиметрии и радиационной защиты в аварийных ситуациях приобретают жизненно важное значение, ибо от них зависит выбор правильных действий и технических решений, направленных на ликвидацию последствий аварии, включая сохранение здоровья людей.

Внедрение основных принципов культуры безопасности на высшем, правительственном уровне Украины в течение последних лет можно продемонстрировать принятием таких законодательных документов как "Закон Украины об использовании ядерной энергии и радиационной безопасности", "Закон Украины об охране труда", "Закон Украины об обращении с радиоактивными отходами", "Закон Украины об охране окружающей среды". Принимаются меры по обновлению и разработке новой нормативной базы в области обеспечения безопасности ядерных реакторов. Но, к сожалению, на самих атомных станциях и других предприятиях, проводящих работы с источниками ионизирующих излучений и имеющих ведомственные службы радиационной защиты, отсутствуют пособия для подготовки персонала по вопросам радиационной безопасности, дозиметрии, защиты от ионизирующих излучений, в которых учтены новые международные рекомендации МАГАТЭ, МКРЗ, НКДАР, национальная законодательная и нормативная база Украины. Издание настоящей книги является первой попыткой устранить этот недостаток и оказать практическую помощь в подготовке персонала предприятий по вышеперечисленным вопросам.

Структура книги, предложенная авторами, не является единственно возможной и соответствует сложившемуся у них представлению о порядке изложения различных аспектов дозиметрии и радиационной безопасности.

В издании ограниченного объема конечно невозможно в равной степени подробно рассмотреть все аспекты дозиметрии и радиационной безопасности, тем не менее, оно составлено достаточно полно, с использованием всего накопленного опыта авторов, которые знают проблему не только по учебным пособиям, а и на основании собственных знаний и опыта безопасного сопровождения работ, связанных с эксплуатацией ядерных энергетических установок и ликвидацией аварий на различных радиационных объектах, в том числе и на Чернобыльской АЭС.

В настоящем издании в довольно доступной форме изложены основы дозиметрии, вопросы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом и их биологическое воздействие на организм человека, концепция приемлемого риска и принцип ALARA, основы нормирования ионизирующих излучений и методы защиты. Приведено описание методов регистрации ионизирующих излучений и применяющихся в практических целях приборов радиационного контроля, а также их метрологии. Особое место отведено методам радиационного контроля при радиационных авариях, организации служб радиационной защиты на предприятии, обеспечению радиационной безопасности населения и окружающей среды.

Издание предназначено, в первую очередь, как учебное пособие для подготовки в учебно-тренировочных пунктах АЭС специалистов служб радиационной защиты, ремонтного и эксплуатационного персонала АЭС по вопросам радиационной безопасности. Книга может быть полезна аспирантам, научным и практическим работникам, проектантам, работникам медицинских и санитарно-эпидемиологических служб, другим специалистам, работа которых связана с источниками ионизирующих излучений, а также в качестве учебного пособия для студентов учебных заведений, изучающих основы дозиметрии и радиационной защиты. Книга окажется полезной для инженерно-технических работников, желающих пополнить и систематизировать свои знания в рассматриваемой области.

1998

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ

В настоящее время нет никакой серьезной альтернативы ядерной энергетике. Пока еще не найдены технически эффективные и экономически выгодные пути использования неисчерпаемых запасов солнечной энергии. Что касается органического топлива, то его запасы неуклонно сокращаются и находятся на грани полного истощения. Наряду с этим органическое топливо экологически вредно. При сжигании в топках тепловых электростанций каменного угля, нефти или газа потребляется много кислорода, выбрасываются в атмосферу значительные количества пыли, сажи и сернистого газа. Будущее цивилизации немыслимо без мирного использования ядерной энергии. Только развитие ядерной энергетики может обеспечить всевозрастающие потребности человечества в электрической и тепловой энергии.

Основа ядерной энергетики — ядерный реактор — является мощным источником радиоактивного излучения. Избежать этого излучения нельзя, так как оно сопровождает все физические процессы; лежащие в основе нормально работающего ядерного реактора. Образующиеся в реакторе продукты деления и актиноиды в течение длительного времени сохраняют высокую активность. Поэтому встает вопрос первостепенной важности о том как избежать воздействия радиоактивного излучения на здоровье людей или свести его к минимально приемлемому.

Почти полувековой опыт мирного использования атомной энергии неопровержимо подтверждает, что хорошо продуманная система радиационной зашиты надежно предохраняет человека и объекты окружающей среды от вредного воздействия радиации. В частности, число несчастных случаев и профессиональных заболеваний среди работающих на АЭС и в атомной промышленности несравненно меньше, чем в любой другой отрасли промышленности. Подавляющее число работников атомных электростанций облучается вдозах намного меньше допустимых.

Радиоактивные выбросы АЭС и других объектов атомной промышленности значительно ниже регламентируемых. Это несомненный успех больших коллективов проектировщиков, ученых, физиков, инженеров и техников, которые решили сложный комплекс научно-технических, гигиенических и радиобиологических проблем радиационной безопасности.

Специалисты подразделений по обеспечению радиационной безопасности, изучив данное пособие, смогут на более квалифицированном уровне обладать теоретическими познаниями о строении атома, о радиоактивности, об основных свойствах ионизирующих излучений и методах их регистрации, о биологическом действии ионизирующих излучений, о способах и средствах защиты от их вредного воздействия, об устройстве дозиметрических и радиометрических приборов, применяемых ими в своей работе. Они будут иметь основные понятия о работе атомной станции по широкому кругу вопросов, начиная с элементарной теории ядерного реактора и основных физических процессов, протекающих в активной зоне реактора, и кончая описанием различных типов ядерных энергетических установок (ЯЭУ),главным образом используемых на АЭС, их основного технологического оборудования, а также о проблемах обеспечения безопасности ЯЭУ. Кроме того, они также будут обладать соответствующими практическими навыками для осуществления контроля за состоянием радиационной безопасности на рабочих местах, на АЭС в целом и на территории санитарно-защитной зоны.

Усвоение в объеме пособия теоретических знаний и практического опыта позволит специалистам не только успешно выполнять свои прямые должностные обязанности, но и принимать профессиональное участие в повышении уровня радиационной безопасности при эксплуатации атомной станции.

