РАДИАЦИЯ

[базисные знания – популярно и доступно]

О ней очень много начали говорить после чернобыльской катастрофы, которая, кроме всего прочего, стала причиной радиофобии, то есть страха – обоснованного или же нет - страха настолько глубокого, что многие люди, которые живут будто бы в радиационно безопасных местах, сменили местожительство, найдя себе приют даже за границей.

Помнится (как не помнить, если жил рядом, а жена работала в организации, контролирующей строительство), когда Украина стояла на пороге государственной независимости, вокруг строительства второго блока ХАЭС, которое началось в 1983 году, развернулась ожесточённая дискуссия. Многие были решительно настроены против развития атомной энергетики в Украине, и с 1990 года по 1993 год действовал мораторий на строительство АЭС. И что вы думаете? Строительство, с готовностью блока на более чем 90%, было заморожено. Многое из дорогостоящего оборудования растащили, разворовали... Но жизнь берёт своё: к строительству вернулись. Прошло много лет, блок заработал в 2004 году, но всё это обошлось стране намного дороже (3,313 млрд. гривен, не говоря о многих годах – времени, растраченного впустую: экономическом ущербе!) – из-за этой истерии, политиканства и ... страха, что Чернобыль может повториться.

Все знают, что радиация – это плохо, опасно, даже смертельно опасно, но не все знают суть этого явления. Не очень углубляясь, рассмотрим этот вопрос.

Природа, живая и неживая, состоит из атомов или же из частиц, образованных из атомов, которые, соединяясь, образуют вещества, из которых формируются физические тела, в том числе и мы сами. Любое количество воды состоит из молекул Н2О, щепотка поваренной соли – из ионов натрия и хлора ( [Na+Cl-]n ) …

Как планеты, в том числе и наша Земля, вращаются вокруг Солнца, так и электроны – отрицательно заряженные частички с условным целочисленным единичным зарядом (-1), по довольно сложным законам, вращаются вокруг атомного ядра. Как в недрах Солнца происходят бурные процессы (о их физике здесь нет смысла говорить), так и в ядре происходит обменное взаимодействие (понятнее – взаимопревращение) протонов (р) частиц, имеющих положительный единичный заряд (+1) и условную массу, приблизительно равную единице, и нейтронов (n) – нейтральных частиц (их заряд равен 0), масса которых тоже приблизительно равна единице и несколько превышающая массу протона, что существенно важно. Ядра, в которых много нейтронов, напоминают повозку, нагруженную с верхом, например, мелкими арбузами: на выбоинах какое-то количество падает на землю.

Природа нам подарила 92 химических элемента, то есть 92 вида атомов (не совсем точно: элементы 43 – технеций (Тс), 61 прометий (Рm), 85 – астат (At) в природе не были найдены, их пришлось синтезировать (то есть получать искусственным путём, изменяя протонный состав ядер других химических элементов), а элемент 87 – франций (Fr) - долго искали...). Вид атомов определяется числом протонов в ядре атома. Почему число протонов в ядре атомов определяет химическое и физическое поведение атома ? Первая часть этого вопроса выпадает из контекста нашего разговора.

Ядра, начиная с 84-го химического элемента (а это полоний Ро), являются нестабильными – радиоактивными (важно сообщить читателю, что номер элемента – это и есть число протонов в ядре атома). Каждую секунду из ядер атомов (число их очень большое) выбрасывается (естественно, самопроизвольно) так называемая “альфа-частица” - a -частица, которая состоит из двух протонов и двух нейтронов, то есть является ядром атома гелия: Не+2 – ионизированный атом гелия ( Не о ). Ударяясь о любое препятствие, a -частица превращается в атом (нейтральная частичка) химического элемент № 2 – гелий:

Не+2 + 2е - = Не о
электрон

Альфа-частицы, в зависимости от химического элемента, вылетают с тем или иным запасом энергии и в том или ином количестве (речь идёт об отдельном атоме и об их совокупности). Скорость такой частицы равна 20 000 км/с, то есть она обладает большой кинетической энергией. И это свойство альфа-частиц использовали и используют при бомбардировке ядер химических элементов, например, с целью получения потока нейтронов...

Если альфа-частица, родившись, попадает в воздух, в котором большинство молекул – это молекулы кислорода (О2) или азота (N2), то, забрав у них электроны, она молекулярную частицу превращает в ион, а далее “завязывается” цепь физико-химических событий (воздух, объяснимо почему, становится электропроводным). Следовательно, альфа-частица в воздухе имеет очень маленькую длину пробега – в пределах десяти сантиметров. Теперь понятно, что и лист бумаги способен остановить поток альфа-частиц. Но если радиоактивное вещество попадёт внутрь организма, и тогда его контакт с тканями станет непосредственным, наступит катастрофа: ткани будут сожжены, наступят необратимые изменения и биологические процессы станут невозможными.

