Радиоактивный распад — изменение состава нестабильных атомных ядер. Ядра спонтанно распадаются на ядерные фрагменты и элементарные частицы (продукты распада). Часть элементов имеет хотя бы один стабильный (не радиоактивный) изотоп, радиоактивны же все элементы с порядковым номером после 82 и нестабильные изотопы более легких элементов (изотопы — разновидности элемента с одинаковым количеством протонов и разным числом нейтронов).
Альфа-распад сопровождается испусканием альфа-частиц — ядер гелия, состоящих из двух протонов и двух нейтронов. Вследствие того, что число в атоме понижается, ядро превращается в ядро другого элемента, отстоящего в таблице Менделеева на две позиции назад. Альфа-частицы самые тяжелые, но именно по этой причине защита от них очень проста — они тормозятся даже воздухом. Реальную опасность для человека альфа-частицы представляют только при попадании в организм с воздухом, водой или пищей.
При бета-распаде испускается бета-частица — электрон (и антинейтрино). Ядро элемента также изменяется, но на одну позицию вперед в таблице. Бета-частицы также опасны при попадании в организм, дополнительно длительный контакт кожи с бета-источником может вызвать существенные радиоактивные ожоги.
Третий основной вид радиоактивного распада — гамма-распад, сопровождающийся излучением фотонов высоких энергий (гамма-лучи). Гамма-излучение часто сопровождает альфа- и бета- распад. Защита от гамма-лучей крайне сложна, но они сопровождают жизнь на Земле всю историю существования планеты. То есть, каждый человек ежесекундно подвергается воздействию гамма-лучей. Природное, не обусловленное техногенным влиянием человека, гамма-излучение не слишком велико в большинстве мест планеты.
Природные изотопы также переживают и альфа-, и бета-распад. Существует термин «банановый эквивалент» — радиоактивность одного банана. Бананы от природы содержат очень много радиоизотопа калия-40, в грамме которого происходит в среднем 32 бета-распада в секунду. Природный уровень радиации также выше среднего в какао-бобах, орехах, картофеле, некоторых других продуктах. С продуктами питания человек получает около 10% годовой дозы — это около 40 миллибэр.
Процесс распада происходит до тех пор, пока ядро не превратится в ядро стабильного элемента.
Ионизирующее излучение — микрочастицы и физические поля, способные ионизировать вещество. К нему относят альфа— и бета-частицы, и гамма-излучения. Соответственно, ионизирующее излучение происходит при распаде радиоактивных элементов. Существует в природе в том числе и от спонтанного распада ядер нестабильных изотопов, активно используется в различных отраслях деятельности человека (рентгенография, лучевая терапия, датчики пожара, ядерные реакторы и ускорители элементарных частиц, и др.).
Период полураспада — время, за которое распадется половина радиоактивных ядер вещества. Является константой для каждого радиоизотопа. Существует ошибочное мнение, что за два периода полураспада распадутся все ядра. На самом деле, по окончанию первого периода распадется ½ ядер, по окончанию второго — половина от оставшегося количества, то есть, ¼, по окончанию третьего — 1/8, и так далее. При этом будет уменьшаться и излучение от вещества. Но при наличии альфа- и бета- распадов ядра вещества будут образовывать ядра других элементов, у которых активность и период полураспада могут сильно отличаться от материнских ядер.
Доза радиоактивного излучения
Экспозиционная доза — энергия излучения, ионизирующая сухой воздух при нормальном атмосферном давлении (облучаем воздух). Единицы измерения: системная — кулон на килограмм (Кл/кг), внесистемная — рентген (Р). 1 Кл/кг = 3876 Р . Экспозиционная доза — величина, на практике применяемая нечасто, так как не дает представления о мере воздействия излучения на разные вещества.
Поглощенная доза — энергия излучения, поглощенная единицей массы любого вещества (облучаем что-то). Единицы измерения: системная — Грей (Гр), внесистемная — рад. 1 Гр=100 рад. Поглощенная доза, в свою очередь, не дает возможности точно оценить воздействие излучения на биологические ткани.
Эквивалентная доза — поглощенная доза, умноженная на коэффициент относительной биологической эффективности (облучаем биологическую ткань разными видами излучения). Дело в том, что разные виды распада оказывают неодинаковое влияние на организм. Более тяжелые альфа-частицы действуют на живые клетки губительнее более легких бета-частиц. Разница воздействия и выражается в коэффициенте ОБЭ. Единицы измерения: системная — зиверт (Зв), внесистемная — бэр. 1 Зв = 100 бэр.
Эффективная доза — сумма произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие коэффициенты (облучаем все тело человека). Разные органы по-разному реагируют на облучения с точки зрения отдаленных последствий. Например, облучение половых желез опасно из-за риска генетических поломок, поэтому коэффициент для них установлен выше. Эффективная доза также измеряется в зивертах и бэрах.
Мощность дозы — приращение дозы за единицу времени. Единица измерения зависит от измеряемой дозы. Например, для эквивалентной и эффективной дозы системная единица — зиверт в час (Зв/ч), для экспозиционной — рентген в час (Р/ч).
Дозы можно определять и по степени воздействия на организм. Пороговая — доза, ниже которой не выявлены проявления облучения. Предельно допустимая — максимальное значение полученного облучения за год, при которой равномерное облучение в течение 50 лет не выявляет негативных последствий. Минимально летальная — вызывающая летальный исход при облучении. При определении дозы обязательно нужно учитывать время облучения (экспозиции). Доза в 50 зиверт, полученная за секунды или даже минуты, приведет к острой лучевой болезни, полученная за 10 лет — может не вызвать никаких диагностируемых последствий.
Основные единицы измерения радиоактивности.
Рентген — внесистемная единица измерения дозы излучения (экспозиционной). 1 Р приблизительно равен 0,0098 Зв . В настоящее время используется в некоторых бытовых дозиметрах, хотя корректнее использовать зиверты.
Грей — системная единица измерения дозы излучения (поглощенной). 1 грей поглощает 1 килограмм вещества при получении 1 джоуля энергии: Гр = Дж / кг = м² / с² . В бытовых дозиметрах как единица измерения используется крайне редко.
Рад — внесистемная единица измерения дозы излучения (поглощенной). 1 рад — доза при которой вещество в 1 грамм получает 100 эрг энергии. В бытовых дозиметрах не используется. 1 Гр = 100 рад
Зиверт — системная единица измерения дозы излучения (эквивалентной и эффективной). 1 зиверт — энергия, полученная 1 килограммом биологической ткани, равное по воздействию дозе излучения в 1 грей: Зв = Дж / кг = м² / с² . Основная единица измерения в дозиметрах.
Бэр — внесистемная единица измерения дозы излучения (эквивалентной и эффективной), биологический эквивалент рентгена. 1 бэр — это такое облучение организма, при котором те же эффекты, что и при экспозиционной дозе 1 рентген. Является устаревшей и практически не используется.
Беккерель — системная единица измерения активности источника. Определяется как активность источника, при которой происходит один распад в секунду (в среднем). Выражается как Бк = с−1 . Это очень маленькая единица измерения, поэтому обычно она используется с кратными приставками.
Кюри — внесистемная единица измерения активности источника. 1 Ки = 3,7•1010 Бк , то есть, 1 кюри — это 3,7•1010 распадов в секунду.