Спектр требований, предъявляемых к квалифицированному персоналу АЭС, связанному с вопросами радиационной безопасности, определил круг вопросов, освещенных в главах настоящего издания. Авторы старались осуществить это достаточно полно и с учетом современного состояния дел и достижений науки во всех затронутых областях знаний и по всем затронутым вопросам.

Материал книги рассчитан на читателя, имеющего предварительную подготовку по курсам математики и физики в объеме программы высшей технической школы, и направлен на познавательный, учебный аспект проблемы создания и поддержания на современном уровне системы подготовки специалистов радиационной защиты ядерной отрасли Украины. О том, насколько изложенный материал развивает представление о принципах радиационной безопасности и способствует пониманию проблемы, авторы предоставляют судить специалистам, непосредственно занятым на этих работах. Нам остается лишь выразить надежду на то, что книга окажется полезной в этом отношении.

Авторы выражают благодарность специалистам Межотраслевого Научно-технического Центра "Укрытие" Национальной Академии Наук Украины, Чернобыльской АЭС, Славутичской лаборатории международных исследований и технологий за оказанную большую помощь при написании рукописи, а также Толкач E.П. за оформление и подготовку к печати настоящей книги.

Авторы считают своим приятным долгом выразить признательность рецензентам —академику HAH Украины, профессору В.Г.Барьяхтару и члену-корреспонденту HAHУкраины, доктору технических наук А.А.Ключникову — за ценные замечания по рукописи книги, которые учтены авторами при подготовке окончательной редакции.

Авторы рассчитывают и заранее благодарны за все критические отзывы и предложения, которые в дальнейшем помогут улучшить качество книги.

Алексеевым А. А., Андреевым В.В. и Сейдой В.А. написаны главы 1 и 3; Поповым AA. —главы 2 и 8; Бодовским В.П., Гариным E.В., Глыгало В.И. и Шостак В.Б. — главы 4,5 и 10,Носовским А.В. — главы 6,7 и 9; Осколковым Б.Я. — глава 11.

ВВЕДЕНИЕ

Прикладная ядерная физика, ядерные технологии и промышленное использованиеисточников ионизирующих излучений находят все более широкое применение в различныхобластях науки и техники. Дозиметрия ионизирующих излучений является самостоятельнымразделом прикладной ядерной физики. Методы дозиметрии и зашиты от ионизирующихизлучений применяются везде, где производятся работы с радиоактивными источниками, ватомной энергетике при проектировании, эксплуатации и снятии с эксплуатации ядерныхэнергетических установок.

Дозиметрия имеет дело с такими физическими величинами, которые связаны с ожидаемымрадиационным эффектом. Установление связи между измеряемой физической величиной иожидаемым радиационным эффектом является важнейшим свойством дозиметрическихвеличин. Основная задача дозиметрии — определение дозы излучения в различных материалах,средах и особенно в тканях живого организма с целью выявления, оценки и предупреждениявозможной радиационной опасности для человека. Иначе, основная задача дозиметриисводится к обеспечению радиационной безопасности при проведении работ в условияхионизирующих излучений.

Ядерная энергетическая установка считается безопасной, если ее радиационное воздействиена персонал, население и окружающую среду в процессе нормальной эксплуатации ипроектных авариях не приводит к превышению установленных доз облучения персонала инаселения и нормативов по выбросам и сбросам радиоактивных веществ в окружающуюсреду, а также ограничивает это воздействие при запроектных авариях. Это качествореализуется с использованием специальных норм и правил по безопасности при проведенииработ с источниками ионизирующих излучений.

Обеспечение правил радиационной безопасности и методов радиационной защитыпозволяет выполнять главную задачу безопасной эксплуатации ядерной энергетическойустановки.

Радиационная безопасность — это соблюдение допустимых пределов радиационноговоздействия на персонал, население и окружающую природную среду, установленныхнормами, правилами и стандартами по безопасности.

Радиационная защита — это совокупность радиационно-гигиенических, проектно-конструкторских, технических и организационных мероприятий, направленных на обеспечениерадиационной безопасности.

Радиационная защита при проведении работ с источниками ионизирующих излученийосновывается на следующих основных принципах·

• не может быть разрешена никакая деятельность, связанная с ионизирующимизлучением, если конечная выгода от такой деятельности не превышает причиненного еюущерба;

• величина индивидуальных доз, количество облучаемых лиц и вероятность облученияот любого из видов ионизирующего излучения должны быть самыми низкими из тех, которыеможно практически достичь с учетом экономических и социальных факторов;

• облучение отдельных лиц от всех источников и видов деятельности в итоге не должнопревышать установленных дозовых пределов

Особое значение в дозиметрии уделяется вопросу нормирования доз облучения. Впервыезначение допустимой дозы были предложены в 1902 году и составляли 10 Рад в сутки.За прошедшие годы эта величина постоянно изменялась в сторону уменьшения и согласно60-й публикации МКРЗ 1993 года рекомендуется устанавливать основной дозовый пределдля персонала 20 мЗв за год, для подростков 16 — 18 лет, работающих в атомнойпромышленности 6 мЗв за год, а для всего населения — 1 мЗв за год. К сожалению, нынешнеесостояние проблемы установления значения предела дозы находится в большей степени подвлиянием политиков и отдельных авторитетов. Заметим, что значение годовой дозыв 1 мЗв — это величина, равная среднему природному радиоактивному фону на Земле.Однако, на земном шаре есть населенные районы, например в Индии, Иране и ЮжнойАмерике, где природный радиационный фон в 10 и100 раз выше за счет выхода на поверхностьнекоторых горных пород. Тем не менее, у проживающих там людей никаких патологий,связанных с получением повышенных доз облучения, не выявлено.

В Украине до последнего времени действовали официально принятые нормы радиационнойбезопасности НРБ-76/87, регламентирующие основной дозовый предел для персонала50 мЗв за год. К началу 1998 года разработаны "Нормы радиационной безопасностиУкраины (НРБУ-97)", основанные на последних рекомендациях МКРЗ.

