Радиационная гигиена и радиационная безопасность

Основные понятия и термины в радио-дозиметрической практике

 

 

Учебное пособие для студентов

и врачей ГСЭН.

 

 

/Радиационная гигиена/

 

Казань - 2011

УДК: 613:

 

  Чупрун В.Ф. Радиационная безопасность (Раздел 1). «Основные понятия и термины в радио-дозиметрической практике»

 

 

  Даются определения и раскрывается содержание таких понятий как: "радиационная гигиена" и "радиационная безопасность", "радиоактивность" (как физическое явление), "ионизирующая радиация", "источники" ионизирующих излучений, "радиационный фон" планеты, "виды" лучевых воздействий и (схема) развития патологических изменений, наблюдаемые эффекты радиационных воздействий на человека, отдельные группы лиц, население в целом.

  Приводится характеристика отдельных (основных) физических констант и их размерности, а также, ряда понятий и терминов, широко применяемых в официально принятой отечествен- ной и международной документации по радиационной гигиене и радиологической защите.

  Пособие составлено с учетом современных принципов регламентации радиационного воздействия, на базе Федерального закона "О радиационной безопасности населения"(№3 ФЗ от 09.01.96), Норм радиационной безопасности (НРБ-99) и Основных санитарных правил обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99).

  Предназначено для студентов медицинских вузов, работников служб радиационной безопасности, врачей отделов радиационной гигиены ЦГСЭН и других специалистов, интересующихся действием источников ионизирующих излучений.

 

 

  Издание 3-е, дополненное и переработанное.

 

 

Тираж: 400 экз.

 

 

Казань – 2011

                           "Знание - лучшее противоядие от страха и неуверенности"

Использование источников ионизирующей радиации в практических целях общества - неотъемлемая часть современной жизни. Однако, живые организмы всегда испытывали воздействие определенного количества энергии ионизирующей радиации, исходящей из естественных природных источников: космос, солнце, почва, вода, воздух, пищевые продукты, стройматериалы.

Искусственно созданные человеком источники, включающие медицинское и промышленное использование рентгеновских и гамма лучей, радиоактивных веществ, атомную энергию, привели к дополнительному воздействию энергии ионизирующей радиации, зачастую, превышающую воздействие природных источников.

Применение радиоактивных веществ (РВ) и других источников ионизирующей радиации (ИИИ) в промышленности, медицине, других отраслях народного хозяйства, несомненно несет огромную пользу обществу, однако оно же может приводить и к развитию катастрофических последствий.  Ионизирующая радиация, напоминающая "палку о двух концах", способна не только помогать в установлении диагноза, лечить, давать тепло, свет, но, в состоянии вызывать целый ряд патологических изменений в тканях, в организме, приводя и провоцируя развитие многих заболеваний. 

Часто ее применение становится областью неопределенности и сомнений. Действительно, как оценить соотношение между риском, создаваемым ионизирующей радиацией и пользой от ее применения? Какую величину риска мы готовы принять в качестве платы за приносимую пользу? Какую дозу лучевого воздействия следует считать неоправданной, чрезмерной, а какую - нет?  

Ответ на эти и другие вопросы, связанные с обеспечением радиационной безопасности (РБ), дает относительно молодая, но бурно развивающаяся отрасль гигиенической науки - «радиационная гигиена». Наука, которая ставит перед собой и обосновывает решения таких важнейших проблем, как защита людей, среды их обитания от поражающего воздействия, применяемых в народном хозяйстве страны, источников ионизирующих излучений, создания надлежащих санитарно-гигиенических условий для любых форм контакта с источниками радиации (как в условиях профессиональной деятельности, так и в быту).

Преподавание гигиены (в вузах страны) включает в себя (в качестве обязательного элемента) и проработку вопросов обеспечения радиационной безопасности персонала и населения. 

Основы необходимых знаний студенты получают на кафедре медицинской и биологической физики с информатикой и медицинской аппаратурой, а также, целого ряда смежных и профильных дисциплин: медицинская биология и генетика, общая и биоорганическая химия, биологическая химия, фармакология с общей токсикологией, патологическая физиология, патологическая анатомия, внутренние и профессиональные болезни,  акушерство,  дерматовенерология,  глазные болезни, биология, рентгенология,  гигиена общая,  коммунальная,  гигиена питания, гигиена труда, гигиена детей и подростков, социальная гигиена и организация здравоохранения, а затем лишь углубляют, полученные знания, при изучении специального предмета – «радиационной гигиены».

И врачам ГСЭН (в настоящее время) все чаще приходится сталкиваться с необходимостью осуществления проверок правильности соблюдения мер радиационной безопасности (на предприятиях, в учреждениях) при использовании радиоактивных препаратов или других источников ионизирующих излучений; рекомендовать методы защиты, приводить образцы расчета толщины соответствующих защитных экранов и др. 

Для этого необходимы знания не только общих закономерностей взаимодействия излучений с веществом (как происходит передача и поглощение энергии ионизирующего излучения, какие эффекты сопровождают эти процессы, к каким последствиям может приводить воздействие энергии ионизирующих излучений на живой организм...), но и многого другого.  Измерения же, которые приходится выполнять в практической деятельности, требуют помимо  знакомства с устройством аппаратуры и правилами работы, знаний определенного круга физических явлений, понятий, правильного применения специальных терминов и др.

Всему этому и посвящено данное пособие.

 

             "Прежде чем сжечь за собой мосты, оглянись - на том ли ты берегу!"

РАДИАЦИОННАЯ ГИГИЕНА И РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Радиационная гигиена (РГ) - относительно молодая, бурно развивающаяся, самостоятельная отрасль гигиенической науки, изучающая воздействие радиоактивных веществ и других источников ионизирующих излучений на человеческий организм,  население в целом,  объекты окружающей среды, с целью выявления этиологических моментов  их взаимосвязи и   разработки мер радиационной безопасности, направленных на защиту окружающей среды, охрану здоровья персонала, населения в целом.

Особенностью РГ (как гигиенической дисциплины) является то, что выделена она по признаку изучения действующего фактора, а не тех или иных контингентов населения.

Условно радиационная гигиена подразделяется на: радиационную гигиену труда (изучающую условия труда, разрабатывающую защитные и профилактические мероприятия при работе с ИИИ), и коммунальную радиационную гигиену (освещающую проблемы радиационной безопасности населения).

РГ включает в себя такие направления, как:

- дозиметрическое (изучение ИИИ и формируемых ими уровней радиационного воздействия);

- радиобиологическое (изучение эффектов и последствий воздействия ИИИ на показатели здоровья);

- разработку теории и методологию гигиенического регламентирования радиационного воздействия;

- санитарно-организационное (разработка практических мер РБ).

