Нагромождение слухов и страшилок вокруг таких понятий, как радиация, ионизация, гамма излучение, рождают путаницу и страхи у всех, кто не является дозиметристом-радиологом или физиком-ядерщиком. Попробуем разобраться в обилии фактов и разрозненных знаний, полученных обывателем в основном из средств массовой информации.
Терминология и теория
Для понимания основ допускаем, что всем известно о строении атомов всех веществ. Ядро и электроны, вращающиеся вокруг него, образуют систему с нейтральным зарядом. Если один или несколько электронов выбить из этой системы, атом приобретет определенный заряд и будет называться ион.
Выбивание электронов из системы ядро-электроны и есть процесс ионизации. Радиация - это и есть ионизирующее излучение, пучок частиц, выбивающих электроны, придающий атомам особенные свойства.
Всего известно три вида излучений, способных привести к ионизации элементарных частиц. В названии использованы греческие буквы: альфа-, бета- и гамма-излучение.
Излучения - какие они?
Любое из этих излучений - это высокоскоростной поток частиц, размер которых меньше атома. Ионизирующие частицы представляют опасность, пока они движутся. Но движение не может быть постоянным и, выбиваются электроны или нет, частицы теряют свою скорость и останавливаются. После чего они или остаются в веществе, или им поглощаются.
Все имеет время своего существования, и радиоактивные (ионизирующие) частицы не исключение. Упомянутые три вида излучений образованы разными частицами (их называют квантами) с различной скоростью и степенью проникания в вещество.
Альфа, бета, гамма
Излучение первой группы состоит из альфа-квантов, которые очень быстро теряют скорость, потому что тяжелые. Их жизненный путь всего несколько десятков микрометров.
Второй вид излучения образуют бета-кванты, отличающиеся очень большой скоростью. Проникающая способность их больше и в живой организм они проникнут на несколько миллиметров.
Гамма излучение это поток гамма-квантов, наделенных большой энергией и летящих со скоростью света, наиболее скоростные кванты, которые обладают свойствами частиц и волн.
В ключе наибольшей опасности по воздействию на человека гамма-излучение стоит на первом месте.
В чем опасность?
Альфа-кванты, конечно, очень интенсивны, но лист обычной бумаги станет для них непроходимым барьером. К тому же для воздействия необходимо ну очень близко находиться к объекту излучения.
Бета-частицы имеют маленькую массу и легко меняют направление движения при наличии препятствий. Обычное окно не пропустит это излучение. При прямом соприкосновении с телом человека поток бета-квантов может вызвать ожоги кожи.
Гамма-излучение, в отличие от альфа- и бета-, имеет огромную проникающую способность. Кроме того, особенность этого вида в том, что под его воздействием разрушение атома вещества происходит с образованием нового нестабильного по состоянию элемента.
Именно это излучение чаще всего понимают под радиацией. От него не спасет стеклянная преграда - тут необходимы экраны из свинца и мощные конструкции из бетона.
Как это работает?
Суть механизма разрушающего воздействия гамма-квантов:
- На своем пути кванты оставляют за собой ионы, которые, в свою очередь, становятся источником ионизации.
- Проходя через клетки живого организма, часть молекул разрушается и превращается в яд.
- Это излучение является сильнейшим мутагеном, который вызывает изменения на всех уровнях генетического материала.
Наиболее подвержены повреждениям те клетки организма, которые быстро делятся. Мутации передаются последующим поколениям клеток, усугубляя положение. Так, первыми страдают система образования клеток крови, лимфатические узлы, репродуктивные клетки, пищеварительные органы и волосяные сумки.
Откуда это все берется?
Естественные источники гамма-излучения существовали задолго до освоения человеком ядерной физики. Искусственные источники - объекты ядерной энергетики - не зря вызывают повышенное внимание специалистов в сфере безопасности.
Важно помнить, что получить в быту дозы облучения, представляющие серьезную опасность для жизни, почти невозможно. И близость к объектам атомной энергетики тут ни при чем.
Из естественных возможностей облучения можно выделить внешнее и внутреннее. Внешнее происходит в нашей жизни постоянно - радиация Солнца и космических галактик, излучения горных пород, особенно вулканических, и воздуха. Внутреннее вызывается продуктами или водой, попадающими в наш организм.
Уровень излучения (радиационный фон) бывает далек от среднего показателя. Есть места, где он всегда повышен, например, высокогорные местности, вблизи вулканов, а еще на космических кораблях и в кабинах авиалайнеров.
Человечество приспособилось жить в существующих диапазонах излучений и сформировало определенный биологический запас прочности, что без видимых нарушений позволяет выдержать облучение во много раз большее.
А как же польза?
