12.1. Открытие явления радиоактивности

В конце 1895 г. весь ученый мир был взволнован появившимися в печати сообще­ниями об открытии профессором Вильгельмом Конрадом Рентгеном лучей, обла­давших необычными свойствами. Эти лучи, названные Рентгеном Х-лучами, сво­бодно проходили сквозь дерево, картон и другие предметы, не прозрачные для видимого света. Впоследствии они получили название рентгеновских лучей — в честь открывшего их ученого. Это открытие вызвало большую сенсацию в науч­ном мире. Может, по этой причине многими учеными не было замечено другое крупнейшее открытие конца XIX столетия — открытие французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности. Вскоре Беккерель на заседании Академии наук сообщил, что наблюдавшиеся им лучи, проникавшие подобно рен­тгеновским лучам через непрозрачные для света предметы и вызывавшие почер­нение фотопластинок, спонтанно, без всякого вмешательства извне, излучаются некоторыми веществами. Так было установлено, что новые лучи излучаются ве­ществам, в состав которых входит уран. Вновь открытые лучи Беккерель назвал урановыми. Дальнейшая история новооткрытых лучей тесно связана с именами польского физика Марии Склодовской и ее мужа - француза Пьера Кюри. Суп­ругам Кюри наука обязана тщательным всестороннем изучением вновь открытого явления, которое по предложению Марии Кюрн-Склодовской было названо ра­диоактивностью.

Радиоактивность - это способность ряда химических элементов самопроизволь­но распадаться и испускать невидимое излучение.

Глубокое изучение свойств радиоактивных элементов привело к созданию так на­зываемой планетарной модели атома (английский физик Э. Резерфорд. 1911 г.). затем она была усовершенствована датским ученым Нильсом Бором. Этой моде­лью мы пользуемся до настоящего времени.

Атом похож на солнечную систему в миниатюре: вокруг крошечного ядра (разме­ры атома очень малы — поперечник атома составляет около 10" см, следователь­но, на 1 см можно уложить 100 млн атомов) движутся по орбитам крошечные «пла­неты» - электроны. Размеры ядра в 100 тыс. раз меньше размеров самого атома, но плотность его очень велика, поскольку масса ядра почти равна массе его атома. Ядро, как правило, состоит из нескольких более мелких частиц, которые плот­но сцеплены друг с другом. Некоторые из этих частиц имеют положительный заряд и называются протонами. Число протонов в ядре определяет, к какому химическому элементу относится данный атом: ядро атома водорода содержит всего один протон, атома кислорода - 8, атома урана - 92. В каждом атоме число электронов ч точности равно числу протонов в ядре; каждый электрон несет отрицательны!! заряд, равный по величине заряду протона, так что в целом атом нейтрален.

В ядре, как правило, присутствуют и частицы другого типа — нейтроны, посколь­ку они электрически нейтральны. Ядра атомов одного и того же элемента содер­жат всегда одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, относятся к разным разновидностям одного и того же хими­ческого элемента, называемым изотопами данного элемента. Чтобы отличить их друг от друга, к символу элемента добавляют число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 содержит 92 протона и 146 нейтронов; в уране-235 тоже 92 протона, но 143 нейтрона. Ядра всех изотопов химических элемен­тов образуют группу нуклидов.

Некоторые нуклиды стабильны, то есть в отсутствие внешнего воздействия ни­когда не претерпевают никаких превращений. Большинство же нуклидов неста­бильны. они все время превращаются в другие нуклиды. При каждом акте распада высвобождается энергия, которая и передается в виде радиоактивного излучения. Сразу же после открытия радиоактивности перед наукой встал ряд новых вопро­сов: что собой представляют открытые лучи, каковы их природа и свойства, на­сколько широко радиоактивные вещества распространены в природе, какое дей­ствие они оказывают на человека и окружающую природу. Понадобилось, однако, несколько десятков лет, чтобы получить ответ на поставленные вопросы. Прежде всего удалось решить вопрос о природе лучен, испускаемых радиоактив­ными атомами. Было установлено, что радиоактивное излучение — это сложное излучение, в состав которого входят лучи трех видов, отличающиеся друг от друга проникающей способностью. Хуже всего проникающие лучи получили название а-лучей, проникающие лучше - 3-лучей, и наконец, лучи, имеющие наибольшую проникающую способность, — у-лучей.

