Текст книги "Физика в быту"

Природные образцы руд являются источником всех трёх радиоактивных излучений: α, β и γ. Это потому, что они содержат целые семейства радиоактивных изотопов. Но каждый конкретный изотоп претерпевает определённый тип распада (в немногих случаях возможны два канала распада одного и того же изотопа): для одних изотопов это α-распад, для других – β-распад.

При альфа-распаде ядро «выплёвывает кусок», состоящий из двух протонов и двух нейтронов. Это и есть альфа частица – очень прочное ядро гелия. Они вылетают из материнских ядер с огромной скоростью, но быстро расходуют свою энергию на ионизацию встречных молекул, «обрастают» электронами и становятся обычными атомами гелия. Альфа-распады элементов в земной коре – это постоянный и единственный поставщик гелия на Земле. Поставки невелики, так что гелий весьма дорогой газ.

При β-распадах из ядра с огромной скоростью вылетает электрон или его положительный двойник позитрон. Самое интересное, что исходно их в ядре не было! Откуда же они взялись? Электрон рождается при превращении одного из нейтронов ядра в протон. Если же, наоборот, протон превратился в нейтрон, вылетает позитрон. Одновременно с позитроном или электроном всегда рождается ещё одна частица – легчайшее и неуловимое нейтрино или антинейтрино. Но все виды нейтрино столь слабо взаимодействуют с веществом, что мы их просто не замечаем. Каждую секунду ваше тело пронизывают миллиарды нейтрино без каких бы то ни было последствий. Так что в дальнейшем в этом разделе о нейтрино больше упоминать не будем.

Гамма-кванты могут рождаться как в актах α-распадов, так и при β-распадах. Это сопутствующее излучение.

В земных радиоактивных семействах реализуются β-распады с рождением электронов. А в недрах Солнца по мере превращения ядер водорода в ядра гелия (именно этот термоядерный процесс является источником солнечной энергии) происходят превращения протонов в нейтроны с рождением позитронов.

Третья составляющая понятия радиация – это космическое излучение. Оно было открыто в 1912 году, когда австрийский физик Виктор Франц Гесс поднялся в воздух на воздушном шаре и измерил концентрацию ионов воздуха на разной высоте. Ожидалось, что она будет падать, так как предполагалось, что ионизацию вызывают радиоактивные излучения земных недр. Но на большой высоте ионизация даже возрастала! Это означает, что некие ионизирующие излучения идут сверху, из космоса.

Верхние слои атмосферы бомбардируют первичные космические лучи – галактическое и солнечное излучения.

Галактическое излучение – это заряженные частицы громадных энергий. Для получения такого рода энергичных частиц в научных целях построили Большой адронный коллайдер (БАК), но ему далеко до галактических частиц! Нечасто, но в галактических лучах попадаются частицы с энергиями, во много миллиардов раз превышающими максимальную энергию, которую обеспечивает БАК! Источником таких энергичных частиц, вероятно, являются взрывы сверхновых; затем частицы блуждают в Галактике, удерживаемые её мощными магнитными полями. 90 % галактических лучей составляют протоны, 10 % – ядра гелия и других лёгких атомов; относительно немного электронов и позитронов. Присутствуют и гамма-кванты.

Космонавты на Международной космической станции (МКС) время от времени ощущают вспышки света в одном или другом глазу. Каждая вспышка вызвана попаданием в глаз галактической частицы с огромной энергией.

Свой вклад в первичные космические лучи даёт и Солнце. Ежесекундно оно выбрасывает в окружающее пространство около одного миллиона тонн своего вещества: протонов, электронов и немного ядер гелия. Они образуют солнечный ветер, который вызывает возмущения геомагнитного поля и полярные сияния. При спокойном Солнце интенсивность солнечного космического излучения в 20 раз меньше, чем галактического. Но во время мощных вспышек именно солнечные космические лучи представляют наибольшую опасность для космических путешественников и пассажиров самолётов.