В числе наиболее актуальных задач, стоящих перед радиационной гигиеной в настоящее время, выступают:

- научная разработка современных критериев для оценки воздействия источников ионизирующих излучений на отдельных людей, объекты окружающей среды, группы населения и популяцию в целом;

- разработка  более совершенных способов и методов оценки,  прогнозирования  радиационной обстановки,  путей ее приведения в соответствии с разрабатываемыми критериями безопасности;

- обоснование современных комплексов технических, административно организационных и медико санитарных мероприятий с целью обеспечения безопасных условий применения источников ионизирующих излучений в сфере деятельности общества.

Важнейшей задачей радиационной гигиены является  разработка   систем радиационного контроля. Ибо, для своевременного принятия решений по защите от воздействия источников ионизирующих излучений необходима исчерпывающая и объективная информация параметров радиационной обстановки, получение которой связано с грамотным и обоснованным выбором метода контроля, определением  точек проведения измерений, периодичности его проведения.

На основе, непрерывно уточняемых критериев оценки опасности различного вида источников ионизирующего излучения,  путем накопления и анализа данных о действии источников ионизирующих излучений на живые организмы (материалы экспериментов на животных, сведения о состоянии здоровья лиц, работающих с источниками ионизирующих излучений или подвергшихся непредвиденному облучению, проживающих на территории с повышенным радиационным фоном и т.д.), в дальнейшем совершенствуется существующая система допустимых дозовых пределов, оформляемых в виде законодательных документов: " Норм радиационной безопасности " НРБ-69, НРБ-76/87, НРБ-99; " Основных санитарных правил " ОСП-72/87, ОСПОРБ-99.

Растущее внедрение источников ионизирующих излучений в деятельность общества, неизбежно влечет за собой  рост численности лиц, подвергающихся производственному облучению, накопление радиоактивных отходов  (представляющих определенную опасность загрязнения окружающей среды), увеличение  лучевого воздействия в целом на население  (природного, техногенного, медицинского).

 

РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ - состояние защищенности настоящего и будущего поколений людей от неблагоприятного для их здоровья воздействия источников ионизирующих излучений. Обеспечивается проведением целого комплекса профилактических мероприятий, предотвращающих неблагоприятное воздействие источников ионизирующих излучений на организм человека, объекты окружающей среды,  популяцию в целом и, являющихся одним из разделов техники безопасности.

Сложившаяся к настоящему времени система  РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ, независимо от масштаба и формы использования источников  ионизирующих излучений, направлена на решение таких задач как:

- снижение уровня облучения персонала и отдельных лиц из населения до регламентируемых пределов на основе комплекса проектных, технических, медико-санитарных и гигиенических мероприятий;

- осуществление эффективного радиационного контроля (РК), позволяющего оперативно регистрировать изменения параметров радиационной обстановки (опираясь на которые можно было бы с большой  точностью судить об уровнях радиационного загрязнения внешней среды и облучении лиц различных категорий).

К ТЕХНИЧЕСКИМ МЕРОПРИЯТИЯМ относится: создание передвижных или стационарных ограждений, механизация и автоматизация технологического процесса, сбор, обезвреживание и захоронение радиоактивных отходов, очистка воздуха, сточных вод и целый ряд других мероприятий.    

МЕДИКО-САНИТАРНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ включают в себя: установление санитарных защитных зон, организация санитарно-пропускного режима, определение перечня средств индивидуальной (СИЗ) и групповой (СГЗ) защиты, контроль за состоянием здоровья персонала и др.

К числу ОРГАНИЗАЦИОННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ (в первую очередь) будет относится установление соответствующих режимов труда и отдыха, исключающих переоблучение персонала.

Для разработки методов оценки и прогнозирования  радиационной обстановки необходимо иметь исчерпывающую информацию о полной характеристики источников ионизирующих излучений, динамики  изменения уровней ионизирующих излучений в различных помещениях при выполнении тех или иных операций, закономерности распространения радиоактивных веществ в окружающей среде, масштабах и характере их воздействия как при нормальных условиях работы, так и в моменты аварийных ситуаций и мн. др. Все это необходимо знать и для обоснованного выбора методов, средств индивидуальной и групповой защиты, оптимальных режимов труда, санитарно пропускного режима и целого ряда других мероприятий, направленных на защиту от воздействия источников ионизирующих излучений.

В связи с этим, в каждом учреждении (предприятии), использующем в своей деятельности ИИИ, создается специальная (ведомственная) служба " радиационной безопасности ", осуществляющая свой ведомственный надзор, исходя из требований типового "Положения о службе радиационной безопасности учреждения". Данная служба подчинена непосредственно руководителю учреждения, либо его заместителю, отвечающему за охрану труда. Регламентация организационно-штатной структуры, задач, прав, обязанностей представителей данной службы является прерогативой администрации конкретного учреждения, которая при ее создании исходит из объема работы и численности персонала.   Основными вопросами, решаемыми данной службой являются:

- контроль за соблюдением норм и требований, определенных основными нормативными документами и ведомственными инструкциями;

- организационная работа по проведению индивидуального дозиметрического контроля и оценке доз облучения персонала на объекте; 

- разработка мероприятий, направленных на предупреждение радиоактивного загрязнения окружающей среды (при всех видах деятельности с источниками ионизирующих излучений в данном учреждении);

- оперативная информация администрации учреждения о радиационной обстановке и разработка предложений с целью совершенствования процесса применения источников ионизирующих излучений и улучшение условий труда персонала.

В каждой организации система радиационного контроля должна предусматривать конкретный перечень: видов контроля, типов радиометрической и дозиметрической аппаратуры, точек измерения, а также, периодичности проведения замеров.

Ответственность за неукоснительное соблюдение правил радиационной безопасности возлагается на руководителей учреждений и предприятий, использующих в своей практической (научной и др. форм деятельности), источники ионизирующих излучений. Одновременно, ответственность возлагается и на руководителей министерств, ведомств, в чьем подчинении находятся данные предприятия и учреждения.

Нарушение правил РБ влечет за собой дисциплинарную или административную ответственность; наиболее грубые нарушения, связанные с возможной опасностью для здоровья людей или ущербом окружающей среде, и уголовную ответственность по статье 217 УК России.

В целом, в стране к настоящему времени создана достаточно надежная, высокоэффективная система радиационной безопасности (при условии строжайшего соблюдения действующего законодательства).

 

РАДИАЦИОННЫЙ КОНТРОЛЬ - как важнейший элемент режима радиационной безопасности, имеет своей целью: определение степени соблюдения принципов радиационной безопасности и требований гигиенических регламентов. Он включает в себя:    

- контроль за непревышением установленных основных дозовых пределов и допустимых уровней радиационного воздействия в условиях нормальной работы с источниками ионизирующих излучений;

- получение информации о уровнях содержания РВ на территории и в зданиях с повышенным радиационным фоном;

- получение информации о уровнях радиоактивного загрязнения местности, помещений, рабочих поверхностей, кожных покровов радиоактивными веществами как в условиях нормальной работы, так и в условиях РА;

- получение информации для оптимизации защиты и принятия решений о вмешательстве в случаях радиационных аварий.