Как известно, все в нашем мире дуально. И гамма-излучение не исключение. При умелом обращении и использовании современного оборудования и средств защиты и оно приносит пользу человеку. Вот лишь несколько примеров использования гамма-квантов:
- стерилизация оборудования и инструментов в медицине;
- гамма-дефектоскопия - эффективный метод сверхточного определения дефектов деталей;
- определение расстояний - от глубины скважин и особенностей полостей земной коры, до космических измерений;
- в биотехнологии применяют гамма-облучение для получения мутантных организмов для выведения новых пород животных и сортов растений;
- как элемент лучевой терапии при лечении онкологических заболеваний.
Способы защиты
Как уже говорилось, природный фон не может стать существенным элементом заражения. Но после развития ядерной энергетики и освоения энергии полураспада радиоактивных частиц, облучение может настигнуть нас внезапно. Трагедия на Чернобыльской АЭС продемонстрировала миру неготовность к таким последствиям в освоении мирного атома.
Эффективны в целях защиты от гамма-излучения только специализированные убежища. Но и подвал дома ослабит воздействие от излучения в тысячу раз.
Не лишним будет и внимательное отношение к предметам со специальной маркировкой. Например, в датчиках пожароопасности используется радиоактивный плутоний. А циферблаты датчиков обледенения и водолазных часов содержится соль радия 226. Снаружи эти предметы не опасны, но не стоит их разбирать.
Меры предосторожности
В уголовном кодексе предусмотрена статья за намеренное или случайное радиоактивное загрязнение. Поэтому если вы обнаружили предмет с радиационной маркировкой, то:
- не разбирайте его и не выбрасывайте;
- сообщите в специализированную службу;
- обезопасьте себя и окружающих, отойдя на возможное расстояние от источника.
Личная профилактика сводится к тщательному мытью рук, ведь загрязнение радиоактивного характера передается подобно бактериальному.
В ядрах одного и того же элемента число нейтронов может быть различным, а число протонов всегда одно и то же. Такие ядра называются изотопами . Например, в ядрах водорода всегда 1 протон, а число нейтронов может быть 0, 1, 2, 3, 4, 6.
Радиоактивность
Радиоактивность - явление самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента. При этом испускаются частицы, обладающие большой проникающей способностью.
Например, радиоактивный элемент радий превращается в другой химический элемент - радон с выделением гелия.
В 1899 г. Э. Резерфорд провел опыт, в результате которого было обнаружено, что радиоактивное излучение неоднородно. Существуют три различные частицы с разными зарядами. Альфа-частица - положительно заряженная (лишенный электронов атом гелия), бета-частица - отрицательно заряженная (электрон), и нейтральная гамма-частица (фотон).
Три вида излучения обладают разной проникающей способностью. Самые поникающие - гамма-лучи. Они легко проходят через вещество. Чтобы их остановить нужна свинцовая пластина толщиной 5 см, либо 30 см бетона, либо 60 см грунта.
Ядерные реакции
Альфа-распад
Пример: 
где - альфа-излучение - ядра гелия.
Этот распад наблюдается для тяжелых ядер с А>200. При альфа-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который в таблице Менделеева расположен на 2 клетки ближе к ее началу, чем исходный.
Бета-распад
Пример: 
где - бета-излучение - электроны.
При бета-распаде одного химического элемента образуется другой химический элемент, который расположен в таблице Менделеева в следующей клетке за исходным.
Гамма-излучение
Испускание гамма-излучения не приводит к превращениям элементов.
В ходе ядерной реакции суммарный электрический заряд и число нуклонов сохраняются. Ядерные реакции бывают двух типов: эндотермические (с поглощением энергии) и экзотермические (с выделением энергии). Если сумма масс исходного ядра и частиц, больше суммы масс конечного ядра и испускаемых частиц, то энергия выделяется, и наоборот.
Открытие протона: 
3. Источники электромагнитного (фотонного) излучения.
Источники гамма-излучения.
Гамма-излучение (gamma radiation) - коротковолновое электромагнитное излучение с длиной волны менее 0,1 нм, которое возникает при распаде радиоактивных ядер, переходе ядер из возбужденного состояния в основное, при взаимодействии быстрых заряженных частиц с веществом, аннигиляции электронно-позитронных пар и при других превращениях элементарных частиц. В виду того, что ядра имеют только определенные разрешенные уровни энергетического состояния, спектр гамма-излучения дискретен и состоит, как правило, из нескольких групп энергий в диапазоне от нескольких кэВ до десятка МэВ. Для радионуклидов с большими атомными номерами количество энергетических групп гамма-квантов может достигать нескольких десятков, но они резко различаются по вероятности выхода и количество квантовых линий с наибольшим выходом обычно невелико.
Поток гамма-квантов обладает волновыми и корпускулярными свойствами и распространяется со скоростью света. Высокая проникающая способность гамма-излучения объясняется отсутствием электрического заряда и значительным запасом энергии. Интенсивность облучения гамма-лучами снижается обратно пропорционально квадрату расстояния от точечного источника.
