Тема 1 (частина 1). Предмет і задачі курсу “Радіоекологія”. Основні відомості про іонізуюче випромінювання.

Питання теми та основні терміни

Ø Історія виникнення радіоекології. Задачі радіоекології.

Ø Сучасні уявлення про природу іонізуючого опромінення.

Ø Типи іонізуючого опромінення.

Ø Взаємодія електромагнітного опромінення з речовиною .

Основні терміни теми: радіоекологія, атом, електрон, протон, заряд, радіоактивний розпад, радіонукліди, іонізуюче опромінення, гама-квант, альфа частинки, бета частинки, речовина.

Інформаційні матеріали теми

Предмет і задачі курсу “Радіоекологія”.

Основні відомості про іонізуюче випромінювання

Проблемна ситуація. Забруднення штучними радіонуклідами великих територій, як у нас у країні (Чорнобильська зона відчуження і безумовного (обов'язкового) відселення, Київська, Житомирська, Ровенська області), так і за рубежем (Білорусія, Росія, Швеція, Фінляндія і т.д.), що відбулася в результаті аварії на Чорнобильській атомній електростанції, загострило увагу радіоекологів на вивченні шляхів міграції радіонуклідів у біосфері та вплив радіаційного випромінювання на живі організми, особливо людей.

1 н.п. Історія виникнення радіоекології. Задачі радіоекології

Після відкриття Бекерелєм та Кюрі явища природної, а потім і штучної радіоактивності було з’ясовано, що цей вид випромінювання викликає негативні наслідки у здоров’ї людини. Це послужило причиною виникнення нової науки радіобіології, головна задача якої – вивчення впливу радіації на клітини, тканини і цілі живі організми, а також розробка методів захисту від радіації. В рамках радіобіології з’явився  новий напрямок – радіоекологія, який потім сформувався в окрему науку.

Радіаційна екологія є комбінуванням відгалужень від двох наукових дисциплін, таких як загальна радіобіологія й екологія. Це досить молодий науковий напрямок, особливу актуальність яке придбало в період масового іспиту атомної зброї.

Тоді для вчених стало абсолютно зрозумілим, що забруднення радіонуклідами відбувається не на локальному рівні (ядерні полігони, промислові площадки підприємств атомної промисловості), а приводить до наслідків планетарного масштабу. Цим, в основному, і визначаються основні принципи даної науки, що полягають у вивченні розподілу, міграції і круговороту радіонуклідів у біосфері і впливу іонізуючого випромінювання на екологічні системи (біогеоценози і популяції організмів).

Радіоекологія підрозділяється на радіоекологію наземних біогеоценозів і радіаційну екологію гідробіоценозів (морську і прісноводну). Зрозуміло, що в природних умовах організми піддаються опроміненню за рахунок природного та іонізуючого випромінювання, що обумовлений випромінюванням радіоактивних ізотопів у літосфері, гідросфері й атмосфері, і космічним випромінюванням.

Дози випромінювання, що визначаються природним тілом у біосфері, відносно невеликі, приблизно 0,1 рад у рік, і в більшості випадків не робить помітного впливу на живі організми. У результаті появи в біосфері додаткової кількості радіонуклідів (джерел випромінювання) живі організми стали піддаватися не тільки опроміненню, обумовленому природним радіоактивним тілом, але і впливу випромінювань штучно-радіоактивних нуклідів (як зовнішньому, так і внутрішньому від інкорпорованих радіонуклідів).

У результаті неоднакової радіочутливості різних видів рослин і тварин опромінення природних біоценозів може привести до заміни одних видів іншими, зміні міжвидових і внутрішньовидових відносин. У популяціях, що опромінюються, виникають радіаційно-генетичні зміни, збільшується природний мутаційний темп, відбуваються зрушення радіостійкості на популяційному рівні.