Радиационные пояса Земли и атмосфера защищают нас от первичного космического излучения. До земной поверхности доходят лишь вторичные космические лучи. Они возникают в атмосфере в результате взаимодействия первичных частиц с ядрами молекул воздуха. Протоны высокой энергии, врезаясь в ядра, рождают большое число самых разных вторичных частиц, которые в свою очередь сталкиваются с ядрами и создают новые частицы… Такой каскад частиц называют широким атмосферным ливнем. До поверхности Земли долетают в основном лёгкие частицы: электроны, позитроны, нейтрино, гамма-кванты и некоторые другие. Протоны первичных лучей до поверхности не доходят. От одного галактического или солнечного протона с высокой энергией получается широкий атмосферный ливень, покрывающий площадь в несколько квадратных километров!

По своим защитным свойства земная атмосфера приблизительно эквивалентна 80-сантиметровому слою свинца.

Глава 2
Дозы и риски

Здесь мы обсудим: как радиация действует на человека, и как можно измерить количественно это воздействие; что такое поглощённая, эквивалентная и эффективная дозы, и каково действие на человека малых и больших доз облучения.

В начале XX века меры безопасности не применялись ни при работе с рентгеновскими трубками, ни при контакте с радиоактивными веществами. Более того, эти передовые достижения науки вызывали неумеренный энтузиазм и стремление внедрить их не только в технику и медицину, но и в быт.

В 1898 году Мария и Пьер Кюри открыли новый химический элемент – радий, радиоактивность которого была гораздо сильнее, чем у урана такой же массы. Радий (что значит «лучистый») – член уранового семейства, период его полураспада всего 1680 лет. Чистый металлический радий был впервые выделен в 1910 году. Тогда цена одного грамма радия соответствовала цене 160 кг золота! Это был самый дорогой металл. За сто лет во всём мире удалось выделить около 1,5 кг чистого радия.

С 1920-х годов началось настоящая мода на радиоактивность. Радиация убивает микробов! Кроме того, обогащённые радием вещества самопроизвольно светятся (явление называется радиолюминесценцией). В рекламе тех лет сообщалось, что зубная паста с радием избавит от кариеса и придаст блеск зубам. Соли радия и тория добавляли в дорогую косметику и парфюмерию: кремы и пудры, мыло, соль для ванн, сосуды для обеззараживания воды… Выпускали сигареты с радием и даже продукты питания с радием! Радиоактивная минеральная вода, омолаживающие пилюли, шоколад… Радий использовался в производстве шерстяных изделий для детей и взрослых, подушек, одеял, матрасов. Считалось, что радиация способствует омолаживанию клеток тела.

Надо сказать, что по своим химическим свойствам радий похож на кальций. Попав в организм, он накапливается в костных тканях и разрушает их изнутри, испуская альфа-частицы. Кроме того, радий воздействует на костный мозг. Так что любители радиевой продукции в итоге сильно пострадали. К счастью, продукты радиевой индустрии были доступны только весьма состоятельным и поэтому немногочисленным людям. В 1932 году употребление радиевых «эликсиров здоровья» было запрещено.

Люминесценцию солей радия использовали для изготовления самосветящихся красок. Вплоть до 1960-х применялась так называемая светомасса постоянного действия на основе солей радия. Её наносили на шкалы часов, будильников, компасов, оружейных прицелов и всевозможных измерительных приборов, чтобы можно было их видеть в темноте. В отличие от фосфора, радиевая светомасса может светиться столетиями, ведь период полураспада радия 1680 лет! Если вам попадётся старый прибор со светящейся в жёлто-коричневой гамме шкалой или ёлочная игрушка начала XX века с постоянно светящимся желтоватым рисунком, то скорее всего, это та самая радиевая краска. Дозиметр вблизи таких объектов показывает уровень гамма-радиации, в сотни раз превышающий фоновый. Но на расстоянии двух метров излучение уже не опасно.

Сейчас радиевые краски не используют для шкал гражданских приборов – только для военных. Вместо радия применяют гораздо менее опасные изотопы с небольшими периодами полураспада и более мягким гамма-излучением.

Для добычи одного грамма радия требуется переработать три тонны урановой руды. С расцветом радиевой индустрии появилось много «лишнего» урана. Он тоже нашёл себе применение. Различные химические соединения урана имеют самые разные цвета, причём очень яркие и насыщенные: оранжевый, жёлтый, красный, синий, зелёный и прочие. Это их свойство стали применять при изготовлении цветной глазури для керамической плитки, посуды, ювелирных украшений и даже предметов мебели. При отделке примерно четверти всех домов и квартир, построенных в США в 1920–1940 годы, использовались плитки с урановой глазурью. В глазурь керамической посуды чаще всего добавляли триоксид урана, имеющий ярко-оранжевый цвет. Такая посуда была популярна в 1930–1950 годы, она ещё сохранилась в некоторых в домах – проверьте свои шкафы!

