Текст книги "Физика в быту"

24 февраля 2017 года в Рейкьявике прошла международная конференция «Дети, время, проводимое перед экранами, и излучение от беспроводных устройств», в которой участвовали эксперты по электромагнитному излучению, онкологи, педагоги и другие специалисты. По итогам конференции более ста участников подписали открытое обращение к властям и администрациям школ во всём мире. Основные положения этого документа можно свести к следующему (полный текст вы можете найти в Интернете).

Облучение от базовых станций мобильных телефонов, точек доступа Wi-Fi, смартфонов, ноутбуков и планшетов постоянно происходит в школе и дома. Многочисленные научные исследования показали значительный медицинский риск при длительном воздействии электромагнитного излучения в радиочастотном диапазоне от беспроводных устройств и сетей на уровне даже значительно ниже рекомендуемого по нормативам Международной комиссии по защите от неионизирующего излучения. Такие излучения связаны с повышенным риском раковых заболеваний, особенно опухолей головного мозга. Развивающиеся и несозревшие клетки детских организмов более чувствительны к воздействию электромагнитных излучений. К тому же риск для детей может быть усилен эффектом накопления в течение жизни.

Помимо риска развития рака радиочастотное излучение, возможно, также воздействует на гематоэнцефалический барьер, открывая путь в мозг токсичным молекулам, повреждает нейроны в гиппокампе (центре памяти мозга), влияет на экспрессию белков в головном мозге, участвующих в обмене веществ, реакцию на стресс и нейропротекцию, а также влияет на уровень нейромедиаторов. Исследования выявили когнитивные нарушения, затрагивающие обучение и память.

Авторы обращения подчёркивают, что поддержка проводных технологий в образовании является более безопасным решением, чем использование Wi-Fi сетей, и просят власти и администрации школ во всём мире придерживаться принципа «минимизации вреда» (принципа ALARA – As Low AS Reasonably Achievable) и принять все разумные меры, чтобы снизить воздействие радиочастотного излучения.

«Мы призываем власти взять на себя ответственность за здоровье и благополучие наших детей в будущем», – говорится в обращении. – «Откажитесь от беспроводных сетей в дошкольных учреждениях, детских садах и школах».

Результаты исследований международной программы по оценке образовательных достижений учащихся PISA по чтению и математике показывают снижение результатов в странах, которые вложили наибольшие средства в компьютеризацию школ.

Мобильная связь и Wi-Fi – это основные потенциально опасные источники микроволновых излучений для людей (мы не говорим сейчас о тех профессионалах, которые работают с этими излучениями и хорошо осведомлены о рисках и способах защиты). Но мы используем в быту и другие источники радиоволн, среди которых особо популярны беспроводные наушники и микроволновые печи.

Наушники Bluetooth используют микроволны с частотами 2,4–2,48 ГГц. В том же самом частотном диапазоне работают микроволновые печи, Wi-Fi роутеры, а полоса частот вблизи 2,6 ГГц используется для мобильной связи. Сигналы от наушников Bluetooth гораздо менее интенсивны, чем сигналы сотовой связи, но антенна наушников расположена внизу под ухом, то есть в непосредственной близости к головному мозгу. Беспроводные наушники используют десятки миллионов людей во всём мире. С одной стороны, нет никаких научных доказательств, что в перспективе эти наушники могут угрожать здоровью пользователей. С другой стороны, обратное тоже не доказано, ведь это относительно молодой тип гаджетов, и полноценных клинических исследований по изучению их влияния на организм не хватает. Выбор за вами.

Микроволновые печи начали входить в нашу жизнь с 1980-х. Микроволны, генерируемые магнетроном на частоте 2,45 ГГц, могут быстро нагревать вещества, в состав которых входят полярные молекулы, то есть такие молекулы, на одном конце которых находится положительный заряд, а на втором отрицательный. Полярными являются прежде всего молекулы воды, а также глюкозы и жиров. В электрическом поле волны полярные молекулы поворачиваются туда-сюда с частотой 2,45 ГГц, стремясь расположиться вдоль поля. Энергию для своих поворотов они поглощают у микроволн, а расталкивая соседние молекулы, передают им часть поглощенной энергии, что и приводит к нагреванию. Микроволны, отдавая свою энергию, затухают, проникнув в вещество на глубину нескольких сантиметров. Разогрев более глубоких слоёв происходит уже за счёт теплопроводности, то есть гораздо медленнее.