23/24 ноября 2006 года в одной из лондонских больниц умер Александр Литвиненко – политический беженец из России (в прошлом подполковник ФСБ). Течение болезни, которая по нарастающей длилась 24 дня, свидетельствовало о том, что А.Л. был отравлен. Чем? Вот последние, можно сказать, данные: в питьё ему было подмешано вещество, содержащее изотоп (нуклид) полония - Ро-210 (записать можно и так: 210Ро; или так: 21084Ро, причём число 210 должно располагаться вплотную к знаку химического элемента, но пространственные затруднения создаёт наш компьютер, и так как знак химического элемента и нижний индекс это одно и то же, то его можно убрать). Полоний-210 – идеально-чистый альфа-излучатель с большой интенсивностью излучения. Период полураспада полония-210 (см. далее) – 138,376 суток. Можно провести расчёты для определения числа ионов полония, но мы пойдём более простым и понятным путём. Допустим, что было использовано 10 мг в расчёте на чистый ионизированный полоний. Только через 138,376 суток не распавшихся ионов будет 5 мг. Чтобы было понятно, что такое 10 мг, дадим ответ на вопрос о числе атомов полония только в одном миллиграмме чистого металла: 2,9× 1018 (атомов). Это, не совсем корректно говоря, - приблизительно три миллиарда миллиардов (109). Как видно, альфа-частицы “раздолбили все органы и системы отравленного за 24 дня, не оставив никаких шансов на выздоровление. Конечным продуктом распада является изотоп свинца-206: 84Po210 ® 2 [He+2]4 + 84-2Pb210-4 (82Pb206) . Этот изотоп является стабильным, конечным продуктом распада. Изюминка, можно сказать, с подвохом: свинец – крайне токсичный металл. По данным ВОЗ, в России от отравления свинцом умерло 1,2% от всех умерших (иначе говоря, из 1000 смертей 12 являются жертвами свинца). Действительно, из огня да в полымя.

Как видно и понятно (надеюсь, что это так), ядро, которое образовалось при альфа-распаде, имеет на четыре нуклона меньше (общее название протона и нейтрона) и меньше на два протона, начинает перестраиваться, и так интенсивно (с большой частотой колебаний нуклонов), что начинается гамма-излучение (g ). Заметим, что и арбузы, оставшиеся на повозке, начинают “укладываться поудобнее”. И ещё один наглядный пример-сравнение: полный мешок с картошкой, в котором имеется прореха; когда картофелины начинают вываливаться через прореху, верхние картофелины устремляются занять образовавшиеся пустоты – начинается динамика перераспределения мест в занимаемом объёме мешка – так может повторяться несколько раз до достижения устойчивого состояния.

Любое излучение имеет электромагнитную природу, а такое как g - ещё более жёсткое (высокая частота колебаний), чем рентгеновское. Это, фактически, поток частиц-квантов с большим уровнем энергии. Скорость этого излучения равна скорости света 300 000 км/с. Попадая в клетки костного мозга, половые железы, щитовидную желёзу, как пуля в мишень, гамма-поток разрушает эти клетки, нарушая процесс образования клеток крови и веществ, необходимых для процесса размножения. Возникает белокровие – лейкоз, утрачивается возможность мужской потенции, а у женщин – способность к репродукции.

Поражение гамма-излучением получило название “лучевая болезнь”. Лечить её – это значит пытаться вернуть организму те механизмы, которые были повреждены гамма-атакой. Если альфа-лучи (фактически, это поток ионов) опасны при непосредственном контакте или в пределе нескольких сантиметров, то гамма-лучи проникают на большие расстояния и очень глубоко. Вот почему лётчики, которые облетали атомный реактор, получили большую дозу облучения (радиации) и через непродолжительное время умерли, как и те, кто долго находился в зоне облучения.

Чтобы остановить гамма-поток, необходимо поставить перед ним мощную преграду. Это могут быть большие толщи бетона, слой свинца металл, ядра атомов которого имеют большой размер (свинец – элемент 82, Pb). Вот почему есть потребность “одеть” разрушенный чернобыльский реактор в новый саркофаг. Рассмотрение этой проблемы (и состояние этого вопроса сегодня) не входит в нашу задачу.