Радіоактивні речовини, у тому числі і довгоживущі радіонукліди стронцію, цезію пересуваються по визначених біологічних ланцюжках, наприклад ґрунт - рослина - тварини - людин. Вивчення міграції штучно-радіоактивних нуклідів у біоценозах і по харчових ланцюгах необхідно для оцінки рівнів нагромадження їх в окремих ланках біологічних ланцюжків і можливих наслідків створюваного ними додаткового опромінення рослин, тварин і людину.

Великий практичний інтерес представляють радіоекологічні дослідження проведені на цих територіях, що дозволили з'ясувати закономірності нагромадження радіонуклідів у культурних рослинах і в організмі сільськогосподарських тварин, тому що продукти рослинництва і тваринництва є джерелами надходження радіонуклідів в організм людини.

Радіоекологія – це один з прикладних напрямків екології, що вивчає шляхи міграції і закономірності накопичення радіонуклідів в екологічних системах та зміни в спільнотах живих організмів в умовах підвищеного фону іонізуючого опромінення.

Цей термін був одночасно запропонований американським екологом Ю.Одумом та російським вченим А.А. Передельським.

Поява нового сильного абіотичного фактору, яким є радіація, може викликати значні зміни в структурі спільнот екологічних систем. Для деяких видів радіація смертельна і вони зникають з біоценозу (наприклад, найбільш радіочутливою породою серед дерев виявилась сосна, що видно на прикладі “рижого лісу в Чорнобильській зоні), інші види легко її виносять і навіть зростають у кількості. Треті види можуть змінювати свою чисельність внаслідок змін кількості радіочутливих видів, наприклад хижаки і паразити.

На відміну від більшості інших абіологічних факторів таких як світло, температура, вологість. Радіація вливає на екологічну систему чи біоценоз постійно протягом тривалого часу.

Задачі радіоекології (протягом розвитку науки доповнювались):

1. Визначення якісного і кількісного вмісту радіонуклідів в живих організмах.

2. Визначення коефіцієнтів накопичення  домінуючим видами.

3. Виявлення біологічної дії інкорпорованих радіонуклідів при різних рінях радіоактивності середовища.

4. Вивчення зміни структури і динаміки популяції в умовах дії радіації.

5. Дослідження механізмів адаптації тварин і росли до радіації.

У зв’язку з аварією на ЧАЕС життя поставило ще одну  задачу перед радіоекологією – це розробка основ прогнозування наслідків впливу радіації та  знаходження ефективних шляхів її знешкодження через:

Ø ослаблення і локалізацію забруднення;

Ø запобігання міграції радіонуклідів по ланцюгам живлення.

2. н.п. Сучасні уявлення про природу іонізуючого опромінення

Всі речовини складаються з молекул, які являються найменшими частинами речовини, що має властивості цієї речовини. Атом – найменша частинка хімічного елементу, входить до складу молекул простих і складних речовин. Атом представляє собою складну термодинамічну систему, що складається з ядра та електронних оболонок. Електрон – стабільна частинка, що має масу спокою та від’ємний заряд. Центральною частинкою атома є ядро, яке складається з протонів і нейронів, в ньому зосереджена майже вся маса атому. Протони і нейрони називають ядерними частками або нуклонами.

Протон – стабільна електронна частинка, яка має позитивний заряд (ядро атому водню). Нейтрон – не має електронного заряду, але має масу спокою, у вільному стані нейтрон – нестабільна частинка, яка одразу починає змінюватися. Заряд ядра обумовлений  наявності в ньому протонів. Сили, що утримують нуклони (тобто протони і нейрони) в ядрі, називаються ядерними, вони обумовлюють стійкість ядра.

Загальна кількість нуклонів в ядрі називається масовим числом (А):

A=N+Z,

де N – кількість нейронів;

Z – кількість протонів.

Заряд електрону по абсолютному значенню дорівнює заряду протону, тому заряд усіх орбітальних електронів дорівнює сумарному заряду протонів ядра. Отже, в нормальному стані для звичайного середовища атом є енергетично нейтральною системою.

Електрони згруповані по електронним оболонкам. У кожній оболонці може знаходитися тільки чітко визначена кількість електронів.

