Ионизирующее излучение. Часть 1: Основы основ

В статье ты узнаешь, как работает радиоактивность, какие виды радиоактивного распада существуют и куда стоит прятаться, если источник излучения оказался внутри твоей зоны комфорта.

В названии статьи сказано "Основы основ", и это вовсе не шутка. По некоторым данным, средний возраст посетителя данного ресурса составляет от 25 до 34 лет, а мой опыт подсказывает, что к этому моменту какие-то части школьной программы естественным образом выветриваются из головы, уступая место более важным (или приятным) вещам. Поэтому я начну с самого начала.

Итак, сперва упомянем то, что ты уже знаешь: вещество вокруг каждого из нас состоит из молекул. Молекула — это наименьшая частица вещества, сохраняющая все его химические свойства. Молекулы беспорядочно движутся в пространстве и средняя кинетическая энергия этого движения определяет температуру вещества.

Ещё ты точно помнишь, что молекулы, в свою очередь, состоят из атомов. Причём свойства атомов могут существенно отличаться от свойств молекулы, которую они образуют.

При нормальных условиях, как водород, так и кислород — газы. А вот вода при НУ очень даже жидкая. Молекула воды простая, как две (три) копейки, но существуют и куда более сложные соединения. К примеру, молекулы ДНК, о которых я ещё упомяну в следующих частях.

Пока что всё просто, но мы уже подбираемся к более интересным вещам. Атомы сделаны из ядер и электронов. Электроны движутся вокруг ядер по определённым орбиталям, и никак иначе. Максимальное количество электронов на каждой орбитали ограничено, причём заполняются они по очереди. То есть обычно все орбитали, кроме последней, заполнены до отказа и только на самой последней могут оставаться свободные места для новых электрончиков. Кстати, именно количество электронов на последней орбитали характеризует элемент: чем их больше – тем меньше свойства элемента напоминают металл, и наоборот.

Остаются ядра. Напоминаю, что ядра состоят из протонов (положительно-заряженных, стабильных в свободном состоянии элементарных частиц) и нейтронов (элементарных частиц, не имеющих электрического заряда, в свободном виде нестабильных: через несколько минут превращаются в протоны с испусканием электронов и антинейтрино). Электрические заряды протонов и электронов противоположны по знаку и равны по величине, а их количество в атоме совпадает, поэтому атом (при нормальных условиях) электрически нейтрален. Ещё следует знать, что ядро атома очень маленькое. Очень маленькое. В десятки тысяч раз меньше самого атома.

Протоны и нейтроны в ядре связаны особыми ядерными силами, не имеющими аналогов. Действуют они только на расстояниях, равных размеру 10^(-15) метра.

Нужно ещё немного поговорить об элементарных частицах. Это пригодится, чтобы потом легче было разобраться в том, что происходит с ядрами при тех или иных процессах, ведь элементарные частицы непосредственно в этом замешаны.

Первой открытой элементарной частицей стал электрон. Это случилось в 1897 году. Это настолько недавно, что физику в универе мне преподавал человек с отчеством Электронович, чьего отца назвали в честь этого знакового открытия.

Частиц вообще-то известно очень много, порядка 400, но мы сосредоточимся на нуклонах (это протоны и нейтроны) и электронах. Запомним, что массы протона и нейтрона практически одинаковы, ≈1 а.е.м., масса электрона же в 1800 раз меньше, поэтому при оценке массы атома электроны не учитываются.

Положительный заряд ядра, а значит и количество протонов в нём, совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом: А = N + Z, где: N – количество нейтронов, Z – количество протонов.

Порядковый номер урана в таблице – 92. Значит, количество протонов в ядре тоже 92. Массовое число 235 подсказывает нам, что количество нейтронов в ядре урана-235: N = A - Z = 235 - 92 = 143.

У многих элементарных частиц существуют двойники-античастицы. Они обладают одинаковыми показателями массы и других характеристик, но противоположными по знаку электрическими зарядами. Это такие пары, как электрон-позитрон, протон-антипротон и другие. При взаимодействии таких частиц они аннигилируются с превращением всей их энергии покоя в энергию других частиц или фотонов.

Вот мы и здесь. Примерно с этого момента начинается часть, в которой мои друзья не-физики начинают путаться. Делай репост статьи, если можешь сходу сказать, что такое изотопы.

А изотопы – это разновидности одного и того же химического элемента, имеющие в ядрах разное количество нейтронов при одинаковом количестве протонов. Одинаковое количество протонов (а значит и электронов в атоме данного элемента) означает, что химические свойства изотопов одного и того же вещества практически не отличаются, но вот физические меняются весьма ощутимо.

Иногда можно называть ядра-изотопы нуклидами.

Ионы у всех читающих должны быть на слуху. Все эти ионные пушки, ну вы знаете. А физика в чём? Физика очень простая. Атом электрически нейтрален, но если он теряет один или несколько электронов, а может быть наоборот захватывает новые электроны, то он превращается в положительно или отрицательно заряженный ион соответственно. Для процесса ионизации требуются затраты энергии, но зато ионы куда охотнее вступают в химическое взаимодействие с другими атомами.

