Лекція №1.Загальні уявлення про радіоактивність

                                    1.Вступ

                                    2.Відкриття радіоактивного випромінювання

             3. Характеристика основних типів радіоактивних випромінювань.

4.Характеристика деяких параметрів радіоактивності.

1.Вступ

            В наш час широке використання ядерної енергії в різних галузях народного господарства призводить до зростання кількості радіоактивних речовин в біосфері. Крім цього, джерелами радіоактивних забруднень є аварії на ядерних реакторах, ядерні випробування, а також втрати радіоактивних відходів при порушенні нормальних процесів їх зберігання.

            Радіонукліди, що з’являються в атмосфері, в кінцевому результаті надходять в грунт. А далі надходження радіонуклідів відбувається по трофічних ланцюгах живлення: “грунт-рослина-людина”,“грунт-рослина-тварина-людина”. Для зниження або уникнення накопичення радіонуклідів в людському організмі необхідно знати види і джерела радіоактивного випромінювання, їх міграцію, механізм надходження, радіобіологічний ефект, а також міроприємства, що перешкоджають надходженню їх в продукцію і в живі організми. Даними питаннями і займається наука радіоекологія

            Радіоекологія - це наука, що вивчає закономірності міграції радіонуклідів по біологічних ланцюгах, дію іонізуючого випромінення на живі організми, а також шляхи зниження радіонуклідів в живих організмах.

            Радіоекологія  є одним з наймолодших розділів загальної екології, активний розвиток якої розпочався практично з вибуху на Чорнобильській АЕС. Вченими були зроблені перші розрахунки можливих змін екосистем регіонального масштабу, а також для планети в цілому. Було встановлено, що природа не може пристосуватись до штучно створених радіонуклідів, яких в історії розвитку планети ще не було.

            Основними аспектами радіоекології є вивчення природного радіоактивного фону, характеру антропогенного радіаційного забруднення геосфер, рослинного, тваринного світу і населення, дослідження ефектів та встановлення нормативів іонізаційного опромінення.

            Значний внесок в розвиток радіоекології зробили Клечковський В.М., Горизонтов П.Д., Ільїн Л.А.,Алексахін Р.М., Прістер Б.С., Рассел Р.(Англія), Шулз Р.Х., Мензел Р., Ромні Е.(США), Шеффер Ф.(ФРН), Гробі А.(Франція), Ічакава Р. (Японія), Фредріксон Л.(Швеція).

            Проблеми забруднення оточуючого середовища штучними радіоактивними речовинами тісно пов"язана з використанням енергії  розщеплюваного ядра. Безпечне використання ядерної енергії в мирних цілях повинно базуватися на глибокому знанні закономірностей  міграції штучних радіонуклідів по біологічному та харчовому ланцюгах,включаючи міграцію в грунтах і рослинах.

            В результаті аварії на Чорнобильській АЕС вміст багатьох видів радіонуклідів в грунтах України багатократно збільшився.Серед них особливу небезпеку для життя людини несуть цезій-137(гама –випромінювач),стронцій-90 (бета -випромінювач) і плутоній-239 (альфа-випромінювач).

            Підвищені  рівні забруднення грунтів і рослин на території України  потребують деференційованої системи землеробства,протирадіонуклідної   меліорації грунтів і раціонального  використання мінеральних добрив.Ці вимоги  обумовлені не тільки різними рівнями забрудненості,але і неоднаковими їх  властивостями,які в значній мірі визначають рівні переходу радіонуклідів із нерозчинних форм у форми,доступні для засвоєння їх сільськогосподарськими рослинами.

            Чорнобильська катастрофа призвела до забруднення території цезієм-137 з рівнями від 0,1 до 15 і більше Кі /км² - 4,6 млн. гектарів сільськогосподарських угідь,що становить 12 відсотків загальної їх кількості в Україні.Через високий рівень забруднення із земельного обігу виведено 123 тис.гектарів угідь.

            Західний  слід радіоактивних випадків що сформувався внаслідок аварії  на Чорнобильській АЕС пройшов по північній частині Волинської  області, де повністю піддались радіаційному забрудненню Камінь-Каширський, Любешівський і Маневицький     райони,    частково - Ківерцівський, Ковельський і Рожищенський. За останніми даними щільність радіоактивного забруднення  вище І Кі  / км² характерна для 9,4 тис.га сільгоспугідь та 59,5 тис. гектар лісів.