Альфа-лучи оказались потоком частиц с массой, рапной четырем, и двойным поло­жительным зарядом, то есть потоком ядер атомов гелия. Эти частицы вылетают из ядра со скоростью 15 000-20 000 км/с. a-частнцы обладают очень малой проника­ющей способностью. В зависимости от энергии частиц в воздухе они могут пройти путь 2-9 см, в биологической ткани - 0,02-0,06 мм; они полностью поглощаются листом чистой бумаги.

Бета-лучи - это поток -частиц (электронов), вылетающих из ядер со скоростью света. Максимальная энергия -частиц радиоактивных изотопов может различаться в широких пределах - от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон- вольт. Проникающая способность этих частиц значительно больше, чем у а и  частиц . Бета-частицы могут пройти в воздухе до 15 м, в воде и биологической ткани - до 12 мм, и алюминии до 5 мм.

у-лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны 10 10^-11 см. Проникающая способность у-лучей очень велика - значительно больше, чем у а- и -частиц. Чтобы ослабить у-излученне радиоактивного кобальта вдвое, нужно установить защиту из слоя свинца толщиной 1,6 см Или слоя бетона толщи­ной 10 см. Чем короче длина волны, тем большую проникающую способность име­ют у-лучи.

Таким образом, под проникающей радиацией понимают поток у-лучей и нейтро­нов. Коэффициенты половинного ослабления приведены в табл. 12.1.

Таблица 12.1. Коэффициенты половинного ослабления материалов, см Материал	Проникающая радиация
	у-лучи	нейтроны
Свинец	1.8	8,7
Сталь	2,8	4.7
Бетон	10	12
Грунт, кирпич, песок	14	12
Дерево	30	10
Вода	23	3

Сейчас каждый школьник знает, что проникающая радиация разрушает организм человека, может вызвать у него лучевую болезнь различной степени. Поврежде­ний, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям; количество переданной организму энергии называ­ется дозой. За единицу дозы принят рентген (P) (1 Р - это такая доза у-излучения, при которой в 1 см³ сухого воздуха при температуре 0°С и давлении 760 мм рт. ст. образуется 2,08 млрд. пар ионов (2,08 * 10⁹).

На организм воздействует не вся энергия излучения, а только поглощенная энер­гия. Поглощенная доза более точно характеризует воздействие ионизирующих лу­чей на биологические ткани и измеряется во внесистемных единицах, называемых рад. Достоинства рада как дозиметрической единицы в том. что его можно исполь­зовать для любого вида излучений в любой среде. Рад - это такая доза, когда энер­гия, поглощенная 1 кг вещества, равна 0,01 Дж, или 105 эрг. Биологическим экви­валентом рада является бэр.

Надо учитывать тот факт, что при одинаковой поглощенной дозе а-излученне го­раздо опаснее  и у-излучений. Если принять во внимание этот факт, то дозу сле­дует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма; а-излученне считается при этом в 20раз опаснее других видов излучений. Пересчитанную таким образом дозу называют эквива­лентной дозой-, в СИ ее измеряют в единицах, называемых зивертами (зв). Следует учитывать также, что одни части тела (органы, ткани) более чувствитель­ны, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе облучения возник­новение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение по­ловых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты И просумми­ровав но всем органам и тканям получим эффективную эквивалентную дозу, отра­жающую суммарный эффект облучения для организма, - она измеряется в зивертах.

Величины и единицы, используемые в дозиметрии ионизирующих излучений, приведены в табл. 12.2.

Таблица 12.2. Величины и единицы, используемые в дозиметрии ионизирующих излучений

Физическая величина и ее символ	В СИ	Внесистемная	Соотношение между ними
Активность (С)	Беккерель(Бк)	Кюри (Ки)	1 Бк = 1 расп/с = 2,7 • 10'" Ки 1 Ки = 3,7 • 10'° Бк
Поглощенная доза (Д)	Грей (Гр)	Рад (рад)	1 Гр = 100 рад = 1 Дж/кг 1 рад = 10"2 Гр = 100 эрг/г
Эквивалентная доза (Н)	Зиверт(Зв)	Бэр(бэр)	1 Зв = 100 бэр = 1 Гр - 0 = = 1 Дж/кг • О 1 бэр = 10'2 Зв = = 10"2 Гр • О = 1 рад ■ О

Активность радионуклида означает число распадов в секунду. Один беккерель равен одному распаду в секунду.