Радиоактивность, радиация, радиофобия

Какие у людей первые ассоциации с радиацией и радиоактивностью? Исключительно негативные: Чернобыль, Хиросима, смерть, мутанты, онкологические заболевания. Я думаю, этот ассоциативный ряд сразу же возникает у рядового обывателя. Хотите взглянуть на это явление под непредвзятым, трезвым углом и стать чуточку образованнее на эту тему? Садитесь поудобнее.

На иллюстрации – пузырек Radithor, радиоактивной лечебной воды, продававшейся в США до 1928 года. Фото – Sam LaRussa, CC BY-SA 2.0

Почему это происходит?

Может быть, вы читали мой пост про строение атома? Рекомендую сначала ознакомиться, что такое ядро атома и изотопы. Так вот, атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Между собой они связаны сильным взаимодействием, но все протоны положительно заряжены, а нейтроны – электронейтральны. И с определенной массы ядра, а значит, и номера элемента, настает момент, когда ядра становятся неустойчивыми. Ну, вроде как и любые другие массивные предметы, которые разваливаются под собственной тяжестью.

И действительно, все элементы, ядра которых содержат больше 82 протонов, то есть вся таблица Менделеева после свинца, называются радиоактивными. Они не имеют стабильных изотопов, то есть, даже разные количества нейтронов в ядре (напомню, что отличие в числе протонов принципиально и означает другой элемент!) не спасают их от распада с той или иной скоростью. К этому списку добавляются еще два элемента – прометий (62) и технеций (43). Технеций так и назван ("искусственный") за невозможность существования в природе, его открыли, только синтезировав целенаправленно. Неустойчивыми могут быть и изотопы обычных элементов. В природе они встречаются в очень малых количествах, поскольку уже успели распасться с момента формирования Земли.

Радиоактивность – это свойство химических элементов распадаться со временем. Конечно, в отдельно взятом количестве элемента какие-то ядра распадаются очень быстро, а какие-то живут намного дольше. Поэтому удобно брать среднюю скорость и выражать ее периоде полураспада – отрезке времени, за который происходит распад половины от существующих ядер. 

Таким образом, радиоактивность – это абсолютно естественное явление, присущее окружающим нам атомам точно так же, как тепловое движение, химические реакции. 

Как это происходит?

Когда тяжелое ядро радиоактивного элемента или неустойчивый изотоп распространенного претерпевает распад, то образуются не просто два осколка. При этом всегда выделяется энергия, в одной из распространенных форм, о которых вы все слышали:

 α-излучение, в виде альфа-частиц – двух протонов с двумя нейтронами (изотоп какого элемента это получается, кстати?);

 β-излучение, в виде отрицательных и положительных бета-частиц (электронов или позитронов соответственно);

 γ-излучение, в виде потока гамма-квантов (по сути это – высокоэнергетические фотоны, как свет или рентгеновские лучи, но чаще всего гамма-излучение называют лучами, а не частицами);

быстрые нейтроны, которые испускаются некоторыми радиоактивными элементами.

Почему это опасно?

Радиоактивные элементы строго охраняются не столько из-за радиации, сколько из-за своей неконтролируемости. Возьмите муку, дуньте на нее. Она улетит в окно и осядет на близлежащей земле... где именно? Вы никогда не найдете. А будь это радиоактивный элемент, эти невидимые частицы не перестанут излучать от того, что вы их не видите. В этом первая опасность радиоактивного элемента: загрязнение излучающим веществом окружающей среды. Поэтому все материалы такого рода держат в закрытых помещениях под строгим надзором и с драконовскими правилами работы – они не должны ни в каких количествах покидать пределы учреждений, где с ними работают либо оборудования, в котором они используются. Это необходимая мера безопасности, однако она же создает ореол чего-то страшного, смертоносного, запрещенного вокруг радиоактивных материалов. На деле же работать с радиоактивными элементами не опаснее, чем с канистрой кислоты, поездом, расплавленным металлом на заводе: главное – понимать принципы работы с материалом и не нарушать технику безопасности.

Принцип же, по которому радиация всех видов представляет опасность, заключается только в одном: физическое столкновение высокоэнергетической молекулы с молекулами биологических тканей человека.