Радиационному контролю подлежат:

- природные источники;

- радиационные факторы, создаваемые технологическим процессом на рабочих местах и в окружающей среде;

- радиационные характеристики источников, выбросов в атмосферу, жидких и твердых отходов;

- радиационные факторы на загрязненных территориях и в зданиях с повышенным радиационным фоном;

- источники медицинского облучения;

- уровни облучения персонала и населения.

Основными контролируемыми параметрами являются:

- годовая эффективная и эквивалентная дозы;

- содержание радионуклидов в организме;

- поступление радионуклидов в организм и их содержание в организме для оценки годового поступления;

- объемная или удельная активность радионуклидов в воздухе, воде, продуктах питания, строительных материалах и т.д.;

- радиоактивное загрязнение кожных покровов, одежды, обуви, рабочих поверхностей;

- доза и мощность дозы внешнего облучения (фотонной и корпускулярной природы;

- плотность потока частиц и фотонов.

С целью последовательного снижения радиационного воздействия  (реализация принципа "оптимизации"),  для всех контролируемых параметров устанавливаются " контрольные уровни " радиационного воздействия, значения которых должны не только гарантировать непревышение основных пределов доз, но и обеспечивать дальнейшее снижение уровней воздействия до возможно низких значений,  учитывая и сложившиеся уровни облучения от всех (подлежащих контролю) источников излучения,  и достигнутый уровень защищенности,  и возможности их дальнейшего снижения.

Обнаруживаемое превышение контрольных уровней рассматривается как санитарное нарушение и является основанием для выяснения причин такого превышения с их последующим устранением.

Администрация территорий и регионов РФ имеет право вводить дополнительные  (более жесткие) числовые значения контролируемых параметров, так называемые " административные уровни " радиационного воздействия.

Контроль за соблюдением действующих "Норм" и "Правил" в организациях (независимо от форм собственности), возлагается на её администрацию;  за облучением населения - на органы исполнительной власти субъектов РФ.

Государственный надзор за соблюдением "Норм" и "Правил" радиационной безопасности возлагается на органы ГСЭН и ряд других (уполномоченных Правительством РФ) органов, в соответствии с действующими нормативными актами.

Объем, характер и периодичность проведения радиационного контроля, а также, учет и порядок регистрации результатов определяется службой радиационной безопасности радиологического объекта; утверждаются администрацией объекта, при согласовании с органами ГСЭН.

Перечень, числовые значения контрольных уровней определяются в соответствии с условиями работы и также согласовываются с органами ГСЭН.

В ходе установления конкретных значений контрольных уровней  исходят из принципа оптимизации, учитывая неравномерность радиационного воздействия во времени, целесообразность сохранения уже достигнутого уровня радиационного воздействия на данном объекте (ниже допустимого), эффективность выполненных мероприятий по улучшению радиационной обстановки. При изменении характера работ перечень и числовые значения контрольных уровней подлежат пересмотру (уточнению).

В соответствии с требованиями ОСПОРБ-99, радиационный контроль при работе с техногенными источниками излучения должен осуществляться за всеми основными радиационными показателями, определяющими уровни облучения персонала и населения.

Индивидуальный контроль за облучением персонала (в зависимости от характера работ), будет включать в себя:

 - контроль за загрязненностью кожных покровов и средств индивидуальной защиты;

 - контроль за характером, динамикой и уровнями поступления радиоактивных веществ в организм с использованием методов прямой и (или) косвенной радиометрии;

 - контроль за дозами внешнего облучения с использованием индивидуальных дозиметров или расчетным путем.

Контроль с использованием индивидуальных дозиметров является обязательным для " персонала " группы А.   Результаты индивидуального дозиметрического контроля хранится в течение 50 лет. При проведении индивидуального контроля, необходимо вести учет: годовых значений эффективной эквивалентной и эквивалентных доз; эффективной эквивалентной дозы за 5 последовательных лет; суммарной накопленной дозы за весь период профессиональной работы.

Вклад природных источников излучения в облучение персонала (в производственных условиях) должен контролироваться и учитываться (при оценке доз) в тех случаях, когда он превышает 1 мЗв в год.

Результаты радиационного контроля (РК) положены в основу расчетов  годовых значений эффективных эквивалентных доз, а при необходимости – и расчетов значений эквивалентных доз облучения отдельных органов,  для последующего сопоставления со значениями основных пределов доз, допустимыми и контрольными уровнями радиационного воздействия.

Все случаи превышения контрольных уровней, администрацией учреждения должны анализироваться, а о случаях превышения пределов доз для персонала или выделенных квот облучения населения, администрация организации обязана информировать органы ГСЭН.

                                        "Знание только тогда знание, когда оно приобретено      

                                              усилиями собственной мысли, а не памятью!"

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

(СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ).   

Неисчислимое многообразие окружающего нас мира построено из относительно небольшого количества химических элементов (их число к настоящему время составляет всего 119).

Атом - наименьшая частица химического элемента, обладающая теми же химическими свойствами, что и сам элемент. Совокупность атомов, обладающих одинаковыми химическими свойствами, называется химическим элементом или нуклидом.   Каждый элемент состоит из определенного сорта атомов, поэтому (в соответствии с общим числом известных химических элементов) число различных атомов достигает в настоящее время 119. Комбинируясь различным способом, атомы образуют молекулы, являющиеся наименьшими частицами сложного вещества, которые еще обладают его химическими свойствами.  Различия свойств отдельных химических веществ объясняется тем, что они состоят из разного сорта молекул.

Известно, что атом сам имеет сложное строение, напоминающее  планетарную систему. В центре атома располагается ядро, несущее положительный заряд.   Вокруг ядра вращаются электроны - частицы, несущие отрицательный электрический заряд и, образующие ряд электронных оболочек. В обычных условиях атом электрически нейтрален. При этом, порядковый номер элемента (см. табл. Д.И.Менделеева)  указывает на величину заряда ядра и соответствует числу электронов, находящихся на внешних оболочках атома.  А все химические процессы сводятся к тому, что электроны с внешних оболочек одних атомов взаимодействуют с электронами внешних оболочек других атомов.  Установлено, что ядро, (имеющее массу по величине практически равную весу всего атома), обычно не играет роли в химических процессах. Тем не менее, с планетарной системой строение атомов объединяет только сама схема - центральное ядро и вращающиеся вокруг него объекты с меньшей массой. Если бы ядро имело величину Солнца, то электроны находились бы от него на расстоянии в 10 раз большем, чем наиболее удаленная планета Плутон. Но дело не только в масштабах и несоответствии расстояний.