            Грунти північної частини області переважно дерново-підзолисті піщані та торфово-болотні з високими коефіціентами переходу радіонуклідів у рослини. Це значно ускладнює радіоекологічну  ситуацію,що в свою чергу  вплинуло на медико-біологічний стан людей.

            Значна частина населення Волині (14%) проживає в 167  населених пунктах (144,7 тис.населення), з  них 49,7 тисяч віком до 18 років одержує річну сумарну ефективну еквівалентну дозу радіаційного опромінення більше 5 мзВ (0,5 бера) понад дозу,яку воно отримувало  в  доаварійний період. Основним джерелом внутрішнього опромінення,є споживання радіоактивно-забрудненого молока,що виробляється в індивідуальних підсобних господарствах  населення. Тому, основну радіоекологічну небезпеку в умовах забрудненої зони представляють лісові масиви та природні кормові угіддя,де переважно проводиться випас корів та заготівля сіна індивідуальних власників. Ось чому,крім перегляду та удосконалення основних прийомів Зведення сільськогосподарського виробництва в конкретних умовах,вищевикладені обставини вимагають докорінного перегляду відношення і в  радіозабруднених районах області до поліпшення сіножатей і створення культурних пасовищ з розрахунку 0,25-0,30га. на кожну корову суспільного та індивідуального  сектору.

            Аварія 1986 року на Чорнобильській АЕС радикально змінила радіаційні характеристики довкілля внаслідок викиду великої кількості радіоактивних продуктів ділення зі зруйнованого реактора четвертого енергоблоку. Тому постало надзвичайно важливе завдання щодо організації моніторингових робіт забруднених територій. І хоча з моменту аварії на ЧАЕС пройшло вже більше 20 років, проблем залишилось і накопичилось дуже і дуже багато. В даному навчальному посібнику розкриваються деякі актуальні питання, які стосуються використання ядерної енергії,   впливу радіоактивного випромінювання на живі організми та їх захисту від радіації.

 

 

2.Відкриття радіоактивного випромінювання

            Французький фізик А.Беккерель в 1896 році при вивченні люмінесценсії солей урану випадково виявив самовільне випускання ними випромінювання невідомої природи, яке діяло на фотопластину, іонізувало повітря, проникало через тонкі металеві пластини, визивало  люмінесценсію ряду речовин. Подружжя Кюрі виявило, що беккерелівське випромінювання характерне також і для торію, актинію, полонію, радію. Виявлене випромінювання було названо радіоактивним, а саме явище - радіоактивністю. Подальші дослідження показали, що на характер радіоактивного випромінювання не впливають вид хімічних сполук, агрегатний стан, механічний тиск,температура – тобто – всі ті дії, які могли б привести до зміни стану електронної оболонки атома. Значить, радіоактивні  властивості елемента обумовлені тільки структурою його ядра.

            Англієць Резерфорд у 1902 році розробив теорію радіоактивного розпаду, у 1911 році він же відкрив атомне ядро, і в 1919 році спостерігав штучне перетворення ядер. А. Ейнштейн, що жив до 1933 року в Німеччині, у 1905 році розробив принцип еквівалентності маси й енергії. Він пов'язав ці поняття і довів, що певній визначеній кількості маси відповідає визначена кількість енергії. Датчанин Н. Бор у 1913 р. розробив теорію будови атома, яка лягла в основу фізичної моделі стійкого атома. Дж. Кокфорт і Е. Уолтон (Англія) у 1932 р. експериментально підтвердили теорію Ейнштейна. Дж. Чедвік у тому ж році відкрив нову елементарну частку - нейтрон. Д.Д. Іваненко в 1932 р. висунув гіпотезу про те, що ядра атомів складаються з протонів і нейтронів. Е. Фермі використовував нейтрони для бомбардування атомного ядра (1934 р.). Тобто, вчені різних країн інтенсивно вивчали будову атома і робили визначні відкриття, які вилилися у можливості використання ядерної енергії у мирних та військових цілях.

 Атом має складну будову. В центрі атома знаходиться дуже щільне ядро, яке несе позитивний заряд, навколо якого з величезною швидкістю рухаються легкі негативно заряджені електрони, що складають електронну оболонку атома. В атомів різних елементів різна кількість електронів, наприклад: навколо атома водню рухається тільки один електрон, у гелію – два, у літію – три, а навколо ядра урану – 92. Кількість електронів рівняється порядковому номеру елемента в Періодичній системі Д. І.Мендєлєєва. Майже вся маса атома зосереджена в його ядрі. На долю електронів приходиться менше 0,05% маси атома. При цьому щільність ядерної речовини дуже велика, вона не залежить від розмірів ядра і становить приблизно 1,8*10¹⁷ кг/м³. Така висока щільність свідчить про величезну енергію внутрішньоядерних сил, яка може виділятись при ядерних розпадах.