Вплоть до 1950-х производилось также урановое стекло. Оно имеет красивый зеленоватый оттенок, красиво блестит, а при освещении ультрафиолетом ещё и флюоресцирует. Стекло с добавлением урана начали выпускать ещё в 1830-х, причём до Второй мировой войны использовался природный уран – минерал, содержащий, помимо урана, все радиоактивные члены урановых семейств и обладающий поэтому высокой активностью. Содержание такого урана в некоторых стёклах 1920-х годов достигало 25 %! После войны, когда выпуск уранового стекла ненадолго был возобновлён, в него уже добавлялся чистый уран без «потомков», так что активность новых стёкол была гораздо ниже, а массовая доля урана обычно не превышала 2 %. Из уранового стекла делали всевозможную посуду, а также украшения. Посуда не представляет особой радиационной опасности для потребителя (особенно если хранится в серванте за стеклом); но вот стеклодувы, работавшие со стеклом, пострадали очень серьёзно.

Урановое стекло перестали выпускать, главным образом, потому, что уран стал ценным стратегическим сырьём для военной промышленности, а также для атомных электростанций. К тому же стоимость урана очень сильно выросла.

Постепенно накапливались данные по негативному действию ионизирующих излучений на организм человека. Так, с середины 1920-х начали болеть работницы американской часовой фабрики, производящей часы с радиевой светомассой. Работницы смачивали слюной палитры, на которых разводили радиолюминесцентную краску, и вскоре у них начали выпадать зубы и разрушаться челюсти, были и смертельные исходы. Многие учёные – пионеры изучения радиоактивности – впоследствии умерли от хронической лучевой болезни. Ведь первичное действие радиации на организм не ощущается человеком (если доза не смертельна), симптомы лучевой болезни проявляются лишь спустя некоторое время.

В 1934 году в возрасте 66 лет от лучевой анемии угасла Мария Кюри. Её дочь Ирен, также работавшая с радиоактивными препаратами, умерла от лейкемии.

Чтобы контролировать воздействие радиации на человека, в 1921 году во многих странах были созданы национальные комитеты по защите от ионизирующих излучений. Они решали вопросы об измерении доз этих излучений и об их воздействии на живые и неживые объекты. Вскоре была введена первая единица измерения таких излучений – рентген (Р). Она характеризует способность излучения создавать ионы в сухом воздухе. С 1990 года эта единица не используется, однако вы можете ещё встретить старые дозиметры, отградуированные в рентгенах.

В процессе взаимодействия ионизирующего излучения с веществом часть энергии излучения поглощается. Именно поглощенная энергия – исходная мера вредоносности всех последующих процессов, которые в конечном итоге приводят к биологическим изменениям в живом организме. Количественно действие ионизирующего излучения (независимо от его природы) оценивается по энергии, переданной живым тканям.

Энергия ионизирующего излучения любого вида, поглощённая одним килограммом вещества, называется поглощённой дозой. Единица её измерения Дж/кг (мы не будем здесь приводить название этой единицы, чтобы не запутать читателя новыми словами).

Но при одной и той же поглощённой дозе степень поражения биологических тканей разными видами излучений (α, β, γ-излучениями, рентгеновскими лучами, заряженными частицами космических лучей) различается. Чтобы учесть эти различия, ввели коэффициент относительной биологической эффективности К (можно было бы назвать его коэффициентом вредоносности). Для рентгеновского, β и γ-излучений К = 1. Альфа-излучение радиоактивных ядер при той же поглощённой дозе в 20 раз опаснее, потому что на единице своего пути альфа-частицы производят гораздо больше ионов. Для α-излучения принято К = 20. Для всех других частиц в зависимости от их энергий имеются свои значения К.

Чтобы оценить совокупный вред всех видов излучений, ввели понятие эквивалентной дозы. Для её вычисления поглощённую дозу каждого вида излучений умножают на соответствующий данному виду коэффициент К, а потом всё суммируют – это и есть эквивалентная доза, количественная мера биологического воздействия облучения. Единицей её измерения является зиверт (Зв). Именно в зивертах мы будем приводить в дальнейшем значения тех или иных доз. При этом мы можем не конкретизировать, о каких видах излучений идёт речь – достаточно числового значения эквивалентной дозы в зивертах.