Изотопы элементов бывают стабильными. Это означает, что они могут существовать бесконечно долго в первозданном виде. Ещё они бывают нестабильными, или же радиоактивными. Радиоактивные нуклиды, спустя какое-то время, превращаются в ядра других элементов, испуская при этом какую-нибудь элементарную (или не очень) частицу или гамма-квант. Такие вот превращения, происходящие сами собой, называются радиоактивным распадом (не путать с делением!). Не удивляйся, но радиоактивных нуклидов в природе много-премного. Ну вот прямо вот много.

Стабильных изотопов в природе известно около 270. А нестабильных чуть больше 2000.

Радиоактивный изотоп характеризуется: активностью, видом излучения (ά-, β-, γ-, n-), энергией излучаемых частиц и периодом полураспада.

Активность измеряется в Беккерелях (Бк). 1 Беккерель = активность нуклида, в котором происходит 1 распад ядра в секунду. Обычно активность в Беккерелях – это впечатляюще большое число, потому что даже в маленьких объёмах вещества присутствуют радиоактивные изотопы.

Период полураспада – это легко. Это время, за которое распадётся ровно половина имеющихся радиоактивных ядер. Причём это работает каждый раз одинаково и именно так: допустим, у нас есть некоторое количество ядер с периодом полураспада в 1 час. Тогда за первый час распадётся половина изначального числа ядер, за следующий час – четверть, затем одна восьмая и так далее.

Радиоактивный распад – это явление спонтанное. На него нельзя повлиять ни температурой, ни давлением, ни концентрацией ядер, ни чем-либо ещё. Распад не зависит от времени существования ядра, оно может распасться моментально или существовать довольно долго. Предсказать момент распада конкретного ядра также невозможно, ведь до этого события ядро ничем не проявляет свою радиоактивность. Поэтому период полураспада является, скорее, мерой вероятности того, что этот распад вообще произойдёт.

Различают три основных вида распада, обозначаемых греческими буквами: α, β и γ. Существует ещё один вид распада – спонтанное деление. О делении и взаимодействии потока нейтронов с веществом я расскажу уже в другой, специально посвящённой этому, статье.

α-распадом называют событие, при котором ядро испускает α-частицу. Альфа-частицы представляют из себя атомное ядро, состоящее из двух протонов и двух нейтронов. Другими словами – ядро атома гелия.

α-излучение представляет из себя поток положительно заряженных ядер гелия, обладающих высокой энергией. Для большинства радионуклидов, эта энергия составляет 4-8 МэВ (мегаэлектронвольт). 1 эВ = 1,6 x 10^(-19) Дж.

Альфа-активны, обычно, ядра тяжёлых элементов: плутоний, уран, торий, полоний и др.

Как ты мог догадаться, излучение названо ионизирующим не просто так. Давай разберёмся, как именно альфа-излучение приводит к ионизации всего, что встречается на его пути (в том числе и наших с тобой атомов).

А ионизирует она всё очень легко. Альфа-частица довольно тяжёлая, в 7000 раз массивнее электрона. Она летит сквозь электронные оболочки атомов и, за счёт своего положительного заряда, выдёргивает электроны с их орбиталей. Но она не берёт их с собой, она просто улетает дальше, испортив твой любимый атом, превратив его в ион, потеряв около 30-35 эВ своей кинетической энергии. А мы помним, что её энергия вполне может достигать 5 000 000 эВ, поэтому всего одна такая α-штучка может привести к образованию более 100 000 ионов. А они редко летают поодиночке, поверь мне.

Когда кинетическая энергия частицы закончится, она перейдёт в состояние покоя, захватит два каких-нибудь электрона и превратится в атом гелия.

На наше с тобой счастье, электронов на своём пути она встречает очень много, поэтому проникающая способность (расстояние, на которое излучение может проникать в вещество. Зависит от вида излучения и свойств вещества) у альфа-частиц совсем не впечатляет. По воздуху она пролетит несколько сантиметров, толстый же лист санкционной бумаги станет непреодолимой преградой.

Внешнее альфа-излучение никогда не преодолеет твой эпидермис, поэтому можешь смело обниматься с топливными сборками из обогащённого урана.

Другое дело, если источник альфа частиц попадёт внутрь твоего тела. В таком случае, жди серьёзных локальных повреждений внутренних органов.

β-распадом называется группа превращений атомных ядер, при которых нейтрон в ядре превращается в протон (или протон превращается в нейтрон), при этом изменяется заряд ядра, но общее число нуклонов в нём остается прежним.

Разница в заряде исходного и конечного ядер компенсируется вылетающим из ядра электроном или позитроном, которые и называются β-частицами (β+ - позитрон и β- - электрон). Кроме того, при β-распаде дополнительно всегда вылетает нейтрино или антинейтрино. Нейтрино и антинейтрино с веществом практически не взаимодействуют, поэтому мы пока о них забудем.

При электронном β-распаде нейтрон превращается в протон.