Число електронів на певній оболонці не може бути більшим, ніж 2n2, де n – номер оболонки, якщо рахувати від ядра. В такому стані атом найбільш стійкий. Коли електрон переходить із своєї оболонки на іншу виділяється або поглинається певна кількість енергії, оскільки кожна орбіта характеризується певним значенням енергії, чим ближча вона до ядра, тим більша енергія електростатичної взаємодії між різними за знаками  зарядами частинок.

Електрон, переходячи в рамках атому з ближчої орбіти до дальньої повинен отримати певну кількість енергії, щоб здолати силу притягування ядра. При переході  з дальньої орбіту на ближчу, навпаки виділяється енергія, яка випромінюється атомом. Атом, в якому електрони обертаються на дальніх, ніж йому дозволено орбітах, називається збудженим, в такому стані він нестабільний. Атоми, що характеризуються певним масовим числом та атомним номером, який співпадає з кількістю протонів в ядрі та електронів в оболонках, а також з порядковим номером в таблиці Мендєлєєва,  називають нуклідом:  ;  , де 238 – Z+N (прот+нейтр); 92 – атомний номер (кількість електронів чи протонів).

Ядра при одній і тій же кількості протонів, можуть мати різні масові числа за рахунок різної кількості нейтронів.

Нукліди з однаковим атомним номером, але різними атомними числами називають ізотопами:  ;  ;  .

На сьогодні відомо біля 1500 ізотопів, як стабільних, так і нестабільних. Нестабільні ізотопи, ядра яких з часом розкладаються, називаються радіоактивними або радіонуклідами.

Радіоактивний розпад – це самовільне перетворення атомних ядер, при якому виділяються частинки, g- кванти або відбувається спонтанне ділення ядра.

Властивості явища радіоактивності:

1. Радіоактивність – властивість ядер радіоактивних елементів.

2. Радіоактивність – самовільний процес.

3. На явище радіоактивності не впливають такі зовнішні фактори, як тиск, температура, хімічні реагенти, магнітні та електричні поля.

4. В процесі радіоактивного розпаду виконується закон збереження енергії:  Енергія материнського ядра дорівнює енергії продуктів розпаду.

5. При радіоактивному розпаді атому відбувається перетворення атомного ядра, яке призводить до зміни заряду, маси та енергетичного стану ядра.

Протони і нейтрони в ядрі здатні до взаємних перетворень. При надлишку нейтронів, останні перетворюються в протони, а при їх нестачі протони перетворюються в нейтрони. При таких перетвореннях чітко виконується закон збереження енергії і заряду. При перетворенні протонів і нейронів виникає частинка, що має заряд: електрон (-) або позитрон (+). Енергія, що виділяється при цих перетвореннях, реалізується у вигляді кінетичної енергії електрону, позитрону та частки, що не має заряду. Цю частинку називають нейтрино ( ). Маса спокою та заряд нейтрино приймають рівним нулю (хоча 1980 р.  опубліковані дані, що маса спокою нейтрино = 6×10  г, в одиницях енергії – 35еВ). Нейтрон, як вільний, так і в ядрі перетворюється за такою схемою:

 - схема електронного розпаду.

 

Протон в ядрі перетворюється за такою схемою:

  - схема позитронного розкладу.

 

Такий вид перетворень називається b-розпадом, а електрони  і  позитрони -  b-частинками. Масове число за цих перетворень не змінюється, а змінюється заряд:

- при електричному розпаді заряд збільшується;

- при позитронному - зменшується.

Нуклони в ядрі розташовуються не хаотично, а в чітко визначених комбінаціях. Однією з таких комбінацій є сполучення двох протонів і двох нейронів (ядро атому гелію) - a-частинка:

  - a-розпад.

3. н.п. Типи іонізуючого опромінення

Іонізуюче опромінення - це будь-яке опромінення, яке при взаємодії з речовиною викликає іонізацію її атомів чи молекул.

