Лекция 12.

Радиоактивное загрязнение.

Радиоактивное (радиационное) загрязнение – загрязнение радиоактивными веществами или ионизирующими излучениями.

Ra –элемент №88 открыт супругами Кюри в 1898 г. Слово radium («радий») происходит от латинского radius – «луч», так что дословно название этого элемента переводится как «излучающий», «лучистый».

Радиоактивность – самопроизвольное превращение одних элементов в другие, сопровождающееся радиоактивным излучением.

Если это вещества, тогда почему радиоактивное загрязнение относится к физическим загрязнениям? Потому, что главным поражающим фактором является радиационное излучение, или по-другому, оно называется ионизирующим. Такое излучение обладает энергией, достаточной для того, чтобы выбить один или несколько электронов из атомов облучаемого вещества. Ионизирующими свойствами обладает также и космическое излучение. Из различных видов электромагнитного излучения определенной ионизирующей способностью обладает жесткое УФ-излучение солнца, но до поверхности Земли оно практически не доходит из-за поглощения этого излучения озоном и другими газами.

Природа радиоактивного излучения.

Различают следующие виды ионизирующих излучений.

Электромагнитные:

• гамма- излучение

• рентгеновское излучение

и корпускулярные:

• альфа излучение

• бета излучение

• нейтронное излучение

• протонное излучение

Электро-магнитные.

Гамма-лучи (γ) – электромагнитное излучение высокой энергии обладающее высокой проникающей способностью, (поток гамма-квантов, по-другому их называют гамма-фотоны). Гамма излучение возникает при возбуждении ядер атомов во время ядерного распада. Распространяется со скоростью света (300 000 км/с).

Рентгеновское излучение – электромагнитное излучение меньшей энергии, чем γ-излучение. Переносчик энергии – фотон. Оба вида излучения распространяются со скоростью света (300 000 км/с). В природе наблюдается редко. Возникает при возбуждении электронов атомов во время ядерного распада. Скорость распространения -300 000 км/с.

Бета излучение (β) – поток быстрых электронов или позитронов, скорость движения близка к скорости света (~200 000 км/с).

Альфа излучение (α) – поток положительно заряженных частиц, ядер гелия (~20 000 км/с).

α, β, γ – лучи испускаются радиоактивными изотопами (радионуклидами) при радиоактивном распаде.

Что такое изотопы?

Изотопы – химические элементы с одинаковым зарядом ядра (одинаковым числом протонов), но с разными массовыми числами. Например, изотопы водорода: водород, дейтерий, тритий.

, =D, =T (значения индексов у элементов пояснены на рис.1.). Все изотопы (нуклиды) можно разделить на две группы. Стабильные и нестабильные. Ядра первой группы устойчивы, а второй способны самопроизвольно распадаться и, следовательно, превращаться в ядра других элементов. Такие изотопы называются радиоактивными или радионуклидами. В настоящее время известно около 1500 изотопов, из которых лишь 265 являются стабильными. У некоторых элементов все изотопы радиоактивные (технеций- ₄₃Tc, прометий- ₆₁Pm), а также все элементы таблицы Менделеева, начиная с полония- ₈₄Рo.

Время, в течение которого распадается половина первоначального количества ядер, называется периодом полураспада.

Во что превращаются радиоизотопы?

Некоторые естественные (природные) радиоизотопы превращаются в другие радиоактивные элементы. Различают четыре радиоактивных семейства: урана ( ), актиния¹ ( ), тория ( ) и нептуния ( ), которые имеют очень длинные цепочки превращений. Например, для урана –238 – 20 последовательных превращений. Промежуточные продукты распада могут быть источниками разного вида радиоактивного излучения (α, β или γ) различной интенсивности. Важнейшим промежуточным элементом распада первых трех семейств (урана, актиния и тория) является радиоактивный газ радон (Rn), претерпевающий в естественных условиях альфа-распад. Конечным элементом распада семейств урана, актиния и тория является стабильный изотоп свинца с атомной массой 206, 207 и 208 соответственно. Распад нептуния заканчивается стабильным изотопом висмута.

В природе имеются также радиоизотопы, распадающиеся в одну стадию, превращаясь в устойчивый элемент, например, калий –40, углерод – 14 и др. Всего таких изотопов чуть больше 200. Калий–40 распадается с испусканием β- и γ-лучей и превращается в нерадиоактивные изотопы Ca и Ar.

Благодаря деятельности человека в природе с середины ХХ столетия стали интенсивно накапливаться искусственные радионуклиды (атомные взрывы, ядерная промышленность). Наиболее опасные: цезий–137, стронций–90, плутоний–239 (свойства приведены в табл.1)

Таблица 1.

Свойства некоторых искусственных радиоизотопов.

Название	Символ	Период п/распада	Преобладающий тип излучения
Стронций –90	90Sr	28 лет	β
Цезий –137	137Cs	33 года	β, γ
Углерод –14	14C	5730 лет	β
Плутоний 239	239Pu	2400 лет	α, γ

Источники радиоактивного загрязнения:

1. Атомная промышленность;

2. Атомная энергетика;

3. Ядерные взрывы;

4. 4) Медицина, наука, техника (использование радиоактивных веществ в приборах), научно-исследовательские ядерные реакторы (Москва – 37 реакторов).