1 Зв – это энергия излучения, поглощённая одним килограммом биологической ткани, при которой её воздействие эквивалентно поглощенной дозе рентгеновского излучения 1 Дж/кг.

Единица введена в 1963 году и названа в честь шведского специалиста в области дозиметрии и радиационной безопасности Рольфа Максимилиана Зиверта.

Для сопоставления единицы «зиверт» с единицей «рентген» можно приблизительно принять 1 Зв = 100 Р.

Наконец, есть ещё эффективная эквивалентная доза. Дело в том, что чувствительность разных органов к ионизирующим излучениям различна. Наиболее уязвимы половые железы, затем идут красный костный мозг, лёгкие, желудок и толстый кишечник. Это значит, что при облучении одной и той же дозой лёгкие могут пострадать сильнее, чем, скажем, щитовидная железа. Для каждого органа вводится свой коэффициент радиационного риска. Эквивалентную дозу умножают на коэффициент радиационного риска каждого из органов, а затем всё суммируют – получается эффективная эквивалентная доза. Она рассматривается как мера риска возникновения отдалённых последствий облучения. Измеряется также в зивертах. В дальнейшем мы будем иметь ввиду именно эффективную эквивалентную дозу, которую для краткости зачастую будем называть просто дозой.

1 Зв – это весьма большая доза. В нормальной жизни мы сталкиваемся с дозами порядка миллизивертов (1 мЗв = 0,001Зв).

Мощность дозы – это доза, поглощаемая за единицу времени: секунду, час или год. Обычно она измеряется в микрозивертах в час (мкЗв/ч, где 1 мкЗв = 0,001 мЗв).

Для измерения доз ионизирующего излучения служат различные дозиметры. Бытовой дозиметр регистрирует гамма-излучение и β-частицы (электроны). Шкалы дозиметров градуируются в единицах дозы (мЗв) или мощности дозы (мкЗв/ч). Для регистрации альфа-излучения обычные дозиметры не годятся, так как альфа-частицы не могут пройти через окошко измерителя; тут нужны гораздо более дорогие альфа-радиометры.

Теперь, когда мы вооружены единицами измерения, можно говорить о степени вредоносности облучения при тех или иных эквивалентных эффективных дозах.

Действие ионизирующих излучений на живые ткани никак не связано с их нагреванием, в отличие от действия неионизирующих излучений. Даже смертельная доза радиации, если перевести переданную тканям энергию в тепло, нагрела бы тело лишь на тысячные доли градуса. В основе действия радиации на живые ткани лежит процесс ионизации молекул, приводящий к образованию химически активных радикалов. Они вступают в реакции с органическими молекулами клеток, вызывая химические изменения, в результате которых функционирование клетки нарушается. Наиболее чувствительны к облучению ядра клеток, а самые опасные последствия связаны с повреждением ДНК.

Ежегодно каждая клетка тела испытывает по крайней мере одно радиационное повреждение. Но организм умеет с ними справляться. Считается, что примерно 90 % радиационных повреждений восстанавливается.

Если доза радиации превысит определённый порог (порядка 500 мЗв), может развиться иммунодефицитное состояние, возрастает риск онкологии. Но не только. Большие дозы могут вызывать болезни сердца, инсульты, нарушение пищеварения и респираторные заболевания.

При единовременном облучении потенциально опасными считаются дозы, начиная примерно с 50 мЗв (0,05 Зв). Если облучаться постепенно, в течение года, то потенциально опасны дозы более 200 мЗв в год.

Влияние средних и больших доз радиации довольно хорошо изучено: чем больше доза, тем больше хромосомных повреждений и больше риск заболеваний. Эта простая линейная зависимость работает при дозах выше 300 мЗв. Влияние радиации при таких дозах носит накопительный характер.

Смертельной считается доза 5–6 Зв, полученная за короткий промежуток времени. Большинство людей такая доза убивает, но кто-то выживает, так как все отличаются по своей радиационной устойчивости. Так, некоторые ликвидаторы, работавшие в подвалах Чернобыля, получили дозы до 10 Зв, но остались живы. Вероятно, повышенная радиорезистентность отдельных индивидов имеет генетическую природу.