Ни одна широко используемая в мировой практике технология на сегодняшний день неможет сравниться с радиационной по полноте и качеству предъявляемых к ней требований инормативов. При обязательном выполнении этих требований можно с достаточно высокойвероятностью гарантировать безопасную эксплуатацию радиационных и ядерных технологийобеспечить высокий уровень здоровья персонала и экологически чистую среду обитания

Дозиметрия и радиационная безопасность является довольно точной прикладнойнаукой, однако ее приложения могут быть столь многообразны и нестандартны, что требуетсяглубокое понимание и взвешенный подход при использовании полученных результатов вкачестве определенных критериев при принятии тех или иных решений.

Незнание основ дозиметрии и радиационной безопасности порождает неуверенность,беспокойство и страх. Необоснованный страх перед ионизирующим излучением приобрелнастолько выраженный и действительно опасный характер, что может сравниться только споследствиями коренных ломок общественных и государственных структур. И совсемопасно, когда эти явления сочетаются и взаимно усиливают друг друга. У несколькихмиллионов человек, проживающих на территориях, подвергшихся радиоактивномузагрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС, сформировалось стойкое состояниепсихической напряженности и страха. Государство под давлением общественности и отдельных политических авторитетов вынуждено разрабатывать многозатратные и часто по сути своейнеобоснованные программы социальной зашиты людей, пострадавших от радиации. Авторыэтих программ, не владея современной методологией радиационной защиты, не смоглипроизвести расчеты пользы и вреда от внедрения этих программ. Концепция зашиты населения,состоящая в обязательном переселении населения с территорий, подвергшихсярадиоактивному загрязнению, при возможности получения дозы 7 бэр за всю жизнь, нанесладовольно большой ущерб как для экономики страны, так и для населения. Максимальнаяпольза от этого переселения за счет профилактики рака и наследственных поражений составитв среднем на одного человека 35 суток по сравнению с 25000 суток всей жизни человека. Иэто было бы замечательно, если бы не пришлось расплачиваться при этом неизбежной потерейнационального дохода на 20 человеко/лет и, что особенно важно, потерей около 8

человеко/лет жизни вследствие снижения интеграла здоровья без учета прямых потерь оттравматизма во время процесса переселения. Таким образом, при проведении акциипереселения мы реально спасаем одного человека ценой 300 жизней.

Все это обязывает общество развивать и совершенствовать знания в вопросах воздействияизлучения на организм человека, искать новые методы и средства измерения дозиметрическихвеличин, основанные на понимании физических явлений при взаимодействии излучений свеществом и делает эту область знаний увлекательной, требующей творческого подхода иприменения стандартных и нестандартных научных методов исследования.

В настоящей книге обобщены литературные данные и результаты собственного опытаавторов, позволяющие подойти к применению на практике задач дозиметрии и радиационнойбезопасности.

 

 

ОСНОВЫ ДОЗИМЕТРИИ

ОСНОВЫ МАТЕМАТИКИ, ФИЗИКИ И ДРУГИХ НАУК

Математика

При разнообразных вычислениях в области радиационной защиты часто приходится иметь дело с очень большими и очень малыми числами. Например, число атомов в одном грамме любого простого вещества есть число Авогадро, равное приближенно:

N_A = 600 000 000 000 000 000 000 000

С другой стороны диаметр атомного ядра в метрах приближенно равен:

d = 0, 000 000 000 000 01м

При осуществлении арифметических операций с числами, записанными в таком виде, можно легко ошибиться. Для исключения ошибок необходимо представлять числа в степенной форме. Такая форма представления чисел называется также представлением чисел с плавающей запятой. Тогда, например, число Авогадро будет записано в следующем виде:

N_A = 6·10²³ атом/грамм = 6Е23 атом/грамм,
а диаметр ядра:

d=1· 10^-14 м =1Е-14

В этих примерах приведены часто используемые на практике способы записи степени чисел, когда буква "E" обозначает основание степени "10", а показатель степени (положительный или отрицательный) следует за основанием степени. Эта форма представления степени числа связана с необходимостью использования ее во многих типах персональных ЭВМ.

Многие данные, входящие в технические расчеты, получаются путем измерения, при этом необходимо принимать во внимание, что никакое измерение не может быть выполнено совершенно точно. Изготовить абсолютно точные измерительные приборы практически невозможно, поэтому закон допускает при их изготовлении некоторую погрешность. Таким образом, запись измеренной физической величины является приближенным числом и не может содержать значащих цифр больше, чем позволяет точность прибора. При этом, под значащими цифрами следует понимать все цифры, кроме ноля, а также и ноль в том случае, если он стоит между другими значащими цифрами.

В практической деятельности выработаны следующие правила оперирования с приближенными числами:

•   Чтение показаний приборов. Вначале прочитывается ближайшее наименьшее деление шкалы. Затем определяется лучшее приближение (интерполяция) части следующего деления шкалы и это дает еще одно значащее число.

 Сложение и вычитание. Количество значащих цифр результата равно наименьшему количеству значащих цифр одного из чисел.

• Умножение, деление, возведение в степень, извлечение корня. Количество значащих цифр результата равно наименьшему количеству значащих цифр одного из чисел.

• Округление чисел. Выполняется с целью уменьшения количества значащих цифр до необходимого и достаточного минимума без потери точности. Одну или несколько цифр в конце числа заменяют нулями или отбрасывают, так как нули стоящие в конце числа после запятой не имеют значения (незначащие цифры). Но если отбрасывают цифру б или больше, то предыдущую цифру увеличивают на единицу. Если отбрасывают только цифру 5, то увеличивают на единицу предыдущую цифру лишь тогда, когда она нечетная, четную же оставляют без изменений (нуль рассматривают как четную цифру). Если отбрасывают цифру меньше 5, то предыдущую цифру оставляют без изменений.

Указанные правила относятся к окончательным результатам вычислений. Если же выполняемым действием расчет еще не закончен, то в результате промежуточных действий удерживается на одну цифру больше, чем требуется правилами.

Так же как химические уравнения должны быть сбалансированы (одинаковое количество атомов кислорода с обеих сторон уравнения и т. д.), так и математическое равенство должно быть сбалансировано по размерности и единицам. Нельзя, например, просто сложить числа, выраженные в миллирентгенах (мР) и рентгенах (P) без преобразования их к одной единице. Из-за спешки могут случаться ошибки при вычислениях.