Основное различие состоит в физических законах, которыми управляются эти системы. Движение планет солнечной системы - подчиняется закону всемирного тяготения классической механики, а физику микромира - определяет квантовая механика, существенным образом отличающаяся от механики классической.

Основная масса атома сосредоточена в его ядре, занимающем очень малый объем и, представляющем собой в свою очередь, сложнейшую систему. И если в настоящее время человечество имеет научно обоснованную теорию атомной структуры, позволяющую (с большой точностью) предсказывать свойства как отдельных атомов, так и атомов связанных в отдельные группы, то теория ядерной структуры пока еще отсутствует.  

Сегодня наука о строении вещества обладает возможностями, позволяющими заглянуть внутрь материи до 10^-15 см.   Диаметр атомов, при этом, в среднем составляет около  10^-8 см,  а их ядер в 100 000 раз меньше (10^-13 см). Специалисты ядерной физики изучают строение и процессы происходящие в ядрах атомов  -  еще более элементарных кирпичиков вещества.   Когда ученым удастся расшифровать законы, объясняющие суть процессов лежащих в основе их поведение и получить своеобразную "таблицу Менделеева" (для элементарных частиц), - мы сможем подойти к пониманию гораздо более широкого круга явлений: от микромира до космологии включительно.  

Но пока,  - " единая теория микро- и макромира все еще остается  в значительной степени музыкой грядущего.  Хотя, вероятно,  уже подрастает тот композитор, который сумеет написать ее. " /В.Гейзенберг/.

В самом первом приближении ядро атома представлено совокупностью двух форм ядерных частиц (нуклонов): протонов и нейтронов, крепко связанных особыми, присущими лишь ядерным частицам силами  -  ядерными,  отличающимися по своему характеру и от гравитационных,  и от электрических.

Нуклоны - общее название внутриядерных частиц. Термин используется для того, чтобы избежать (там, где нет особой необходимости) слишком частого повторения названия частиц, из которых состоят ядра – протонов и нейтронов (а, по сути дела, - двух форм существования одной и той же частицы).  

Протоны и нейтроны имеют практически одинаковую массу (хотя масса нейтрона и незначительно больше).  Каждая из них примерно в 1800 раз тяжелее электрона. Нейтрон не имеет заряда, протон - несет положительный электрический заряд по величине равный электрическому заряду электрона (1,6х10^-19 Кл).

В международной системе единиц (СИ) за единицу массы принят килограмм (кг). Ввиду того, что вес атома представляет собой весьма малую величину (порядка 10^-25 - 10^-26 кг.), на практике принято пользоваться условной величиной - атомной единицей массы (а.е.м.), отражающей относительный атомный вес. Вначале за 1 а.е.м. принимали 1/16 массы атома кислорода, а в 1961 г. (по международному соглашению) в качестве эталона атомной массы была принята 1/12 массы атома углерода (изотоп С-12). Причиной замены явилась возможность более точного сравнения масс атомов различных элементов с массой атома углерода (С-12) путем масс-спектрометрических измерений, в которых атом углерода можно получить 1-жды, 2-жды, 3-жды и 4-жды ионизированным. Значение одной атомной единицы массы (1 а.е.м.) было определено равным 1,6605х10^-27 кг.  

 

Масса покоя частиц таким образом составила для:

нейтрона   -   1,008665 а.е.м.  или    1,674888х10^-27 кг

протона -   1,007276 а.е.м. или   1,672582 х 10^-27 кг

электрона  - 0,000549 а.е.м. или    9.116145 х 10^-31 кг

Массовое число атома (M) - определяется в основном массой нуклонов ядра и соответствует количеству нуклонов в ядре. Обозначается слева вверху от символа элемента  /¹⁰С, ¹²С, ¹⁴С.../.

Грамм-атом химического элемента - количество (масса) химического элемента в граммах, равное массовому числу его атома. Один грамм-атом это:  1г водорода,  16 г кислорода,  32 г серы и т.д. 

Постоянная Авогадро (6,022136 х 10²³) - количество атомов, содержащихся в одном грамм-атоме химического элемента (закон Авогадро: - каждый грамм-атом любого химического элемента содержит в себе одинаковое количество атомов, а именно - 6,022136 х 10²³).

Атомный (порядковый) номер химического элемента  (N) - определяется количеством протонов входящих в состав ядра, обусловливающих его заряд и, следовательно, -  общее количество, удерживаемых атомным ядром электронов. Одинаковый порядковый номер имеют атомы одного и того же химического элемента.  Атомный номер элемента обычно не обозначается совсем или указывается внизу слева от символа элемента  (₆C,  ₇N,  ₈О...).

Нуклиды - совокупность ядер атомов определенной структуры. К различным нуклидам принадлежат ядра атомов, различающиеся друг от друга числом протонов, массовыми числами или, находящихся в различных энергетических состояниях (ядра изомеры). Термин обычно используется для обозначения ядер атомов разных химических элементов с конкретными значениями массовых чисел и порядковыми номерами (¹²C,  ³²S,  ¹³⁷Ва...).

Радионуклиды. Среди естественных нуклидов, существующих в заметных количествах на Земле (около 330), большая часть представлена стабильными ядрами (начало и середина периодической системы элементов Д.И.Менделеева). Силы (поверхностного натяжения оболочки ядра, электростатического отталкивания протонов ядра и ядерные силы сцепления нуклонов), действующие внутри таких ядер, полностью уравновешены между собой и ядра находятся в устойчивом «основном» состоянии.

Отдельные ядра, обладая избыточной энергией, в силу особенностей своего строения или, получив дополнительное количество энергии возбуждения из вне (воздействие излучений высоких энергий),  могут находится в, так называемом, «возбужденном» состоянии  и, сохраняя какое-то время неизменным свой состав, внезапно (без всякого внешнего воздействия т.е. самопроизвольно), практически мгновенно превращаться в ядра других нуклидов или переходить в «основное» состояние, полностью при этом, либо частично освобождаясь от избыточной энергии возбуждения. Такие превращения называются радиоактивными, а нуклиды,  обладающие такими свойствами  -  радионуклидами (⁹⁰Sr,  ¹³⁷Cs,  ²²⁶Rа...).

Химические элементы долгое время считались построенными из одинаковых по всем физическим и химическим признакам атомов. В последующем же, они оказались состоящими из смесей атомов,   ядра которых различаются по массе и физическим свойствам. Такие атомы  (одного и того же химического элемента, но различными по массе ядрами), получили название «изотопов» («изо»  - равный, «топос» - место).    Изотопы могут быть определены как разновидности ядер атомов содержащих одинаковое количество протонов, но с разными массовыми числами (т.е. с разным числом нейтронов). 

Ввиду того, что равное количество протонов в их ядрах обусловливают одинаковое количество электронов на внешних оболочках, - химические свойства их будут совершенно одинаковыми.  Различия будут наблюдаться только в некоторых их физических проявлениях. Вследствие одинаковых химических свойств, изотопы весьма трудно отделить друг от друга. При разделении большое значение играет разность масс их атомов, обусловливающая некие отличия в физических свойствах.

