Радиация
Радиация существовала всегда. Радиоактивные элементы входили в состав Земли с начала ее существования и продолжают присутствовать до настоящего времени. Однако само явление радиоактивности было открыто всего сто лет назад.

В 1896 году французский ученый Анри Беккерель случайно обнаружил, что после продолжительного соприкосновения с куском минерала, содержащего уран, на фотографических пластинках после проявки появились следы излучения. Позже этим явлением заинтересовались Мария  Кюри (автор термина «радиоактивность») и ее муж Пьер Кюри. В 1898 году они обнаружили, что в результате излучения уран превращается в другие элементы, которые молодые ученые назвали полонием и радием. К сожалению люди, профессионально занимающиеся радиацией, подвергали свое здоровье, и даже жизнь опасности из-за частого контакта с радиоактивными веществами. Несмотря на это исследования продолжались, и в результате человечество располагает весьма достоверными сведениями о процессе протекания реакций в радиоактивных массах, в значительной мере обусловленных особенностями строения и свойствами атома.

Известно, что в состав атома входят три типа элементов: отрицательно заряженные электроны движутся по орбитам вокруг ядра – плотно сцепленных  положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Химические элементы различают по количеству протонов. Одинаковое количество протонов и электронов обуславливает электрическую нейтральность атома. Количество нейтронов может варьироваться, и в зависимости от этого меняется стабильность изотопов.

Большинство нуклидов (ядра всех изотопов химических элементов)  нестабильны и постоянно превращаются в другие нуклиды. Цепочка превращений сопровождается излучениями: в упрощенном виде, испускание ядром двух протонов и двух нейтронов (a-частицы) называют a-излучением, испускание электрона – b-излучением, причем оба этих процесса происходят с выделением энергию. Иногда дополнительно происходит выброс чистой энергии, называемый g-излучением.
1.1 
Основные термины и единицы измерения (терминология НКДАР)


Радиоактивный распад – весь процесс самопроизвольного распада       нестабильного нуклида.



Радионуклид – нестабильный нуклид, способный к самопроизвольному распаду.



Период полураспада изотопа – время, за которое распадается в среднем половина всех радионуклидов данного типа в любом радиоактивном источнике.



Радиационная активность образца – число распадов в секунду в данном радиоактивном образце; единица измерения – беккерель (Бк).
Поглощенная доза[1] – энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым телом (тканями организма), в пересчете на единицу массы.


Эквивалентная доза[2] – поглощенная доза, умноженная на коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма.


Эффективная эквивалентная доза[3] – эквивалентная доза, умноженная на коэффициент, учитывающий разную чувствительность различных тканей к облучению.


Коллективная эффективная эквивалентная доза[4] – эффективная   эквивалентная доза, полученная группой людей от какого-либо источника радиации.


Полная коллективная эффективная эквивалентная доза – коллективная эффективная эквивалентная доза, которую получат поколения людей от какого-либо источника за все время его дальнейшего существования».
Глава I
 

Влияние радиации на организмы
Воздействие радиации на организм может быть различным, но почти всегда оно негативно. В малых дозах радиационное излучение может стать катализатором процессов, приводящих к раку или генетическим нарушениям, а в больших дозах часто приводит к полной или частичной гибели организма вследствие разрушения клеток тканей.

Сложность в отслеживании последовательности процессов, вызванных облучением, объясняется тем, что последствия облучения, особенно при небольших дозах, могут проявиться не сразу, и зачастую для развития болезни требуются годы или даже десятилетия. Кроме того, вследствие различной проникающей способности разных видов радиоактивных излучений они оказывают неодинаковое воздействие на организм:             a-частицы наиболее опасны, однако для a-излучения даже лист бумаги является непреодолимой преградой; b-излучение способно проходить в ткани организма на глубину один-два сантиметра; наиболее безобидное g-излучение характеризуется наибольшей проникающей способностью:  его может задержать лишь толстая плита из материалов, имеющих высокий коэффициент поглощения, например, из бетона или свинца.

Также различается чувствительность отдельных органов к радиоактивному излучению. Поэтому, чтобы получить наиболее достоверную информацию о степени риска, необходимо учитывать соответствующие коэффициенты чувствительности тканей при расчете эквивалентной дозы облучения:

0,03 – костная ткань

0,03 – щитовидная железа

0,12 – красный костный мозг

0,12 – легкие

0,15 – молочная железа

0,25 – яичники или семенники

0,30 – другие ткани

1,00 – организм в целом.

Вероятность повреждения тканей зависит от суммарной дозы и от величины дозировки, так как благодаря репарационным способностям большинство органов имеют возможность восстановиться после серии мелких доз.

В таблице 1 приведены крайние значения допустимых доз радиации:



Таблица 1.

Тем не менее, существуют дозы, при которых летальный исход практически неизбежен. Так, например, дозы порядка 100 г приводят к смерти через несколько дней или даже часов вследствие повреждения центральной нервной системы, от кровоизлияния в результате дозы облучения в 10-50 г смерть наступает через одну-две недели, а доза в 3-5 грамм грозит обернуться летальным исходом примерно половине облученных.

