ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАДИОАКТИВНОСТИ

Как известно, атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. В состав ядра входят положительно заряженные

протоны и нейтральные нейтроны, которые вместе называются нуклонами. Протоны и нейтроны имеют приблизительно одинаковую массу, которая в 1840 раз превышает массу электрона, поэтому масса атома определяется в основном массой нуклонов. Количество нуклонов в ядре характеризуется массовым числом А.

Нуклиды – разновидности атомов с определенным массовым числом и атомным номером. Например, нуклид стронция – 90/38 Sr, где 90 – массовое число, 38 – атомный номер.

Изотопы – атомы одного и того же элемента, имеющие разные массовые числа.

Радиоактивность – самопроизвольный распад атомных ядер некоторых элементов, приводящий к изменению их атомного номера и массового числа. Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен, он осуществляется со строго определенной скоростью, измеряемой периодом полураспада – временем, в течение которого распадается половина всех атомов. Распад радиоактивных элементов сопровождается потоками ионизирующих излучений, каждое из которых характеризуется своими физико-химическими свойствами. Альфа(α)излучение (α-распад) представляет собой поток положительно заряженных частиц – атомов гелия ⁴₂. He, движущихся со скоростью около 10 000 км/с; вследствие наличия положительного заряда α-частицы отклоняются электрическими и магнитными полями (к северному полюсу). Бета(β)-излучение – это поток электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, – до 300 000 км/с; вследствие наличия отрицательного заряда электроны отклоняются электрическими и магнитными полями (к южному полюсу). Гамма(γ)-излучение– коротковолновое электромагнитное излучение (длина волны – около 10^-12 м), близкое по свойствам к рентгеновскому; ведет себя подобно потоку γ-частиц (γ-квантов, или фотонов), движущихся со скоростью света; в электрических и магнитных полях не отклоняется; обладает высокой энергией – от нескольких тысяч до нескольких миллионов электронвольт.

Ионизация

Описанные выше ионизирующие излучения обладают способностью проходить через различные вещества живой и неживой природы, возбуждая при этом их атомы и молекулы. Такое возбуждение заканчивается вырыванием отдельных электронов из электронных оболочек нейтрального атома, который превращается в положительно заряженный ион. Так происходит первичная ионизация объекта воздействия излучений. Освобожденные электроны, обладая определенной энергией, взаимодействуют со встречными атомами и молекулами, создавая новые ионы, – происходит вторичная ионизация.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ 

В системе СИ единицей измерения радиоактивности служит беккерель

(Бк) – одно ядерное превращение в секунду. Внесистемная единица активности – кюри (Ки), равный активности нуклида, в котором происходит 3,7 ·10¹⁰ актов распада в одну секунду.

Таблица 42

Характеристика основных системных и внесистемных единиц

Доза излучения характеризует величину поглощенной энергии излучения, за единицу которой принимают грей (или грэй). Грей – положительная доза излучения, переданная массе излучаемого вещества в 1 кг и измеряемая энергией в 1 Дж любого ионизирующего излучения (1 Гр = 1 Дж/кг).

Внесистемной единицей является рад – поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в 1 г любого вещества составляет 100 эрг (эрг – единица энергии в системе СГСЕ, 1 эрг = 10^-7 Дж) независимо от вида и энергии излучения.

Под мощностью поглощенной дозы следует понимать приращение дозы в единицу времени.

Экспозиционная доза рентгеновского и γ-излучения – количественная характеристика рентгеновского и γ-излучения, основанная на ионизирующем действии. Выражается суммарным электрическим зарядом ионов, образованных в единице объема воздуха. За единицу экспозиционной дозы принят кулон на килограмм, 1 Кл/кг – такая экспозиционная доза, при которой сопряженная с этим излучением корпускулярная эмиссия на 1 кг сухого атмосферного воздуха производит в воздухе ионы, несущие заряд в 1 Кл электричества каждого знака.

Внесистемной единицей экспозиционной дозы рентгеновского и γ-излучения является рентген (Р). Рентген – единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 0,001293 г воздуха создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества (0,001293 г – масса 1 см³ сухого атмосферного воздуха).

Поглощенная и экспозиционная дозы излучений, отнесенные к единице времени, называются мощностью поглощенной и экспозиционной доз.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ
ИЗЛУЧЕНИЙ С ВЕЩЕСТВОМ

Взаимодействие α-частиц

Частицы обладают большой ионизирующей и малой проникающей способностью, они в 7300 раз тяжелее β-частиц. Известно около 40 естественных и более 200 искусственных α-активных ядер. α-Распад характерен для тяжелых элементов: урана, тория, полония, плутония и др. Пробег α-частиц в воздухе не превышает 11 см, в пищевых продуктах еще меньше, в мягких тканях человека – измеряется микронами. При внешнем облучении αчастицы не представляют особой опасности для человека, однако при попадании в организм с пищей они становятся чрезвычайно опасными, приводят к лучевому поражению органов и тканей.