Атомная промышленность. На территории РФ имеется примерно 800 атомных объекта. Наиболее известные из них – «Маяк» в Челябинской области, «Сибирский химический комбинат» в Томской области, «Горный химический комбинат» в Красноярском крае.

Ядерные взрывы. По некоторым подсчетам всего произведено примерно 2000 наземных и атмосферных взрывов (табл.3).

Таблица 3.

Статистика ядерных взрывов.

Количество взрывов	Страна	Год прекращения испытаний в атмосфере	Полигон
1985-1990	США	1963	Невада
715	СССР	1962	Новая Земля, Семаналатинск
180-190	Франция	1974	Моруроа
42	Великобритания	1958	Невада (США)
3540	Китай	1980	Лобкор

Таким образом, в 60-е годы 20 столетия благодаря ядерным взрывам в атмосферу попало примерно 5 т плутония –239, который постепенно распространился по всей планете, увеличив тем самым глобальный радиационный фон.

Подземные взрывы. В бывшем СССР произведено более 100 подземных взрыва в мирных целях. В европейской части СССР насчитывается 60 подземных взрыва, в Сибири –30, в ХМАО 5. Тело ядерного взрыва «Ангара» (140 км северо-западнее г. Ханты-Мансийска) было нарушено пробным бурением при поиске нефти².

В пяти случаях подземные взрывы сопровождались выбросами радиоактивных материалов на поверхность земли (1 в Пермской области, 4- на семипалатинском полигоне).

Единицы измерений радиоактивности.

Активность – число радиоактивных превращений в единицу времени.

В системе СИ используется единица активности Беккерель (Бк). 1Бк= 1 распад/с. 1 Бк =1 с^-1 (1/с).

Часто используется внесистемная единица активности- кюри (Ки). Ки= 3,7х10¹⁰ Бк.

Эта единица обычно используется для характеристики значительных загрязнений (Чернобыль).

На практике часто используется удельная активность, (отражающая удельную концентрацию радиоактивного вещества), это – удельная активность единицы площади, объема или массы. Например, Кu/км², Бк/л и т.п.

Доза излучения (экспозиционная доза)– результат ионизирующего действия радиоактивного излучения на среду.

Для характеристики действия рентгеновского и γ- излучения используется внесистемная единица рентген (р).

Рентген – это такая доза рентгеновского и γ- излучения, которая способствует образованию 2,08х10⁹ пар ионов в 1см³ воздуха, несущие заряд в 1 CGSE (электростатическая единица).

Доза излучения в единицу времени называется мощность дозы излучения. Пример, рентген в час (р/ч), миллирентген (мР/ч) или микрорентген в час (мкР/ч).

В системе СИ единицей дозы излучения является Кулон, отнесенный к массе ионизированного вещества (Кулон/кг), как мера измерения количества электричества, образующегося за счет образования заряженных частиц – ионов.

Степень лучевого воздействия на организм человека зависит от количества поглощенной энергии, поэтому вводится понятие поглощенной дозы.

Поглощенная доза – количество энергии, поглощенное единицей массы вещества (тела).

В системе СИ энергия поглощенной дозы измеряется в Дж/кг и имеет название Грей (Гр).

1 Гр= 1 Дж/кг.

Имеется также внесистемная единица рад. 1 рад=1•10^-2 Гр или 1 Гр= 100 рад.

Поскольку радиоактивное излучение различной природы обладает разным эффектом воздействия на биологические объекты даже при одинаковой поглощенной дозе, то вводится понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза – это поглощенная доза, умноженная на соответствующий коэффициент кратности (К), отражающий силу (степень) отрицательного воздействия на живой организм.

К

рентгеновское и γ - лучи 1

электроны, позитроны, β - лучи 1

α - лучи 20

нейтроны, протоны 5-20

Единицы эквивалентной дозы.

Бэр – (биологический эквивалент рентгена), внесистемная единица.

бэр= 1 рад х К.

В международной системе СИ используется единица эквивалентной дозы – Зиверт (Зв) в англоязычной литературе – Sv:

Эквивалентная доза =1 Гр•К [Зв] (В СИ).

Эквивалентная доза =1 рад х К [бэр] (устарев. внесист.ед)

Для γ – и β – излучения К=1, следовательно 1 Зв=1 Гр и 1 бэр = 1 рад.

Соотношение между системной и внесистемной единицами: 1 Зв = 100 бэр.

Сведем рассмотренные единицы в одну таблицу (табл.2).

Таблица 2
Основные радиологические величины и единицы
Величина	Наименование и обозначение единицы измерения		Соотношения между единицами
	Внесистемные	Си
Активность нуклида	Кюри (Ки, Ci)	Беккерель (Бк, Bq)	1 Ки = 3.7•1010Бк 1 Бк = 1 расп/с 1 Бк=2.7•10-11Ки
Экспозицион- ная доза	Рентген (Р, R)	Кулон/кг (Кл/кг, C/kg)	1 Р=2.58•10-4 Кл/кг 1 Кл/кг=3.88•103 Р
Поглощенная доза	Рад (рад, rad)	Грей (Гр), Gray (Gy)	1 рад=10-2 Гр, 1 Гр=100рад 1 Гр=1 Дж/кг
Эквивалентная доза	Бэр (бэр, rem)	Зиверт (Зв, Sv)	1 бэр=10-2 Зв 1 Зв=100 бэр