Фізика (Чоплан П.П

ж термоядерної реакції температуру треба підвищити до 70... 100 мільйонів градусів і утримувати плазму протягом хоча б кількох секунд.

Успіхи в послідовному просуванні до «токамаку» — термоядерно­ го реактора, зосередження наукових сил у масштабах усього світу на цьому основному напрямі дають змогу сподіватись на скорочення шляху до оволодіння керованою термоядерною реакцією.

Тепер найважливішим завданням є збільшення часу існування стійкого режиму плазми та збільшення її густини. Ще багато досить складних завдань треба розв’язати для створення практичної реалі­ зації термоядерних реакцій, але досягнуті успіхи наближають розв’я­ зання цього важливого завдання — одержання практично невичерп­ ного джерела енергії.

17.16. Біологічна дія йонізуючого випромінювання

Крім загрози ядерної катастрофи відкриття і практичне викорис­ тання ядерної енергії породило багато інших проблем. Однією з най­ важливіших проблем є можливість додаткового опромінювання на­ селення Землі. Якщо протягом тисячоліть на всі живі організми діяв лише природний радіаційний фон і все живе на Землі пристосува­ лось до його звичайного рівня, то в недалекому майбутньому виник­ не реальна загроза багатократного його збільшення внаслідок діяль­ ності людини. Вже сьогодні через забруднення атмосфери й ґрунту радіоактивними продуктами експериментальних ядерних вибухів й атомної енергетики, значне поширення медичної діагностики і проме­ невого лікування, використання нових будівельних матеріалів опромі­ нення людини від природних і штучних джерел радіації збільшилось більше ніж удвічі.

Якщо до аварії на Чорнобильській АЕС слово «радіація» ще було абстрактним поняттям для широких верств населення та й для бага­ тьох фахівців різних галузей, то тепер воно набуло реального і по­ всякденного значення. Тому доцільно зупинитися на впливі йонізу­ ючого випромінювання на живий організм.

Основною величиною в дозиметрії для передбачення або оцінення радіаційного ефекту, зокрема радіобіологічного, нині є поглинута доза випромінювання — енергія, яку поглинає одиниця маси опромі­ неної речовини. Донедавна одиницею випромінювання поглинутої дози був рад. У СІ одиницею випромінювання поглинутої дози є грей (Гр). Вона дорівнює поглинутій енергії в 1 джоуль одним кілограмом речовини. Одиниці випромінювання пов’язані між собою співвідно­ шенням: 1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Результати численних досліджень підтвердили відмінність ефектів опромінення від різних видів і тривалості дії йонізуючих випромі­ нювань. Це зумовило введення нового поняття — еквівалентна доза

478

випромінювання. Для розрахунку еквівалентної дози випромінюван­ ня з різною йонізаційною здатністю і відповідно різною відносною біологічною ефективністю нормами радіаційної безпеки встановлено спеціальний коефіцієнт якості випромінювання для кожного виду йонізуючих випромінювань, який характеризується середнім значен­ ням лінійної передачі енергії. Для різних видів випромінювань уста­ новлено такі середні коефіцієнти якості:

Еквівалентна доза випромінювання чисельно дорівнює добутку поглинутої дози і коефіцієнта якості випромінювання:

Оскільки коефіцієнт К є безрозмірним, то еквівалентна доза в СІ виражається в тих самих одиницях, що й поглинута. Одиницею екві­ валентної дози є зіверт. 1 зіверт (Зв) — це доза будь-якого виду йонізуючого випромінювання, яка спричинює таку саму біологічну дію, як і доза рентгенівського або гамма-випромінювання 1 Гр.

Потужність поглинутої (або еквівалентної) дози дорівнює поглину­ тій (або еквівалентній) дозі за одиницю часу, наприклад за секунду (с) або за годину (год). Для вимірювання потужності дози випромінюван­ ня користуються такими одиницями: мікрозіверт за годину (мкЗв/год),

мілігрей за хвилину (мГр/хв), мілігрей за секунду (мГр/с) та ін.