Гамма-кванты взаимодействуют в основном с электронными оболочками атомов, передавая часть своей энергии электронам в процессе фотоэффекта и эффекта Комптона. При фотоэффекте фотон поглощается атомом среды с испусканием электрона, причем энергия фотона за вычетом энергии связи электрона в атоме передается освобожденному электрону. Вероятность фотоэффекта максимальна в области энергий квантов менее 200 кэВ, и быстро убывает с ростом энергии фотона. В случае эффекта Комптона на выбивание электрона с атомной оболочки расходуется только часть энергии фотона, а сам фотон изменяет направление движения. Комптоновское рассеяние преобладает в области энергий (0.2-5) МэВ и пропорционально атомному номеру среды. При энергии фотона выше 1,022 МэВ вблизи атомного ядра становится возможным образование пар электрон - позитрон, вероятность этого процесса увеличивается с ростом энергии фотона.
Пути пробега гамма-квантов в воздухе измеря-ются сотнями метров, в твердом веществе - десятками сантимет-ров. Проникающая способность гамма-излуче-ния увеличивается с ростом энергии гамма-квантов и умень-шается с увеличением плотности среды. Ослабление фотонного ионизирующего излучения слоем вещества происходит по экспоненциальному закону. Для энергии излучения 1 МэВ толщина слоя десятикратного ослабления составляет порядка 30 г/см 2 (2,5 см свинца, 4 см железа или 12-15 см бетона).
Радионуклидные источники гамма-квантов - естественные и искусственные бета-активные изотопы (таблица 3), дешевые и удобные в эксплуатации. При бета-распаде нуклидов ядро - продукт распада, образуется в возбужденном состоянии. Переход возбужденного ядра в основное состояние происходит с испусканием одного или нескольких следующих друг за другом гамма-квантов, снимающих энергию возбуждения. Радионуклидные источники представляют собой герметичные ампулы из нержавеющей стали или алюминия, заполненные активным изотопом. Энергия гамма-квантов радионуклидных источников не превышает 3 МэВ.
Таблица 3. Радионуклидные источники гамма-излучения.
Название | полураспада | Энергия линий излучения, кэВ | Выход квантов |
|
Кобальт-60 Стронций-85 Сурьма-124 Иридий-192 | 120; 136; 265; (280; 400) 610; 640-1450; 1690; 2080 | 100; 35; 50; 6.5 |
В настоящее время мощные источники гамма-излучения нашли применение в медицине (радиотерапия, стерилизация инструментов и материалов), в геологии и горной промышленности (плотнометрия, рудосортировка), в радиационной химии (радиационно-химическая модификация материалов, синтез полимеров), и во многих других отраслях промышленного производства и строительства (дефектоскопия, массометрия, толщинометрия материалов и многое другое).
В радиологических отделениях онкологических диспансеров эксплуатируются закрытые радионуклидные источники с суммарной активностью до 5*10 14 Бк. Переносные гамма-дефектоскопы типа "Гаммарид" и "Стапель-5М" на основе иридия-192 имеют источники с активностью от 85 до 120 Бк.
Физико-технические источники излучения представляют собой ускорители электронов, которые используются для генерации гамма-излучения. В этих ускорителях электронный поток разгоняется до энергий в несколько МэВ и направляется на мишень (цирконий, барий, висмут и др.), в которой возникает мощный поток гамма-квантов тормозного излучения с непрерывным спектром от нуля до максимальной энергии электронов.
Для создания мощных импульсных потоков тормозного гамма-излучения используются установки ЛИУ–10, ЛИУ–15, УИН–10, РИУС–5. Импульсный ускоритель РИУС-5 создает ток электронов в импульсах (0.02-2) мкс до 100 кА при энергии электронов до 14 МэВ, что позволяет создавать мощность дозы тормозного излучения до 10 13 Р/с со средней энергией гамма-квантов порядка 2 МэВ.
Малогабаритные импульсные бетатроны типа МИБ используются для радиографического контроля качества материалов и изделий в нестационарных условиях: на монтажных и строительных площадках, при контроле сварных соединений и запорной арматуры нефте- и газопроводов, контроле опор мостов и других ответственных строительных конструкций, а также контроле литья и сварных соединений больших толщин. Максимальная энергия тормозного излучения установок до 7.5 МэВ, максимальная толщина просвечивания материалов до 300 мм.
Источники рентгеновского излучения.
Рентгеновское излучение по своим физическим свойствам аналогично гамма-излучению, но природа его совсем другая. Это низкоэнергетическое (не более 100 кэВ) электромагнитное излучение. Оно возникает при возбуждении атомов элементов потоком электронов, альфа-частиц или гамма-квантов, при котором происходит выброс электронов с электронных оболочек атома. Восстановление электронных оболочек атома сопровождается излучением рентгеновских квантов и имеет линейчатый спектр энергий связи электронов с ядром на электронных оболочках.