Наличие изотопов объясняет дробное значение атомных масс практически у всех элементов периодической системы Д.И.Менделеева. Однако в природе тяжелые изотопы имеют гораздо меньшее распространение, чем легкие.

 Являясь смесью изотопов, химические элементы содержат в себе постоянные доли атомов различной массы.  Так, например, природный хлор состоит из двух изотопов - из атомов хлора с массой 35  (75,4%)  и  массой 37 (24,6%),  а природный калий всегда содержит в себе радиоактивный изотоп -  ⁴⁰К  (0.0119%). 

Изучение обширного числа естественных (природных) радиоактивных изотопов вылилось в формирование новой науки  –  радиохимии, занимающейся главным образом определением химической природы, анализом и методами обогащения радиоактивных изотопов.

Ядра атомов разных химических элементов, но с одинаковыми массовыми числами, носят название – ядер изобаров.

Ядра атомов разных химических элементов, но с одинаковым количеством нейтронов, носят название - ядер изотонов.

Ядра атомов одного и того же химического элемента с одинаковыми массовыми числами, но с различающимися радиоактивными свойствами носят название - ядер изомеров. Для их обозначения справа от массового числа ставится малая буква "m"  (^87mSr, ^99mТс, ^113mIn...).

В мире атома действуют квантовые законы, описываемые в специальных руководствах, а мы остановимся только на рассмотрении тех понятий, которые нам будут необходимы для последующего восприятия материала.

Электронная оболочка атома.  Электроны в атоме, как и нуклоны в ядре (протоны и нейтроны) помимо массы, электрического заряда обладают еще целым рядом важных свойств.  Одним из которых является то, что они непрерывно вращаются и вокруг своей оси (с постоянной угловой скоростью, характеризуемой особой величиной – «спином»), и по определенным орбитам («энергетическим уровням»)  вокруг ядра – электроны;  внутри ядра - нуклоны. Атом при этом обладает определенной энергией.  

Спин - это собственный механический момент количества движения частицы, характеризуемый не только численным значением, но направлением и ориентировкой вращения в пространстве.

Область, в которой вращаются электроны вблизи ядра называется электронной оболочкой атома. Строение последней подчиняется строгому физическому закону, согласно которого в одном атоме не может быть двух электронов, находящихся в одном энергетическом состоянии, определяемым:

- энергией связи электрона в атоме (размер орбиты);

- направлением вращения электрона вокруг своей оси;

- формой орбиты движения электрона;

- наклоном оси орбиты движения электронов.

Электроны располагаются на разном расстоянии от ядра (в зависимости от энергии связи), вращаясь вокруг него (под действием сил электростатического притяжения) по разным орбитам, с различным наклоном ее оси, образуя своеобразные слои, имеющие буквенные обозначения. Причем в каждом слое может находиться лишь определенное число электронов.

Энергия связи электрона в атоме тем меньше, чем на более удаленном от ядра энергетическом уровне он находится.

Ближе всего к ядру располагается  «К-уровень», содержащий не более 2-х электронов.   Его электроны (в связи с наименьшими значениями своей энергии), наиболее прочно связаны с ядром силами электростатического притяжения.  Причем, энергия связи  К-электронов возрастает по мере увеличения порядкового номера элемента (т.е.заряда ядра). Например,  для железа (N = 26),  йода (N = 53)  и свинца (N = 82) она составляет соответственно  7кэВ,  33 кэВ  и 87 кэВ. За «К-слоем»  следует «L-слой»  (не более 8 электронов), затем «M-слой»  (не более 18 электронов),  «N-слой» (не более 32 электронов) и т.д.

Если на атомы воздействовать каким-либо количеством энергии, то поглощать ее будут преимущественно его электроны. Хотя, принимать энергию (как выяснилось позже), атомы будут только определенными порциями (квантами). И поглощаться ее будет ровно столько, сколько необходимо, чтобы электрон переместился на более высокую орбиту. Сам атом при таком перемещении перейдет в новое квантовое состояние. Для каждого такого перемещения необходимо строго определенное количество энергии. В случае ее недостатка, электрон не изменит своего движения, а атом не поглотит энергию. Если ее слишком много - атом заберет ровно столько, сколько необходимо для перехода, остальная часть энергии останется не поглощенной.

Такие переходы атомов (из одного квантового состояния в другое), сопровождаемые поглощением и испусканием атомами избыточных энергий, получили название процессов "возбуждения" и "ионизации" атомов и молекул.

Атом, находящийся в "основном" состоянии, при получении дополнительной энергии, переходит в "возбужденное" состояние.  Спустя некоторое время, он как бы разряжается, освобождаясь от полученной энергии, - электрон, занимающий несоответствующий ему уровень, скачком переходит на более низкую орбиту, выделяя излишек энергии в виде кванта излучения электромагнитной природы (от ИК-радиации до рентгеновских лучей).  Процесс, получивший название «рекомбинация электронов», длится до тех пор, пока все они не займут соответствующие свои места в электронной оболочке. 

В случае же когда один (или несколько) электронов под воздействием соответствующей энергии отрываются от атома, покидая его электронную оболочку, -  мы имеем дело с процессом " ионизации " атома.  При этом сам атом, (из-за созданного дефицита электронов), становится положительно заряженным,  а в его электронной оболочке также возникают процессы рекомбинации электронов. На наружный уровень, при этом, захватывается необходимое количество электронов из окружающей среды.

В свою очередь и атомное ядро является также квантовой системой, подчиняющейся тем же правилам.  Когда ядро находится в одном из своих возбужденных состояний (какой-то из нуклонов занимает не соответствующий ему энергетический уровень), через некоторое время запускаются процессы «рекомбинации нуклонов» (сопровождающиеся выделением квантов гамма излучения), возвращая ядро в его "основное" состояние (с минимально возможной для этого энергией). 

Рекомбинация нуклонов, как и рекомбинация электронов, сопровождается формированием излучений электромагнитной природы. Однако частота ядерного электромагнитного излучения будет намного выше. Такое излучение (образующееся в ходе внутриядерных процессов) и получило название гамма излучение.   Энергия квантов гамма излучения определяется законом сохранения энергии.

Энергия излучений. Масса (M) и энергия (Е) взаимосвязаны друг с другом.  Каждое материальное тело (будь то вещество или свет) обладает массой, обладает и (пропорциональной ей)  энергией. 

И наоборот, каждое материальное тело, обладающее энергией, обладает и (пропорциональной ей) массой. Энергия в отрыве от материи немыслима и может существовать только там, где существует материя и движение, как энергия материи и движения. 