Будь-яке опромінення несе певну енергію. В фізиці системною одиницею енергії є Джоуль, але в ядерній фізиці використовують одиницю - електронвольт. Електронвольт - це енергія яку набуває електрон при проходженні електричного поля з різницею потенціалу в 1 вольт (1еВ=1,6 Дж).

Електромагнітне опромінення.

Рентгенівське і гамма випромінення належить до широкого спектру електромагнітних опромінень, але мають меншу довжину хвилі, ніж видиме світло, ультрафіолетове та інфрачервоне опромінення.

Наприклад, lрентг.пром. в 10 тис. разів коротша, ніж lфіолет.світла, lgпргом.Со60 в 450 тис. разів коротша за lфіолет. Довжину хвилі вимірюють в ангстремах  см. lрентг. пром. діагностичного рентгенівського апарату дорівнює  , lgСо . Чим коротша довжина хвилі, тим більша частота коливань, тим більша енергія опромінення і більша проникаюча здатність. Вважають, що рентгенівські та g-промені випускаються у вигляді квантів (або фотонів): Е=hg; h-постійна Планка. Енергія кванту фіолетового світла дорівнює 3 еВ, рентгенівських променів – 30 тис. еВ, гама-променів СО  - 1160 тис. еВ.

Звичайним джерелом рентгенівських променів є трубка рентгенівського апарату, в ній електрони, що випускаються при розігріванні катоду, прискорюються в електричному полі, що створюється при подаванні до аноду високої напруги. Підлітаючи до атомних ядер матеріалу аноду, електрони гальмуються, а їх кінетична енергія перетворюється в енергію фотонів рентгенівських променів. Максимальна енергія таких фотонів не перевищує напруги, що прикладається до аноду. Фотони рентгенівських променів також отримують на бетатронах - приладах для прискорення електронів. При гальмуванні електронів в них виникають фотони, енергія яких може досягати 10  еВ. Фотони з високою енергією можуть отримуватись в лінійному прискорювачі. Ці прилади використовуються в медицині для лікування злоякісних пухлин. Сонце також є джерелом рентгенівських променів, але вони поглинаються земною атмосферою. Х-промені були відкриті в 1895 році Рентгеном (отримав Нобелівську премію з фізики).

Гама-кванти - утворюються в ході ядерних реакції і при розкладанні багатьох радіоактивних речовин, в тому числі при b-та a-розпаді. Не маючи маси спокою та заряду, g-промені легко проходять в глибину тканин людини, в повітрі - сотні метрів. Їх пробіг залежить виключно від щільності речовини, тому скоротити пробіг можна лише щільними матеріалами (свинцем, титаном).

Корпускулярне опромінення.

Корпускулярне опромінення виникає при спонтанних ядерних перетвореннях, тобто при розпаді ядер штучних та природних радіоактивних ізотопів, а також при різних ядерних реакціях. Зокрема, потужні потоки часток створюються в ядерних реакторах та прискорювачах. Корпускулярне опромінення може складатися з різних ядерних частинок: тих, що маються у спокійному ядрі (протони і нейрони),  а також тих, що виникають при розпаді ядра - a-, b-частинки.

a-частинки - складаються з двох нейтронів та двох протонів (маса ядра » 4 заряд гелію +2). Вони утворюються при a-розкладі:

 

Відомо близько 30 природних радіоактивних речовин, які при розкладі дають a-частинки: уран, плутоній. У тканину людини проникають на глибину 0,001 мм (захист-одяг), в повітрі - до 11 см.

b-частинки - це потік електронів та позитронів при електронному чи позитронному розпаді. Проникаюча здатність вища, ніж a-частинок. Довжина пробігу в повітрі -18 см, у воді - до 3 см, у м’якій тканині – до 2 см, а в алюмінії - до10 мм.

Нейтронне випромінювання - потік нейтронів, які не мають електричного заряду і мають високу проникаючу здатність. Нейтронне випромінювання виникає під час ядерних реакцій, які супроводжуються випромінюванням g-квантів.

Від’ємні p-мезони – від’ємно заряджені частинки з масою, яка в 273 рази більша, ніж маса електрону.