Рентгеновское излучение сопровождает также бета-распад радионуклидов, при котором ядро элемента увеличивает свой заряд на +1, и происходит перестройка его электронной оболочки. Этот процесс позволяет создавать достаточно мощные и дешевые радионуклидные источники рентгеновского излучения (таблица 4). Естественно, что такие источники одновременно являются источниками определенного бета- и гамма-излучения. Для изготовления источников используются радионуклиды с минимальной энергией излучаемых бета-частиц и гамма-квантов.
Таблица 4. Радионуклидные источники квантов низких энергий.
Название | Период полураспада | Энергии излучения, кэВ | Выход, %/Бк |
|
Кобальт-57 Кадмий-109 Гадолиний-153 Туллий-170 Америций-241 | 6.4; 14.4; 122; 136 41.5; 70; 97; 103 14-18; 59.6; 26.4 |
Защита от рентгеновского излучения существенно проще защиты от гамма-излучения. Слой свинца 1 мм обеспечивает десятикратное ослабление излучения с энергией 100 кэВ.
Физико-технические источники рентгеновского излучения - рентгеновские трубки, в которых под воздействием потока электронов, разогнанных до нескольких десятков кэВ, в мишени (аноде трубки) возбуждается излучение.
Рентгеновская трубка состоит из стеклянного вакуумного баллона с впаянными электродами – катодом, нагреваемым до высокой температуры, и анодом. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются в пространстве между электродами сильным электрическим полем (до 500 кВ для мощных трубок) и бомбардируют анод. При ударе электронов об анод их кинетическая энергия частично преобразуется в энергию характеристического и тормозного излучения. КПД рентгеновских трубок обычно не превышает 3%. Поскольку большая часть кинетической энергии электронов превращается в тепло, анод выполняется из металла с высокой теплопроводностью, а на его поверхность (под 45 о к потоку электронов) в зоне фокусировки потока наносится мишень из материала с большим атомным номером, например вольфрама. Для мощных рентгеновских трубок применяется принудительное охлаждение анода (водой или специальным раствором). Удельная мощность, рассеиваемая анодом в современных трубках, от 10 до 10 4 Вт/мм 2 .
Рис. 3. Спектр излучения рентгеновской трубки
Типовой спектр излучения рентгеновской трубки приведен на рис. 3. Он состоит из непрерывного спектра тормозного излучения электронного пучка и характеристических линий рентгеновского излучения (острые пики) при возбуждении внутренних электронных оболочек атомов мишени.
4. Источники нейтронов.
Нейтронное излучение - это поток нейтральных частиц, имеющих массу, примерно равную массе протона. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана и плутония. Вследствие того, что нейтроны не имеют электрического заряда, нейтронное излучение взаимодействует только с атомными ядрами среды и обладает достаточно большой проникающей способностью. В зависимости от кинетической энергии (в сравнении со средней энергией теплового движения E t ≈ 0.025 эВ) нейтроны условно подразделяют на тепловые (Е ~ E t), медленные (E t < E < 1 кэВ), промежуточные (1 < E < 500 кэВ) и быстрые (E > 500 кэВ).
Процесс ослабления нейтронного излучения при прохождении через вещество складывается из процессов замедления быстрых и промежуточных нейтронов, диффузии тепловых нейтронов и их захвата ядрами среды.
В процессах замедления быстрых и промежуточных нейтронов основную роль играет передача нейтронами энергии ядрам среды при прямых столкновениях с ними (неупругое и упругое рассеяние). При неупругом рассеянии часть энергии нейтронов расходуется на возбуждение ядра, которое снимается гамма-излучением. При упругом рассеянии чем меньше масса ядра и больше угол рассеяния, тем большую часть своей энергии передает нейтрон ядру. Вероятность упругого рассеяния практически постоянна до энергий 200 кэВ, и уменьшается в 3-5 раз по мере роста энергии нейтронов.
Радиационный захват нейтронов возможен на любых ядрах, за исключением ядер гелия. При захвате образуется возбужденное ядро, которое переходит в основное состояние с испусканием гамма-излучения, характерного для каждого нуклида, что широко используется для нейтронно-активационного анализа химического состава сред с высочайшей степенью точности (до 10 -8 %). На легких ядрах наблюдаются ядерные реакции с вылетом протонов и альфа-частиц. Тяжелые ядра при захвате нейтронов делятся на два более легких ядра с освобождением энергии до 200 МэВ, из которых порядка 160 МэВ передается осколкам деления. Вероятность захвата имеет индивидуальную для нуклидов зависимость от энергии нейтронов, с резонансными пиками и спадом к области высоких энергий. Захват нейтронов преобладает для медленных и тепловых нейтронов.
Защита от нейтронов выполняется из смеси (слоев) тяжелых элементов (железо, свинец для неупругого рассеяния), легких водородо- и углеродосодержащих веществ (вода, парафин, графит – упругое рассеяние), и элементов захвата тепловых нейтронов (водород, бор). При среднем соотношении 1:4 тяжелых и легких элементов ослабление потока нейтронов в 10:100:1000 раз достигается в слоях примерно 20:32:40 см.