Производители микроволновых печей гарантируют, что на расстоянии 50 см от дверцы плотность СВЧ-излучения не будет превышать ПДУ (10 мкВт/см²), и не рекомендуют находиться ближе этого расстояния во время работы печи. Однако со временем степень защиты от излучений, которую обеспечивает многослойная дверца печи, может снижаться, в основном из-за появления микрощелей в уплотнителе дверцы. В процессе эксплуатации материалы дверцы изнашиваются, могут появиться механические повреждения. Тогда плотность потока излучения сильно возрастает. Через несколько лет печь желательно заменить на новую.

А главное – каждый источник микроволн сам по себе удовлетворяет санитарно-гигиеническим нормам, но они же все действуют на нас одновременно: и излучение базовых станций сотовой связи, и Wi-Fi, и беспроводные наушники, и радионяни, и микроволновые печи (не говоря о телевидении и радиовещании)… Кто знает, что вы получите в итоге? Для человека важно суммарное излучение, которому подвергается организм.

Вы уже поняли, что в настоящее время гарантий безопасности для здоровья в долгосрочной перспективе никто не даст. Единства мнений по этому вопросу среди учёных нет. Мы сами решаем за себя и за своих детей, на какие риски готовы пойти ради комфорта и использования всех благ научно-технического прогресса.

Часть 4
Надо ли бояться радиации?

Как и в предыдущих частях книги, сначала уделим внимание физике: поговорим о природе радиации и о дозиметрических величинах, характеризующих воздействие радиации на людей. Потом обсудим естественные источники радиации и дозы, которые они нам в среднем обеспечивают. В конце рассмотрим техногенные источники радиации и выделим приоритетные среди них. И ответы на вопросы, надо ли бояться радиации и какие меры предосторожности стоит предпринимать, постепенно сами собой прояснятся.

Глава 1
Виды радиации

Разберёмся для начала, что понимают под этим термином у нас и за рубежом. Вообще, слово «радиация» означает просто «излучение». Так сложилось, что за рубежом сюда относят все электромагнитные излучения, а также радиоактивные излучения и космические лучи.

У нас же в стране принято разделять все излучения на неионизирующие и ионизирующие. Электромагнитные излучения радиодиапазона, а также примыкающего к ним инфракрасного оптического диапазона, относятся к первой категории: энергии квантов этих излучений недостаточно, чтобы оторвать электрон от атома или молекулы, то есть ионизировать. Неионизирующие излучения и их потенциальный вред для здоровья людей мы обсудили в предыдущей части книги.

По мере роста частоты электромагнитных излучений энергии их квантов увеличиваются. Видимый свет обладает ещё очень малой способностью к ионизации, а вот ультрафиолет уже относится к ионизирующим излучениям, причём по мере уменьшения длины волны его ионизирующее действие возрастает. Благодаря этому жёсткое ультрафиолетовое излучение способно изменять химическую структуру тканей и клеток. На этом основано его бактерицидное действие.

Ещё более короткие волны и ещё более энергичные кванты соответствуют рентгеновскому диапазону электромагнитных волн. Условная граница рентгеновского и ультрафиолетового диапазонов лежит в районе 10 нм. Рентгеновское излучение мы получаем с помощью так называемых рентгеновских трубок. Коротковолновая граница рентгеновского диапазона примерно 0,01 нм.

Но есть ещё более короткие электромагнитные волны, их называют гамма излучением. Гамма-кванты испускают ядра некоторых атомов при радиоактивном распаде. Энергии таких квантов в сотни тысяч раз больше энергии квантов видимого света, а длины волн меньше 0,01 нм. Гамма-излучение присутствует и в космических лучах.

В нашей стране под термином «радиация» обычно понимают совокупность рентгеновского излучения, всех видов радиоактивных излучений, а также сюда относят космические лучи. Все эти излучения обладают ионизирующим действием, и для количественной характеристики их воздействия на человека используют одни и те же физические величины. Далее мы поговорим подробнее обо всех этих составляющих радиации.

