РАДИОАКТИВНОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРОДОВОЛЬСТВЕННОГО СЫРЬЯ И ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ
ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О РАДИОАКТИВНОСТИ
Как известно, атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. В состав ядра входят положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны, которые вместе называются нуклонами. Протоны и нейтроны имеют приблизительно одинаковую массу, которая в 1840 раз превышает массу электрона, поэтому масса атома определяется в основном массой нуклонов. Количество нуклонов в ядре характеризуется массовым числом А.
Нуклиды — разновидности атомов с определенным массовым числом и атомным номером. Например, нуклид стронция — jgSr, где 90 — массовое число, 38 — атомный номер.
Изотопы — атомы одного и того же элемента, имеющие разные массовые числа.
Радионуклиды (лат. radiare — излучать + nucleus — ядро) — радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером.
Свободные радикалы — частицы с неспаренными электронами на внешних атомных и молекулярных орбитах. Обладают высокой реакционной способностью.
Радиоактивность — самопроизвольный распад атомных ядер некоторых элементов, приводящий к изменению их атомного номера и массового числа. Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен, он осуществляется со строго определенной скоростью, измеряемой периодом полураспада — временем, в течение которого распадается половина всех атомов. Распад радиоактивных элементов сопровождается потоками ионизирующих излучений, каждое из которых характеризуется своими физико-химическими свойствами. Альфа(а)-излучение (а-распад) представляет собой поток положительно заряженных частиц — атомов гелия Не, движущихся со скоростью около 10 000 км/с; вследствие наличия положительного заряда а-частицы отклоняются электрическими и магнитными полями (к северному полюсу). Бета($)-излучение — это поток электронов, движущихся со скоростью, близкой к скорости света, — до 300 000 км/с; вследствие наличия отрицательного заряда электроны отклоняются электрическими и магнитными полями (к южному полюсу). Гамма(у)~излучение — коротковолновое электромагнитное излучение (длина волны — около 10—12 м), близкое по свойствам к рентгеновскому; ведет себя подобно потоку у-частиц (у-квантов, или фотонов), движущихся со скоростью света; в электрических и магнитных полях не отклоняется; обладает высокой энергией — от нескольких тысяч до нескольких миллионов электронвольт.
Период полураспада — время, в течение которого радиоактивность вещества в среднем уменьшается вдвое. Период распада различных радионуклидов колеблется от долей секунды до миллионов лет.
Ионизация. Описанные выше ионизирующие излучения обладают способностью проходить через различные вещества живой и неживой природы, возбуждая при этом их атомы и молекулы. Такое возбуждение заканчивается вырыванием отдельных электронов из электронных оболочек нейтрального атома, который превращается в положительно заряженный ион. Так происходит первичная ионизация объекта воздействия излучений. Освобожденные электроны, обладая определенной энергией, взаимодействуют со встречными атомами и молекулами, создавая новые ионы, — происходит вторичная ионизация.
Единицы измерения радиоактивности
В системе СИ единицей измерения радиоактивности служит бек- керель (Бк) — одно ядерное превращение в секунду. Внесистемная единица активности — кюри (Ки), равный активности нуклида, в котором происходит 3,7 • 1010 актов распада в одну секунду.
Доза излучения характеризует величину поглощенной энергии излучения, за единицу которой принимают грей (или грэй). Грей — положительная доза излучения, переданная массе излучаемого вещества в 1 кг и измеряемая энергией в 1 Дж любого ионизирующего излучения (1 Гр = 1 Дж/кг).
Внесистемной единицей является рад — поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в 1 г любого вещества составляет 100 эрг (эрг — единица энергии в системе СГСЕ, 1 эрг = = 10-7 Дж) независимо от вида и энергии излучения.
Под мощностью поглощенной дозы следует понимать приращение дозы в единицу времени.