            Ядра атомів утворені сукупністю позитивно заряджених протонів і нейтральних нейтронів. Ці частки, називані нуклонами, утримуються у ядрах короткодіючими силами притягання, які виникають за рахунок обмінів мезонами, частками меншої маси.

Ядро елемента X позначають як     ^А_ZХ    або X-A, наприклад уран U-235 -  ²³⁵₉₂U, де Z - заряд ядра, дорівнює числу протонів, що визначає атомний номер ядра, A - масове число ядра, рівне сумарному числу протонів і нейтронів. Ядра елементів з однаковим числом протонів, але різним числом нейтронів називаються ізотопами (наприклад, уран має два ізотопи U-235 і U-238); ядра при N = const, z = var – називаються  ізобарами.

 В наш час радіоактивністю називають здатність деяких атомних ядер самовільно (спонтанно) перетворюватись в інші ядра із спусканням різних видів радіоактивних випромінювань і елементарних часток.

            Радіоактивність розділяють на космічну (позаземну), природну (в нестійких ізотопів, які існують у природі ) і штучну (в ізотопів, які отримані в результаті ядерних реакцій). Принципової різниці між ними немає.

            Космічне випромінювання складається з галактичного та сонячного, яке змінюється залежно від активності процесів на Сонці та в його надрах. Його енергія незначна на поверхні Землі, але в межах стратосфери, іоносфери та екзосфери значення опромінення дуже зростає. Воно складається  з мезонів, нейтронів, протонів, електронів. Тут з’являються космогенні радіонукліди, які з атмосферними опадами потрапляють на поверхню Землі – тритій, вуглець – 14, берилій – 7, натрій – 22 та ін.

            Природна радіоактивність існувала від початку виникнення нашої планети і фактично всі живі організми, які народились при такому фоні, адаптувались до нього. Земних природних джерел випромінювання нині налічується близько 60 (32 – урано-радієвої та торієвої груп, 11 – інших довго живучих, таких як калій – 40, рубідій – 87 та ін.). Інша ситуація з штучною радіоактивністю, яка виникла в біосфері в зв’язку з техногенною діяльністю людини.

             У відповідності з генезисом, всі штучні радіонукліди (ШРН) розділяються на 3 групи:

·         Радіоактивні продукти ядерного поділу, які виникають в реакціях ділення ядер ²³⁵U, ²³⁸U, ²³⁹Pu та ін. Основні джерела цієї групи – випробування ядерної зброї, функціонування підприємств з ядерними реакторами. Це такі радіоізотопи як стронцій (89,90), цезій 137, йод (129, 131).

·         Продукти наведеної активності, що утворюються в результаті ядерних реакцій елементарних частинок (нейтронів) з ядрами атомів стабільних елементів, які входять до складу конструкційних матеріалів комунікацій і теплоносіїв ядерних реакторів, корпусів ядерних боєголовок і т.д.

·         Радіоактивні трансуранові елементи, які утворюються в ядерно-енергетичних установках і при ядерних вибухах в результаті послідовних ядерних реакцій (n,γ) з ядрами атомів матеріалу, який ділиться, і послідуючого радіоактивного розпаду утворених надважких ядер. Радіонукліди цієї групи (Np, Pu, Am, Cm) в основному α-активні, і характеризуються дуже високою радіотоксичністю, значним періодом напіврозпаду, відсутністю стабільних ізотопних аналогів в природі.

ШРН з періодами напіврозпаду менше 10²-10⁴ років знаходяться в грунтах в ультрамалих концентраціях, чим визначається істотна залежність їх поведінки в грунтах від концентрації і властивостей їх ізотопних або неізотопних носіїв.

            Атомне ядро, що підлягає радіоактивному розпаду називається материнським, а нове ядро, що виникло в результаті – дочірнім. Період напіврозкладу – проміжок часу, за який в середньому кількість нерозкладених ядер зменшується в 2 рази. Періоди напіврозкладу дуже різноманітні – від десятимілліонних долей секунди – до багатьох мільярдів років.