Взаимодействие α-частиц

Ионизирующая способность их меньше, чем у α-частиц, однако могут пройти слой алюминия до 5 мм. Более толстый слой алюминия может быть защитой от β-излучения.

β-Распад включает следующие виды:

1. Поток электронов и протонов (общее название – β-частицы), которые испускаются при β-распаде радиоактивных изотопов. При этом нейтрон превращается в протон, заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу. Примером электронного β-распада может быть ⁹⁰Sr, для ядра которого характерно избыточное число нейтронов:

2. Электронный захват – распад ядер, при котором ядро захватывает один из электронов электронной оболочки. Следствием этого является превращение одного из протонов в нейтрон – заряд ядра уменьшается на единицу; массовое число не изменяется.

3. Позитронный β-распад. Протон превращается в нейтрон, что приводит к образованию и выбросу из ядра позитрона (античастицы электрона; е⁺). Заряд ядра и его порядковый номер уменьшаются на единицу. Позитронный β-распад характерен для неустойчивых ядер с избыточным числом протонов. В качестве примера можно привести распад радионуклида натрия:

Взаимодействие γ-излучения

Ионизирующая способность γ-излучения значительно меньше, чем αи β-частиц, однако это излучение обладает большой проникающей способностью. Защитой от γ-излучения являются материалы с высокой удельной массой – бетон, свинец и т. д. Характер взаимодействия с веществом зависит от природы вещества, величины энергии излучения. Последняя определяется частотой и длиной волны излучения.

Взаимодействие нейтронов

Нейтроны (частицы, не имеющие заряда) обладают высокой проникающей способностью, превращают атомы стабильных элементов в радиоактивные изотопы, что увеличивает опасность нейтронного излучения.

Возможны два вида взаимодействия нейтронов с веществом:

• соударение нейтронов с ядрами вещества сопровождается упругим и неупругим рассеиванием нейтронов;
• ядерные реакции различных типов с делением тяжелых ядер.

Преобладание того или иного вида взаимодействия зависит от энергии нейтронов. По уровню энергии нейтроны бывают:

холодные – энергия менее 0,025 эВ;

тепловые – 0,025-0,05 эВ. Холодные и тепловые нейтроны характеризуются реакцией их захвата веществом;

промежуточные – 0,025-0,050 кэВ. С веществом взаимодействуют по типу упругого рассеивания;

быстрые – 0,2-20 МэВ. Для таких нейтронов характерно как упругое, так и неупругое рассеивание, а также возникновение ядерных реакций;

сверхбыстрые – 20-300 МэВ. Взаимодействие с веществом сопровождается ядерными реакциями с вылетом большого числа частиц.

Защитные свойства материалов от нейтронного излучения определяются их замедляющей и поглощающей способностью, степенью активизации. Установлено, что быстрые нейтроны эффективно замедляются веществами с небольшой молекулярной массой (парафин, вода, бетон, пластмассы); тепловые нейтроны – веществами, обладающими большим сечением захвата: материалами с бором и кадмием (борная сталь, борный графит, сплав кадмия со свинцом и др.).

РАДИОАКТИВНЫЙ ФОН И ПРОБЛЕМЫ
ЕГО СНИЖЕНИЯ. ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПИЩЕВОЙ ПРОДУКЦИИ

Путем анализа радиоактивного фона оцениваются возможные пути нагрузки на человека, загрязнения пищевых продуктов радиоактивными веществами, определяются меры профилактики.

Считают, что радиационный фон Земли складывается из трех компонентов:

• космическое излучение;
• естественные радионуклиды, содержащиеся в почве, воде, воздухе, других объектах окружающей среды;
• искусственные радионуклиды, образовавшиеся в результате человеческой деятельности (например, при ядерных испытаниях); радиоактивные отходы, отдельные радиоактивные вещества, используемые в медицине, технике, сельском хозяйстве.

Космическое излучение

Характеризуется потоком различных частиц, приходящих к нам из космического пространства. Подразделяют на первичное и вторичное.

Первичное излучение включает первичное галактическое излучение, первичное солнечное излучение и излучение заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли (радиационный пояс Земли). Первичное галактическое излучение состоит на 90 % из протонов высоких энергий и на 10 % – из ионов гелия (⁴Не). «Возраст», т. е. время прихода этого излучения из Галактики, – 2,5-33 млн лет. Первичное солнечное излучение происходит в виде вспышек на Солнце, сопровождаемых высвобождением большого количества энергии в области видимого, ультрафиолетового и рентгеновского спектров излучения. Наиболее сильные вспышки сопровождаются выбросом большого количества заряженных частиц, главным образом протонов и α-частиц. Первичное солнечное излучение обладает относительно низкой энергией, поэтому не приводит к существенному увеличению дозы внешнего излучения на поверхности Земли.