Некоторые простые организмы – насекомые, черви, растения – обладают поразительной радиационной устойчивостью. Например, микроскопические беспозвоночные тихоходки выдерживают дозы радиации до 5000 Зв! Учёные надеются выявить «ген радиационной устойчивости». Возможно, в далёком будущем само выживание человечества будет возможным лишь при повышении радиорезистентности популяции.

Средние и высокие дозы лучше растянуть на как можно больший срок, чтобы у организма было время на починку повреждений. Так, если получить единовременно дозу 1 Зв, лучевая болезнь разовьётся в 50 % случаев. Но если такую дозу набирать постепенно, за 50–70 лет (в год получается по 15–20 мЗв), то скорее всего обойдётся без неблагоприятных последствий.

При более низких дозах всё не так однозначно: одна и та же доза, поглощённая в течение разных промежутков времени, оказывает разное действие. Так, дозу 10 мЗв (возможная доза при медицинской компьютерной томографии грудной клетки) лучше получить сразу, не растягивая, скажем, на месяц, тогда организм лучше справится с последствиями повреждений. А доза 150 мЗв, полученная хоть сразу, хоть частями, несёт примерно одинаковые риски возникновения раковых заболеваний. К сожалению, нормы радиационной безопасности таких нюансов не учитывают.

Кроме того, надо различать внешнее и внутреннее облучения. Второе гораздо опаснее.

При внешнем облучении наибольшую опасность представляют γ-лучи, так как они проникают в ткани на большую глубину. Внешнее α– и β-излучения менее опасны, так как они не достигают внутренних органов человека. Альфа-излучение поражает кожу и роговицу глаза; β-излучение проникает в живые ткани на несколько сантиметров. Иногда его применяют в лучевой терапии для лечения поверхностных опухолей.

Внутреннее облучение возникает, когда радиоактивные изотопы попадают в организм с воздухом, водой, пищей, через открытые раны и ожоговые поверхности. Оно поражает все органы. При внутреннем облучении опасны все виды радиации.

Есть две основные точки зрения на малые дозы. Первая: сколь угодно малые дозы несут опасность, и чем меньше радиации, тем лучше (линейная беспороговая теория). Вторая: до определённого порога малые дозы не опасны и даже полезны.

Сейчас больше склоняются ко второй точке зрения. Опыты на животных и растениях, которых экранировали от радиации, показали, что они хуже развиваются. Если же создать на какое-то время уровень радиации чуть выше фонового, то жизнеспособность организмов даже повышается. Такое стимулирующее гамма-облучение стали использовать для повышения всхожести семян и жизнестойкости эмбрионов домашних птиц. Ещё пример: камень сердолик издавна ценится как охраняющий от болезней. Между тем он умеренно радиоактивен.

Есть специальный термин: гормезис. Это стимулирующее действие определённых малых доз стрессового фактора, не только радиации. Например, обливание холодной водой – это тоже гормезис. Кратковременный стресс провоцирует защитную реакцию организма. Ключевое слово – кратковременный. Что касается величины стимулирующих доз, то это дело индивидуальное (кто-то обливается прохладной водой, а кто-то купается в проруби). В те времена, когда ничего ещё не знали о радиации, уже использовали явление гормезиса. Так, радоновые озёра, в воде которых растворён радиоактивный газ радон, и которых много на северо-западе нашей страны, всегда считались целебными, особенно при кожных заболеваниях. А многие известные курорты (Пятигорск в Ставропольском крае, Белокуриха на Алтае, Цхалтубо в Грузии, Висбаден, Баден-Баден в Германии и другие) отличаются повышенным радиационным фоном.

Длительное действие очень малых доз радиации, как это ни парадоксально, может быть хуже, чем действие умеренно слабых доз. Дело в том, что слишком слабое воздействие радиации наш организм просто не распознаёт, «не бьёт тревогу» и не включает механизмы защиты от повреждений, которые постепенно накапливаются и накапливаются.

Учёные пришли к выводу, что те малые дозы облучения, которые создаются естественным радиационным фоном, нам необходимы, как необходимы естественные электромагнитные поля.

30–35 тысяч лет назад, когда вид «человек разумный» только-только появился, естественный радиационный фон на Земле был выше современного в несколько раз. Возможно, это было связано со вспышкой недалёкой сверхновой.