            Кількість ядер, які не розпались (N), радіоактивного ізотопу за період часу t визначається за формулою:

N=N_o˙e^-λt,  (1.1)

            Де: N_o – кількість ядер в початковий період часу;

е – основа натурального логарифму;

λ – постійна радіоактивного розпаду.

            Постійна радіоактивного розпаду може бути виражена через період напіврозпаду:

λ = 0,693/Т_1/2  (1.2)

Кількість ядер, які розпались за одиницю часу, називають активністю (А) радіоактивної речовини і визначається за формулою:

А = λ·N       (1.3)

До основних видів радіоактивного розпаду відносять α-розпад, β-розпад, електронний захват та спонтанне ділення. Всі ці види радіоактивності часто супроводжуються  γ-випромінюванням, тобто «жорстким» потоком фотонів із малою довжиною хвилі.

            Під час α-розпаду радіоізотопи випускають ядра атомів  ₂⁴Не, β-розпад супроводжується випусканням електронів. При електронному захваті ядро атома поглинає один з електронів атомної оболонки; взаємодія цього електрона з протоном ядра приводить до утворення нейтрону, при цьому сам елемент перетворюється на інший елемент із зменшенням на одиницю зарядом ядра:

                                                            Е^-  +  р  = п⁰

            Спонтанне ділення – це самочинний розподіл ядер важких елементів на два та більше ядер атомів елементів, які знаходяться всередині Періодичної системи і при цьому ядро випускає декілька нейтронів. В процесах ядерних розподілів можуть утворюватись також і інші частинки (протони, позитрони, мезони).

            Радіоізотопи проходять складні перетворення (розпади ядер, які супроводжуються певними променями або частками) і через певний проміжок часу (залежно від періодів напіврозпаду) вони стають стабільними. Наприклад, шлях перетворення криптону:

                                    

	33 c		2,7 хв		28 років		65 год
90Kr		90Rb		90Sr		90Y		90Zr	стабільний
	β		β		β		β

 Радіоактивність – невід’ємна характеристика навколишнього середовища (фонова радіація), яка існувала ще до появи на планеті людини. Тривалий час на фонову (природну)  радіацію вчені не звертали уваги. Її ніби не існувало. Однак сьогодні вчені вважають, що фонова радіація впливає на загальний рівень радіоактивного забруднення, викликаний діяльністю людини.

            Таким чином, природний фон випромінювання – це еквівалентна доза іонізуючого випромінювання, що створюється космічним випромінюванням та випромінюванням природних радіоізотопів, які знаходяться в поверхневому шарі Землі, атмосфері та організмі людини. В різних місцях планети природний радіаційний фон неоднаковий. В Бразилії є місто, де природний радіаційний фон перевищує нормальний у 800 разів. Аномально високий рівень радіаційного фону зустрічається також в окремих місцях Індії, Франції, Ірану і в Житомирській, Миколаївських областях  - від 16 до 70 мкр/год.

 3. Характеристика основних типів радіоактивних випромінювань.

            Отже, альфа-випромінення представляє собою потік альфа-часток, які розповсюджуються з початковою швидкістю близько 20 тис. км/с. Їх іонізуюча здатність величезна, а поскільки на кожний акт іонізації витрачається певна кількість енергії, то їх проникача здатність незначна:довжина пробігу в повітрі складає 3-11 см,  а в рідких і твердих середовищах – соті долі міліметра. Лист щільного паперу повністю їх затримує. Зовнішнє опромінення альфа-частками практично нешкідливе, але надходження їх всередину організму дуже небезпечне.

            Бета – випромінення – потік бета-часток, які в залежності від енергії випромінення можуть поширюватись із швидкістю, близькою до швидкості світла (300 тис. км/с). Заряд бета-часток менший, а швидкість більша, ніж у альфа-часток, тому вони мають меншу іонізуючу, але більшу проникаючу здатність. Довжина пробігу складає в повітрі до 20 м, у воді  і живих тканинах – до 3 см, в металі до 1 см. На практиці β-частки майже повністю поглинаються вікнами або металевими пластинами товщиною в декілька мм. Зовнішнє опромінення бета-частками практично представляє небезпеку лише у випадку попадання радіоактивних речовин безпосередньо на шкіру, очі або всередину організму.