4. н.п. Взаємодія електромагнітного опромінення з речовиною

Існує три основних механізми передачі енергії електромагнітного опромінення речовині:

- фотоелектричний ефект (характерний для м’якого рентгенівського опромінення).

- ефект Комптона.

- утворення пар.

 

 При фотоелектричному (рис.1) ефекті енергія кванту повністю поглинається атомом, з якого в результаті цього вилітає (вибивається) електрон з утворенням двох іонів.

Кінетична енергія вибитого  електрону дорівнює енергії кванту за винятком енергії зв’язку даного електрону.

Рис. 1. З підвищенням енергії опромінення ефективність процесу дуже швидко зменшується, а для опромінення  з  енергією більше 1МеВ спрямовується до нуля. Головну роль при цьому відіграє інший спосіб обміну енергії - ефект Комптона, (рис.2) за яким відбувається зіткнення між падаючими фотоном опромінення і електроном атому, що відбивається, в результаті чого електрону передається лише частина енергії первинного фотону. Іншу частку енергії уносить новий фотон, що утворився в результаті цієї взаємодії. Оскільки напрямок руху вторинного фотону відрізняється, то говорять про розсіювання фотона на електроні.

 Абсорбція енергії фотона.

Новий фотон розсіювання має меншу енергію та напрямок. Багаторазовий ефект розсіювання призводить до того, що розсіяний фотон в результаті фотоефекту поглинається атом.

Рис. 2. Утворення пар - це взаємодія фотонного випромінювання з речовиною, при якому енергія фотону в колі ядра (і тільки в колі ядра ) переходить в енергію маси спокою і в кінетичну енергію електрону і позитрону: 

 

Така взаємодія може відбутись при енергії фотону не менше 1,02 МеВ.

Рис. 3. Баланс енергії: , де 2m0с2  подвійна енергія спокою електрону;  та  - кінетична енергія позитрону і електрону.

Позитрон - це коротко живуча частинка, тому захоплюючи орбітальний електрон, він утворюється у два кванти - процес анігіляції:

 g

Поглинання цих вторинних фотонів відбувається за рахунок інших ефектів (ефекту Комптона чи фотоефекту). В більшості випадків при опроміненні біологічних об’єктів енергія знаходиться в діапазоні 0,2-2МеВ, тому найбільший вклад має Комптон-ефект.

Взаємодія важких заряджених частинок з речовиною.

До важких частинок відносять -частинки. З їх утворенням розкладаються, в основному, радіонукліди важких елементів. Енергія a-частинок коливається від 4,0 до 9,0МеВ. Чим менший період напіврозпаду, тим більша енергія частинок.

При проходженні a-частинок через речовину їх енергія витрачається, в основному, на іонізацію та збудження атомів - іонізаційні витрати.

До кінця пробігу енергія -частинки зменшується на стільки, що вона вже не здатна проводити іонізацію (тобто перетворювати молекули на іони). Тоді вона приєднує два електрони з утворенням атому гелію. Повна іонізація a-частинки складає кілька сот тисяч пар. Чим більша її енергія, тим більше пар іонів. Пробіг a-частинок- практично пряма лінія, за рахунок того, що велика маса a-частинок попереджає відхилення її від  прямолінійного напрямку під впливом електричних сил атому.

В наслідок великої маси a-частинки мають також найменшу проникаючу здатність.

Прилад, в якому можна фотографувати шлях (трек) іонізуючих частинок, називають  камерою Вільсона, там слід виникає в результаті конденсації пари пересиченої рідини на іонах  (дещо подібно до сліду, що залишає літак в небі). В прямій залежності від величини пробігу знаходиться щільність іонізації (число пар іонів, що утворюються, на одиниці шляху). Із зменшенням швидкості щільність іонізації зростає. Тому в кінці пробігу віддача енергії зарядженої частинки (будь-якої) - максимальна, це явище описується так званою кривою Брега з кінцевим максимумом - піком Брега (рис.4).