       Это положение, ставшее с 1905 г. (теория относительности Эйнштейна) важнейшим основным законом современной физики, математически отражается следующим образом:  Е = М₀ х С²; где Е - энергия (Дж), М₀ - масса покоящегося тела (кг), С - скорость света (м\с).

По законам классической механики любое движущееся тело (обладает) несет в себе кинетическую энергию, равную 1/2 произведения его массы на квадрат скорости его перемещения (где скорость может принимать любые значения от 0 до скорости света). Классическая механика считала, что постоянная сила, действующая на массу какого-либо тела, будет непрерывно (до бесконечности) увеличивать скорость его движения.

Теория относительности же утверждает, что это невозможно. Никакое тело не может перемещаться со скоростью, превышающей скорость света, так как следует различать 2 совершенно различные массы:   массу покоя (М₀) и массу, соответствующую скорости движения данного тела (М_V). Кинетическая энергия - арифметическая разность энергии движущегося тела и энергии его покоя  (Е_К = Е_V - Е₀). Для малых скоростей М_V практически равняется М₀, однако, если скорость приближается  к скорости света, значение М_V начинает быстро возрастать. Таким образом, воздействие силы приводит к такому увеличению массы тела, что скорость его всегда будет оставаться меньше скорости света. В свою очередь и масса движущегося тела зависит и определяется скоростью его движения,  или словами Эйнштейна: " масса тела есть мера содержания энергии в этом теле;  если энергия изменяется на величину 4, то масса изменяется в том же направлении на величину (4 ч 9×10^-16)... ".

Энергия в механике определяется как произведение силы на путь и на косинус угла между их направлениями. За единицу энергии (работы) принимается работа, производимая единицей силы на пути, равном единице длины (в случаях, когда сила и путь совпадают по направлению),   Е = f × l.

Сила (в соответствии с законом инерции) равняется произведению массы тела на его ускорение (полагая, что инерционная константа = 1,0),  f = М × W.  

Ускорение - отношение скорости движения физического тела ко времени,  

W = (V₂ -V₁) × t.

                   

           Единицы физических величин и их размерность

Наименование    Обозначения:                      Размерность:

измеряемых величин:                                 "СГС"                 "СИ"

 

путь (расстояние)                l                   сантиметр (см)            метр (м)

масса                                М                 грамм (г)               килограмм (кг)

скорость                           V                 см \ мин                       м \ с

ускорение                        W               см \ мин²                     м \ с²

сила                                   f                 г × см \ мин²              кг × м \ с²

                                                     Дина (дин)              Ньютон (н)

энергия                             Е             г × см² \ мин²                кг × м² \ с²

                                                         Эрг                    Джоуль (Дж)

С понятием сила (f) связано и такое понятие, как электрический заряд (количество электричества) - заряд, который с равным ему в пустоте на расстоянии в 1 см взаимодействует силой в одну Дину (4,8 × 10^-10 эл.ст.ед. или 1,6 × 10^-19 Кл).

 

электрический               J             электро статические       Кулон (Кл)

заряд                                                 единицы (эл.ст.ед)

                                                                 1,0       =      3,33562×10^-10 Кл

В ядерной физике наряду с обычными единицами измерения энергии (эрг, Джоуль)  применяется и особая единица, которой условились измерять энергию ядерных частиц - электрон-вольт (эВ).  Если электрон пробегает разницу потенциалов в один вольт, не претерпевая на пути никаких потерь энергии, то он приобретает кинетическую энергию равную 1,6×10^-12 Эрг или 1,6×10^-19 Дж.

Таким образом, один электрон-вольт равен кинетической энергии, приобретаемой частицей с зарядом в 1 элементарную электрическую единицу (4,8 × 10^-10 эл.ст.ед.) под действием, ускоряющего ее движение электрического поля, с разностью потенциалов в один вольт. Соотношения этой и других единиц измерения энергии будут следующими:

1 эВ  = 1,6×10^-12 Эрг. = 1,6×10^-19 Дж. = 3,83×10^-20 калории.

В электрон-вольтах оценивают энергию не только заряженных, но и нейтральных частиц и, в частности, фотонов рентгеновского и гамма-излучений. Так энергия фотонов света имеет величину порядка 1 эВ, энергия квантов рентгеновского излучения  в 1 000 - 1 000 000 раз больше. 

При описании ядерных явлений используют кратные значения единицы: кило электрон-вольт (кэВ), мега электрон-вольт (МэВ).  Энергия большинства квантов и заряженных частиц, испускаемых в ходе радиоактивных превращениях составляет  от 10 кэВ  до 1,5 МэВ.

 

                    "Коль что-то учишь - вникни в суть, коль делаешь - окончи дело,

                          Ведь полузрелое ничуть того не лучше, что незрело..."

РАДИОАКТИВНОСТЬ.  Разновидность внутриядерных процессов, возникающих под влиянием избыточных энергий в ядрах, находящихся в возбужденном состоянии.  При этом носителем избыточной энергии может быть любой нуклон. Процесс, представляющий собой переход ядер атомов из возбужденного состояния в основное, длящийся по времени - больше времени существования компаунд-ядер (более 10^-12 секунды). 

Ядра, находящиеся в возбужденном состоянии дольше чем 10^-12 секунды), условно называются - радиоактивными ядрами, а сам процесс их освобождения от избыточных энергий - процессом радиоактивного распада.  В отличие от ядерных реакций - процессов освобождения от избыточных энергий, так называемых, «временно возбужденных ядер» (компаунд-ядер).

Необходимость выделения ядерных реакций в особую группу превращений обусловлена следующими факторами:

  - очень велик и многообразен набор вариантов превращений испытываемых компаунд-ядрами (особенно для больших энергий возбуждения), что существенно затрудняет их применение в практической деятельности;

- теряет всякий смысл классификация радиоактивных превращений по виду испускаемых излучений;

- очень короткий период их жизни.

РАДИОАКТИВНОЕ ВЕЩЕСТВО. Вещество, имеющее в своем составе природные или искусственные радиоактивные ядра атомов (радионуклиды), называют - радиоактивным.

ОСНОВНОЙ ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. По прошествии времени, количество активных атомов в радиоактивном веществе постепенно снижается (как следствие происходящих в нем радиоактивных превращений). Изменение численности активных атомов во времени - общее свойство для всех разновидностей внутриядерных превращений, подчиняющееся закону, получившему название - основной закон радиоактивного распада.

Радиоактивные превращения возникают не сразу во всех ядрах, несущих избыточную энергию, а постепенно, с характерной для каждого радионуклида скоростью.  Каждую секунду из общего числа радиоактивных атомов превращения испытывает только их определенная часть.  Но каждый радиоактивный атом рано или поздно претерпевает превращение.  Закон, по которому уменьшается количество радиоактивных атомов, прост:   половина любого количества атомов данного радиоактивного вещества распадается через одинаковое время.  Отсюда для характеристики любого радиоактивного элемента принято пользоваться величиной, называемой периодом его полураспада.