Таблица 24
Характеристика основных системных и внесистемных единиц
Величина |
Название, обозначение и определение |
||||
Услов ное обозна чение |
Единицы СИ |
Внесистемные единицы |
|||
I |
2 |
3 |
4 |
||
Активность |
А |
Бк |
беккерель, равный одному распаду в секунду (расп./с) |
Ки |
кюри, равный 3,7 • 10'° распадов в секунду, 1 Ки = 3,7 • 1010 Бк |
Окончание табл. 24
1 |
2 |
3 |
4 |
||
Поглощенная доза |
D |
Гр |
грей — поглощенная доза излучения, соответствующая энергии 1 Дж ионизирующего излучения любого вида, переданной облученному веществу массой 1 кг |
рад |
рад, соответствует поглощенной энергии 100 эрг на 1 г вещества, 1 рад = 10-2 Гр |
Экспозиционная доза |
X |
Кл/кг |
кулон на килограмм — экспозиционная доза рентгеновского и фотонного (у) излучения, при которой корпускулярная эмиссия в сухом атмосферном воздухе массой 1 кг производит ионы, несущие заряд каждого знака, равный 1 Кл |
Р |
рентген — доза фотонного и у-излучения, при которой корпускулярная эмиссия создает в 1 см3 воздуха ионы, несущие 1 электростатическую единицу количества электричества каждого знака, 1 Р = 2,58 ? 10-4 Кл/кг |
Эквивалентная доза |
Н (Я) |
Зв |
зиверт — эквивалентная доза любого вида излучения, поглощенная в 1 кг биологической ткани и создающая такой же биологический эффект, что и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения |
бэр |
бэр, энергия любого вида излучения, поглощенная в 1 г ткани, при которой наблюдается тот же биологический эффект, что и при поглощенной дозе в 1 рад фотонного излучения, 1 бэр = = 1 рад = 10~2 Зв |
Ксрма |
К |
Гр |
грэй равен керме, при которой суммарная кинетическая энергия заряженных частиц, освобожденных в 1 кг вещества в поле косвенно ионизирующего излучения, равна 1 Дж |
рад |
керма — кинетическая энергия в радах, переданная заряженным частицам, образованным ионизирующим излучением в единице массы облучаемой среды |
Мощность поглощенной дозы |
D |
Гр/с |
грэй в секунду, равный одному джоулю на килограмм в секунду |
рад/с |
рад в секунду |
Мощность экспозиционной дозы |
X |
Кл кге |
кулон на килограмм в секунду |
Р/с |
рентген в секунду |
Мощность эквивалентной дозы ?/-Постоянная |
н |
Зв/с |
зиверт в секунду |
бэр/с |
бэр в секунду |
г |
Клм2 кге- Бк |
у-постоянная ГСП радионуклида — мощность экспозиционной дозы в воздухе, создаваемой радионуклидами активностью 1 Бк на расстоянии 1 м без начальной фильтрации |
мем2 ч • м Ки |
у-постоянная Г радионуклида — мощность экспозиционной дозы, Р/ч, создаваемой радионуклидом активностью 1 мКи на расстоянии 1 см без начальной фильтрации |
Экспозиционная доза рентгеновского и у-излучения — количественная характеристика рентгеновского и у-излучения, основанная на ионизирующем действии. Выражается суммарным электрическим зарядом ионов, образованных в единице объема воздуха. За единицу экспозиционной дозы принят кулон на килограмм, 1 Кл/кг — такая экспозиционная доза, при которой сопряженная с этим излучением корпускулярная эмиссия на 1 кг сухого атмосферного воздуха производит в воздухе ионы, несущие заряд в 1 Кл электричества каждого знака.
Внесистемной единицей экспозиционной дозы рентгеновского и у-излучения является рентген (Р). Рентген — единица экспозиционной дозы фотонного излучения, при прохождении которого через 0,001293 г воздуха создаются ионы, несущие одну электростатическую единицу количества электричества (0,001293 г — масса 1 см3 сухого атмосферного воздуха).