 Ця особливість використовується при лікуванні пухлин (оскільки дозволяє зосередити напругу на глибині). Наприклад, на початку треку a-частинка утворює 2 тис. пар іонів, в кінці – 6 тис.

Рис. 2. Взаємодія легких заряджених частинок з речовиною.

До них відносяться b-частинки. Тривалість життя електрону та позитрону – різна. Електрон може існувати не обмежено довго, а позитрон приблизно через 10-9 с. після свого утворення захоплює електрон з орбіталі атому і перетворюється у g - кванти. В залежності від енергії b - частинок розрізняють м’яке (до10 еВ) та жорстке (більше10 еВ) b-опромінення. При проходженні через речовину b-частинок енергія витрачається на іонізаційні втрати, а також на радіаційні втрати (гальмування частинок в колі ядра) і розсіювання.  Оскільки маса b-частинок - невелика, то для них характерний ефект розсіювання з втратами енергії, тому шлях (трек)  b-частинки в камері Вільсона не є прямолінійними. Гальмування b-частинок відбувається повільніше, тому їх пробіг довший. За рахунок цього іони, що утворюються, розповсюджуються з меншою щільністю вздовж треку.

Взаємодія нейтронів з речовиною.

На відміну від заряджених частинок, нейтрони не мають заряду, тому вони легко проникають  вглибину атому. При стиканні з ядрами вони можуть або поглинатися ними, або відштовхуватись ( як більярдні кулі). При такому пружному розсіюванні на ядрах C, N, O та інших елементах, що входять до складу тканин, витрачається лише 10-15% енергії, але при стиканні з рівними по масі ядрами водню – протонами, енергія нейтрону зменшується втричі. Тому речовини, що містять багато водню - вода, графіт, парафін – використовують для захисту від нейтронного опромінення. В результаті такого розсіювання  утворюються сильно іонізовані протони великої енергії.

При поглинанні нейтронів ядрами відбуваються ядерні реакції з вилітанням протонів, a-частинок, g-квантів, які проводять іонізацію речовин. Процес розділення на дві частинки ядра при поглинанні протону використовується в народному господарстві.

p-мезони, від’ємно зарядженні частинки, що мають в 273 рази більшу масу, ніж електрон отримують спеціальними методами (при енергії 25-100МеВ). Вони проходять весь шлях в тканині без взаємодії до повного гальмування. В кінці пробігу вони із 100%-вою вірогідністю захоплюються ядрами атомів тканини. Оскільки в цьому випадку в ядро вноситься велика кількість енергії, яка дорівнює масі спокою p-мезону (140МеВ), то як правило кожний акт супроводжується руйнуванням ядра з вилітом a-частинки іони Li, B, Be. Утворюється ніби “мікровибух”. Ця властивість використовується при лікуванні пухлин.

Узагальнення.

Розглянувши питання:

• історія виникнення радіоекології. Задачі радіоекології;

• сучасні уявлення про природу іонізуючого опромінення;

• типи іонізуючого опромінення;

• взаємодія електромагнітного опромінення з речовиною,

є можливість в цілому оцінити необхідність вивчення впливу іонізуючого опромінення на людину.

Знання щодо даних питань дадуть змогу глибоко зрозуміти в майбутньому сутність захисту і організації екологічної безпеки щодо радіаційного опромінення всього живого на Землі.

Література для самоосвіти: 1, 3, 5,11,14.

Питання для самоконтролю:

1. Хто відкрив явище радіоактивності?

2. Що таке радіоекологія і на які підкласи вона поділяється?

3. Які задачі радіоекології на сучасному етапі?

4. Що називається “масовим числом”?

5. Який процес називається “радіоактивним розпадом”?

6. Які властивості явища радіоактивності?

7. Що називається a і b- частинками?

8. Які існують типи радіоактивного випромінювання?

9. Який механізм взаємодії важких заряджених частинок з речовиною?

10. Який механізм взаємодії легких заряджених частинок з речовиною?

11.  Який механізм взаємодії нейтронів з речовиною?