Период полураспада (Тфиз), как основная физическая характеристика радионуклида - это промежуток времени, в течение которого распадается половина начального количества атомов. Значения периодов полураспада колеблются в самых широких пределах от ничтожных долей секунд до многих миллиардов лет. Для каждого радионуклида период его полураспада величина постоянная и не может быть изменена никакими воздействиями из вне.

Таким образом, основной закон радиоактивного распада может быть озвучен следующим образом: " в каждую единицу времени у каждого отдельного радионуклида испытывают радиоактивные превращения лишь определенная доля (часть) общего количества возбужденных ядер, своя для каждого радионуклида, не изменяющаяся во времени ".  

 Эта доля (часть) ядер, распадающихся за каждую единицу времени и, не зависящая от численности возбужденных ядер и прошедшего времени, отражающая скорость уменьшения количества возбужденных ядер данного радионуклида и получила название его «постоянной распада».

Радиоактивное превращение отдельного атома событие случайностное, поскольку заранее невозможно точно предсказать в какой момент времени оно произойдет. Однако можно указать среднюю вероятность радиоактивного превращения его отдельного атома за единицу времени (λ).   Ее значение не будет зависеть ни от времени существования ядра в возбужденном состоянии, ни от числа радиоактивных ядер в препарате, ни от условий, в которых находится препарат. Она будет зависеть исключительно от свойств самого ядра атома. Чем большая доля (часть) ядер испытывают превращение за единицу времени, тем большая вероятность превращения для каждого отдельного ядра данного радионуклида.

Таким образом, вероятность превращения каждого отдельного ядра конкретного радионуклида также будет отражать его постоянную радиоактивного распада, оцениваясь уже в обратных единицах времени (с^-1, мин^-1, час^-1 и т.д.).

Чаще всего именно в ней (в вероятности радиоактивного превращения отдельного атома конкретного радионуклида за единицу времени) и характеризуют постоянную его распада (так, для радия-226 постоянная распада составляет 1,372 × 10^-11 с^-1, а для натрия-24 - 1,292 × 10^-5 с^-1).

В свою очередь, в ероятность распада отдельного ядра атома определяет его основную физическую характеристику – период полураспада.  Чем больше величина периода полураспада радионуклида, тем меньшая будет вероятность распада для каждого его отдельного ядра:   λ (с^-1) = 0,693 × T_физ (в секундах).

Общее количество радиоактивных атомов в препаратах и образцах, с которыми обычно имеют дело в ядерно-медицинских исследованиях очень велико, однако, если это число рассчитать, то исходя из полученного значения и постоянной радиоактивного распада можно оценить активность данного препарата,  т.е. количество распадающихся в нем ядер за каждую единицу времени:

A (Бк)  = N ат × λ (с^-1);    где:

A  -  активность используемого вещества (соединения);

Nат  -  количество атомов данного вещества в навеске;

λ (с^-1) - постоянная радиоактивного распада.

АКТИВНОСТЬ НУКЛИДА (A) - мера количества радиоактивного вещества, характеризующаяся числом радиоактивных превращений за единицу времени, т.е. скоростью радиоактивных превращений. В качестве системной или «основной» единицей активности (СИ) принято одно ядерное превращение за секунду. Единица получила свое название в честь первооткрывателя явления радиоактивности Анри Беккереля – «Беккерель» (Бк).

Специальными (внесистемными) единицами активности являются – «Резерфорд» (1Rd) - 1 000 000 распадов за секунду и «Кюри» (Кu) - 3,7×10¹⁰ распадов в секунду или 2,22×10¹² распадов в минуту.

У каждого радионуклида (с течением времени) количество возбужденных (активных) ядер непрерывно уменьшается вследствие непрерывно происходящих процессов физического распада, однако, доля (часть) их, испытывающих превращения за каждую единицу времени (от оставшейся общей численности), остается неизменной, т.е. вероятность распада для каждого ядра конкретного изотопа не изменяется.  Все это и приводит к постепенному замедлению (по мере уменьшения количества радиоактивных атомов) процессов радиоактивных превращений. Убывание общего количества радиоактивных атомов будет все менее и менее интенсивным. 

Отсюда - скорость радиоактивных превращений может служить косвенной характеристикой содержания оставшихся в возбужденном состоянии ядер,  т.е. меры содержания (количества) радиоактивного вещества.

Активность источника изменяется во времени по показательному экспоненциальному закону (экспонента - кривая, отражающая функциональную зависимость между двумя величинами, уходящая в бесконечность, и, отражаемая уравнением:  y =  e^Х; где  e - постоянное число, примерно равное 2,718. Знание закона радиоактивного распада позволяет довольно точно рассчитать остаточную активность любого препарата на конкретный отрезок времени: A_t =  A₀ × e^{-λ t}; где A_t - остаточная активность препарата,  A₀ - исходная активность препарата, λ - постоянная распада изотопа, t - время от начала распада.

ЕСТЕСТВЕННЫЕ ПРИРОДНЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ. Такими принято считать радионуклиды, образовавшиеся и постоянно образующиеся в природе без участия человека. Это, прежде всего, долгоживущие  (большой период полураспада) радиоактивные элементы, возникшие одновременно с образованием Земли – «терригенные» радионуклиды (радионуклиды земного происхождения) и «космогенные»,  радионуклиды постоянно образующиеся в оболочках Земли (преимущественно в атмосфере) под воздействием космической радиации. Природные радионуклиды и продукты их распада, находясь в объектах окружающей среды, являются источником внешнего облучения человека. При попадании внутрь организма (через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт)  всасываются и, в той или иной мере, задерживаются в органах и тканях, формируя дозовые нагрузки внутреннего облучения.

Плотность полей излучения над поверхностью Земли, создаваемых природными радионуклидами, определяются прежде всего величинами их содержания в грунте, где концентрация их зависит от радиоактивности почвообразующих горных пород, от процессов выщелачивания почв грунтовыми водами, сорбции радионуклидов почвами и осаждения их из почвенных вод. Так, если средний уровень мощности дозы гамма излучения на высоте 90 см над поверхностью известняка составляет примерно 0,2 мЗв в год, то над гранитной поверхностью - уже 1,5 мЗв в год.

По обобщенным данным исследований, проводимых в разных странах, годовое значение эффективной эквивалентной дозы (ЭЭД) внешнего облучения, обусловленной всеми природными радионуклидами колеблется от 0,32 мЗв до 0,81 мЗв (31,5 - 81 мБэр\год),  в среднем составляя   0,41 мЗв/год.    По существующим оценкам НКДАР ООН, усредненное значение годовой ЭЭД внешнего и внутреннего облучения за счет всех природных радионуклидов, содержащихся в окружающей среде, находится в пределах 1,68-1,91 мЗв (168–191 мБэр).

