Радиоактивностью в физике называют самопроизвольный распад неустойчивых атомных ядер, сопровождающийся выбросом α-частиц, β-частиц, γ-лучей, протонов и прочих фрагментов нуклеарного деления. Изменение массы, заряда и внутренней структуры ядер радиоактивных атомов (радионуклидов) приводит к образованию новых элементов и уменьшается экспоненциально по мере течения времени.
Немного истории и терминологии
Французский физик Беккерель в 1896 году исследовал возможность взаимосвязи явления люминесценции и открытых недавно рентгеновских лучей. При этом выяснилось, что вещества, в состав которых входил тяжёлый металл уран, испускали невидимое для человеческого глаза излучение. Оно вызывало потемнение фотографических светочувствительных пластин и беспрепятственно проникало через дерево и бумагу.
Другие знаменитые французские исследователи, супруги Кюри, обнаружили способность создавать аналогичные лучи у элементов тория и полония и назвали это естественной радиоактивностью. В 1898 году им удалось выделить из урановой смолки новый элемент — радий, значительно превзошедший уран и оказывавший сильное действие на человеческий организм в виде ионизирующего излучения. Энергия его частиц была настолько велика, что в тканях и веществах создавались разноимённые ионы.
Ядерной реакцией называются комплексы последовательных превращений, происходящих в атомном ядре под воздействием ускоренных элементарных частиц (нуклонов) и других ядер. Потоки, сопровождающие радиоактивный распад, называются ядерными или ионизирующими. Но рентгеновские и ультрафиолетовые частицы тоже ионизируют окружающую среду, поэтому грамотнее использовать термин «ядерное излучение».
Радионуклиды — активные изотопы, их характеризует постоянный период полураспада: от миллисекунд до нескольких миллиардов лет.
Значение радиоактивности измеряют в Беккерелях, иногда ещё применяют единицу Кюри, а содержание показателя в веществе оценивают по отношению к весу или объёму. Критерием ионизационного воздействия радиоактивного излучения на объект является экспозиционная доза, которая измеряется в Рентгенах.
Динамика процесса распада
Периодическая таблица Д. И. Менделеева насчитывает свыше ста химических элементов, и многие совмещают стабильные и радиоактивные формы — изотопы. Сегодня изучено порядка 2 тыс. радионуклидов с одинаковыми атомными номерами, но различными массовыми числами, а около 300 из них — стабильные. Стабильные изотопы существуют неопределённо долго, нестабильные со временем претерпевают изменения.
При распаде радионуклида расщеплению подвергается ядро, которое находится в центре и представляет собой объединение нуклонов (протонов и нейтронов), окутанное густым электронным облаком.
Протоны обладают положительным зарядом и сообщают его атомному ядру, а нейтроны заряда не имеют. Отрицательно заряженные электроны вокруг ядра движутся вращательно по орбите, где их удерживает сила притяжения его положительного заряда.
Одноимённо заряженные протоны отталкиваются и пытаются удалиться друг от друга. Если атом обладает невысокой массой и всего несколькими протонами, у него достаточно сил для поддержания стабильного состояния. Но крупные ядра, например, урана-238 с 92 протонами, не могут длительное время сохранять равновесие и проявляют свойство радиоактивности.
Когда неустойчивое ядро исторгает в пространство частицу, возникает новое — дочернее. Оно может уже оказаться стабильным, и распад на этом завершится. Но если протонов много, то выбросы продолжаются до образования стабильного ядра. Такая реакция носит имя цепочки распадов, а последовательность полученных изотопов называется радиоактивным рядом.
Типы возникающих частиц
Соли урана при экспериментах Резерфорда в 1899 году испускали лучи трёх видов, по-разному реагировавших на действие магнитного поля. Они получили наименования альфа, бета и гамма, применяющиеся до сих пор:
- Лучи, которые вели себя как потоки частиц положительного заряда, обозначили α (альфа). Самопроизвольный альфа-распад начинается у тяжёлых атомов с массовым числом более 140. В результате элементы смещаются в начало таблицы Менделеева на 2 клетки, а массы образовавшихся ядер снижаются на 4 единицы. Альфа-частицы не проникают через слой бумаги и человеческую кожу, но их большая доза вызывает ожог, а вдыхание или проглатывание излучателей приводит к радиационным поражениям органов.