Единственный способ избежать подобных ошибок — это всегда следить и записывать единицы измерения рядом с каждым числом. Когда операции вычисления закончены, должны учитываться единицы операндов для того, чтобы получить окончательную размерность результата.

Часто необходимо подготовить графики физически измеренных данных. Хорошо сформированный график может значительно упростить интерпретацию результатов. Ниже даны некоторые советы, которые улучшают читаемость графиков. Правильно выбранный масштаб по вертикальной и горизонтальной осям позволит разместить график на любом участке листа бумаги.

Ради удобства чтения графика пытайтесь выбрать величину деления шкалы равную 1, 2 или 5. Вдоль каждой оси должна быть подпись, определяющая физическую величину, отложенную вдоль оси, и единицы, соответствующие ей. Например, мощность дозы в мрад/час или время в часах. Каждая отдельно измеренная величина должна отмечаться символом в соответствующей точке. Затем через точки данных проводится плавная кривая, в отличие от линий, соединяющих точки. В физике радиационной безопасности большинство измеряемых величин изменяются плавно. Наконец, если необходимо отметить неопределенность при измерении в каждой точке, то они могут быть отложены выше и ниже соответствующей точки величиной в одно стандартное отклонение и соединены сплошной линией. Для демонстрации всего сказанного на рис. 1.1 показан простой график.

Рис. 1.1. Простой график.

Изменение некоторых величин в области радиационной защиты может быть выражено математически в виде степенной функции. Это означает, что одна величина изменяется так, как другая величина, возведенная в степень. Практическим примером может служить выведение из организма вместе с мочой некоторых радиоактивных веществ как функции времени.

Многие физические явления, которые мы измеряем, в физике радиационной защиты растут или спадают согласно экспоненциальному закону. Это означает, что их изменение зависит от " е " — основания натурального логарифма (е = 2,718281...), возведенного в некоторую положительную или отрицательную степень. Обычными примерами могут быть радиоактивный распад ядер или прохождение гамма-излучения через тонкие слои вещества.

Часто случается, что величина, которая изучается, находится в экспоненте экспоненциальной функции. Из алгебры известно, что натуральный логарифм от " е ", возведенный в некоторую степень, равен этой степени. Это не должно слишком удивлять.

Вспомним, что log 100 = log (10²) = 2 и log l000 = log (10³) = 3. Отсюда, если е — основание натурального логарифма, то In (е ^х) = х.

Некоторые физические переменные изменяются таким образом, что их удобнее описывать тригонометрическими функциями. Общеизвестный пример — напряжение силовой сети, измеренное как функция времени. Оно описывается синусоидальной волной, т.е. меняется по синусоидальному закону в зависимости от времени. В большинстве калькуляторов имеется возможность вычисления тригонометрических функций. Тем не менее, необходимо понимать в каких единицах вводится значение угла в калькулятор. Это могут быть градусы или радианы. Для того, чтобы правильно включить калькулятор на необходимые единицы угла, необходимо изучить инструкцию на калькулятор. В круге 360 градусов или 2 π радиан, 1 радиан = 57,3 градуса.

Физика

Древнегреческие ученые Левкипп и Демокрит (V-IV в. до н.э.) пришли к выводу, что существует предел делимости материи, и таким пределом являются мельчайшие частицы, которые были названы атомами. Было введено представление об атомистической природе вещества, а затем забыто почти на 2000 лет.

В XVI-XVІІ вв. вновь возродилась (на новом уровне знаний) атомистическая теория, согласно которой каждое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц — атомов материи. Ученые впервые узнали, что вода — сложное вещество, состоящее из двух простых веществ — кислорода и водорода. Соответственно, понятие атомы материи было разбито на два: молекулы и атомы.

Молекула является мельчайшей частицей сложного вещества. Каждое сложное вещество состоит из молекул одного типа. Сколько разных веществ, столько различных типов молекул.

Атом — мельчайшая частица простого вещества — элемента. Различных элементов существенно меньше, чем различных веществ. Количество атомов в молекуле может быть различным — от одного (тогда понятие молекулы и атома совпадают), как, например, в нейтральном газе, до тысяч (пенициллин) и миллионов (полимеры и т.д.). В переводе с греческого слово "атом" означает "неделимый", однако на рубеже XIX и XX в. в физике были сделаны открытия, которые поставили под сомнение идею Демокрита о неделимости кирпичиков мироздания — атомов. Если атом разделить, то окажется, что он состоит из элементарных частиц — электронов, протонов и нейтронов. Электроны, протоны и нейтроны, испускаемые атомами, являются составной частью радиационного поля, измеряемого методами радиационной защиты.

Возникает вопрос: что случится, если разделить на части электрон, нейтрон или протон?

Согласно с новейшими представлениями теории физики элементарных частиц субэлементарными частицами являются кварки и лептоны. Лептоны, согласно классификации элементарных частиц по их массам, относятся к легким частицам, к средним — мезоны, к тяжелым—барионы. Сильно взаимодействующие частицы мезоны и барионы относятся к классу адронов. Для выяснения структуры, свойств и систематики адронов М.Гелл-Маном и Цвейгом в 1964 г. была предложена кварковая модель. Начальная трикварковая модель адрона предполагает, что из блоков-кварков можно "слепить" все известные на сегодня адроны. Протоны и нейтроны, относящиеся к классу адронов. состоят из таких комбинаций трех кварков. Протон состоит из одного "down" и двух "up" кварков, нейтрон состоит из одного "up" и двух "down" кварков. Взаимодействие кварков друг с другом происходит путем обмена глюонами— безмассовыми векторными частичками, несущими "цветовой" заряд. У каждого кварка 3 состояния, эти состояния называют цветовыми: синее, красное, желтое (обозначается соответственно 1, 2 и 3).

Тогда составная формула протона будет иметь вид:

P = (U₁U₂d₃),                                              (1.1)

а нейтрона:                                  n = (d₁d₂U₃),                                                           (1-2)

Одним из наиболее необычных свойств кварков является то, что они несут часть заряда электрона. Десятилетия физики были убеждены, что заряд электрона е = 1,6·10^-19 Кулона неделим. Тем не менее, оказалось, что заряд кварка может быть 1 /3 е или 2/3 е.