Из всех видов внешних воздействий на человека нейтронное излучение наиболее опасно, т.к. интенсивно замедляется и поглощается водородосодержащей средой организма и вызывает ядерные реакции в его внутренних органах.
Радионуклидные источники нейтронов (таблица 5) выполняются на основе возбуждения в определенных химических элементах ядерных реакций типа (,n) - поглощение альфа-частицы Þ испускание нейтрона, или (,n) - поглощение гамма-кванта Þ испускание нейтрона. Они представляют собой, как правило, однородную спрессованную смесь элемента-излучателя альфа-частиц или гамма-квантов и элемента-мишени, в котором возбуждается ядерная реакция. В качестве альфа-излучателей используются полоний, радий, плутоний, америций, кюрий, в качестве гамма-излучателей - сурьма, иттрий, радий, мезоторий. Элементы - мишени для альфа-излучателей - бериллий, бор, для гамма-излучателей - бериллий, дейтерий. Смесь элементов запаивается в ампулы из нержавеющей стали.
Наиболее известными ампульными источниками являются радиево-бериллиевый и полониево-бериллиевый. Полоний-210 - практически чистый альфа-излучатель. Распад полония сопровождается гамма-излучением слабой интенсивности. Основной недостаток - небольшой срок службы, определяемый периодом полураспада полония.
В калифорниевом нейтронном источнике используется спонтанная ядерная реакция с выбросом нейтрона из ядра, которая сопровождается сильным гамма-излучением. При каждом делении ядра выделяется четыре нейтрона. 1 г источника в секунду выделяет 2,4*10 12 нейтронов, что соответствует нейтронному потоку среднего ядерного реактора. Источники имеют постоянный поток нейтронов (не требуется мониторинг), “точечность” излучения, длительный ресурс (более трех лет), сравнительно низкую стоимость.
Источники тепловых нейтронов выполняются аналогично и дополнительно содержат графитовый чехол-замедлитель.
Таблица 5. Радионуклидные источники нейтронов.
Название | Период полу- распада, лет | энергия, МэВ | n/3.7 10 10 Бк |
||
Полоний, бериллий Плутоний-239, бериллий Плутоний-238, бериллий Радий, бериллий Америций, бериллий Актиний, бериллий Полоний, бор Сурьма, бериллий Иттрий, бериллий Мезоторий, бериллий Радий, бериллий Иттрий, дейтерий Мезоторий, дейтерий Радий, дейтерий Калифорний |
Энергетические спектры альфа-нейтронных источников непрерывны, от тепловых до 6-8 МэВ, гамма-нейтронных - приблизительно моноэнергетические, десятки или сотни кэВ. Выход гамма-нейтронных источников на 1-2 порядка меньше, чем альфа-нейтронных, и сопровождается сильным гамма-излучением. У альфа-нейтронных источников сопровождающее гамма-излучение, как правило, низкоэнергетическое и достаточно слабое, за исключением источников с радием (излучение радия и продуктов его распада) и америцием (низкоэнергетическое излучение америция).
Альфа-нейтронные источники обычно ограничены по применению интервалом 5-10 лет, что вызвано возможностью разгерметизации ампулы при накоплении в ней гелия и повышении внутреннего давления.
Физико-техническим источником нейтронов является нейтронная трубка. Она представляет собой малогабаритный электростатический ускоритель заряженных частиц - дейтонов (ядер атомов дейтерия 2 НºD), которые разгоняются до энергии более 100 кэВ, и направляются на тонкие мишени из дейтерия или трития (3 НºT), в которых индуцируются ядерные реакции:
d + D Þ 3 He + n + 3.3 МэВ, d + T Þ 4 He + n + 14.6 МэВ.
Большую часть выделяющейся энергии уносит нейтрон. Распределение энергии нейтронов достаточно узкое и практически моноэнергетическое по углам вылета. Выход нейтронов порядка 10 8 на 1 микрокулон дейтонов. Работают нейтронные трубки, как правило, в импульсном режиме, при этом мощность выхода может превышать 10 12 n/с.
Портативные нейтронные генераторы практически не обладают радиационной опасностью в выключенном состоянии, имеют возможность регулирования режима излучения нейтронов. К недостаткам генераторов относятся ограниченный ресурс работы (100-300 часов) и нестабильность выхода нейтронов от импульса к импульсу (до 50 %).
5. Инвентаризация и утилизация источников
Радионуклидные источники ионизирующего излучения представляют собой потенциальную опасность для населения по следующим причинам:
1. Они распространены по многим организациям, и не везде осуществляется штатный жизненный цикл источников (приобретение – учёт – контроль - использование – захоронение).
2. Источники ионизирующего излучения не могут быть обеспечены надёжной охраной.
3. Конструкция источников ионизирующего излучения такова, что при небрежном или неумелом обращении они могут нанести вред здоровью человека.