Знания конкретной реакции организма на те или иные дозы необходимы для оценки последствий действия больших доз облучения при авариях ядерных установок и устройств или опасности облучения при длительном нахождении в районах повышенного ра-
диационного излучения, как от естественных источников, так и в случае радиоактивного загрязнения. Однако даже малые дозы радиации не безвредны и их влияние на организм и

здоровье будущих поколений до конца не изучено. Однако можно предположить, что радиация может вызвать, прежде всего, генные и хромосомные мутации, что в последствии может привести к проявлению рецессивных мутаций.   

Следует более подробно рассмотреть наиболее распространенные и серьезные повреждения, вызванные облучением, а именно рак и генетические нарушения.

В случае рака трудно оценить вероятность заболевания как  следствия облучения.  Любая, даже самая малая доза, может привести к необратимым последствиям, но это не предопределено.  Тем не менее, установлено, что вероятность заболевания  возрастает прямо пропорционально дозе облучения.

Среди наиболее распространенных раковых заболеваний, вызванных облучением,  выделяются  лейкозы. Оценка вероятности  летального исхода при лейкозе более надежна, чем аналогичные оценки для других видов раковых заболеваний. Это можно объяснить тем, что лейкозы первыми проявляют себя, вызывая смерть в среднем через 10 лет после момента облучения. За лейкозами «по популярности» следуют: рак молочной железы, рак щитовидной железы и рак легких. Менее чувствительны желудок, печень, кишечник и другие органы и ткани.

Воздействие радиологического излучения резко усиливается другими неблагоприятными экологическими факторами (явление синергизма). Так, смертность от радиации у курильщиков заметно выше.

Что касается  генетических последствий радиации, то  они проявляются в виде хромосомных аберраций  (в том числе изменения числа  или структуры  хромосом) и генных мутаций.  Генные мутации  проявляются сразу в первом поколении (доминантные мутации) или  только при условии, если у обоих родителей мутантным является один и тот же ген (рецессивные мутации), что является  маловероятным. 

Изучение генетических последствий облучения  еще более затруднено, чем в случае рака. Неизвестно, каковы генетические повреждения при облучении, проявляться они могут на протяжении многих поколений, невозможно отличить их от тех, что вызваны другими причинами.

Приходится оценивать появление наследственных дефектов у человека по  результатам экспериментов на животных.

При оценке риска НКДАР использует два подхода:  при одном  определяют непосредственный эффект данной дозы, при другом –  дозу, при которой удваивается  частота появления потомков с той или иной  аномалией по сравнению с нормальными радиационными условиями.

Так, при первом подходе установлено, что доза в 1 г, полученная при низком радиационном фоне особями мужского пола (для женщин оценки менее определенны), вызывает появление от 1000 до 2000 мутаций, приводящих к серьезным последствиям, и от 30 до 1000 хромосомных аберраций на каждый миллион живых новорожденных.

При втором подходе получены следующие результаты: хроническое облучение при мощности дозы в 1 г на одно поколение приведет к появлению около 2000 серьезных генетических заболеваний  на каждый миллион живых новорожденных среди детей тех, кто подвергся такому облучению.

Оценки эти ненадежны, но необходимы.  Генетические последствия облучения  выражаются такими количественными параметрами, как сокращение продолжительности жизни и периода  нетрудоспособности, хотя при этом признается, что эти оценки не более чем первая грубая прикидка. Так, хроническое облучение населения с мощностью дозы в 1 г на поколение сокращает период трудоспособности на 50000 лет, а продолжительность жизни – также на 50000 лет на каждый миллион живых новорожденных среди детей первого облученного поколения; при  постоянном  облучении многих поколений выходят на  следующие оценки: соответственно 340000 лет и 286000 лет.
Существует три пути поступления радиоактивных веществ в организм: при вдыхание воздуха,  загрязненного радиоактивными веществами, через зараженную пищу или воду,  через кожу, а также при заражении открытых ран. Наиболее опасен первый путь,  поскольку:

·        объем легочной вентиляции очень большой

·        значения коэффициента усвоения в легких более высоки.

Пылевые частицы,  на  которых  сорбированы радиоактивные изотопы, при вдыхании воздуха через верхние дыхательные пути частично оседают в полости рта  и  носоглотке.  Отсюда  пыль  поступает в пищеварительный тракт. Остальные частицы поступают в легкие.  Степень задержки аэрозолей в  легких  зависит  от дисперсионности.  В легких задерживается около 20%  всех частиц; при уменьшении размеров аэрозолей величина задержки увеличивается до 70%.

При всасывании радиоактивных веществ из желудочно-кишечного тракта имеет значение коэффициент резорбции,  характеризующий долю вещества, попадающего из желудочно-кишечного тракта в кровь.  В  зависимости от природы изотопа коэффициент изменяется в широких пределах: от сотых долей процента (для циркония, ниобия), до несколь-ких десятков процентов (водород,  щелочноземельные элементы). Резорбция через неповрежденную кожу в 200-300 раз меньше,  чем через желудочно-кишечный тракт, и, как правило, не играет существенной роли.