При позитронном β-распаде протон превращается в нейтрон.

Испускаемые бета-частицы имеют энергии, распределяемые от нуля до определённого максимального значения, характерного для конкретного радионуклида. Максимальная энергия бета-излучения лежит в интервале от нескольких кэВ до нескольких МэВ. Принято говорить о мягком (до нескольких десятков кэВ) и жёстком бета-излучении.

Когда бета-частица взаимодействует с веществом, она тратит энергию: на ионизацию, на радиационные потери и на рассеяние.

Радиационные потери происходят, когда частица пролетает вблизи атомного ядра, тормозится и теряет часть своей энергии.

Эффект рассеяния связан с тем, что масса бета-частиц невелика и при соударениях с орбитальными электронами атомов, они теряют энергию в больших количествах, иногда до половины всей своей энергии.

Ионизация же происходит с выбиванием отдельных электронов со своих орбиталей. Выбитые электроны, кстати, могут производить вторичную ионизацию. Из-за того, что масса бета-частиц в 7000 раз меньше, чем у альфа-, а заряд в 2 раза меньше, взаимодействия происходят гораздо реже. Кстати, и траектория бета-частиц далека от прямолинейной траектории ядер гелия.

Как я уже обозначил, бета-излучение гораздо реже взаимодействует с веществом, нежели альфа-, поэтому и проникающая способность у него гораздо выше. В воздухе от 1 см до 20 м, в зависимости от начальной энергии. Тут уже листом бумаги не обойтись, сотрудники специальных учреждений и служб должны носить специальные СИЗ, если им требуется защита от бета-излучения. В основном, этого достаточно.

Тебе же должны помочь стены твоего дома. Главное правило такое же, как и в прошлый раз: не дай бета-источникам попасть внутрь твоего тела.

Иногда радионуклиды способны испускать γ-кванты. Звучит круто, но это всего лишь фотоны, идентичные фотонам видимого света, правда с гораздо, гораздо меньшей длиной волны.

γ-излучение возникает при переходе ядра из возбуждённого состояния в основное (а возбуждёнными ядра становятся при претерпевании альфа- или бета-распада, но выход γ-квантов в этих случаях минимален), при делении ядра или при аннигиляции пары античастиц.

При гамма-распаде в ядре не меняется ни число нуклонов, ни заряд, лишь содержащаяся в нём энергия.

Взаимодействие гамма-квантов с веществом и потеря ими энергии происходит за счёт фотоэффекта, комптон-эффекта и образования пар.

Фотоэффект – такое взаимодействие гамма-излучения с веществом, когда энергия гамма-кванта передается орбитальному электрону (подавляющая часть) и ядру (незначительная часть). После этого гамма-квант прекращает свое существование.

При этом часть энергии тратится, чтобы вырвать электрон с орбитали, а остальная – чтобы придать ему кинетической энергии.

Фото-эффект является главным способом взаимодействия для фотонов с энергиями ниже 0,5 МэВ.

Комптон-эффект – упругое столкновение гамма-излучения с электронами внешней оболочки атома, при котором фотон передает электрону часть своей энергии, вырывает его из атома, а сам изменяет направление своего движения. При этом отраженный гамма-квант называется вторичным или рассеянным. Он тут же отправляется портить соседние атомы.

Комптон-эффект встречается в случаях, когда энергия фотонов лежит в области 0,5 - 10 МэВ. Многократный комптон-эффект в итоге может приводить к фотоэффекту.

Образование пар. Если энергия падающего на ядро атома фотона превышает 1 МэВ, то ядро может поглотить гамма-квант, после чего происходит образование электронно-позитронной пары, состоящей из электрона и позитрона. Позитрон через короткое время аннигилирует с образованием двух вторичных фотонов, каждый из которых имеет энергию около 0.5 МэВ.

Защититься от гамма-излучения целиком не получится. Какие-то ничтожные его доли, скорее всего, достигнут тебя за любой преградой. Однако, 6 см свинца могут остановить до 99% гамма-излучения с энергией 1 МэВ.

Как ты теперь знаешь, в основном гамма-кванты взаимодействуют с электронами. Поэтому тебя защитят тяжёлые элементы с большими атомными номерами, в атомах которых содержится много-много электронов. Поэтому дерзай!

Теперь ты знаешь, что такое эта ваша радиация и почему излучение назвали ионизирующим. Круто, если твоё понимание физических процессов хоть немного улучшилось после прочтения этого текста. В сущности, ничего сложного в понимании эффектов радиоактивности нет, поэтому сможешь пояснять корешам за радиоактивность и выглядеть крутым физиком-ядерщиком. Надеюсь, что смог передать всё достаточно простым языком, чтобы это было понятно и не слишком душно.

В следующей части я напишу о том, как именно ИИ влияет на живую ткань и на здоровье человека. Заодно ты сможешь узнать о дозах и величинах, в которых они измеряются (разберёмся, что такое рады из фоллаута, чем они отличаются от греев, а ещё зачем нужны кулоны и рентгены, зиверты и бэры).