            Нейтронне випромінення представляє собою потік нейтронів, швидкість поширення яких досягає 20 тис. км/с. Так, як нейтрони не мають електричного заряду, вони легко проникають в ядра атомів і захоплюються ними. При ядерних аваріях більша частина нейтронів виділяється за короткий проміжок часу, легко проникають в живу тканину. Тому нейтронне випромінення володіє сильною уражаючою дією при зовнішньому опроміненні.

            Гамма-випромінювання – це електромагнітне випромінювання, яке випускають ядра атомів при радіоактивних перетвореннях. Воно, як правило, супроводжує  бета – розпад, рідше – альфа – розпад. Воно представляє собою електромагнітне поле з довжиною хвилі 10^-8 – 10^-11 см, випускається окремими квантами і поширюється із швидкістю світла. Іонізуюча здатність його значно менша, ніж у бета-часток, і тим більше – у альфа – часток. Але гамма-випромінювання володіє найбільшою проникаючою здатністю і в повітрі може поширюватись на сотні метрів. Через це гамма-випромінювання є найважливішим фактором поражаючої дії радіоактивного опромінення при зовнішньому надходженні.

            Рентгенівське випромінення (Х-промені) має аналогічну фізичну природу  і властивості, як і гамма-випромінювання. Їх розрізняють перш за все за способом отримання, і на відміну від гамма-променів, вони мають позаядерне походження. Енергія квантів рентгенівського випромінення дещо менша, ніж гамма-випромінювання більшості радіоактивних ізотопів;відповідно до цього дещо нижча їх проникаюча здатність. Кращими захисними матеріалами від рентгенівського випромінювання є важкі метали – свинець.

                  4.Характеристика деяких параметрів радіоактивності.

            Завдяки високій енергії радіоактивне випромінювання здатне відривати електрони із орбіталей та створювати позитивно та негативно заряджені іони.

            Кількість радіоактивної речовини прийнято оцінювати її активністю, під якою розуміють кількість радіоактивних розпадів ядер атомів за одиницю часу (розпадів за секунду). За одиницю активності прийнято кюрі, яка названа в честь прізвища Марії Кюрі – польської вченої, яка відкрила штучну радіоактивність. Отже, кюрі – це така кількість радіоактивних речовин, в якій відбувається 37 млрд. розпадів ядер атомів за секунду: 1 кюрі (Кі) = 3,7 * 10 ¹⁰ розп/с.

            В системі СІ одиницею вимірювання є  Беккерель - 1 кюрі (Кі) = 3,7 * 10 ¹⁰ Бк.

            Активність радіоактивної речовини не характеризує іонізуючої дії на організм. Така дія характеризується дозою випромінювання (опромінення).

Дозою опромінення називається енергія випромінювання, поглинута в одиниці  об”єму або маси речовини за весь час дії випромінювання. Доза опромінення є мірою уражаючої дії радіації на організми. Є три види доз: експозиційна, поглинута і еквівалентна.

Доза    опромінення, яка характеризує іонізаційний ефект рентгенівського і гамма-випромінювання в повітрі називається експозиційною. Саме її вимірюють дозиметричними приладами. Її вимірюють в рентгенах (Р), а в системі СІ – Кл/кг.

Поглинута доза опромінення – це кількість енергії різних видів іонізуючих випромінювань, поглинута одиницею маси даного середовища. За одиницю поглинутої дози опромінення приймають джоуль на кілограм (Дж/кг) – грей, а позасистемна – рад.

Еквівалентна доза – враховує ту ситуацію, що різноманітні види випромінювань створюють різний біологічний поражаючий ефект. Наприклад, альфа- випромінювання в 20 разів шкідливіше  за аналогічну дію гамма-випромінювання. Позасистемною одиницею цієї дози є бер, а в системі СІ – зіверт(Зв).  1бер = 0,01 Зв.

Рівень радіації (потужність дози) характеризує інтенсивність випромінювання (як правило - гамма-випромінювання). Це доза, яка створюється за одиницю часу і характеризує швидкість накопичення дози. Вимірюється в рентгенах за годину (Р/год). Чим більший рівень радіації (фон), тим менше часу повинні знаходитись на забрудненій території люди, щоб отримана ними доза опромінення не перевищувала допустиму.

Ступінь забруднення радіоактивними речовинами характеризується щільністю забруднення, яка вимірюється кількістю радіоактивних розпадів атомів за одиницю часу на одиниці поверхні, в одиниці маси і об”єму. Вимірюється в Кі/км² або Бк/ км².