Поглощенная и экспозиционная дозы излучений, отнесенные к единице времени, называются мощностью поглощенной и экспозиционной доз.
Единицы измерения радиоактивности представлены в табл. 24.
Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом
Взаимодействие а-частиц. а-частицы обладают большой ионизирующей и малой проникающей способностью, они в 7300 раз тяжелее Р-частиц. Известно около 40 естественных и более 200 искусственных a-активных ядер. а-Распад характерен для тяжелых элементов: урана, тория, полония, плутония и др. Пробег а-частиц в воздухе не превышает 11 см, в пищевых продуктах еще меньше, в мягких тканях человека измеряется микронами. При внешнем облучении а-частицы не представляют особой опасности для человека, однако при попадании в организм с пищей они становятся чрезвычайно опасными, приводят к лучевому поражению органов и тканей.
Взаимодействие р-частиц. Ионизирующая способность их меньше, чем у а-частиц, однако могут пройти слой алюминия до 5 мм. Более толстый слой алюминия может быть защитой от Р-излучения.
р-Распад включает следующие виды:
1. Поток электронов и протонов (общее название — Р-частицы), которые испускаются при p-распаде радиоактивных изотопов. При этом нейтрон превращается в протон, заряд ядра и его порядковый номер увеличиваются на единицу.
Примером электронного p-распада может быть 90Sr, для ядра которого характерно избыточное число нейтронов:
- 2. Электронный захват — распад ядер, при котором ядро захватывает один из электронов электронной оболочки. Следствием этого является превращение одного из протонов в нейтрон — заряд ядра уменьшается на единицу; массовое число не изменяется.
- 3. Позитронный (3-распад. Протон превращается в нейтрон, что приводит к образованию и выбросу из ядра позитрона (античастицы электрона; е+). Заряд ядра и его порядковый номер уменьшаются на единицу. Позитронный (3-распад характерен для неустойчивых ядер с избыточным числом протонов. В качестве примера можно привести распад радионуклида натрия:
Взаимодействие у-излучения. Ионизирующая способность у-из- лучения значительно меньше, чем а- и (3-частиц, однако это излучение обладает большой проникающей способностью. Защитой от у-излучения являются материалы с высокой удельной массой — бетон, свинец и т.д. Характер взаимодействия с веществом зависит от природы вещества, величины энергии излучения. Последняя определяется частотой и длиной волны излучения.
Взаимодействие нейтронов. Нейтроны (частицы, не имеющие заряда) обладают высокой проникающей способностью, превращают атомы стабильных элементов в радиоактивные изотопы, что увеличивает опасность нейтронного излучения.
Возможны два вида взаимодействия нейтронов с веществом:
- • соударение нейтронов с ядрами вещества сопровождается упругим и неупругим рассеиванием нейтронов;
- • ядерные реакции различных типов с делением тяжелых ядер.
Преобладание того или иного вида взаимодействия зависит от
энергии нейтронов. По уровню энергии нейтроны бывают:
холодные — энергия менее 0,025 эВ;
тепловые — 0,025—0,05 эВ. Холодные и тепловые нейтроны характеризуются реакцией их захвата веществом;
промежуточные — 0,025—0,050 кэВ. С веществом взаимодействуют по типу упругого рассеивания;
быстрые — 0,2—20 МэВ. Для таких нейтронов характерно как упругое, так и неупругое рассеивание, а также возникновение ядерных реакций;
сверхбыстрые — 20—300 МэВ. Взаимодействие с веществом сопровождается ядерными реакциями с вылетом большого числа частиц.
Защитные свойства материалов от нейтронного излучения определяются их замедляющей и поглощающей способностью, степенью активизации. Установлено, что быстрые нейтроны эффективно замедляются веществами с небольшой молекулярной массой (парафин, вода, бетон, пластмассы); тепловые нейтроны — веществами, обладающими большим сечением захвата: материалами с бором и кадмием (борная сталь, борный графит, сплав кадмия со свинцом и др.).