Необходимо отметить, что доказательство существования тяжелейшего "top''-кварка до сих пор остается проблематичным, он до сих пор не обнаружен и для более надежного подтверждения существования этого кварка необходимы дополнительные эксперименты.

В отличие от кварков лептоны несут целый "элементарный" заряд е. Электроны являются "членом" семейства лептонов. Другими членами семейства пептонов являются мюоны, тау-лептон, открытый в 1976 г., и три типа нейтрино. Полностью "Стандартная модель материи" приведена в таблицах 1.1 и 1.2.

Проводятся дополнительные исследования на ускорителях элементарных частиц высоких энергий для дальнейшего исследования фундаментальной структуры материи. Свойства кварков, глюонов, адронов и лептонов без сомнения еще могут принести немало сюрпризов физикам.

Таблица 1.1.

Кварки

Наименование	Символ	Заряд (Гэв)	Масса	"Странность" S	"Очарование" С	"Красота" В
Up	U	+2/3 е	0,3	0	0	0
Down	d	-1/3 е	0,3	0	0	0
Strange	S	-1/3 е	0,45	-1	0	0
Charm	с	+2/3 е	1,5	0	1	0
Beaty	b	-1/3 е	4,9	0	0	1
Top	t	+2/3 е	30-50	гипотетический, еще не обнаружен

Таблица 1.2.

Лептоны

Наименование	Символ	Заряд (Мэв)	Масса	Время жизни
Электрон	е	-1e	0,511003	стабилен
Мюон	μ	-1e	105,6593	2,19713·10-6
Тау-лептон	τ	-1e	1784	3,4·10-13
Электронное нейтрино	νe	0	< 3·10-5	стабильно
Мюонное нейтрино	νμ	0	<0,51	стабильно
Тау нейтрино	ντ	0	<250	стабильно

 

Механика изучает механические движения тел и силы, которые его обуславливают. Основные законы механики сформулированы в конце XVII века английским физиком Исааком Ньютоном.

Положение любого тела в пространстве возможно определить только относительно другого тела или совокупности тел. В природе все тела движутся и нет тел, которые пребывают в состоянии абсолютного покоя. Таким образом, всякое движение тел и покой являются относительными. Тело или группа тел, относительно которых рассматривается движение данного тела, называется системой отсчета. Например, в Солнечной системе отсчета движение тел рассматривается относительно Солнца.

Передвижение тела в системе отсчета всегда имеет вектор. Вектор в физике и математике — это величина, имеющая абсолютное значение и направление. Например, скорость в физических терминах есть изменение положения тела за определенное время в определенном направлении, и может быть записана так: 90 км/час на Запад. Таким образом, скорость — это векторная величина. Другая векторная величина — это ускорение. Ускорение есть изменение скорости за определенное время в определенном направлении. Например, ускорение тела в гравитационном поле Земли имеет значение 9,8 м/сек за секунду по направлению к центру Земли.

Сила есть определенное воздействие на тело. Если это воздействие приведет к перемещению тела, то говорят, что была выполнена определенная физическая работа. Количество работы получается путем умножения силы на величину перемещения. Например, если силой 20 Kг переместить предмет на высоту 1,5 м над поверхностью пола, то работа равна 20 Кг 1,5 м = 30 Кгм (килограммометров). Фактор времени в отношении работы не принимается во внимание. Время учитывается при определении мощности. Мощность есть скорость выполнения работы, при этом количество работы делится на время.

В физике энергия означает способность выполнять работу. Эта способность может быть связана как с неподвижным телом (потенциальная энергия, например, вода за высокой плотиной), так и с движущимся (кинетическая энергия, например — падающий счетчик Гейгера). Если счетчик Гейгера лежит на краю стола, он имеет потенциальную энергию относительно пола. Величина этой энергии вычисляется путем умножения его массы на высоту и на ускорение силы тяжести, 9,8 м/с². Заметим, что потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию движения путем сталкивания предмета со стола и достижения им пола. При столкновении с полом предмет достигает кинетической энергии равной потенциальной, которую он имел лежа на столе. Предмет, упавший на пол, может выполнить работу, деформируя пол, или нагревая паркет. Равенство кинетической и потенциальной энергий называется законом сохранения энергии. Энергия обычно измеряется в Джоулях (1 Дж = 6,242·10¹⁸ эВ). Количество кинетической энергии движущегося тела вычисляется как половина произведения массы на квадрат скорости.

Электричество рассматривает движение и взаимодействие электрических зарядов. Говорят, что тело несет электрический заряд, если оно обладает электрической потенциальной силой положения. Это значит, что оно может испытывать действие силы в электрическом поле и может двигаться к или от источника поля, если оно свободно. В природе существует два вида электрических зарядов: положительный и отрицательный. Правило о направлении силы, действующей на заряды, определяет, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные заряды притягиваются. Например, положительно заряженный электрод в ионизационной камере может притягивать (собирать) к себе электроны, находящиеся в ней.

Важным законом электричества, который многократно используется в радиационной защите, есть закон Кулона, определяющий величину сипы между двумя заряженными объектами. Этот закон назван в честь французского физика Шарля Кулона, который открыл его в 1780г. Закон Кулона выражается следующей формулой:

                                                           (1.3)

где: k — коэффициент пропорциональности;

Q₁ — заряд первого объекта;

Q₂ — заряд второго объекта;

r — расстояние;

В соответствии с законом Кулона, сила между зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами: чем ближе заряды, тем сила больше. В международной системе единиц (СИ) за единицу заряда принят кулон (Кл). Один кулон равен 6,3 · 10¹⁸ зарядов электрона.

Электрический ток есть перемещение зарядов по проводнику, например, через проволоку. Электрический ток назван по аналогии с течением (током) воды через трубу. Величина тока измеряется в амперах, (сокращенно — А. Все единицы в физике, названные в честь человека, открывшего закон, эффект и т. д., обозначаются заглавными буквами). Один ампер — это ток, который существует при прохождении заряда равного одному кулону через сечение проводника за одну секунду. Так как заряд электрона равен 1,6 · 10^-19 Кл, то ток величиной 1A означает протекание по проводнику 6,3 · 10¹⁸ электронов в сек.