Для кількісної характеристики зовнішнього рентгенівського або γ-випромінювання користуються поняттям «експозиційна доза ви­ промінювання*. Експозиційна доза випромінювання D Q є мірою йо­ нізації повітря рентгенівським або γ-випромінюванням. Оскільки по­ глинута доза пропорційна падаючому йонізуючому випромінюван­ ню, то між поглинутою і експозиційною дозами існує пропорційна залежність:

де f —деякий перехідний коефіцієнт, що залежить від багатьох при­ чин, насамперед від опроміненої речовини та енергії фотона. Для води і м’яких тканин тіла людини f = 1. Отже, доза в радах чисель­ но дорівнює відповідній експозиційній дозі в рентгенах. Це зумовлює зручність використання позасистемних одиниць — рад і рентген. Для кісткових тканин коефіцієнт f зменшується зі збільшенням енергії фотонів наближено від 4,5 до 1. Відповідно в СІ одиницею її виміру

479

є кулон на кілограм (Кл/кг), але ще досі користуються позасистем­ ною, традиційною одиницею вимірювання експозиційної дози — рент­ геном.

Рентген — доза випромінювання, під дією якої в 1 см3 повітря за нормальних температур і тиску утворюються йони, що несуть заряд в одну одиницю електрики кожного знака. 1 рентген (Р) дорівнює 2,58-10 Кл/кг, його похідні — мілірентген (10_3 Р) і мікрорентген (10_6 Р). Потужність експозиційної дози — це доза рентгенів­ ського або гамма-випромінювання за одиницю часу, наприклад мілі­ рентген за годину (мР/год).

Оскільки опромінення людини майже завжди нерівномірне, то введено ще одне поняття — ефективна еквівалентна доза, що дає змогу враховувати ризик опромінення окремих органів або тканин порівняно з ризиком опромінення всього тіла. Цей показник вико­ ристовується з метою протирадіаційного захисту осіб, професійна діяльність яких пов’язана з йонізуючим випромінюванням. Внаслі­ док дії йонізуючого випромінювання на організм людини в її ткани­ нах можуть відбутися складні фізичні, хімічні і біологічні процеси. Відомо, що біологічна тканина на 60...70 % за масою складається з води. Під дією йонізації молекули води утворюються вільні радика­ ли Н* і ОН* за такою схемою:

Н20 + —> Н+ + ОН*; Н20 - > 0 Н ~ + Н * .

Під впливом кисню утворюються також вільний радикал надпероксиду (Н02) і пероксид гідрогену (Н 20 2 ), які є сильними окислю­ вачами.

Вільні радикали й окислювачі, що виникають у процесі радіолізу води, характеризуються високою хімічною активністю, вступають у хімічні реакції з молекулами білка, ферментів та інших структур­ них елементів біологічної тканини, що змінює біохімічні процеси в організмі. В результаті порушуються обмінні процеси, подавляється активність ферментних систем, сповільнюється і припиняється ріст тканин, виникають нові хімічні сполуки, не властиві організму, — токсини. Це може призвести до порушення життєдіяльності окре­ мих функцій систем або організму в цілому.

Індуковані вільними радикалами хімічні реакції розвиваються з великим виходом, залучаючи в цей процес багато сотень і тисяч моле­ кул, не вражених випромінюванням. У цьому полягає специфіка дії йонізуючого випромінювання на біологічні об’єкти, тобто спричине­ ний ним ефект зумовлений не стільки кількістю поглинутої енергії опроміненим об’єктом, скільки тією формою, в якій ця енергія пере­ дається. Ніякий інший вид енергії (теплова, електрична та ін.), яка поглинається біологічним об’єктом у тій самій кількості, не приво­ дить до таких змін, які спричинює йонізаційне випромінювання.

480

Отже, залежно від поглинутої дози випромінювання й індивіду­ альних особливостей організму ці зміни можуть бути оборотними або необоротними. При невеликих дозах уражена тканина віднов­ лює свою функціональну діяльність. Великі дози при тривалій дії можуть спричинити ураження окремих органів або всього організму.