Радиационный пояс Земли состоит из протонов и электронов с небольшим содержанием α-частиц, которые захватываются магнитным полем Земли и движутся по спиралям вокруг его силовых линий.

В целом первичное космическое излучение почти полностью исчезает на высоте 20 км от поверхности Земли, его высокоэнергетические частицы взаимодействуют с ядрами атомов веществ в составе воздуха, образуя нейтроны, протоны и мезоны.

Население Земли практически подвергается воздействию вторичного космического излучения в результате образования космогенных радионуклидов, возникающих при взаимодействии частиц вторичного космического излучения с ядрами различных атомов, присутствующих в атмосфере. При рассмотрении вторичного космического излучения особый интерес представляют протоны высоких энергий, нейтроны и ионы, которые взаимодействуют с ядрами атомов воздуха, образуя новые вторичные частицы. Развитие этого процесса, называемого каскадом, приводит к образованию ливней из числа вторичных частиц.

Мощность дозы космического излучения определяется двумя величинами: интенсивностью ионизации в воздухе и плотностью потока нейтронов, что является предметом специального рассмотрения.

Естественные радионуклиды

К ним относятся указанные выше космогенные радионуклиды, главным образом водород ³Н, бериллий ⁷Ве, углерод ¹⁴С, натрий ²²Na, ²⁴Na, и радионуклиды, присутствующие в объектах окружающей среды с момента образования Земли (включая их дочерние продукты распада). Основным источником облучения человека и загрязнения пищевых продуктов являются калий ⁴⁰K, уран ²³⁸U, торий ²³²Th – радионуклиды земного происхождения.

В настоящее время накоплен большой материал о содержании естественных радионуклидов в объектах окружающей среды, включая организм человека, продовольственное сырье и пищевые продукты. Естественный радиационный фон постоянно изменяется вследствие непрекращающейся деятельности человека, разработки и внедрения технологий переработки природных продуктов, содержащих радионуклиды.

Искусственные радионуклиды

Испытание ядерного оружия – один из самых опасных источников радиоактивного загрязнения окружающей среды. Образующиеся в процессе деления ядер радионуклиды проникают в организм человека при вдыхании зараженного воздуха, употреблении в пищу загрязненных продуктов, в результате человек подвергается внутреннему облучению, а при воздействии на кожу радиоактивных веществ, находящихся в воздухе и на поверхности Земли, – внешнему облучению.

Научный комитет ООН по действию атомной радиации определяет 21 наиболее распространенный радионуклид, 8 из которых составляют основную дозу внутреннего облучения населения: углерод-14 (¹⁴С); цезий-137 (¹³⁷Cs); стронций 90 (⁹⁰Sr); рутений-106 (¹⁰⁶Ru); церий-144 (¹⁴⁴Ce); водород-3, или тритий (³H); йод131 (¹³¹I); цирконий (⁹⁵Zr). Доза внешнего облучения формируется в основном

за счет радионуклидов ⁹⁵Zr и его дочернего радионуклида ниобия ⁹⁵Nb, а также рутения ¹⁰⁶Ru и ¹⁰³Ru, бария ¹⁴⁰Ba, цезия ¹³⁷Cs.

Наряду с испытаниями ядерного оружия источниками загрязнения окружающей среды могут быть:

• добыча и переработка урановых и ториевых руд;
• обогащение урана изотопом ²³⁵U, т. е. получение уранового топлива;
• работа ядерных реакторов;
• переработка ядерного топлива с целью извлечения радионуклидов для нужд народного хозяйства;
• хранение и захоронение радиоактивных отходов.

В последнее время становится актуальной проблема радона (Rn), который образуется при естественном радиоактивном распаде радия. Радиоактивность радона в наружном воздухе обычно составляет 1-20 Бк/м³, достигая в горных районах 60 и более, в воздухе жилых помещений – порядка 50, в отдельных случаях до нескольких тысяч беккерелей на 1 м³.

Определенную радиоактивность вследствие содержания радона имеют строительные материалы, мкЗв/год: дерево – 0, известняк, песчаник – 0-100; кирпич, бетон – 100-200; естественный камень, производственный гипс – 200-400; шлаковый камень, гранит – 400-2000. Высокое содержание радона может быть в подземных питьевых водах.