Ион — это атом, который потерял или получил дополнительно заряд, обычно в виде заряда электрона. Например, облучая вещество, можно выбивать электроны из нормально активных атомов. Положительно заряженный атом и выбитый электрон образуют пару ионов. Например, в сфере радиационной защиты при воздействии ионизирующего излучения на человека первичным результатом является образование положительных и отрицательных ионов воды в клетках организма.

Разность потенциалов, часто неверно называемая напряжением, есть разница электрической потенциальной энергии между точками, которые, например, могут находиться в электрической цепи. Это аналогично давлению в водяной трубе. Единица измерения разности потенциалов называется вольт (В).

В водяной трубе трение воды о стенки приводит к ослаблению потока. В электрическом проводнике это ослабление называется сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах (Ом). Резисторы, применяемые в обычных электронных схемах, имеют сопротивление от нескольких десятых Ома до нескольких миллионов Ом. Такие материалы, как медь, которые имеют малое сопротивление, называются проводниками. Материалы типа стекла или пластика имеют большое сопротивление и называются изоляторами. Некоторые материалы имеют сопротивление, величина которого изменяется в пределах от проводников до изоляторов. Эти материалы называются полупроводниками. Примеры полупроводников — кремний и германий. Полупроводники находят все возрастающее применение в современной электронике.

Для проводников существует определенная связь между током, сопротивлением и разностью потенциалов. Эта зависимость выражается законом Ома, который выражается следующей формулой:

U = I·R,                            (1.4)

где: U — разность потенциалов в вольтах,

I — ток в амперах,

R — сопротивление в Омах.

Электрическая мощность (P) измеряется в ваттах (Вт). Мощность вычисляется как произведение тока на разность потенциалов: P = I·U.

Электрическая цепь характеризуется направлением потока электронов. Если электроны всегда перемещаются в одном направлении (пусть даже с разной скоростью в различные интервалы времени), тогда ток называется постоянным током. Если электроны перемещаются, изменяя время от времени направление движения, то такой ток называется переменным.

Необходимо отметить, что в периодических волнообразных процессах соотношение между длиной волны и частотой постоянно. Для электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света с (с = 3·10⁸ м/с), соотношение имеет вид:

,                                            (1.5.)

где: λ —длинна волны;

ν — частота.

Энергия связи электронов в атомах и молекулах обычно выражается в электрон-вольтах (эВ). 1 эВ равен работе, которую совершает электрическое поле при перемещении электрона (или другой частицы, обладающей элементарным зарядом) между точками поля, разность потенциалов между которыми равно 1B. Соотношение между данными величинами имеют следующий вид:

E = e·U,                                                                   (1.6)

где:  E — энергия электрона;

е — заряд электрона;

U — разность потенциалов.

Численно 1 эВ = 1,6·10^-19 Кл·1В = 1,6·10^-19 Дж.

Частица, имеющая заряд Q, прошедшая разность потенциалов U, получит количество энергии, равное произведению Q·U. Например, если альфа-частица (заряд равен 2) ускоряется, проходя разность потенциалов 500 В, то она получит энергию 1000 эВ или 1 кэВ.

В 1879 году американский ученый и изобретатель Томас Эдисон открыл эффект возникновения электрического тока между электродами в вакуумной стеклянной колбе, если один из электродов нагреть до высокой температуры. Эффект испускания свободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектронной эмиссией.

Эра электроники началась с изобретением вакуумной электронной лампы (диода) Ли Форестом в 1906 г. Этот электронный прибор состоит из стеклянного баллона, в котором находятся два электрода: катод и анод. Катод изготовлен из тонкой металлической проволоки, свернутой в спираль, анод — из металлической пластины. Электрически подогреваемый катод действует как источник термоэлектронной эмиссии. Анод притягивает электроны согласно закону Кулона, если на него подать положительную разность потенциалов относительно катода. Такой прибор работает в цепи переменного тока, пропуская ток только в одном направлении. С помощью диода можно выпрямлять переменный ток, преобразуя его в постоянный.

Триод — это трехэлектродная электронная лампа. Дополнительный электрод в форме тонкой сетки, располагается между анодом и катодом, ближе к катоду. Так как сила кулоновского взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния, то даже малый потенциал на этом электроде-сетке оказывает большее воздействие на поток электронов из катода, что позволяет использовать электронную лампу как усилитель. Соединяя несколько электронных ламп соответствующим образом можно получить электронный усилитель с большим коэффициентом усиления. Усилители необходимы во многих типах детектирующих систем, применяемых в приборах радиационной защиты.

Следующая эра в электронике наступила с изобретением транзистора в лаборатории Бэлла в 1948 г. Транзистор состоит из трех крошечных участков полупроводникового материала, которые соответствуют определенным электродам вакуумного триода. Ток течет из эмиттера к коллектору и контролируется (управляется) сигналом, поступающим на базу. Транзисторы также можно соединять вместе для получения усилителей с большим коэффициентом усиления. Транзисторы намного меньше вакуумных ламп и намного прочнее.

Следующий большой прорыв в электронике имел место с разработкой в 70-х годах интегральных микросхем. Микросхемы были изобретены независимо Килби и Нансом в 1958-1959 гг. В этих приборах термин "микроэлектроника" применяется в своем действительном значении. С успешным применением травления и маскирования многослойной полупроводниковой пластинки стало возможным размещать транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие элементы электронной схемы все вместе на крошечной площади. Типичная интегральная микросхема 70-х содержала тысячи отдельных электронных компонентов на площади 1 мм². Вся электронная схема размещалась в корпусе (чипе), который устанавливался в гнездо на плате. Такая конструкция использовалась в более поздних цифровых электронных приборах радиационной защиты.

Дальнейшим развитием электроники в 80-х годах стали интегральные схемы большой степени интеграции. В этих приборах на пластинке размером с канцелярскую кнопку размещается до миллиона компонентов электронной схемы. Большие интегральные схемы стали основными компонентами современных калькуляторов, компьютеров и приборов.

Биология

В этом разделе даны основные положения биологии в применении к радиационной защите.

