Ионизирующие излучения

Радиация имеет естественное и техногенное происхождение. Чтобы оценить уровень опасности, которую может представлять радиация, рассмотрим свойства ионизирующих излучений (ИИ) и механизмы взаимодействия их с веществом.

Самопроизвольное превращение неустойчивых атомных ядер в ядра другого типа, сопровождающееся испусканием частиц или гамма-квантов, называется радиоактивностью. Известны четыре типа радиоактивности: альфа-распад; бета-распад; спонтанное деление ядер; протонная радиоактивность.

Испускаемые в процессе ядерных превращений альфа- и бета-частицы, нейтроны и другие элементарные частицы, а также гамма-излучение представляют собой ИИ, которые в процессе взаимодействия со средой производят ионизацию и возбуждение ее атомов и молекул. При этом примерно половина энергии, переданной ионизирующим излучением веществу, расходуется на ионизацию и половина на возбуждение. На каждый акт ионизации и возбуждения в воздухе в среднем расходуется 34...35 эВ энергии. 1 эВ (электронвольт) - единица энергии, используемая в атомной физике, равная кинетической энергии электрона, приобретаемой им при прохождении разности потенциалов, равной 1 В: 1 эВ = 1,6 ∙ 10^-19 Дж. Заряженные частицы по мере прохождения через вещество теряют свою энергию малыми порциями, растрачивая ее на ионизацию и возбуждение атомов и молекул среды. Оба эти процесса всегда сопутствуют друг другу. Чем больше масса и заряд частицы, тем более интенсивно происходит передача энергии среде, т. е. тем большее число пар ионов образуется на единице пути и, следовательно, меньше пробег частицы в веществе (рис.2). Длина пробега в воздухе альфа-частиц, испускаемых радионуклидами, энергия которых лежит в пределе 4...9 МэВ, составляет 3...9 см.

Что же касается бета-частиц (электронов и позитронов), заряд которых в 2 раза, а масса более чем в 7000 раз меньше, чем у альфа-частицы, то их пробег в воздухе примерно в 1000 раз больше. В мягкой биологической ткани пробеги альфа-частиц составляют несколько десятков микрометров, а бета-частиц - 0,02 и 1,9 см соответственно для углерода-14 и калия-42.

Несколько по-иному происходит взаимодействие с веществом у гамма-излучения (поток фотонов) и нейтронов, которые не обладают зарядами и поэтому непосредственно ионизации не производят. В процессе прохождения через вещество фотон взаимодействует в основном с электронами атомов и молекул среды. При этом в каждом акте взаимодействия фотон передает электрону часть или всю свою энергию. В результате образуются так называемые вторичные электроны, которые в последующих процессах взаимодействия производят ионизацию и возбуждение. Таким образом, в случае гамма-излучения ионизация происходит не в первичных актах взаимодействия, как у альфа- и бета-частиц, а как результат передачи энергии вторичным частицам (электронам), которые растрачивают ее затем на ионизацию и возбуждение.

Рис.2. Три вида ионизирующих излучений
и их проникающая способность

В качестве характеристик меры воздействия ионизирующего излучения на вещество используется величина - поглощенная доза D.

Единицей поглощенной дозы Международной системой единиц (СИ) установлен грей (Гр). Один грей соответствует поглощению 1 Дж энергии ионизирующего излучения в массе вещества 1 кг, т. е. 1 Гр = 1 Дж/кг. Иногда используется внесистемная единица поглощенной дозы - рад; 1 рад = 0,01 Гр или 1 Гр = 100 рад.

Для оценки радиационной опасности, когда реализуются малые дозы излучения, введена эквивалентная доза H _Т,R как мера выраженности эффекта облучения, равная произведению средней поглощенной в органе или ткани дозы D _Т,R на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения W_R.

Единицей эквивалентной дозы Международной системой единиц (СИ) установлен зиверт (Зв). Один зиверт равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани на взвешивающий коэффициент равно 1 Дж/кг. Внесистемной единицей эквивалентной дозы является бэр (биологический эквивалент рада): 1 бэр = 0,01 Зв или 1 Зв = 100 бэр.

Многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными и в отдаленном будущем, т. е. их воздействию подвергнутся современные и последующие поколения. Коллективную эффективную эквивалентную дозу, которую получат многие поколения от какого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Естественные источники ионизирующего излучения можно подразделить следующим образом: внешние источники внеземного происхождения (космическое излучение); источники земного происхождения (естественные радионуклиды).

Из космического пространства земную атмосферу непрерывно атакует поток ядерных частиц очень высоких энергий (примерно 90 % протонов и около 10 % альфа-частиц). Это так называемое первичное космическое излучение. Воздействуя на ядра нуклидов, входящих в состав земной атмосферы, первичное космическое излучение инициирует целый каскад ядерных превращений, в результате которых образуются различного типа элементарные частицы и гамма-излучение. Это так называемое вторичное космическое излучение. У поверхности земли (до высоты порядка 25 км) доза внешнего облучения обусловлена, в основном, гамма-излучением.

С удалением от поверхности земли интенсивность космического излучения возрастает (рис. 3). Поэтому дозовая нагрузка на людей, проживающих в горной местности, в несколько раз больше, она равна примерно 0,7 и 5,0 мЗв в год соответственно на высотах 2 и 4...5 км. На высоте по­летов современных самолетов уровень космического излучения в несколько десятков раз больше, чем на уровне моря.

Рис. 3. Уровни космического излучения на различных высотах

К основным естественным радионуклидам, излучение которых формирует природный радиационный фон, относят: ²³⁸ U, ²³⁵U и ²³²Th, а также один из продуктов распада ²³⁸U – радон (²²⁶Ra).

Внешнее облучение обусловлено радионуклидами, содержащимися в почве и горных породах, внутреннее - радионуклидами, содержащимися в воздухе, воде и продуктах питания.

Эквивалентная годовая норма внешнего облучения от естественных радионуклидов составляет в среднем 0,67 мЗв/год; внутреннего облучения - 0,33 мЗв/год. Таким образом, эквивалентная доза, обусловленная излучением радионуклидов и космическим излучением, составляет около 1 мЗв/год для регионов, где проживает примерно 95 % населения Земли.

К техногенным источникам ионизирующих излучений относят совокупность факторов, обусловленных реализацией широкомасштабных программ использования атомной энергии в мирных и военных целях. Наибольшую опасность при работе предприятий ядерно-топливного цикла представляют радионуклиды, имеющие большой период полураспада и способные быстро распространяться в окружающей среде. К таким в первую очередь относятся ¹²⁹I, ²²⁶Ra, которые выделяются из хвостов руд.

На изменение техногенной составляющей радиационного фона влияет также облучение при применении медицинских процедур, радиоизотопных методов неразрушающего технологического контроля и другие причины попадания в окружающую среду искусственных и естественных радионуклидов.

При медицинских процедурах основную дозу облучения население получает при рентгеновских исследованиях (90...95 %). Получаемая при их проведении эффективная эквивалентная доза (1,5 мЗв) выше, чем при проведении иных диагностических методов медицинского обследования с использованием радиоизотопных методов (10... 15 %).

Уровень радиоактивности в жилом помещении зависит от строительных материалов: в кирпичном, железобетонном, шлакоблочном доме он всегда несколько выше, чем в деревянном. Газовая плита приносит в дом не только токсичные, но и радиоактивные газы (радон). Поэтому уровень радиоактивности на кухне может существенно превосходить фоновый при работающей газовой плите. В закрытом, непроветриваемом помещении человек может подвергаться воздействию радона, который непрерывно высвобождается из земной коры. Поступая через фундамент, пол, из воды или иным путем, радон накапливается в изолированном помещении. Средние концентрации радона обычно составляют в ванной комнате 8,5, на кухне 3, в спальне 0,2 кБк/м.

Рис. 4 Источники поступления радона в здания

Избавиться от избытка радона можно проветриванием помещения. В настоящее время эффективная доза, обусловленная естественными и техногенными источниками радиации, составляет в России ~ 4,0 мЗв в год. При этом 27% составляет естественный радиационный фон, 39% - радон в помещениях и 34% - рентгенодиагностические медицинские процедуры.