При попадании радиоактивных веществ в организм  любым  путем  они уже через  несколько  минут обнаруживаются в крови.  Если поступление радиоактивных веществ было однократным,  то концентрация  их  в  крови вначале  возрастает  до  максимума,  а  затем  в  течение  15-20 суток снижается.

Концентрации в  крови  долгоживущих  изотопов  в дальнейшем могут удерживаться практически на одном уровне в течение длительного времени вследствие обратного вымывания отложившихся веществ.

Основные этапы воздействия излучения на ткани показаны в таблице 2:



Таблица 2.
Воздействие ионизирующего излучения на ткани организма
Конечный эффект  облучения   является   результатом   не   только первичного повреждения клеток, но и последующих   процессов восстановления. Предполагается, что значительная   часть первичных повреждений в клетке возникает в виде так называемых потенциальных повреждений, которые могут  реализовываться в случае отсутствия восстановительных процессов.  Реализация этих процессов способствуют процессы биосинтеза  белков  и  нуклеиновых  кислот.  Пока  реализация потенциальных повреждений   не   произошла,   клетка   может   в   них "восстановиться". Это,  как предполагается,  связано с ферментативными реакциями и  обусловлено  энергетическим  обменом.  Считается,  что  в основе этого явления лежит  деятельность  систем,  которые  в  обычных условиях регулируют интенсивность естественного мутационного процесса.

Мутагенное воздействие ионизирующего излучения впервые установили русские ученые Р.А.  Надсон и Р.С.  Филиппов в 1925 году в  опытах  на дрожжах. В  1927  году  это  открытие  было подтверждено Р. Меллером на классическом генетическом объекте - дрозофиле.

Ионизирующие излучения  способны вызывать все виды наследственных перемен. Спектр мутаций,  индуцированных облучением,  не отличается от спектра спонтанных мутаций.

Последние исследования  Киевского Института нейрохирургии показали, что радиация даже в малых количествах,  при дозах в  десятки  бэр, сильнейшим образом воздействует на нервные клетки - нейроны. Но нейроны гибнут не от прямого воздействия радиации.  Как выяснилось,  в  результате воздействия радиации у большинства ликвидаторов ЧАЭС наблюдается "послерадиоционная энцефлопатия". Общие нарушения в организме под действием радиации приводит к изменению обмена веществ, которые влекут за собой патологические изменения головного мозга.
Глава II  

Источники радиационного излучения

Теперь, имея представление о воздействии  радиационного облучения на живые ткани, необходимо выяснить, в каких ситуациях мы наиболее подвержены этому воздействию.

Существует два способа облучения: если радиоактивные вещества находятся вне организма и облучают его снаружи, то речь идет о внешнем облучении. Другой способ облучения – при попадании радионуклидов внутрь организма с воздухом, пищей и водой – называют внутренним.

Источники радиоактивного излучения весьма разнообразны, но их можно объединить в две большие группы: естественные и искусственные (созданные человеком). Причем основная доля облучения (более 75% годовой эффективной эквивалентной дозы) приходится на естественный фон.
3.1 Естественные источники радиации


Естественные радионуклиды делятся на четыре группы: долгоживущие (уран-238, уран-235, торий-232); короткоживущие (радий, радон); долгоживущие одиночные, не образующие семейств (калий-40); радионуклиды, возникающие в результате взаимодействия космических частиц с атомными ядрами вещества Земли (углерод-14).

Разные виды излучения попадают на поверхность Земли либо из космоса, либо поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре, причем земные источники ответственны в среднем за 5/6 годовой эффективной эквивалентной доз, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения.

Уровни радиационного излучения неодинаковы для различных областей. Так, Северный и Южный полюсы более, чем экваториальная зона, подвержены воздействию космических лучей из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные радиоактивные частицы. Кроме того, чем больше удаление от земной поверхности, тем интенсивнее космическое излучение.

Иными словами, проживая в горных районах и постоянно пользуясь воздушным транспортом, мы подвергаемся дополнительному риску облучения. Люди, живущие выше 2000м над уровнем моря, получают в среднем из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу в несколько раз большую, чем те, кто живет на уровне моря. При подъеме с высоты 4000м (максимальная высота проживания людей) до 12000м (максимальная высота полета пассажирского авиатранспорта) уровень облучения возрастает в 25 раз. Примерная доза за рейс Нью-Йорк – Париж по данным НКДАР ООН в 1985 году составляла 50 микрозивертов за 7,5 часов полета.

Всего за счет использование воздушного транспорта население Земли получало в год эффективную эквивалентную дозу около 2000 чел-Зв.   

Уровни земной радиации также распределяются неравномерно по поверхности Земли и зависят от состава и концентрации радиоактивных веществ в земной коре. Так называемые аномальные радиационные поля природного происхождения образуются в случае обогащения некоторых типов горных пород ураном, торием, на месторождениях радиоактивных элементов в различных породах, при современном привносе урана, радия, радона в поверхностные и подземные воды, геологическую среду.