Терригенные радионуклиды  представлены двумя основными группами (рядами):  радиоактивными семействами и генетически не связанными с ними отдельными радионуклидами. Имея очень большие периоды полураспада, они обусловливают весьма постоянные значения радиационного фона конкретных территорий. Основной вклад в дозовые нагрузки из них вносят радионуклиды калия (К-40) - период полураспада 1,3 × 10⁹ лет, и радионуклиды семейств урана (U-238) и тория (Th-232) - соответствующие значения периодов полураспада 4,51 × 10⁹ лет и 1,41 × 10¹⁰ лет.

Радиоактивные семейства представлены тремя химическими элементами, являющимися родоначальниками своеобразных рядов своих дочерних продуктов (более 45 радионуклидов с периодами полураспада от 3 × 10^-7с до 2,5 × 10⁵ лет):   ураном (U-238),   торием (Th-232) и актинием – изотопом урана (U-235).

Уран и его дочерние продукты. В 1789 году, в год Великой французской революции, немецкий химик и натурфилософ Мартин Генрих Клапорт (1743 -1817) впервые выделяет окись урана (UO₂).  Но только спустя полстолетия (в 1841 г.), французскому ученому Эжену Пелиго (1811-1890) удалось выделить уран в чистом виде.

Тяжелый металл, серо-стального цвета, плотность - 19,04 г/см³, температура плавления 1132 С°. По виду похож на серебро, по тяжести - на платину, по химическим свойствам - на вольфрам.

Природный уран состоит из смеси двух изотопов: уран-238  (99,28%)  и уран-235  (0,72%). В земле его содержится довольно много,  в среднем   по 3 г урана в каждой тонне земной породы, т.е. больше, чем свинца, серебра и ртути вместе взятых. 

В граните его еще больше - 25 г на каждую тонну. В природе известно более 200 соединений и минералов урана, среди которых, особое место занимает шестифтористый уран (UF₆)  –  бесцветные кристаллы которого при температуре 56,5 C° превращаются в ядовитый газ. Это единственное известное газообразное соединение урана, и не будь его, разделить изотопы урана было бы намного труднее.

Уран является родоначальником целого ряда дочерних продуктов, образующихся и распадающихся в цепочке радиоактивных превращений до момента образования стабильного свинца (Pb-206).   Сейчас мы уже знаем, что все члены радиоактивного семейства урана-238 находятся  в состоянии радиоактивного равновесия.

Это означает, что каждую секунду числа образующихся и распадающихся ядер атомов каждого элемента равны между собой, и что в любом минерале урана одновременно присутствуют все его дочерние продукты (17 элементов радиоактивного семейства).  Интуитивно ясно, что чем короче период полураспада элемента, тем меньше его атомов находится в смеси.  И строгий расчет подтверждает это. 

Отношение концентраций любых двух элементов радиоактивного семейства (в их стационарной смеси) равняется отношению их периодов физического полураспада. Пример: рассчитать содержание радия в одной тонне урана, если известно, что период полураспада радия – 1602 года, а урана – 4,5 × 10⁹ лет.

1602 года ч 4,5×10⁹ лет = Х тонн Ra  ч  1тонну U;   Х = (1602 × 1) × 4,5×10⁹.

Таким образом, концентрация радия по отношению к урану составляет 0,356 × 10^-6 , т.е. в каждой тонне урана следует ожидать всего 0,356 г радия.

Большие залежи монацита (основного минерала, содержащего уран и торий), обнаружены в Бразилии, Китае, Индии, в США. В большом количестве урановая руда найдена в Австралии, Канаде, СССР, Чехословакии, Республике Конго, Южной Африке, США.

«Терригенные» радионуклиды, генетически не связанные с радиоактивными семействами, представлены отдельными радиоактивными элементами (средней части периодической системы Д.И.Менделеева) - калием (К-40), кальцием (Са-48), рубидием (Rb-87) и  некоторыми другими. Наибольшую значимость из них представляет радиоактивный калий, являющийся природным изотопом одного из наиболее распространенного в природе элемента (доля содержания 0,0119%).  

Содержание калия в земной коре превышает содержание урана и тория вместе с продуктами их распада в сотни раз. Радиоактивный калий - довольно жесткий бета-, гамма излучатель. Выход бета частиц - 89% на распад, их максимальная энергия - 1,322 МэВ; выход гамма квантов (с энергией 1,461 МэВ) - 11% на распад; полная гамма постоянная изотопа - 0,86 (Р\час., на расстоянии в1 см., от активности 1 мКи).

Калий является биогенным элементом и поступает в организм человека главным образом с пищей. Содержание радиоактивного калия в растительных продуктах в 3–10 раз меньше, чем в земной коре.  Еще меньше (в 10-15 раз) его содержится в организмах животных.  В рационе взрослого человека общее содержание калия составляет от 1,43 г до 6,54 г за сутки (среднее поступление - 3,3 г/сутки).   Среднее значение годовой ЭЭД, обусловленной содержащимся в теле человека радиоактивным калием (по данным НКДАР ООН) принимается равным 0,18 м3в (18 мБэр).

«Космогенные» радионуклиды. Их вклад в суммарную дозу, обусловленную естественным радиационным фоном, невелик. Среди большого их числа лишь четыре радионуклида: тритий (Н-3), бериллий (Ве-7), углерод (С-14) и  натрий (Nа-22) формируют некий вклад в эту величину. 

В биологическом отношении к наиболее важным из них относятся радиоуглерод (С-14) и тритий (Н-3).     Все они обязаны своим происхождением космическому излучению, имеющему в своем составе нейтроны различных энергий, большая часть которых, взаимодействуя с ядрами азота воздуха, дает начало радиоуглероду - чистому бета-излучателю c периодом полураспада 5730 лет и максимальной энергией бета-частиц - 0,156 МэВ. 

Подобного рода процессы наблюдаются обычно на высоте более 9 км над уровнем моря. Образующийся в верхних слоях атмосферы радиоуглерод, соединяется с кислородом и образует диоксид углерода (углекислый газ), который и включается  в обычный для углерода цикл обмена между атмосферой, гидросферой, почвой и органическим миром.

За многовековой период радиоуглерод равномерно распределился в стабильных изотопах углерода (C-12, C-13). Его равновесная концентрация в смеси изотопов составляет 296 Бк\кг. Атомное отношение   C-14  ×  C-12  = 1,41×10^-12. Содержание изотопов C-13 в природной смеси составляет 1,1%.   Радиоактивный углерод равномерно распределяется и в тканях живых организмов. Общее содержание углерода в организме условного человека (по данным МКРЗ) составляет 16 кг (23% от массы всего тела).  Установлено, что  удельная активность радиоуглерода  в тканях организма человека приходит в равновесное состояние с его содержанием в углекислоте атмосферы с задержкой в 1,4 года.   В связи с тем, что радиоуглерод в далеком прошлом планеты та