Біологічний ефект йонізаційного випромінювання залежить від сумарної дози і тривалості впливу випромінювання, виду випромі­ нювання, розмірів опроміненої поверхні та індивідуальних особли­ востей організму.

У зв’язку з істотними відмінностями індивідуальної чутливості до опромінення для характеристики відносної чутливості було взято більш відтворювану на досліді величину — так звану напівлетальну (від латин, letalis — смертельний) поглинальну дозу, яка призводить до загибелі 50 % опромінених тварин за тридцятидобовий термін спостереження. В табл. 17.2 наведено значення напівлетальної поглинальної дози для деяких живих організмів — від одноклітинних до ссавців, що характеризують видову чутливість до радіаційного опромінення.

Поглинута доза випромінювання, яка спричинює ураження окре­ мих частин тіла, а потім смерть, перевищує смертельну дозу опромі­ нення всього тіла. Смертельні поглинальні дози для окремих частин тіла такі, Гр: голова — 20, нижня частина живота — ЗО, верхня частина живота — 50, грудна клітка — 100, кінцівки — 200.

Важливим фактором для дії йонізуючого випромінювання на організм є час опромінення. Зі збільшенням потужності дози уражальна дія випромінювання зростає. Чим більш перервне випромі­ нювання з часом, тим менша його уражальна дія.

Зовнішнє опромінення α-, а також β-частинками менш небезпеч­ не. Вони мають невеликий пробіг у тканині і не досягають крово­ творних та інших внутрішніх органів. При зовнішньому опроміненні слід ураховувати нейтронне і γ-опромінення, які проникають у тка­ нини на більшу глибину і руйнують їх.

Ступінь ураження організму залежить від розміру опроміненої поверхні. Зі зменшенням опроміненої поверхні зменшується і біоло­ гічний ефект.

Радіоактивні речовини можуть потрапити всередину організму при вдиханні повітря, зараженого радіоактивними елементами, із зара­ женими харчами або водою і, нарешті, через шкіру, а також через відкриті рани.

Попадання твердих частинок у дихальні органи залежить від дис­ персності частинок. Виходячи з дослідів над тваринами, встановле­ но, що в легенях може залишатися тільки незначна частина твердих частинок. Крупні частинки розмірами понад 5 мкм майже всі затри­ муються носовою порожниною.

Якщо радіонукліди, які потрапляють усередину організму, одно­ типні з елементами, які людина вживає з їжею (натрій, хлор, калій та ін.), то вони не затримуються тривалий час в організмі, а виво­ дяться разом з ними.

Інертні радіоактивні гази (аргон, ксенон, криптон та ін.), які потра­ пили через легені в кров, не є сполуками, що входять до складу тка­ нини. Тому вони через певний час повністю виводяться з організму.

Деякі радіоактивні речовини, потрапляючи в організм, розподі­ ляються в ньому майже рівномірно, інші концентруються в окремих внутрішніх органах. Так, у кісткових тканинах відкладаються дже­ рела α-випромінювання — радій, уран, плутоній; β-випромінюван- ня — стронцій та ітрій; γ-випромінювання — цирконій. Ці елементи хімічно не зв’язані з кістковою тканиною, і їх дуже важко виводити

зорганізму. Тривалий час утримуються в організмі також елементи

звеликим атомним номером (полоній, уран та ін.). Елементи, що утворюють в організмі легкорозчинні солі й накопичуються в м’я­ ких тканинах, легко виводяться з організму.

При дії йонізуючих випромінювань з низькою лінійною переда­ чею енергії (γ-, β-випромінювання, рентгенівське випромінювання) низькими дозами вважають дози, менші за 2 Гр, проміжними —

0,2...1,5 Гр, високими —1,5...3,5 Гр, дуже високими — понад 3,5 Гр. При дії випромінювань з високою лінійною передачею енергії (ос-час- тинки, нейтрони), відносна біологічна ефективність яких у 10...20 разів вища, верхня межа поглинальних доз відповідно знижується.