По данным исследований, проведенных во Франции, Германии, Италии, Японии и США, около 95% населения этих стран проживает в районах, где мощность дозы облучения колеблется в среднем от 0,3 до 0,6 миллизиверта в год. Эти данные можно принять за средние по миру, поскольку природные условия в вышеперечисленных странах  различны.

Есть, однако, несколько «горячих точек», где уровень радиации намного выше. К ним относятся несколько районов в Бразилии: окрестности города Посус-ди-Калдас и пляжи близ Гуарапари, города с населением 12000 человек, куда ежегодно приезжают
отдыхать примерно 30000 курортников, где уровень радиации достигает 250 и 175 миллизивертов в год соответственно. Это превышает средние показатели в 500-800 раз. Здесь, а также в другой части света, на юго-западном побережье Индии, подобное явление обусловлено повышенным содержанием тория в песках. Вышеперечисленные территории в Бразилии и Индии являются наиболее изученными в данном аспекте, но существует множество других мест с высоким уровнем радиации, например во Франции, Нигерии, на Мадагаскаре.

По территории России зоны повышенной радиоактивности также распределены неравномерно и известны как в европейской части страны, так и в Зауралье, на Полярном Урале, в Западной Сибири, Прибайкалье, на Дальнем Востоке, Камчатке, Северо-востоке.

Среди естественных радионуклидов наибольший вклад (более 50%) в суммарную дозу облучения несет радон и его дочерние продукты распада (в т.ч. радий). Опасность радона заключается в его широком распространении, высокой проникающей способности и миграционной подвижности (активности), распаде с образованием радия и других высокоактивных радионуклидов. Период полураспада радона сравнительно невелик и составляет 3,823 суток. Радон трудно идентифицировать без использования специальных приборов, так как он не имеет цвета или запаха.

Одним из важнейших аспектов радоновой проблемы является внутреннее облучение радоном: образующиеся при его распаде продукты в виде мельчайших частиц проникают в органы дыхания, и их существование в организме сопровождается альфа-излучением. И в России, и на западе радоновой проблеме уделяется много внимания, так как в результате проведенных исследований выяснилось, что в большинстве случаев содержание радона в воздухе в помещениях и в водопроводной воде превышает ПДК. Так, наибольшая концентрация радона и продуктов его распада, зафиксированная в нашей стране, соответствует дозе  облучения 3000-4000 бэр в год, что превышает ПДК на два-три порядка. Полученная в последние десятилетия информация показывает, что в Российской федерации радон широко распространен также в приземном слое атмосферы, подпочвенном воздухе и подземных водах.

В России проблема радона еще слабо изучена, но достоверно известно, что в некоторых регионах его концентрация особенно высока. К их числу относятся так называемое радоновое «пятно», охватывающее Онежское, Ладожское озера и Финский залив, широкая зона, простирающаяся от Среднего Урала к западу, южная часть Западного Приуралья, Полярный Урал, Енисейский кряж, Западное Прибайкалье, Амурская область, север Хабаровского края, Полуостров Чукотка.


3.2 Источники радиации, созданные человеком (техногенные)


Искусственные источники радиационного облучения существенно отличаются от естественных не только происхождением. Во-первых, сильно различаются индивидуальные дозы, полученные разными людьми от искусственных радионуклидов. В большинстве случаев эти дозы невелики, но иногда облучение за счет техногенных источников гораздо более интенсивно, чем за счет естественных. Во-вторых, для техногенных источников упомянутая вариабельность выражена гораздо сильнее, чем для естественных. Наконец, загрязнение от искусственных источников радиационного излучения (кроме радиоактивных осадков в результате ядерных взрывов) легче контролировать, чем природно обусловленное загрязнение.

Энергия атома используется человеком в различных целях: в медицине, для производства энергии и обнаружения пожаров, для изготовления светящихся циферблатов часов, для поиска полезных ископаемых и, наконец, для создания атомного оружия.

Основной вклад в загрязнение от искусственных источников вносят различные медицинские процедуры и методы лечения, связанные с применением радиоактивности. Основной прибор, без которого не может обойтись ни одна крупная клиника – рентгенов-
ский аппарат, но существует множество других методов диагностики и лечения, связанных с использованием радиоизотопов.

Неизвестно точное количество людей, подвергающихся подобным обследованиям и лечению, и дозы, получаемые ими, но можно утверждать, что для многих стран использование явления радиоактивности в медицине остается чуть ли не единственным техногенным источником облучения.

В принципе облучение в медицине не столь опасно, если им не злоупотреблять. Но, к сожалению, часто к пациенту применяются неоправданно большие дозы. Среди методов, способствующих снижению риска, -- уменьшение площади рентгеновского пучка, его фильтрация, убирающая лишнее излучение, правильная экранировка и самое банальное, а именно исправность оборудования и грамотная его эксплуатация.