Во второй половине XIX века физики много работали с так называемыми катодными трубками. Это стеклянные вакуумные трубки различной формы, в которые вставлены два электрода: отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод. При подаче между электродами высокого напряжения стекло начинает светиться. В 1897 году после ряда опытов английский физик Дж. Дж. Томсон установил, что «катодные лучи», вызывающие это свечение, представляют собой поток очень лёгких отрицательно заряженных частиц – электронов. Так был официально открыт электрон, о существовании которого давно уже догадывались.

А немного ранее, в конце 1895 года, немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (хотя правильнее было бы произносить его фамилию как Рёнтген) обнаружил, что аноды таких трубок являются источником некоего проникающего излучения, способного засвечивать фотопластинки сквозь чёрную бумагу или сквозь стенки деревянного ящика. Это излучение порождают электроны, которые с огромными скоростями врезаются в анод и резко тормозятся. Икс-лучи, как назвал это излучение Рентген, легко пронизывают мягкие живые ткани, но частично поглощаются костями. Рентген сделал первый рентгеновский снимок: теневое изображение костей кисти руки (это была рука его жены).

Рентген предположил, что икс-лучи имеют электромагнитную природу, потому что они не отклонялись ни электрическим, ни магнитным полями, как отклонялись бы заряженные частицы. В 1912 году это предположение было доказано опытами по дифракции рентгеновских лучей и была измерена их длина волны.

За открытие икс-лучей в 1901 году Рентгену была присуждена первая в истории Нобелевская премия по физике. А лучи вскоре стали называть его именем.

Патента на своё открытие Рентген оформлять не стал. Уже через полгода после открытия рентгеновские лучи начали использовать военные медики для обнаружения пуль у раненых солдат. А во время первой мировой войны на службе у медиков были рентгеномобили, оборудованные мобильными аппаратами для рентгенографии (они выпускались по инициативе Марии Кюри, и она же вместе со своей дочерью Ирен готовила кадры для их обслуживания).

Однако особых мер предосторожности при работе с рентгеновскими лучами не принимали. Удивительно, но они использовались даже в бытовых целях! Так, с 1924 и до начала 1960-х в Швейцарии были в ходу рентгеновские примерочные для обуви: просвечивая ногу в башмаке, продавец видел, насколько хорошо подходит клиенту обувь. При этом покупатель получал дозу облучения, которая по современным нормам раз в 40 превышает допустимую годовую (к счастью, ноги не являются самой уязвимой частью тела). А уж какому систематическому облучению подвергался продавец, не считал никто. Жертвами рентгеновского облучения стали сотни физиков, медиков и простых граждан.

Практически сразу после открытия Рентгена состоялось ещё одно знаменательное событие: французский физик Анри Беккерель тоже обнаружил некое проникающее излучение, засвечивающее фотопластинки сквозь чёрную бумагу. На этот раз источником излучения были соли урана. По предложению Марии Кюри явление назвали радиоактивностью.

В исследованиях свойств радиоактивного излучения самое деятельное участие приняли Резерфорд, супруги Кюри, Беккерель и многие другие физики и химики. Оказалось, что радиоактивное излучение неоднородно по своей природе: оно состоит из трёх компонент, которые назвали α, β и γ. Так, α – это положительно заряженные частицы, ядра атомов гелия; β-лучи – это энергичные (релятивистские) электроны; γ-лучи – жёсткое электромагнитное излучение, подобное рентгеновскому. Энергии всех частиц и γ-квантов очень велики, так что они способны вырывать из атомов даже очень крепко «привязанные» электроны.

Три составляющих радиоактивных излучений сильно различаются по своей проникающей способности: α-частицы задерживаются даже тонким листом бумаги, а их пробег в воздухе составляет всего несколько сантиметров; β-лучи могут пройти сквозь алюминиевую пластинку толщиной до 3 мм, а в воздухе они проходят до 4 метров; γ-лучи преодолевают несколько сантиметров свинца, а слой бетона толщиной 10 см ослабляет их поток только наполовину.

Альфа-частицы можно увидеть и невооруженным глазом, а точнее, увидеть крохотные вспышки, возникающие при попадании каждой альфа-частицы на экран, покрытый люминофором. В 1911 году Резерфорд с помощью таких микровспышек исследовал рассеяние альфа-частиц атомами и открыл атомное ядро.