Під час оцінювання радіаційної безпеки населення за малі дози йо­ нізуючого випромінювання беруть рівень природного радіоактивного фону. Нині встановлено, що будь-які, навіть найменші, дози йонізую­ чого випромінювання здатні справляти біологічну дію. Йонізуюче випро­ мінювання, діючи на ядра і хромосоми клітини, сприяє зміні генетич­ ної інформації, торкається основних спадкових функцій організму.

Різні біологічні об’єкти характеризуються рівнем радіочутливості. Наприклад, деякі найпростіші організми, бактерії і віруси, здатні переносити величезні дози радіації — 1000... 10 000 Гр і при цьому

482

Таблиця 17.3

Доза,

Імовірнісний ефект

ІО" 2 Зв

0 , 1 Фонове опромінення за рік

0,5 Допустиме опромінення населення в нормальних умовах за рік

3 Опромінення при рентгенографії зубів 5 Допустиме опромінення персоналу АЕС у нормальних умовах за рік

1 0 Допустиме аварійне опромінення населення (разове)

25 Допустиме аварійне опромінення персоналу АЕС (разове)

30 Опромінення при рентгеноскопії шлунку (місцеве)

75 Короткочасні незначні зміни складу крові 1 0 0 Нижня межа розвитку легкого ступеня променевої хвороби

450 Важкий ступінь променевої хвороби (гине 50 % опромінених)

зберігають свою життєздатність (табл. 17.3). Набагато менша стабільність до йонізуючих випромінювань у людини. Аналіз нещас­ них випадків свідчить, що небезпечна доза зовнішнього γ-випромі- нювання для людини становить (6±1) Зв, а безпосередні шкідливі ефекти опромінення не розвиваються при дозах, менших за 1 Зв короткочасного опромінення, що видно з табл. 17.3.

Отже, дози, які сприймає людський організм від природного радіа­ ційного фону, в тисячі разів менші, ніж смертельна доза йонізуючо­ го випромінювання для людини.

Ураховуючи широке використання ядерної енергії на практиці, проблеми впливу йонізуючих випромінювань на здоров’я людини і живі організми в цілому будуть актуальними ще досить довго.

17.17. Корпускулярно-хвильовий дуалізм речовини

На початку XX ст. фізика більш-менш опанувала два своєрідні види об’єктивної реальності: дискретну атомістичну речовину і не­ перервне електромагнітне поле. Ці протилежні характеристики дис­ кретності й неперервності виступили у фізиці того часу незалеж­ ними.

Із виникненням квантових уявлень починається діалектичний синтез протилежностей перервного і неперервного.

У квантовій механіці важливу методологічну роль відіграють ка­ тегорії перервності й неперервності, оскільки все більшого значення для теорії і практики набуває вивчення хвильових і корпускуляр­ них властивостей фізичних об’єктів. Відомо, що уявлення про час­ тинки і хвилі в класичній фізиці ґрунтувалися на різкому протис­ тавленні частинок і хвиль, на цілковитому взаємовиключенні їхніх властивостей. У багатьох відношеннях властивості хвиль і частинок розглядались як прямо протилежні.

483

Частинки характеризувались такими властивостями, як маса, просторова локалізація (визначеність об’єкта), непроникність. Потім було встановлено, що деякі частинки можуть бути носіями елек­ тричного заряду. Рух частинок у певній системі відліку характери­ зувався певними траєкторіями. Якщо зовнішніх сил немає, то час­ тинки мають сталі імпульс і енергію. Взаємодія частинок розгляда­ лась як різні види зіткнень (пружні й непружні, центральні й нецентральні), за яких відбувається обмін імпульсами та енергіями. Кож­ на частинка речовини переносить енергію та імпульс, а також масу з одного місця в інше.