Из-за отсутствия более полных данных НКДАР ООН был вынужден принять за общую оценку годовой коллективной эффективной эквивалентной дозы, по крайней мере, от рентгенологических обследований в развитых странах на основе данных, представленных в комитет Польшей  и Японией к 1985 году, значение 1000 чел-Зв на 1 млн. жителей. Скорее всего, для развивающихся стран эта величина окажется ниже, но индивидуальные дозы могут быть значительнее. Подсчитано также, что коллективная эффективная эквивалентная доза от облучения в медицинских целях в целом (включая использование лучевой терапии для лечения рака) для всего населения Земли равна примерно 1 600 000 чел-Зв в год.

Следующий источник облучения, созданный руками человека – радиоактивные осадки, выпавшие в результате испытания ядерного оружия в атмосфере, и, несмотря на то, что основная часть взрывов была произведена еще в 1950-60е годы, их последствия мы испытываем на себе и сейчас.

В результате взрыва часть радиоактивных веществ выпадает неподалеку от полигона, часть задерживается в тропосфере и затем в течение месяца перемещается ветром на большие расстояния, постепенно оседая на землю, при этом оставаясь примерно на одной и той же широте. Однако большая доля радиоактивного материала выбрасывается в стратосферу и остается там более продолжительное время, также рассеиваясь по земной поверхности.

Радиоактивные осадки содержат большое количество различных радионуклидов, но из них наибольшую роль играют цирконий-95, цезий-137, стронций-90 и  углерод-14, периоды полураспада которых составляют соответственно 64 суток, 30 лет (цезий и стронций) и 5730 лет.

По данным НКДАР, ожидаемая суммарная коллективная эффективная эквивалентная доза от всех ядерных взрывов, произведенных к 1985 году, составляла 30 000 000 чел-Зв. К 1980 году население Земли получило лишь 12% этой дозы, а остальную часть получает до сих пор и будет получать еще миллионы лет.

Один из наиболее обсуждаемых сегодня источников радиационного излучения является атомная энергетика. На самом деле, при нормальной работе ядерных установок ущерб от них незначительный. Дело в том, что процесс производства энергии из ядерного топлива сложен и проходит в несколько стадий.

Ядерный топливный цикл начинается с добычи и обогащения урановой руды, затем производится само ядерное топливо, а после  отработки топлива на АЭС иногда возможно вторичное его использование через извлечение из него урана и плутония. Завершающей стадией цикла является, как правило, захоронение радиоактивных отходов.

На каждом этапе происходит выделение в окружающую среду радиоактивных веществ, причем их объем может сильно варьироваться в зависимости от конструкции реактора и других условий. Кроме того, серьезной проблемой является захоронение радиоактивных отходов, которые еще на протяжении тысяч и миллионов лет будут продолжать служить источником загрязнения.

Дозы облучения различаются в зависимости от времени и расстояния. Чем дальше от станции живет человек, тем меньшую дозу он получает.
Из продуктов деятельности АЭС наибольшую опасность представляет тритий. Благодаря своей способности хорошо растворяться в воде и интенсивно испаряться тритий накапливается в использованной в процессе производства энергии воде и затем поступает в водоем-охладитель, а соответственно в близлежащие бессточные водоемы, подземные воды, приземной слой атмосферы. Период его полураспада равен 3,82 суток. Распад его сопровождается альфа-излучением. Повышенные концентрации этого радиоизотопа зафиксированы в природных средах многих АЭС.

До сих пор речь шла о нормальной работе атомных электростанций, но на примере Чернобыльской трагедии мы можем сделать вывод о чрезвычайно большой потенциальной опасности атомной энергетики: при любом минимальном сбое АЭС, особенно крупная, может оказать непоправимое воздействие на всю экосистему Земли.

Масштабы Чернобыльской аварии не могли не вызвать оживленного интереса со стороны общественности. Но мало кто догадывается о количестве мелких неполадок в работе АЭС в разных странах мира.

Так, в статье М. Пронина, подготовленной по материалам отечественной и зарубежной печати в 1992 году, содержатся следующие данные:

«…С 1971 по 1984 гг. На атомных станциях ФРГ произошла 151 авария. В Японии на 37 действующих АЭС с 1981 по 1985 гг. зарегистрировано 390 аварий, 69% которых сопровождались утечкой радиоактивных веществ.… В 1985 г. в США зафиксировано 3 000 неисправностей в системах и 764 временные остановки АЭС…»       и т.д.

Кроме того, автор статьи указывает на актуальность, по крайней мере на 1992 год, проблемы намеренного разрушения предприятий ядерного топливного энергетического цикла, что связано с неблагоприятной политической обстановкой в ряде регионов. Остается надеяться на будущую сознательность тех, кто таким образом «копает под себя».

Осталось указать несколько искусственных источников радиационного загрязнения, с которыми каждый из нас сталкивается повседневно.

Это, прежде всего, строительные материалы, отличающиеся повышенной радиоактивностью. Среди таких материалов – некоторые разновидности гранитов, пемзы и бетона, при производстве которого использовались глинозем, фосфогипс и кальциево-силикатный шлак. Известны случаи, когда стройматериалы производились из отходов ядерной энергетики, что противоречит всем нормам. К излучению, исходящему от самой постройки, добавляется естественное излучение земного происхождения. Самый простой и доступный способ хотя бы частично защититься от облучения дома или на работе – чаще проветривать помещение.