На радиоактивность не влияют никакие даже самые интенсивные физические и химические воздействия: нагрев или охлаждение, изменение агрегатного состояния, обработка химическими реагентами. В 1902 году физик Резерфорд и химик Содди доказали, что радиоактивные излучения сопровождают процесс превращения одного химического элемента в другой. В некотором смысле это то, что безуспешно пытались осуществить средневековые алхимики (хотя получить золото из ртути таким способом всё же нельзя). В то время физики и химики ещё верили в неделимость и вечность атомов. С этой идеей им было непросто расстаться. Так, Дмитрий Иванович Менделеев до конца жизни (он умер в 1907 году) не смог поверить в возможность превращения одних химических элементов в другие.

О существовании атомного ядра Резерфорд узнал лишь в 1911 году, и только после этого стало понятно, что превращение одного элемента в другой связано с самопроизвольным распадом ядра, приводящим к изменению его состава. Именно потому, что это внутриядерный процесс, на него невозможно повлиять никакими изменениями внешних условий.

Любой атом в принципе может распасться, но для некоторых эта вероятность столь мала, что за время жизни Вселенной не успевает реализоваться – такие атомы мы называем стабильными. А те, для которых вероятность распада гораздо больше, мы называем радиоактивными.

Радиоактивность – процесс самопроизвольный, вероятностный. Для каждого конкретного ядра вероятность распасться в следующую секунду одна и та же, независимо от того, сколько уже существует это ядро – секунду или миллион лет. Грубо говоря, атомы не стареют, хотя и распадаются иногда. Если в некоторый момент имеется N радиоактивных атомов данного сорта, то число распадов в секунду будет пропорционально этому числу N, а коэффициент пропорциональности – это вероятность распада, постоянное число.

Со временем число исходных (материнских) ядер будет убывать по определённому закону. А именно: за равные промежутки времени количество материнских ядер уменьшается в одно и то же число раз. В качестве характеристики процесса обычно берут период полураспада Т – время, за которое число материнских ядер уменьшается вдвое. Прошло время Т – осталась половина исходных ядер, через время 2Т осталась половина от половины, то есть четверть ядер, через 3Т осталась половина от четверти, то есть ⅛ доля ядер… Математически это соответствует экспоненте.

Кстати, точно такому же временнóму закону подчиняются все процессы, при которых изменение величины за единицу времени пропорционально самой имеющейся величине. Например, число ежегодных смертей на Земле пропорционально числу жителей, и если бы не было прироста населения, число жителей уменьшалось бы, как при радиоактивном распаде, с каким-то периодом полураспада. А число родившихся по такому же закону возрастает, но со своим «периодом полувозрастания». Если эти периоды равны, численность населения стабильна. Последние столетия рождаемость доминирует над смертностью, и на Земле происходит демографический взрыв.

Ядра атомов состоят из довольно тяжёлых частиц: положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Эти две частицы называют одним словом – нуклоны. Они несут в себе практически всю массу атома, лёгкие электроны почти ничего к ней не добавляют. Именно число протонов в ядре отличает один химический элемент от другого. Почему так? Химические свойства атомов зависят от числа электронов на последней, валентной оболочке атома, а это число определяется полным количеством электронов в атоме, ведь они распределяются по оболочкам строго определённым образом. Ну а полное число электронов в атоме равно числу протонов, так как атом в целом не заряжен.

Итак, число протонов равно порядковому номеру элемента в периодической таблице Менделеева: один протон – водород, 2 протона – гелий, 3 протона – литий… 92 протона – уран.

До 1940 года таблица Менделеева заканчивалась на уране, 92-м элементе. Все элементы, начиная с 84-го, радиоактивны с большими периодами полураспада. Открытые позже трансурановые элементы с номерами 93–104 распадаются довольно быстро, так что за 4,5 миллиарда лет существования Земли они уже исчезли. Их научились синтезировать искусственно. Сейчас в таблице Менделеева представлены 104 элемента, а всего удалось синтезировать элементы до номера 118.