В России на базе ФГУП Всероссийского научно-исследовательского института химической технологии (ВНИИХТ) Росатома создан Центр государственного учета и контроля радиоактивных веществ и отходов. В 2000-2001 гг., согласно решению Правительства РФ, проведена Государственная инвентаризация радиоактивных материалов, радиоактивных отходов и источников ионизирующих излучений. Созданы и функционируют региональные ведомственные информационно аналитические центры. Они производят сбор, обработку и анализ информации об образовании, перемещении, переработке и хранению РВ.
Масштабы и сфера использования радионуклидных источников имеют тенденцию к увеличению, и проблема безопасности обращения с источниками на всех этапах их жизнедеятельного цикла была и будет оставаться одной из важных. В России действует уголовная ответственность за незаконное приобретение, хранение, использование, передачу или разрушение радиоактивных материалов.
Высокоактивные источники утилизируются на "ПО "Маяк". Низкоактивные источники захораниваются на региональных предприятиях НПО "Радон".
Радиофобия. Паническую боязнь любого ионизирующего из-лучения в любом количестве называют радиофобией. Неразумно выбегать из комнаты, в которой ра-ботает счетчик Гейгера и регистрирует естественный радиоак-тивный фон. Нужно понимать, что через каждый см 2 вашей кожи внутрь человека ежесекундно проходит порядка 10 ионизирующих частиц, а в теле человека происходит примерно 10 5 распадов в минуту.
Радиофобия в настоящее время распространилась на телеви-зор, как источник рентгеновского излучения, и на самолет, выносящий человека в верхние слои ат-мосферы, где более высок уровень космического излучения. Те-левизор действительно является источником рентгеновского излу-чения, но при ежедневном просмотре телевизионных программ по три-четыре часа в день за год будет получена доза в 100-200 раз меньше естественного фона. Полет в современном самолете на расстояние 2000 км обусловливает получение примерно одной сотой долю среднего значения естествен-ного облучения в год. На Земле имеются области, где уровень радиации в сотни раз превосходит средний (до 250 мЗв), однако неблагоприятных влияний на здоровье живущих там людей не отмечено.
И систематизация общих сведений о функциях, ... точность употребления географической терминологии ; - самостоятельность ответа... атом, атомное ядро, ионизирующие излучения , планета, звезда, ... навыков работы с источниками , (картографическим и хронологическими...
5 математика и естественные науки
Документ... Общие сведения 535.338.32 Резонансное излучение . ... фотография 535.6:001.4 Терминология в колориметрии 535 ... изменяемости 539.1.03 Источники излучений . Получение источников излучений в лаборатории ® ... . Химическое действие ионизирующего излучения ® 539.1.044 ...
Это самый широкий диапазон электромагнитного спектра, поскольку он не ограничен со стороны высоких энергий. Мягкое гамма-излучение образуется при энергетических переходах внутри атомных ядер, более жесткое - при ядерных реакциях. Гамма-кванты легко разрушают молекулы, в том числе биологические, но, к счастью, не проходят через атмосферу. Наблюдать их можно только из космоса.
Гамма-кванты сверхвысоких энергий рождаются при столкновении заряженных частиц, разогнанных мощными электромагнитными полями космических объектов или земных ускорителей элементарных частиц. В атмосфере они крушат ядра атомов, порождая каскады частиц, летящих с околосветовой скоростью. При торможении эти частицы испускают свет, который наблюдают специальными телескопами на Земле.
При энергии свыше 10 14 эВ лавины частиц прорываются до поверхности Земли. Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. Где и как образуются гамма-лучи ультравысоких энергий, пока не вполне ясно. Земным технологиям такие энергии недоступны. Самые энергичные кванты - 10 20 –10 21 эВ , приходят из космоса крайне редко - примерно один квант в 100 лет на квадратный километр.
Источники
Изображение получено в 2005 году гамма-телескопом HESS . Оно стало подтверждением того, что остатки сверхновых служат источниками космических лучей - энергичных заряженных частиц, которые, взаимодействуя с веществом, порождают гамма-излучение (см. ). Ускорение частиц, по всей видимости, обеспечивается мощным электромагнитным полем компактного объекта - нейтронной звезды, которая образуется на месте взорвавшейся сверхновой.
Столкновения энергичных заряженных частиц космических лучей с ядрами атомов межзвездной среды порождают каскады других частиц, а также гамма-квантов. Этот процесс аналогичен каскадам частиц в земной атмосфере, которые возникают под воздействием космических лучей (см. ). Происхождение космических лучей с самыми высокими энергиями еще изучается, но уже есть данные, что они могут генерироваться в остатках сверхновых звезд .
Аккреционный диск вокруг сверхмассивной черной дыры (рис. художника )
В ходе эволюции крупных галактик в их центрах образуются сверхмассивные черные дыры, массой от нескольких миллионов до миллиардов масс Солнца. Они растут за счет аккреции (падения) межзвездного вещества и даже целых звезд на черную дыру.
При интенсивной аккреции вокруг черной дыры образуется быстро вращающийся диск (из-за сохранения момента вращения падающего на дыру вещества). Из-за вязкого трения слоев, вращающихся с разной скоростью, он всё время разогревается и начинает излучать в рентгеновском диапазоне.