Повышенная ураноносность некоторых углей может приводить к значительным выбросам в атмосферу урана и других радионуклидов в результате сжигания топлива на ТЭЦ, в котельных, при работе автотранспорта.

Существует огромное количество общеупотребительных предметов, являющихся источником облучения. Это, прежде всего, часы со светящимся циферблатом, которые дают годовую ожидаемую эффективную эквивалентную дозу, в 4 раза превышающую ту, что обусловлена утечками на АЭС, а именно   2 000 чел-Зв («Радиация…», 55). Равносильную дозу получают работники предприятий атомной промышленности  и экипажи авиалайнеров.

При изготовлении таких часов используют радий. Наибольшему риску при этом подвергается, прежде всего, владелец часов.

Радиоактивные изотопы используются также в других светящихся устройствах: указателях входа-выхода, в компасах, телефонных дисках, прицелах, в дросселях флуоресцентных светильников и других электроприборах и т.д.

При производстве детекторов дыма принцип их действия часто основан на использовании a-излучения. При изготовлении особо тонких оптических линз применяется торий, а для придания искусственного блеска зубам используют уран. Очень незначительны дозы облучения от цветных телевизоров и  рентгеновских аппаратов для проверки багажа пассажиров в аэропортах.   
Cначала — две цитаты: из раздела «Пишут, что...» и из статьи А. М. Чекмарева «Радиоактивность вокруг нас» (обе — из «Химии и жизни», 2008, № 10). Цитата первая: «Практически все клетки человеческого тела ежегодно испытывают хотя бы одно событие радиационного поражения, многие — несколько раз». И вторая: «Большинство людей получает от 0,3 до 0,6 миллизиверта в год за счет земной радиации... В среднем от земных источников естественной радиации мы получаем примерно 350 микрозивертов в год (то есть индивидуальные дозы у большинства из нас ближе к 0,3 миллизиверта)... Если говорить о том, какой именно элемент вносит наибольший вклад в наше внутреннее облучение, то это газ радон и продукты его распада. Его доля — около 75% годовой индивидуальной дозы облучения человека от земных источников и около половины дозы от всех источников радиации». (Кстати, более подробно об облучении от вездесущего радона можно прочитать в статье «Еще раз о радиоактивности в нашем доме», опубликованной в № 4, 1990.)

Прежде всего — несколько слов о единице облучения в статье Чекмарева. Она названа в честь шведского физика Рольфа Максимилиана Зиверта (1896–1966). Это — единица эквивалентной дозы излучения в СИ, принятая на XVI Генеральной конференции по мерам и весам в 1979 году (с 1975 по 1979 год она назвалась «грэй»). Зиверт (Зв) равен дозе любого вида ионизирующего излучения, производящего такое же биологическое действие, как и доза рентгеновского или гамма-излучения в 1 Гр, а эта единица (как единица поглощенной дозы) названа в честь английского физика Луиса Гарольда Грэя (1905–1965). Один грэй — поглощенная доза излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Значит, для среднего человека массой 70 кг 1 Зв соответствует общей поглощенной энергии 70 Дж. Для теплотехники это небольшая величина, ее достаточно для нагрева стакана воды менее чем на 0,1 градуса. Для человека же такая доза, особенно если она однократная, означает исключительно сильное поражение. Поэтому на практике применяют дольные единицы: 1 мЗв и 1 мкЗв.

Мало кто знает, что, если человека поместить в свинцовую камеру с толстыми стенками и никакой радон в его легкие попадать не будет, он все равно будет облучаться. Источник этого облучения — радионуклиды в его собственном теле, которые попали к нему при рождении и продолжают пополняться всю его жизнь. Избавиться от них невозможно принципиально, как, например, невозможно избавить человека от кальция или фосфора в его организме. Таких радионуклидов, вносящих основной вклад во внутреннее облучение, всего два. Это калий-40 и углерод-14 (так называемый радиоуглерод).

Начнем с калия. Это один из наиболее распространенных элементов в земной коре: его в ней 2,1%. Калий представлен в природе тремя изотопами:

В среднем относительная атомная масса калия с учетом распространенности его изотопов равна 39,0983. Один из этих изотопов, ⁴⁰K, радиоактивен, хотя его активность и невелика, поскольку очень велик период полураспада (t_1/2 = 1,28·10⁹ лет). Исходя из приведенных данных, можно рассчитать, какую радиацию мы получаем за счет распада калия в собственном теле. В человеке массой 70 кг содержится примерно 0,2% калия, или 140 г (кстати, это больше, чем натрия, которого в человеке около 100 г). Следовательно, средний человек всегда носит в своем теле 0,0164 г радиоактивного калия-40, или 2,47·10²⁰ атомов.