А вот число нейтронов в ядрах одного и того же химического элемента может немного варьироваться. На химических свойствах элемента это никак не отражается, только на массе. Атомы с одинаковым числом протонов, но отличающиеся по числу нейтронов, называют изотопами. Одни изотопы одного и того же химического элемента могут быть стабильны, а другие радиоактивны. Практически все элементы в природе встречаются в виде смеси изотопов в определённых пропорциях. Например, у водорода три изотопа. У обычного водорода (протия) ядро состоит только из протона, у тяжёлого водорода (дейтерия) ядро содержит протон и нейтрон. В ядре сверхтяжёлого водорода (трития) один протон и два нейтрона, этот изотоп радиоактивен. В природном водороде доля лёгкого водорода составляет 99,985 %, дейтерия – 0,015 %, трития практически нет. У гелия два стабильных изотопа: гелий-4 (два протона и два нейтрона) и гелий-3 (два протона и один нейтрон). Чемпион по количеству стабильных изотопов – олово: 10 изотопов.

Изотопы невозможно разделить химическими методами – только физическими, по массе. И это очень трудоёмкий процесс, буквально «поштучный».

Всего на сегодняшний день известно около 270 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов.

При распаде ядер исходного изотопа может возникнуть новый радиоактивный изотоп, который при распаде снова рождает радиоактивный изотоп и так далее. Получается цепочка превращений, в конце которой стоит стабильный изотоп. Все звенья одной цепочки образуют радиоактивное семейство.

Все встречающиеся в природе радиоактивные элементы, начиная с 84-го, принадлежат трём природным семействам. Родоначальником каждого из них является определённый долгоживущий изотоп: торий-232 (всего 232 нуклона, период полураспада 14 млрд лет), уран-238 (238 нуклонов, период полураспада 4,5 млрд лет) и уран-235 (период полураспада 500 млн. лет). Период полураспада родоначальников этих трёх семейств больше или сравним со временем жизни Земли (около 4,5 млрд лет). Эти «патриархи» изначально присутствовали в составе газо-пылевого облака, из которого сформировались Солнце и планеты. А родились они при взрывах сверхновых звёзд первого поколения (наше Солнце – это звезда второго поколения).

Конечные продукты распада трёх природных семейств – стабильные изотопы свинца (так называемый радиогенный свинец-206, 207 и 208). Помимо этих радиогенных изотопов, в земных породах присутствует стабильный «изначальный» свинец-204, не являющийся продуктом радиоактивных превращений. По содержанию радиогенного свинца в урановых рудах определяют возраст Земли (при этом предполагается, что изначально радиогенного свинца не было).

Во всех радиоактивных семействах период полураспада родоначальника гораздо больше, чем у его «потомков». В этих семействах установилось состояние векового равновесия, при котором убыль каждого члена семейства за любой промежуток времени компенсируется «прибылью» за счёт распада его непосредственного «предка». Только атомов родоначальника становится всё меньше и меньше, а конечного радиогенного свинца всё больше и больше. Но пока «патриарх» жив, живы и все его «потомки», причём их количество остаётся неизменным. Такое равновесие сохраняется до тех пор, пока не распадётся всё родоначальное вещество.

В природной урановой руде содержатся целых два радиоактивных семейства со всеми их «потомками»: урана-238 и урана-235, причём львиная доля приходится на уран-238 и его потомков. Урана-235 осталось всего 0,7 %, потому что период его полураспада в шесть с лишним раз меньше возраста Земли.

Более лёгкие естественные радиоактивные изотопы – «бессемейные», после их распада сразу получается стабильное ядро. Среди них особо отметим калий-40 с периодом полураспада около 1,3 млрд лет. Калий – довольно распространённый химический элемент, он входит в состав многих минералов. Доля радиоактивного изотопа в природном калии везде постоянна и равна 0,012 %. Калию в минералах всегда сопутствует рубидий, причём 28 % природного рубидия составляет радиоактивный изотоп рубидий-87 с периодом полураспада 49 млрд лет (почти в 11 раз больше возраста Земли).

В земной коре присутствуют все естественные радиоактивные изотопы. За 4,5 миллиардов лет существования Земли большая часть урана-235 и калия-40 уже распалась, но рубидий-87 сохранился почти полностью, урана-238 распалась только половина и только пятая часть тория-232. Энергия, выделяющаяся при радиоактивных распадах, превращается в конечном счёте в тепло (поэтому образец, содержащий достаточно много радиоактивных изотопов, тёплый на ощупь). Общее количество тепла, произведённого радиоактивными изотопами, выступает как мощный энергетический фактор, способный повышать температуру глубоких недр Земли. 3–4 миллиарда лет назад радиоактивность Земли была гораздо выше и нагревала Землю сильнее.