Хвилі в класичній фізиці розглядались як потік збурень середо­ вища, під якими розуміли деформації його поверхні (наприклад, морські хвилі), його стиснення і розрідження (звукові хвилі), зміну його електромагнітного стану (електромагнітні хвилі). Хвилі харак­ теризуються періодичністю значень певних параметрів збурення се­ редовища в просторі й часі, тобто повторюваністю їх, наприклад, максимальних збурень середовища (амплітуда) через певні проміжки часу (період коливань) і на певних відстанях у просторі (довжина хвилі). Хвилі, що поширюються в просторі, не переносять речовину, але переносять енергію та імпульс. Хвилі не мають певних траєкто­ рій, хоч і поширюються в просторі в певних напрямах. Якщо немає перешкоди для поширення хвилі, то вона заповнює весь простір і, отже, для неї характерна відсутність просторової локалізації. Основ­ ними параметрами хвилі є: довжина, частота, амплітуда і фаза. Най­ важливіша властивість хвиль — їхня здатність огинати перешкоди і за відповідних умов накладатися одна на одну (інтерферувати).

Отже, в класичній фізиці хвилі відрізняються від частинок: хвилі мають ряд істотних ознак неперервності, а частинки, навпаки, дис­ кретності. Проте класична фізика накопичила великий матеріал для встановлення зв’язку між перервністю й неперервністю в явищах природи. Хоча встановлення зв’язку між тими або іншими проти­ лежними сторонами ще не означає встановлення єдності. Поняття єдності включає в себе не тільки наявність взаємозв’язку, а й наяв­ ність взаємопереходів, взаємопроникнення та ототожнення протилеж­ ностей. Встановлення єдності перервності й неперервності на мате­ ріалі єдності частинок і хвиль стало надбанням нової квантової фізи­ ки. Поняття частинки і хвилі — це загалом поняття, що характери­ зують граничні стани об’єктів природи.

Важливе значення в розкритті єдності хвиль і частинок, а отже, неперервності й дискретності, мала теорія де Бройля, яка встанови­ ла всезагальність відповідності імпульсно-енергетичних параметрів частинок таким специфічним параметрам коливань і хвиль, як дов­ жина хвилі і частота коливань. За цією теорією енергія і частота, імпульс і довжина хвилі є пропорційними не лише у хвильових проце­ сах, а й у процесах руху частинок. Це означає, що частинки можуть

484

ціального бар’єра, можна пояснити лише просочуванням, проник­ ненням їх крізь бар’єр, тобто тунельним ефектом. А це може бути тільки тоді, коли мікрочастинці властиві як дискретні, так і хвильо­ ві властивості.

Розвиваючи ідеї JI. де Бройля, Е. Шредінгер завершив створення хвильової механіки. Він відкрив основний закон руху мікрооб’єктів — хвильове рівняння (16.11). Це рівняння описує зміну з часом особ­ ливої величини — так званої хвильової функції, або ψ-функції, що характеризує стан електрона або будь-якої іншої частинки. У сфері своєї компетенції (руху мікрооб’єктів зі швидкостями, значно мен­ шими від швидкості світла) квантова механіка, точніше нерелятивістська механіка, дає повне описання фізичних явищ.

Враховуючи пропорційність між енергією і масою, можна ствер­ джувати, що частинка з малою масою є хвилею, а не частинкою. Слушне обернене твердження: чим більша маса частинки і чим швид­ ше вона рухається, тим яскравіше виявляються її корпускуляр­ ні властивості. Для частинок, що мають лише масу руху, їхнє існу­ вання як частинок можливе лише при русі з граничною швидкіс­ тю передавання взаємодії, тобто зі швидкістю світла у вакуумі. Фо- тони-кванти електромагнітного поля існують лише за такої швид­ кості.

Отже, прояв у матеріальних об’єктів корпускулярних або хвильо­ вих властивостей залежить від таких параметрів руху. Оскільки ці параметри змінюються, то вони є відносними щодо різних взаємо­ дій, а отже, відносними є і їхні корпускулярні й хвильові власти­ вості.