Скорость радиоактивного распада — уравнение первого порядка, то есть она пропорциональна числу имеющихся атомов (N): dN/dt = –kN; знак минус показывает, что число атомов уменьшается со временем. (В радиохимии константу k обычно называют постоянной распада и обозначают греческой буквой λ.) Константа k связана с периодом полураспада простым соотношением: k = ln2/t_1/2 = 0,693/1,28·10⁹ = 5,41·10^–10 год^–1. То есть в теле человека распадается 5,41·10^–10 × 2,47·10²⁰ = 1,34·10¹¹ атомов за год — больше ста миллиардов, или 4250 атомов каждую секунду!

Какая же энергия выделяется при этом? Нуклид ⁴⁰K распадается по двум путям: на 11% он претерпевает электронный захват (его еще называют K-захватом, по номеру оболочки, с которой происходит захват электрона): ⁴⁰K + е → ⁴⁰Ar. Именно в результате такого распада ⁴⁰K в земной коре и образовалась основная часть атмосферного аргона. Этот процесс является также основой так называемого калий-аргонового метода в геохронологии. Остальные 89% ⁴⁰K (1,2·10¹¹ атомов в год) распадаются с испусканием бета-излучения: ⁴⁰K → ⁴⁰Ca + е. Энергия этих β-частиц равна 1,314 МэВ = 1,314·10⁶ эВ. Как известно, 1 эВ соответствует 96 500 Дж/моль, или 96 500/6·10²³ = 1,6·10^–19 Дж в расчете на одну частицу. Следовательно, энергия всех испущенных за год в теле человека β-частиц составит 1,314·10⁶х1,6·10^–19 × 1,2·10¹¹ = 0,025 Дж или 0,36 мЗв.

Но и это не всё. Помимо калия-40 в нашем теле всегда присутствует радиоактивный углерод-14 с периодом полураспада 5730 лет, избавиться от которого тоже нельзя. Земля, как известно, подвергается непрерывному облучению космическими частицами. Если бы не атмосфера, пропускающая к земной поверхности лишь небольшую часть космического излучения, жизнь на Земле вряд ли была бы возможна. Из разнообразных ядерных реакций, идущих в верхних слоях атмосферы, нас сейчас интересует лишь одна — захват нейтронов атомами азота, при котором из ядра вылетает один протон: ¹⁴N + n → ¹⁴C + р.

Ядро составляет ничтожную часть объема атома, поэтому нейтроны даже при высокой плотности их потока редко попадают в ядро и над 1 см² земной поверхности за 1 с образуется в среднем всего 2,4 ядра ¹⁴C. Если учесть площадь поверхности Земли, то получится, что ежегодно в атмосфере образуется примерно 8 кг этого нуклида. Земля существует миллиарды лет, и если бы ядра ¹⁴C были бы стабильными, то их масса на Земле исчислялась бы десятками миллионов тонн. Однако нуклид ¹⁴C радиоактивен и непрерывно распадается. Поэтому всего на Земле имеется около 60 тонн радиоуглерода, из которых ежегодно распадается 8 кг — столько же, сколько его образуется (в этом случае говорят о радиоактивном равновесии). Для Земли 60 тонн — крайне малая величина. Так, в атмосферном углекислом газе количество радиоуглерода в среднем составляет лишь около 1 тонны, или 3·10^–11% от «обычного» атмосферного углерода (¹²C + ¹³C); остальной радиоуглерод в основном растворен в воде океанов. Содержание ¹⁴C нарушалось в 50-е — начале 60-х годов XX века в результате испытаний ядерного оружия, и лишь к началу XXI века оно почти вернулось к прежнему уровню.

Большинству из вновь образовавшихся атомов ¹⁴C предстоит долгая жизнь — на многие тысячи лет. После образования они почти мгновенно окисляются в воздухе до ¹⁴CO, а затем в течение нескольких недель — до ¹⁴CO₂, молекулы которого равномерно перемешиваются с воздухом. Углекислый газ атмосферы — основной источник углерода, который в огромных количествах усваивается растениями в процессах фотосинтеза. Так радиоуглерод попадает в биосферу. Растениями питаются животные, поэтому вся живая органическая материя содержит радиоуглерод, хотя и в ничтожных количествах (1,18·10^–14% относительно углерода-12). Причем большое время его жизни и здесь способствует его равномерному распределению. Очень важно, что в результате обменных процессов, протекающих в живой природе, содержание ¹⁴C в растениях и животных в течение их жизни остается постоянным (хотя в разных растениях — разным, см. «Химию и жизнь», 2005, № 4). Но как только обмен с окружающей средой прекращается, содержание радиоуглерода начинает очень медленно снижаться — вдвое каждые 5730 лет.

Радиоуглерод входит также в состав неорганических соединений, которые растворены в воде морей и океанов, в подземных водах и находятся в обменном равновесии с углекислым газом атмосферы. В основном это растворимые гидрокарбонаты, которыми так богаты минеральные воды. Но как только обмен прекращается (например, углерод вошел в состав минерала), происходит то же, что и в живой природе после гибели организма — содержание ¹⁴C в обычном углероде со временем начинает убывать. Подробное рассмотрение закономерностей образования и распада радиоуглерода позволило американскому физикохимику Уилларду Фрэнку Либби (1908–1980) совершить в конце 40-х годов выдающееся открытие и через несколько лет получить Нобелевскую премию по химии «за разработку метода использования углерода-14 для определения возраста в археологии, геологии, геофизике и других областях науки».