Однако вернёмся к нашей повозке. На следующей выбоине ещё несколько арбузов упадёт, далее – ещё и ещё. И наступит момент, когда с него вообще ничего не будет падать. Так и с тем атомом нового химического элемента, который образовался. Висмут (элемент № 83 – Bi) и свинец – конечные продукты распада, их атомы уже стабильные. А до этого образуется радиоактивный радон – элемент № 86 (Rn).

Гелий и радон, как вещества, - это газы, их образование в атомном реакторе неизбежно. Радон поступает в воздух, создавая радиационный фон, который нас и страшит (при этом реактор стабильно и безопасно работает). Периодически нам официально сообщают эту информацию, сравнивая количественные показатели с природным фоном. Так определяется уровень безопасности.

Для каждого радиоактивного материала существует количественная характеристика, которая называется “периодом полураспада” - Т1/2 (от миллиардов лет до секунд): время, в течение которого половина массы (или числа атомов) распадается. Об этом вскользь было сказано. Например, период полураспада плутония (Pu – элемент № 94) составляет 24 110 лет, а радона-222 – 3,8 суток, поэтому он достаточно быстро распадается после выброса, не накапливаясь в атмосфере, хотя радости от этого мало.

Радон – одноатомный тяжёлый газ (один из шести благородных газов, их ещё называют инертными, в том числе и гелий), равновесное содержание которого в природе – 7 × 10-16 % (по массе). Он достаточно хорошо растворяется в воде (460 мл в литре воды; для сравнения: в одном литре воды растворяется 31 мл кислорода – при тех же условиях – 20оС), поэтому содержится в подземных водах (кстати, из-за этого в воздухе над поверхностью морей радона очень мало), хорошо растворяется в органических растворителях, а в жировых тканях человека и животных во много раз больше... Радон содержится в природных газах, как тяжёлый газ может скапливаться в подвалах и пр.; источником радона могут быть граниты с большим содержанием урансодержащих минералов... Надышавшись воздухом с большим содержанием радона, можно нажить рак лёгких, получить микроожог (помним, что все природные изотопы радона альфа-распадаются). Высокая труба на территории АЭС – способ удалить радон подальше от поверхности земли.

Весь фокус нашего существования состоит в том, что радиоактивные элементы через воду, пищу (еду) растительного и животного происхождения не только попадают в наш организм, но и локализуются в нём, нанося из середины удары по всем органам и системам. Так, стронций-90 (Sr - элемент 38), который бета-распадается (b -частица продукт бета-распада), накапливается в костях (потому что является аналогом кальция, который является основой костной системы всего живого), разрушая их структуру. Период его полураспада – 27,7 лет! Иод локализуется в щитовидной железе (так как входит в состав тироксина – гормона щитовидной железы), излучая не только бета-, но и гамма-лучи. Спасает, в некоторой степени, небольшой период полураспада – 8,08 суток.

Остановимся на сути b -распада. Стабильность ядра обеспечивается взаимопревращением протонов и нейтронов, протекающем с фантастической частотой: р « n. Но если протон не успевает превратиться в нейтрон, то имеет место необратимый процесс: n ® р + е- (электрон – это и есть бета-частица). На самом деле образуется ещё одна частица – нейтрино, но не будем усложнять (она была предсказана в 1931 году В.Паули именно потому, что нейтрон тяжелее протона). То есть в ядре атома никаких электронов нет, но когда они образуются при превращении нейтрона в протон, они со скоростью, близкой к 300 000 км/с, вылетают из ядра. Удержать их листком бумаги невозможно. Попадая на поверхность тела человека, они проникают на глубину 1-2 см. Поток бета-частиц при интенсивном внешнем облучении вызывает ожог кожи, может вызвать и лучевую болезнь, а при попадании бета-излучателя внутрь организма степень риска многократно возрастает.

Что же происходит с ядром распавшегося атома? Образуется химический элемент, стоящий на одну клетку правее в Периодической системе химических элементов, но общее число протонов и нейтронов (то есть нуклонов) А остаётся неизменным:

ZЭА ® Z+1ЭА

Z – это число протонов в ядре атома, следовательно, заряд ядра атома равен

Z × (+1) = +Z , Э – элемент – условный знак любого химического элемента.

При бета-распаде тоже происходит электромагнитное – гамма излучение, ибо ядро из возбуждённого состояния переходит в невозбуждённое (основное) состояние.