Часть вещества при аккреции может выбрасываться в виде струй (джетов) вдоль оси вращающегося диска. Этот механизм обеспечивает активность ядер галактик и квазаров. В ядре нашей Галактики (Млечного Пути) также располагается черная дыра. В настоящее время ее активность минимальна, однако по некоторым признакам около 300 лет назад она была значительно выше.
Приемники
Расположен в Намибии, состоит из 4 параболических тарелок диаметром 12 метров, размещенных на площадке размером 250 метров. На каждой из них закреплено 382 круглых зеркала диаметром 60 см , которые концентрируют тормозное излучение, возникающее при движении энергичных частиц в атмосфере (см. схему телескопа).
Телескоп начал работать в 2002 году. Он в равной мере может использоваться для регистрации энергичных гамма-квантов и заряженных частиц - космических лучей. Одним из главных его результатов стало прямое подтверждение давнего предположения о том, что остатки вспышек сверхновых звезд являются источниками космических лучей.
Когда энергичный гамма-квант входит в атмосферу, он сталкивается с ядром одного из атомов и разрушает его. При этом порождается несколько обломков атомного ядра и гамма-квантов меньшей энергии, которые по закону сохранения импульса движутся почти в том же направлении, что и исходный гамма-квант. Эти обломки и кванты вскоре сталкиваются с другими ядрами, образуя в атмосфере лавину частиц.
Большинство этих частиц имеет скорость, превышающую скорость света в воздухе. Вследствие этого частицы испускают тормозное излучение , которое достигает поверхности Земли и может регистрироваться оптическими и ультрафиолетовыми телескопами. Фактически сама земная атмосфера служит элементом гамма-телескопа. Для гамма-квантов сверхвысоких энергий расходимость пучка, достигающего поверхности Земли, составляет около 1 градуса. Этим определяется разрешающая способность телескопа.
При еще более высокой энергии гамма-квантов до поверхности доходит сама лавина частиц - широкий атмосферный ливень (ШАЛ). Их регистрируют сцинтилляционными датчиками. В Аргентине сейчас строится обсерватория имени Пьера Оже (в честь первооткрывателя ШАЛ) для наблюдения гамма-излучения и космических лучей ультравысоких энергий. Он будет включать несколько тысяч цистерн с дистиллированной водой. Установленные в них ФЭУ будут следить за вспышками, происходящими в воде под воздействием энергичных частиц ШАЛ.
Орбитальная обсерватория, работающая в диапазоне от жесткого рентгена до мягкого гамма-излучения (от 15 кэВ до 10 МэВ ), была выведена на орбиту с космодрома Байконур в 2002 году. Обсерватория построена Европейским космическим агентством (ESA) при участии России и США. В конструкции станции использована такая же платформа, как и в ранее запущенной (1999) европейской рентгеновской обсерватории XMM-Newton.
Электронное устройство для измерения слабых потоков видимого и ультрафиолетового излучения. ФЭУ представляет собой электронную лампу с фотокатодом и набором электродов, к которым приложено последовательно возрастающее напряжение с суммарным перепадом до нескольких киловольт.
Кванты излучения падают на фотокатод и выбивают из него электроны, которые движутся к первому электроду, образуя слабый фотоэлектрический ток. Однако по пути электроны ускоряются приложенным напряжением и выбивают из электрода значительно большее число электронов. Так повторяется несколько раз - по числу электродов. В итоге поток электронов, пришедший от последнего электрода к аноду, увеличивается на несколько порядков по сравнению с первоначальным фотоэлектрическим током. Это позволяет регистрировать очень слабые световые потоки, вплоть до отдельных квантов.
Важная особенность ФЭУ - быстрота срабатывания. Это позволяет использовать их для регистрации скоротечных явлений, таких как вспышки, возникающие в сцинтилляторе при поглощении энергичной заряженной частицы или кванта.
ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЕ
Gamma-radiation
Гамма-излучение (γ-излучение)– электромагнитное излучение, принадлежащее наиболее высокочастотной (коротковолновой) части спектра электромагнитных волн. Приведем классификацию электромагнитных волн:
| Название | Длина волны , м | Частота , Гц |
|---|---|---|
| радиоволны | 3·10 5 - 3 | 10 3 - 10 8 |
| микроволны | 3 - 3·10 -3 | 10 8 - 10 11 |
| инфракрасное излучение | 3·10 -3 - 8·10 -7 | 10 11 - 4 . 10 14 |
| видимый свет | 8·10 -7 - 4·10 -7 | 4·10 14 - 8·10 14 |
| ультрафиолетовое излучение | 4·10 -7 - 3·10 -9 | 8·10 14 - 10 17 |
| рентгеновское излучение | 3·10 -9 - 10 -10 | 10 17 - 3·10 18 |
| гамма-излучение | < 10 -10 | > 3·10 18 |
На шкале электромагнитных волн гамма-излучение соседствует
с рентгеновскими лучами, но имеет более короткую длину волны. Первоначально
термин “гамма-излучение” относился к тому типу излучения радиоактивных ядер,
который не отклонялся при прохождении через магнитное поле, в отличие от
α- и β-излучений.