Вернемся теперь к «среднему» человеку и посчитаем скорость распада радиоуглерода в его теле. Известно, что в 1 г природного «живого» углерода происходит 15,3 распада ¹⁴C в минуту. Такая малая активность (намного меньше фона) сильно затрудняла измерения с помощью счетчиков, поэтому сейчас для точного определения содержания радиоуглерода используются масс-спектрометрические методы. В человеке массой 70 кг содержится около 14 кг углерода. Следовательно, в минуту в нем будет распадаться 15,3·10³ × 70 = 1,07·10⁶ атомов, а в год — 5,63·10¹¹ атомов ¹⁴C, величина того же порядка, что и для атомов ⁴⁰K (конечно, это случайное совпадение). Однако энергия при этом выделяется не такая большая. Углерод-14, как и калий-40, претерпевает β-распад, но со значительно меньшей энергией — всего 0,156 МэВ = 0,156·10⁶ эВ. Значит, суммарная энергия всех β-частиц равна 0,156·10⁶ × 1,6·10^–19 × 5,63·10¹¹ = 0,014 Дж, или 0,2 мЗв. Общая же доза от «внутреннего» облучения составит 0,36 + 0,2 = 0,56 мЗв, то есть столько же, сколько от внешних источников! Следует, однако, отметить, что мягкое излучение радиоуглерода задерживается в тканях полностью, тогда как более энергичные частицы, испускаемые атомами ⁴⁰K, могут частично вылетать из тела.

Как видим, общее число частиц высокой энергии, испускаемых в теле человека нуклидами ⁴⁰K и ¹⁴C в течение года, приближается к триллиону (10¹²). Клеток в организме порядка ста триллионов. Однако следует учесть, что мы рассчитали только «внутренние» частицы, тогда как человек подвергается также и внешнему облучению. Еще важнее то, что одна частица высокой энергии может вызвать целый каскад превращений и поразить не одну клетку. Поэтому приведенная в начале статьи цитата выглядит вполне правдоподобной, хотя и парадоксальной для небиолога.

В заключение — несколько забавных расчетов. Зная, сколько атомов ⁴⁰K распадается в человеке за год по механизму ⁴⁰K + е → ⁴⁰Аr (примерно 1,5·10¹⁰), легко подсчитать, что в теле человека в течение 50 лет образуется около 3·10^-8 мл аргона, а у всех людей на Земле — менее 200 мл — не хватит, чтобы надуть один воздушный шарик...

Современное значение относительной атомной массы калия — 39,0983. Какое значение получил бы воображаемый инопланетный химик, если бы он провел измерения этой величины в момент образования нашей планеты, 4,5 млрд лет назад? Отношение числа атомов ⁴⁰K к современному рассчитывается по простой формуле: N₀/N = exp(–kt) = exp(5,41·10^–10 × 4,5·10⁹) = 11,4. Теперь рассмотрим образец земной коры, содержащей 100 атомов калия. Из них сейчас на долю ³⁹K приходится (в среднем, конечно) 93,2581 атомов, на долю ⁴⁰K — 0,0117 атомов и на долю ⁴¹K — 6,7302 атомов. В момент образования Земли число атомов ³⁹K и ⁴¹K было таким же, а число атомов ⁴⁰K было в 11,4 раза больше, 0,1334; то есть к настоящему времени распалось 91,2% первоначального количества атомов калия-40! Итак, 4,5 млрд лет назад наш воображаемый образец содержал 100,1217 атомов. Их суммарная масса составляла 93,2581 × 38,9637 + 0,1334 × 39,9640 + 6,7302 × 40,9618 = 3914,6929 г, а относительная атомная масса элемента калия была 3914,6929/100,1217 = 39,0993. Изменение в третьем знаке после запятой инопланетный химик смог бы установить.

В заключение попробуем оценить, насколько нагрелась бы земная кора только за счет радиоактивного распада ⁴⁰K, если бы в ней распалось всего 5% от имеющегося сейчас количества ⁴⁰K — без учета тепловых потерь в окружающее пространство. Такое количество распадется за 95 миллионов лет. Будем считать, что калий распространен равномерно, а теплоемкость земных пород примем равной 1 Дж/(г·К). Сейчас в 1 кг породы содержится примерно 21 г калия, из которых на долю ⁴⁰K приходится 21 × 0,000117 = 0,0025 г. При распаде в этой породе 5% ⁴⁰K, то есть 0,0025 × 0,05 = 1,25·10^-4 г, или 3,12·10^-6 моль, выделится 1,314·10⁶ (эВ) × 96,5 (кДж/(моль·эВ)) × З,12·10^–6(моль) ≈ 400 кДж. В отсутствие тепловых потерь это привело бы к нагреву земной коры на 400 К! Таким образом, распад калия-40 вносит заметный вклад в тепловой баланс Земли и, вероятно, других планет. Действительно, по разным оценкам, распад калия-40 дает от 10 до 15% суммарной скорости генерации энергии в земной коре.

---