Основным элементом, из которого строится организм, является клетка. Клетки обычно содержат протоплазму, состоящую на 80% из воды, в которой растворены карбогидраты, жиры, протеины, соли и газы. Осуществляя метаболическую активность, клетка является источником энергии, может восстанавливать повреждения, строить необходимые структуры и производить новые клетки путем деления. Перед делением в клетке производится новый набор хромосом, используя существующий набор как образец. Нормально диффундирующие хромосомы собираются в скопления (два идентичных набора), располагающиеся в противоположных концах клетки. Затем клетка делится пополам, и две дочерние клетки начинают цикл снова.

Человеческий организм является сложным соединением клеток, из которых строятся различные системы органов и различные ткани. В организме человека существует четыре основных типа тканей: эпителиомные, соединительные, мышечные и нервные. Ткани эпителия содержат клетки, расположенные тесно друг к другу, эти ткани формируют внутреннюю и внешнюю поверхности тела. Соединительные ткани состоят из клеток, которые разделены межклеточным материалом. В эту группу входят различные типы кровяных клеток, связки, хрящи и кости. В организме существуют три различных типа мышечных тканей. Это гладкие, сердечные и скелетные мышцы. Мышечные клетки способны сокращаться под воздействием электрического раздражения. Последний тип тканей — это нервная ткань. Основной тип клеток нервной ткани — это нейроны. Они способны проводить электрические импульсные сигналы.

Основные системы органов тела человека имеют следующие краткие характеристики:

• покровная — включает в себя кожу, волосы и потовые железы. Окружает другие органы и защищает от воздействия внешних факторов;

• скелетная — кости и соединительная ткани. Осуществляет поддержку остальных органов и служит для присоединения мышц;

• пищеварительная — рот, пищевод, тонкий и толстый кишечник. Растворяет пищу и выделяет питательные компоненты, которые затем поглощаются кровотоком;

• выделительная — включает почки и мочевой пузырь. Выделяет продукты жизнедеятельности клеток;

• репродуктивная — гонады (яичники и яички) и матка. Производит яйцеклетку и сперму, которые объединяются для рождения нового организма;

• эндокринная — железы внутренней секреции. Вырабатывает и выделяет гормоны в ткани или кровь. Включает гипофиз, щитовидную и надпочечную железы. Гормоны жизненно необходимы для правильного обмена веществ и роста;

• респираторная — воздушные пути и легкие. Образует систему обмена кислорода и двуокиси углерода в крови;

• мышечная — мышцы тела. Необходима для движения, вентиляции легких, сокращения сердца;

• нервная — головной мозг, спинной мозг и нервные волокна. Передает сигналы контроля функционирования организма.

Химия

В настоящее время известно 107 различных химических элементов. Тяжелейшие элементы получены искусственно в лабораторных условиях. Вещество классифицируется как элемент, если с помощью химических реакций оно не может быть преобразовано в более простое вещество. Сложные вещества образовываются соединением элементов в соответствующих соотношениях. Например, вода — сложное вещество, состоящее из двух частей элемента водорода и одной части элемента кислорода.

Атомный вес атома — это относительный вес одного атома в сравнении с весом стандартного атома. В настоящее время для образца выбран наиболее распространенный изотоп углерода, химический атомный вес которого равен точно 12,0000000. Согласно этому стандарту атомный вес кислорода равен 15,9949 и атомный вес урана-238 равен 238,0508 единиц атомного веса. Одна атомная единица массы (а.е.м). равна 1/12 атомного веса углерода-12. Молекулярный вес молекулы это сумма атомных весов входящих в нее атомов. Грамм-молекулярный вес или моль равен количественно молекулярному весу в граммах. Один моль какого-либо вещества содержит 6,025Е23 молекул (число Авогадро). Моль вещества в газообразном состоянии имеет объем 22,4 литра при стандартных температуре и давлении.

Химический элемент состоит из ядра, окруженного электронами. Считается, что электроны расположены на нескольких фиксированных орбитах вокруг ядра. Внутренняя электронная орбита называется К-орбита и на ней могут находиться не более двух электронов. Следующие орбиты обозначаются как L, M, N и т.д. Максимальное количество электронов на орбите равно удвоенному квадрату номера орбиты (на М-орбите может находиться 2x3x3=18 электронов). Элементы, имеющие в ядре одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов, называются изотопами.

Если элементы расположить в порядке возрастания атомного номера (количества протонов), затем определить точки с повторяющимися химическими свойствами и расположить их в колонки, образуется таблица. Такая таблица называется периодической системой элементов Д.И.Менделеева. Из таблицы видно, что схожесть свойств элементов почти полностью обусловлена совпадением количества электронов на внешних (валентных) орбитах.

С помощью химических реакций атомы могут объединяться, образуя различные соединения. Во время реакций происходит перераспределение электронов. Если элемент теряет электроны в реакции, то говорят, что он окисляется. Соответственно, захват электронов называется реакцией восстановления.

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Строение атома

Вещество состоит из атомов, следовательно, свойства вещества зависят от свойств атомов. К концу XІX столетия в результате различных экспериментов накопилось множество доказательств того, что атомы имеют более сложное строение. Эти представления особенно изменились после открытия электрона Томсоном в 1897 году, а также после экспериментального определения им отношения заряда к массе электрона e/m. B результате объединения этих данных с данными Милликена по определению заряда на одиночной заряженной капельке был найден заряд электрона 1,6·10^-19 кулона. Томсон предложил модель для описания внутренней структуры атома. Эта модель стала известной как модель сливового пирога Томсона. По этой модели атом представляется сферическим положительно заряженным "пирогом" с радиусом 10^-8см, внутри которого находятся отрицательные электроны-"сливы", занимающие определенные равновесные положения. Положительный заряд нейтрального атома равен отрицательному суммарному заряду всех его электронов. Если какое-либо внешнее возмущение выводит электроны из равновесного положения, они начинают совершать колебательные движения подобно шарикам, подвешенным на пружинках. Таким возмущением может быть столкновение атомов или поглощение атомом света. При колебательном движении электронов атом испускает электромагнитное излучение соответствующей частоты.