В одних взаємодіях об’єкт поводить себе як частинка, в інших — як хвиля. В граничних екстремальних випадках, а саме при мінімаль­ них значеннях енергії, частинка поводить себе як хвиля, а при мак­ симальних значеннях енергії — як частинка. Отже, в процесі взаємо­ дії, під час руху об’єктів природи вони поводять себе або як частин­ ки, або як хвилі відносно своїх станів взаємодії і руху. Звідси напро­ шується висновок, що поняття про частинки і хвилі можуть бути застосовані до одного і того самого об’єкта, що ці поняття і тотожні, і водночас відмінні, а отже, тотожні і водночас відмінні більш за­ гальні поняття перервності й неперервності, що покладені в основу понять частинки і хвилі.

Оперуючи у квантовій механіці поняттями частинки і хвилі, дис­ кретності й неперервності, постійно переходимо від відмінності їх до тотожності і навпаки. Ці переходи від відмінності їх до тотожності і від тотожності до їхньої відмінності становлять суть єдності понять про хвилю і частинку, дискретність і неперервність, що відобража­ ють один бік діалектики самої природи. Єдність тотожності й відмінності, притаманна перервності і неперервності, виявляється також через єдність хвильових і корпускулярних властивостей

486

об’єктів природи, а один із аспектів в єдності цих властивостей — їхня аналогія одна одній, відповідність та взаємозамінність.

Отже, немає жодних підстав для поділу об’єктів природи на час­ тинки і хвилі. Йдеться лише про те, що об’єкти природи мають взає­ мопов’язані типи властивостей: корпускулярні і хвильові. Оскільки в тому або іншому об’єкті природи на перший план виступає то один, то інший тип його властивостей, то образи частинки і хвилі мають об’єктивний зміст. Поняття хвилі і частинки не перебувають у відно­ шенні взаємного виключення, обидва вони необхідні для описання мікрооб’єктів у різних взаємозв’язках і взаємодіях. В. О. Фок спра­ ведливо зазначав, що за наявності у мікрооб’єкта корпускулярних властивостей його хвильові властивості існують як потенціальні мож­ ливості, які за зміни умов існування мікрооб’єкта можуть проявити­ ся. Єдність перервності і неперервності в існуванні мікрооб’єктів аж ніяк не порушується, а виявляється через єдність можливості і дійсності. Те, що в дійсності є перервним, в можливості — неперервне і навпаки.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм є однією з форм виявлення діалектики перервності — неперервності, але в сучасній фізиці (кван­ товій фізиці, теорії елементарних частинок) він найчастіше висту­ пає у формі метафізичного відособлення або підсумовування двох властивостей: корпускулярних і хвильових.

Очевидно, майбутній розвиток фізики приведе до більш адекват­ ного відображення за допомогою її теорій діалектики перервності й неперервності.

Матеріальні об’єкти, процеси і явища характеризуються діалек­ тичною єдністю перервності й неперервності. Неперервність, цілісність об’єкта, процесу є фундаментом наступних утворень нової неперерв­ ності через систему взаємодіючих частин (перервностей) цієї непе­ рервності.

Контрольні запитання і завдання

1.Назвіть основні методи спостереження заряджених частинок.

2.Які ви знаєте методи реєстрації заряджених частинок? Охарактеризуйте ос­ новні з них.

3.З якою метою прискорюють заряджені частинки? Які основні принципи та відмінності прискорення заряджених частинок лінійним прискорювачем та цик­ лотроном?

4.Які атоми називають ізотопами, ізобарами, ізомерами?

5.Який хімічний елемент має атомне ядро з символічним позначенням 5 5 X ? Скільки нуклонів у цьому ядрі?

6 . Що називають масовим числом?

7. Як можна вирахувати енергію зв’язку атомного ядра? Що таке «дефект маси* та пакувальний коефіцієнт?

8 . Крапельна та оболонкова моделі ядра атома. В чому полягає їхня відмінність? Які числа прийнято вважати магічними для нуклонів?

9. Охарактеризуйте α-, β- і γ-випромінювання.

487