- Лучи, проявившие свойства потока частиц с отрицательным зарядом, назвали β (бета). По окончании β-распада химический элемент отодвигается к концу таблицы Менделеева на 1 клетку, а его атомная масса не изменяется. Бета-частицы — это отделившиеся от расщеплённого ядра электроны, оставившие после себя протоны. Будучи во много раз меньше, чем α-частицы, они обладают значительно большими способностями проникновения: свободно проходят через многочисленные бумажные слои, но поглощаются древесиной. Глубокие структуры эпидермиса тоже задерживают β-частицы, легко преодолевшие его поверхностные слои. Это служит причиной тяжёлых ожогов, обширных поражений тканей и органов.
- Лучи, которые не реагировали на магнитное поле, назвали γ (гамма). Они возникали, когда возбуждённое изомерное состояние ядра атома начинало распадаться до основного, поэтому процесс испускания γ-квантов обозначили термином «изомерный переход». Гамма-излучение подобно рентгеновскому и представляет собой потоки квантов огромной энергии, имеющих одинаковую с видимым светом электромагнитную природу. Обладая исключительной проникающей способностью, оно преодолевает бумажные и деревянные преграды и поглощается только каменной кладкой или свинцовыми пластинами. Человеческое тело γ-лучи проходят беспрепятственно, вызывая лучевые повреждения на клеточном уровне.
При дальнейших исследованиях были выявлены и другие частицы, сопровождающие атомный распад. Кластерную радиоактивность, спонтанное деление, выбросы нейтронов, позитронов и протонов сегодня рассматривают как промежуточные процессы альфа-распада и изучают возможности практического применения.
Радиоактивные природные излучатели
Следы естественных радионуклидов самостоятельно обнаруживаются в различных объектах флоры и фауны, и около семидесяти из них составляют тяжёлые металлы: хром, железо, марганец. Радиоактивными являются изотопы всех элементов с атомной массой свыше 82, не встречающихся в стабильном состоянии. Измерение естественной радиоактивности помогает изучать свойства и микроструктуру различных веществ, служит мощным инструментом исследований жизни на земле и в глубинах мирового океана. Естественные радионуклиды можно разделить на три условные группы:
- Первая объединяет природные радиоактивные изотопы семейства актиноидов, уранового и радиевого рядов. Их характеризует последовательность превращений и твёрдый или газообразный вид промежуточных продуктов распада.
- Во вторую входят химические элементы, связанные генетически, но не образующие семейств. Это радионуклиды калия, кальция, рубидия, циркония, лантана, самария, лютеция. Именно первый из них и обуславливает максимальные значения природного радиоактивного фона.
- К третьей группе относят космогенные радионуклиды, которые под воздействием космических лучей образуются в земной атмосфере, с дождями и снегом попадают на почву и вступают в реакции с минералами земной коры. Сюда входят изотопы трития, бериллия и углерода.
Природные излучатели пребывают в рассеянном состоянии, срок жизни их велик, а период полураспада составляет от 108 до 1016 лет. Солнце — естественный источник рентгеновского излучения, но слои земной атмосферы обеспечивают от него надёжную защиту. Интересно, что человек тоже немного радиоактивен — в тканях тела содержатся природные радионуклиды калия и рубидия, а способов избавления от них пока нет.
Хуже то, что около 80% времени жизни людей протекает в помещениях из материалов, имеющих естественный радиационный фон.
Управляемое расщепление атома
Превращения в цепочках химических элементов и возникновение искусственных радионуклидов стало возможным при создании мощных источников энергии, соизмеримых с силами внутриядерных связей. Бомбардировка высокоскоростными частицами, образовавшимися при радиоактивном излучении, уже в 1919 г. британскому физику Резерфорду позволила впервые расщепить ядро атома азота.