Условно верхней границей длин волн гамма-излучения, отделяющей
его от рентгеновского излучения, можно считать величину 10 -10
м. При столь малых длинах волн первостепенное значение имеют корпускулярные
свойства излучения. Гамма-излучение представляет собой поток частиц - гамма-квантов
или фотонов, с энергиями Е = hν (h
– постоянная Планка, равная 4.14·10 -15
эВ. сек, ν
–
частота электромагнитных колебаний).
Фотоны с энергиями Е > 10 кэВ относят к гамма-квантам. Между длиной волны
λ гамма-излучения и его частотой ν существует то же соотношение, что и для
других типов электромагнитных волн:
ν·λ = с (с – скорость света).
Частота гамма-излучения (> 3·10 18 Гц) отвечает
скоростям электромагнитных процессов, протекающих внутри атомных ядер и
с участием элементарных частиц. Поэтому источниками гамма-излучения могут
быть атомные ядра и частицы, а также ядерные реакции и реакции между частицами,
в частности аннигиляция пар частица-античастица. И наоборот, гамма-излучение
может поглощаться атомными ядрами и способно вызывать превращения частиц.
Изучение спектров ядерного гамма-излучения и гамма-излучения, возникающего
в процессах взаимодействия частиц, дает важную информацию о структуре этих
микрообъектов.
Гамма-излучение может также возникать при торможении быстрых
заряженных частиц в среде (тормозное гамма-излучение) или при их движении
в сильных магнитных полях (синхротронное излучение).
Источниками гамма-излучения являются также процессы в космическом
пространстве. Космические гамма-лучи приходят от пульсаров, радиогалактик,
квазаров, сверхновых звёзд.
Гамма-излучение ядер испускается при переходах ядра из состояния
с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и энергия испускаемого
гамма-кванта с точностью до незначительной энергии отдачи ядра равна разности
энергий этих состояний (уровней) ядра. Энергия ядерного гамма-излучения
обычно лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ и спектр этого
излучения линейчатый, т. е. состоит из ряда дискретных линий. Изучение спектров
ядерного гамма-излучения позволяет определить энергии состояний (уровней)
ядра.
При распадах частиц и реакциях с их участием обычно испускаются
гамма-кванты с бoльшими энергиями - десятки-сотни МэВ.
Гамма-излучение, образующееся при прохождении быстрых заряженных
частиц через вещество, вызывается их торможением в кулоновском поле ядер
вещества. Тормозное гамма-излучение имеет сплошной, спадающий с ростом энергии
спектр, верхняя граница которого совпадает с кинетической энергией заряженной
частицы. На ускорителях заряженных частиц получают тормозное гамма-излучение
с энергиями до нескольких десятков ГэВ и более.
Гамма-излучение можно получить при соударении электронов большой
энергии от ускорителей с интенсивными пучками видимого света, создаваемых
лазерами. При этом электрон передает свою энергию световому фотону, который
превращается в гамма-квант. Аналогичное явление может иметь место и в космическом
пространстве в результате соударений фотонов с большой длиной волны с быстрыми
электронами, ускоренными электромагнитными полями космических объектов.
Гамма-излучение обладает большой проникающей способностью, т.
е. может проходить сквозь большие толщи вещества. Интенсивность узкого пучка
моноэнергетических гамма-квантов падает экспоненциально с ростом проходимого
им в веществе расстояния. Основные процессы взаимодействия гамма-излучения
с веществом - фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект), комптоновское рассеяние
(комптон-эффект) и образование пар электрон-позитрон. При фотоэффекте гамма-квант
выбивает из атома один из его электронов, а сам исчезает. При комптон-эффекте
гамма-квант рассеивается на одном из слабо связанных с атомом или свободных
электронов вещества. Если энергия гамма-кванта превышает 1.02 МэВ, то возможно
его превращение в электрическом поле ядер в пару электрон-позитрон (процесс
обратный аннигиляции).
Рис. Зависимость полного коэффициента поглощения гамма-излучения в свинце и алюминии от энергии (сплошные линии). Поглощение за счёт фотоэффекта в алюминии пренебрежимо мало при рассматриваемых энергиях. Пунктирные линии − отдельные вклады, вносимые в полный коэффициент поглощения фотоэффектом, комптоновским рассеянием, рождением пар для свинца.
Гамма-излучение используется в технике (напр., дефектоскопия), радиационной химии (для инициирования химических превращений, напр., при полимеризации), сельском хозяйстве и пищевой промышленности (мутации для генерации хозяйственно-полезных форм, стерилизация продуктов), в медицине (стерилизация помещений, предметов, лучевая терапия) и др.