Результаты эпидемиологических исследований свидетельствуют, что вдыхание жилищного воздуха, содержащего радон, приводит к возрастанию заболеваемости раком легкого на 4-12 %. Этот процент соответствует общему увеличению числа случаев рака на 1000-3000 в год в Германии и на 20000 случаев в США.

Профилактические мероприятия – это осуществление контроля за содержанием радона в воздухе, строительных материалах, питьевой воде и других объектах окружающей среды. Доступным и эффективным средством удаления радона из воды является ее аэрация.

В табл. 43 и 44 представлены данные о воздействии на человека природных и искусственных источников ионизирующего излучения.

Еще один источник загрязнения пищевой продукции естественными и искусственными радионуклидами – воды АЭС, других предприятий ядерного топливного цикла, которые могут поступать в открытую гидрографическую сеть, использоваться для рыборазведения, водопоя скота, орошения и т. д.

Показано, что у населения, проживающего на территориях, прилегающих к указанным предприятиям, возможно повышение поступления радионуклидов с рационом. Основной вклад в суммарное поступление осуществляется за счет овощной продукции (капусты и картофеля). Для воды водоемов-охладителей определены контрольные концентрации радионуклидов, содержание которых необходимо регламентировать в целях обеспечения радиационной безопасности жидких сбросов и предотвращения загрязнения продуктов питания.

Таблица 43

Природные источники ионизирующего излучения

Таблица 44

Искусственные источники ионизирующего излучения (оценка средних годовых доз)

Авария на Чернобыльской АЭС показывает интенсивную биогенную миграцию радионуклидов цезия и стронция, которая обусловливает высокие уровни поступления их в организм человека (величины допустимых уровней даны в табл. 45). При этом важно отметить, что в продуктах животноводства радионуклидов содержится на 2–4 порядка меньше, чем в продукции растениеводства, т. е. если популяционную дозу при потреблении молока принять за 1, то коллективная доза при потреблении овощей и корнеплодов составит около 1000. Это определяет поиск профилактических путей снижения облучения за счет целевой оптимизации структуры сельскохозяйственного производства.

Таблица 45

Временные допустимые уровни содержания радионуклидов цезия-137
и стронция-90 в пищевых продуктах и питьевой воде,
установленные в связи с аварией на Чернобыльской АЭС (ВДУ-91)

Примечания:
1. Отдельные субъекты РФ (республики и т. д.) имеют право устанавливать контрольные уровни
содержания радионуклидов в пищевых продуктах и питьевой воде как для всей республики,
так и для отдельных территорий. При этом они не должны превышать численных значений ВДУ-91.
Контрольные уровни устанавливаются исходя из реальной радиационной обстановки
и экономических возможностей республики в целом или отдельных территорий.
2. Производство детского питания из продуктов, получаемых на загрязненных территориях, не рекомендуется.
3. Соблюдение ВДУ по цезию-137, как правило, обеспечивает соблюдение ВДУ по стронцию-90.

Рассматривая меры профилактики радиоактивного загрязнения окружающей среды, в том числе пищевых продуктов, необходимо отметить следующие направления работы:

• охрана атмосферного слоя Земли как природного экрана, предохраняющего от губительного воздействия космических радиоактивных частиц;
• соблюдение глобальной техники безопасности при добыче, использовании и хранении радиоактивных элементов, применяемых человеком в процессе его жизнедеятельности.

За всю свою жизнь человек получает дозу облучения от природных источников на уровне 250-400 мбэр, что является обычным при нормальном состоянии среды обитания. Облучение в 10 рад не вызывает каких-либо изменений в органах и тканях человека. Незначительные изменения в составе крови наблюдаются при однократных дозах 25-75 рад, лучевая болезнь – при облучении более 100 рад.

Попадая в организм человека, радиоактивные элементы распределяются в органах, тканях и в неодинаковой степени выводятся из организма.

Важный фактор предотвращения накопления радионуклидов в организме людей, работающих или проживающих на территориях, загрязненных аварийными выбросами, – это употребление определенных пищевых продуктов и их отдельных компонентов. Особенно это касается защиты организма от долгоживущих радионуклидов (например, стронция-90), которые способны мигрировать по пищевым цепям, накапливаться в органах и тканях, подвергать хроническому облучению костный мозг и костную ткань, повышая риск развития злокачественных новообразований. Установлено, что обогащение рациона рыбной массой, ламинарией, костной мукой, кальцием, фтором способствует уменьшению риска возникновения онкологических заболеваний. Большой интерес в рассматриваемом вопросе представляют неусвояемые углеводы, которые применяют для обогащения пищевых продуктов лечебно-профилактического назначения. Немаловажное значение в профилактике радиоактивного воздействия имеют β-каротин и пищевые продукты с высоким содержанием этого провитамина.