Большинство природных химических элементов представляет собой смесь изотопов (нуклидов – как принято сейчас говорить; если атомы данного химического элемента радиоактивны, то говорят о радионуклиде). Так, природный уран (U) на 99,3 % (по массе, округлённо) состоит из урана-238 (массовое число А = 92 протона + 146 нейтронов = 238), на 0,7 % - из урана-235 (235 = 92 + N Þ N = 235 - 92=143 нейтрона), на 0,006 % - из урана-234, обнаруживаются и следы урана-236. В низкообогащённом уране содержание урана-235 достигает 3,5%.

Лучи, испускаемые ураном (это может быть как металл простое вещество, так и сложное вещество – UO2, U3O8, UF6), помещённые в магнитное поле, расщепляются: a -лучи, b -лучи – в сторону противоположных полюсов магнита, g -лучи – не испытывают отклонения. После разделения изотопов (как в научных целях, так и для производства атомной энергии и ядерного оружия – именно то, вокруг чего разгорается конфликт между США и Ираном...), оказалось, что уран-238 и альфа-излучает, и бета-излучает, то есть часть атомов распадается, выбрасывая альфа-частицу и превращаясь при этом в торий-232 (Th - элемент № 90), который тоже является радиоактивным с большим периодом полураспада (почти 14 млрд. лет), а меньшая часть атомов выбрасывает электрон, превращаясь в элемент 93 – нептуний (Np) – первый трансурановый элемент. А вот уран-235 только альфа-распадается (он годится как для производства электроэнергии, так и для создания ядерного оружия). Во всех случаях, как уже было сказано, имеет место гамма-излучение – самый опасный вид излучения.

Радиоактивные элементы различаются между собой и интенсивностью излучения (активностью), которая определяется числом распадов в одну секунду. Например, природный радий-226 (Ra), предсказанный и открытый супругами Кюри в декабре 1898 года, из 1 г металла за 1 сек выбрасывает 3,7 × 1010 a -частиц. Активность радия в 900 раз больше активности урана (и радий долгое время использовался для “обстрела” ядер). Следующий за радием 89-й химический элемент актиний (Ас) – в 100 000 раз активнее урана, а полоний – “только” в 400 раз (см. что выше было написано о полонии).

Примечание: Можно провести аналогию между интенсивностью излучения и мячом, в который закачан воздух. Чем больше воздуха закачено в мяч, те более твёрдым и камнеподобным он становится. Почему? Потому что упругость мяча – это результат давления, которое оказывает воздух на оболочку мяча. А давление, как известно, - это результат ударов молекул на стенки сосуда, в котором они заключены. Давление P = f (N/V), где N – число молекул, V – объём сосуда и др.. То есть давление зависит от числа молекул, которое содержится в единице объёма. Чем больше таких молекул, тем чаще они ударяют по оболочке мяча и он упругий, прыгучий. Если число молекул мало, мяч мягкий, не прыгучий. В футбол таким мячом играть невозможно. Так и радиация: она тем больше, интенсивнее, чем больше ядер атомов в единице массы распадается в единицу времени.

Сказанным мы и ограничим наше рассмотрение явления радиоактивности (понятие в научный обиход ввела Мария Склодовская-Кюри в 1898 году). Тут важно подчеркнуть, что при радиоактивном распаде ядер атомов химических элементов образуются новые ядра – тоже радиоактивные, но, в конечном итоге, образуются стабильные ядра – изотопы свинца или висмута. “Хорошо”, - скажете вы. Как говорится, “хорошо-то хорошо, да ничего хорошего”:

T1/2 (238U) = 4,51 × 109 лет, T1/2 (235U) = 7,13 × 108 лет.

(для ясности повторим: обычно массовое число пишут слева верхний индекс, а число протонов – нижний индекс, тоже слева; но было время, когда верхний индекс писался справа, в нашем случае, в некоторые моменты, мы следуем этому опыту из-за компьютерно-пространственных затруднений).

Переведём последнее число в более понятные формы (виды):

713 × 106 - это 713 млн., или 713 000 000, то есть речь идёт о 713 млн. лет.