Эффективность α-частиц полония в этом эксперименте доказала миру, что искусственные ядерные реакции возможны путём выбивания протонов из состава ядра: пропускание α-лучей через облако газообразного азота приводило к образованию атомов изотопа кислорода и протонов водорода.
Сегодня расщепление атомов происходит двумя видами частиц:
- нейтральными, полученными посредством ядерных реакторов;
- заряженными, разогнанными в специальных ускорителях.
Всем ядерным реакциям сопутствует излучение элементарных субатомных частиц, а продукты распада проявляют радиоактивность. К таким выводам пришли в 1934 году французские учёные Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, когда получили искусственные радиоактивные изотопы ряда элементов, в природных условиях до этого обладавших стабильностью.
Для первых экспериментов использовали алюминий, магний и бор. Под действием α-частиц из атома алюминия выбивались нейтроны, это приводило к образованию радиоактивного изотопа фосфора. А он, в свою очередь, излучал позитроны и превращался в кремний. Новый распад, которого не бывает у естественных изотопов, был назван позитронным. Дальнейшие исследования показали, что искусственные радионуклиды получаются бомбардировкой не только альфа, но и другими частицами.
Сегодня один и тот же изотоп получается несколькими способами, что позволяет наносить «метки» на атомы практически всех элементов периодической системы.
Меченые атомы получили распространение в различных научных и практических областях медицины, химии, физики, биологии. При промышленном получении искусственных радионуклидов применяют бомбардировку ускоренными ядерными частицами или разделение смеси изотопов, что позволяет создать обогащённую и обеднённую фракции. Добыча продуктов разложения естественных радионуклидов менее распространена и стоит дороже.
Универсальное лекарство или яд
Новым излучением, вызывающим ожоги, на заре открытия радиоактивности попытались оперативно лечить опухоли. Нетрадиционная медицина пошла дальше и объявила радиоактивные вещества панацеей. Обнаруженные в горячих источниках, они якобы придавали воде лечебные свойства, обещая умственное и физическое здоровье. В начале XX века появились коммерческие продукты с радиоактивными элементами: посуда, косметика, лекарства, средства гигиены и светящиеся краски.
Заявленный положительный эффект сомнителен: польза малых порций радиации современными исследователями однозначно не доказана, а опасность больших доз сомнений не вызывает. Их воздействие провоцирует нарушения обменных процессов, инфекционные осложнения и лейкемию. Префикс «лучевой» дал начало ряду новых терминов: лучевой ожог, лучевое бесплодие, лучевая катаракта, лучевая болезнь.
Иногда в средствах массовой информации раздувается настоящая радиационная истерия, создавая образ беспощадного врага: незримого, коварного и смертельно опасного. К таким выпадам надо относиться спокойно и осознанно: наукой ещё не открыты механизмы злокачественных перерождений тканей от внешних воздействий, но известен реальный ущерб, который наносят здоровью выбросы сталелитейных заводов и химических предприятий.
В обычной жизни вероятность контакта с источником радиации, угрожающим здоровью, чрезвычайно мала. О радиоактивности стоит задуматься, если ожидается:
- покупка земельного участка, квартиры или дома;
- проведение строительных и отделочных работ;
- выбор и приобретение материалов для ремонта;
- благоустройство прилегающей территории (газонные почвогрунты, покрытия спортивных площадок, тротуарная плитка).
Экспериментально рассчитано, что в ближайшие пятьдесят лет загрязнение от аварии на Чернобыльской АЭС в общей дозе, получаемой населением заражённых областей, не превысит 2%, зато на долю естественной радиоактивности придётся до 60% этого количества.
Интересно, что по американской шкале относительной опасности для людей, радиация находится всего лишь на 26 месте, а первые две позиции занимают тяжёлые металлы и токсичные химические вещества.