В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд предложил путь экспериментального исследования структуры атома. Идею Резерфорда можно пояснить, представив мысленно следующий гипотетический эксперимент. Представим себе два одинаковых картонных ящика. Один из ящиков заполнен опилками. В другом по всему объему развешаны стальные шары, суммарный вес которых равен весу опилок в первом ящике. По предположению Резерфорда ящик с шарами можно опознать, стреляя в него пулями из винтовки и изучая траектории пуль, вылетающих из ящика. При стрельбе по этому ящику большинство пуль будет выходить через заднюю стенку ящика, однако пули, попавшие в шары, могут значительно отклонятся от первоначального направления и выходить наружу через боковые стенки ящика. При стрельбе же по ящику, заполненному опилками, пули могут только слегка замедлиться, но отклоняться не будут. По модели Томсона атом представлял собой ящик с опилками, равномерно распределенными по всему объему. Если бы были найдены достаточно мелкие "пули" для исследования атома, то можно было бы проверить предположение Резерфорда.

Хорошо известный теперь эксперимент по "резерфордовскому рассеянию", был проведен Гейгером и Марсденом. Они использовали альфа-частицы, испускаемые радиоактивным источником — радием. Исследовалось рассеяние альфа-частиц на атомах золота. Для этого перед источником устанавливалась мишень в форме листка из тонкой золотой фольги. Толщина мишени не превышала нескольких диаметров атома для исключения двойного рассеяния. Атомный вес золота равен 200, атомный вес альфа-частицы 4. Сзади за мишенью помещался сцинтилляционный экран из сульфида цинка ZnS. Каждый раз, когда альфа-частицы проходили через фольгу и ударялись в экран, они вызывали на экране небольшую вспышку света, которая наблюдалась через микроскоп. Места вспышек на экране показывали, что большинство альфа-частиц проходит через фольгу так, как если бы ее вообще не было. Резерфорд вычислил, что если бы была справедлива модель Томсона, то максимальный угол отклонения альфа-частиц при рассеянии не превышал бы 1/100000 градуса, т.е. практически все альфа-частицы должны пролетать фольгу без отклонения. Однако некоторые частицы отклонялись в сторону, а некоторые отклонялись на угол больше 90° и даже отскакивали назад от фольги. Используя полученные результаты. Резерфорд вычислил, что большая часть массы атома, названная ядром, должна сосредоточиться в размере около 10^-12см, что в 10000 раз меньше, чем размер атома. Согласно модели Резерфорда каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого на расстоянии вращаются электроны. Опыты Резерфорда показали, что атом, подобно нашей Солнечной системе, почти пуст. Чтобы понять масштаб его размеров нужно представить себе атом диаметром в несколько километров, тогда ядро будет величиной с яблоко.

В 1913 году датский физик Нильс Бор, исходя из планетарной модели Резерфорда, разработал первую квантовую теорию атома, в которой впервые применил идею о квантовании физических величин. Бор постулировал, что движение электрона в атоме происходит по определенным стационарным орбитам и не сопровождается излучением энергии (излучение или поглощение имеет место, когда электрон переходит из одной орбиты на другую). Такими "разрешенными" орбитами считались те, для которых момент количества движения электрона равнялся целому числу η (номер орбиты, или главное квантовое число, n=1,2,3...) умноженному на h (постоянная Планка, h= 1,05· 10^-27 эрг. сек). Отсюда Бор определял радиусы "разрешенных" орбит, которые оказались пропорциональными п². Внутренняя орбита с наименьшим диаметром называется К-орбита, следующая, большая L-орбитой и т.д. Частота излучаемого кванта энергии определяется разницей энергий состояний, между которыми происходит квантовый переход.

Хотя боровская модель на сегодня не является исчерпывающей (в дальнейшем модель атома Бора усовершенствовал А.Зоммерфельд, который предположил существование в атоме не только круговых орбит, но и эллиптических), но она поясняет структуру атома с достаточной точностью для нужд радиационной зашиты. Существование характеристического излучения объясняется переходами электронов с верхней орбиты на нижнюю. Так как каждая орбита в атоме имеет строго определенное энергетическое состояние, то разности энергий при переходах электронов будут иметь одни и те же значения для данного конкретного элемента (характеристический спектр для каждого элемента). Измеряя характеристический спектр можно определить элементный состав в образце.

Структура ядра

Ввиду того, что атомное ядро является носителем индивидуальности каждого атома, то, изменив структуру ядра, можно превратить один химический элемент в другой. Эту идею впервые осуществил Резерфорд в 1919 году. Использовав успешно проведенный им эксперимент по рассеянию для исследования структуры атома, он вновь применил этот эксперимент для исследования структуры ядра. При облучении альфа-частицами, испускаемыми ²¹⁴Po, газовой мишени из азота, было замечено, что на каждые 50000 актов взаимодействия регистрируется ядро водорода, которое было предложено назвать протоном. Таким образом, было подтверждено, что протон является, по крайней мере, одной из составных частей ядра.

Принимая во внимание, что уравнения ядерных реакций должны быть сбалансированы подобно химическим уравнениям, стало ясно, что Резерфорд наблюдал новое явление — ядерную реакцию, в результате которой первоначальные ядра  и  превращаются в другие ядра  и , то есть впервые наблюдалось искусственное превращение ядер — расщепление ядра азота на ядро водорода (протон) и ядро кислорода. Реакция может быть записана таким образом:

+ → +                                   (1.7)

Нижние индексы означают атомный номер или количество положительных зарядов в ядре, а верхние индексы — массовое число ядра.

В 1930 году Боте и Беккер при облучении альфа-частицами бериллиевой мишени обнаружили, что из бериллия исходят какие-то лучи, обладающие огромной проникающей способностью. Проницаемость альфа-частиц, рентгеновских и гамма-лучей, по сравнению с ними была очень малой.

В 1932 году английский физик Дж. Чедвик и французские физики Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри показали, что возникающее при столкновении ядер гелия с ядрами бериллия жесткое излучение представляет собой поток частиц, не имеющих электрического заряда и обладающих массой, почти равной массе протона. Эти частицы были названы нейтронами. Стала понятной высокая проникающая способность нейтрона. Реакцию Боте и Беккера можно записать таким образом:

                                            (1.8)

Это также реакция искусственного превращения ядер — расщепление ядра бериллия на ядро углерода и нейтрон.

С открытием нейтрона было получено достаточно данных о структуре ядра и ядерных реакциях, что позволило понять и объяснить большинство проблем радиационной защиты. Составные частицы ядра и их свойства приведены в таблице 1.3.