Когда говорят о ликвидации последствий того, что случилось на ЧАЭС, в силу невероятных масштабов катастрофы, то я не представляю, что понимается под словом “ликвидация”. Это вечная рана на теле украинской земли. Во-первых, мощный источник излучения, к которому сложно подойти, чтобы извлечь из реактора то, что осталось (по данным А.А.Мельника, в ночь на 26 апреля 1986 года в атомном реакторе 4-го энергоблока находилось 180 тонн ядерного топлива – в расчёте на уран-238, 0,4 тонны плутония-239, 0,17 тонн плутония-240; 8 тонн (очень много, но это всего лишь 4%) попало в окружающую среду. Во-вторых, как собрать то, что разнеслось, допустим, в пределах 30-километровой зоны? Вот то, как бегали по крыше ликвидаторы (см. Лебедь, № 501 за 12 ноября 2006 года, статья Юрия Щербака), показывает глубину обсуждаемой проблемы. Первичные знания необходимы, чтобы правильно понимать ситуацию. И воздать должное тем, кто работал и погибал в этом беспощадном лучевом котле. Увы, первые ликвидаторы мало что знали о радиации её сущности и последствиях облучения. Знания давались через опыт. Невежественные становились умными, смелые – осторожными, руководители – понятливыми, заокеанские вояки – трезвыми. Да настолько трезвыми, что борьба с иранскими и северокорейскими прожектёрами становится упорной, бескомпромиссной, последовательной. Всё! Мир познал все прелести и “военного атома”, и “мирного атома”. Следовательно, атомное оружие необходимо убрать из нашей жизни (Украина мудро это сделала...), а “мирный атом” взять под полный и надёжный контроль. Все ли готовы к честной профессиональной деятельности, все ли имеют достаточную квалификацию – вот в чём вопрос.

Борьба за собственное здоровье – это борьба за экологически чистую пищу, при этом угроза идёт не только от источников радиации, но и от избытка удобрений, химических средств борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур, различных по природе и происхождению органических веществ, солей тяжёлых металлов, строительных материалов, не проверенных на радиоактивность. Это враги, которых мы сами придумали. Но зло усиливается ещё и тем, что мы не хотим быть по-настоящему образованными, и в силу своего невежества становимся источником зла.

Так, уже известно, что интенсивное гамма-излучение глобально поражает практически все органы и системы человека (не говорим о животных, но их – не исключаем), вызывая изменения в составе крови, опухоли, мутации, а в сумме – летальные исходы. Вот почему только циничные, ограниченные люди, а практически – преступники, могли вывозить из загрязнённой зоны ЧАЭС металл, строительные материалы, дары леса и пр., не понимая, что и сами становятся жертвами радиации. И вот неожиданная информация: планируется порезать ЧАЭС на металлолом, который, в виде готовой продукции, собираются продавать (пока что речь идёт о России). Как далее будут разворачиваться события – посмотрим.

Автор поставил перед собой задачу – осветить на доступном уровне сущность радиации, связанной с радиоактивным (самопроизвольным) распадом ядер некоторых химических элементов, встречающихся в природе и находящих применение в технических устройствах. Кроме природных радиоактивных нуклидов, известно очень много искусственно полученных радиоактивных изотопов многих химических элементов. Радиоактивные изотопы широко используются в науке, технике, медицине... Например, кобальт-60 (Со) – прекрасный гамма-излучатель рентгеновского спектра...

Кроме названных видов ядерных превращений, есть и другие: например, позитронный распад, К-захват (этот вид атомных превращений происходит и в нашем организме: калий-40 (К – элемент № 19 – выполняет важнейшую биологическую роль в жизни животных и растений) – его ядро – с первой электронной оболочки, на которой вращается только два электрона, поглощает один электрон ( р + е- ® n), при этом протон превращается в нейтрон, общая масса сохраняется, но образуется атом аргона-40 (Ar – элемент № 18, из атомов аргона состоит и газ аргон – третья по количественному содержанию составляющая воздуха). Часть атомов бета-распадается, и вы уже знаете, что образуется элемент, стоящий правее в периодической системе – кальций-40 (Са элемент №20). Так клетки получают необходимую (дополнительную) энергию. Т1/2(40К) = 1,32× 109 лет, так что сколько существует человек, столько в его организме имеет место бета-распад калия-40. На долю этого изотопа в природной изотопной смеси приходится всего 0,0119%, так что нашему организму не грозит бета-облучение.

Работники атомной энергетики, военные специалисты, имеющие дело с ядерным оружием, учёные, медицинские работники и представители других профессий имеют дело с радиоактивными материалами. Они, в разной, конечно, степени, владеют темой нашего разговора, но жизнь показала, что понимание сущности радиации становится элементом общей культуры человека. На это и направлена наша публикация (24 ноября 2006 года на сайте www.newsru.com читаю обширный материал в связи с гибелью А.Литвиненко; процитирую одну строчку: “основная часть радиоактивных альфа-частиц была обнаружена в моче...”; подобные журналистские “ляпы” встречаются часто, что подтверждает: за общую культуру надо бороться...; есть и пример другого рода: выступая на RTVI в программе “Особое мнение”, Сергей Доренко довольно правильно объяснял физику отравления полонием, и всё время просил его поправить, если не то говорит).