Каждая из перечисленных выше частиц излучения - это очень маленькая пуля. Каждая мелкая крупинка радиоактивного элемента, та самая невидимая глазу мучная пыль – это на деле маленький пулеметик, стреляющий излучением. И вот именно в этом механизме действия кроется опасность радиации.

Альфа-частицы обладают невысокой энергией сами по себе и легко взаимодействуют с другими материалами. Даже с воздухом. Поэтому пробег в воздухе у них составляет десяток сантиметров, а в кожу они проникают на десяток-сотню микрометров, не пробивая  даже ороговевший слой. Однако альфа-загрязненная пыль, попадая внутрь организма, начинает облучать ткани, доставляясь туда с пищей, воздухом, кровотоком. Альфа-частицы рушат все на своем пути, превращая все белки человеческих тканей вокруг себя в продукты разложения, по сути – токсины для организма. Наиболее опасно разрушительное воздействие на клетки крови и костного мозга, из-за остановки производства первых последними у человека развивается необратимая анемия. Яркой иллюстрацией всех процессов попадания альфа-излучающего вещества в организм является случай Александра Литвиненко.

Бета-частицы обладают более высокой энергией, их пробег в воздухе составляет до нескольких метров, а для полной остановки может понадобиться слой толстой алюминиевой фольги (впрочем, их изначальная энергия зависит от элемента, испустившего их). Для них верно все сказанное выше про альфа-частицы, попадающие в организм, но кроме этого, энергии бета-частиц хватает для передачи ее веществу, с которым столкнулось это излучение. В результате это вещество, в свою очередь, может начать испускать вторичное гамма-излучение.

А вот собственно гамма-излучение представляет собой нечто иное. Из-за малого размера и огромной энергии гамма-квантов они обладают огромной проникающей способностью. Как рентгеновские лучи просвечивают насквозь человеческое тело, так и гамма-лучи способны просвечивать стены зданий, укрытий, металлоконструкции, транспорт и прочие препятствия. Поэтому гамма-излучение представляет собой опасность, но его энергия и плотность зависят от количества излучающего вещества. То есть, подобное излучение опасно при наличии серьезного источника вблизи, а этим может быть либо ядерный взрыв, либо находящееся рядом промышленно изготовленное устройство вроде гамма-дефектоскопа. Случайным такой источник быть не может.

Ну и наконец более редкий случай – быстрые нейтроны. Принцип тот же самый, только слово "быстрые" означает еще большие энергии, чем у предыдущих описанных частиц. По сравнению с позитроном или гамма-квантом нейтрон – как снаряд гаубицы. И дело не столько в том, что вещества и биологические ткани для нейтрона – что-то вроде крупноячеистой сетки, как для гамма-излучения. Дело в высокой энергии, с которой у нейтрона нет преград, он разбивает на своем пути атомы вещества, с которыми сталкивается, передавая им свою энергию и превращая их в источник вторичного бета- и гамма-излучения. Нейтроны практически нельзя остановить вменяемой толщиной брони или стен укрытия, их прежде надо заставить погасить скорость и энергию, для чего применяют вещества-замедлители. Нейтроны хорошо замедляются только об ядра водорода, поэтому материалы с большим его количеством, вроде парафина, полиэтилена или воды, являются эффективными замедлителями (сам водород, естественно, не подходит из-за очень малой плотности). На этом свойстве работают нейтронные бомбы, никогда не применявшиеся в боевых действиях. Плотный поток нейтронов уничтожает живую силу, оставляя без крупных повреждений и с низким радиоактивным заражением здания и технику. Негуманно, но дает в конечном итоге меньше радиоактивного загрязнения, чем обычное ядерное оружие.

Ядерное оружие и энергетика

Да, кстати. Я выше упоминал первую опасность, а теперь – вторая опасность радиоактивного элемента: критическая масса и цепная реакция деления.

Радиоактивный элемент, собранный в одном месте, начинает облучать не только окружающую среду, но и сам себя. Проиллюстрируем это мысленно: два атома испустили по нейтрону и попали в третий; третий, получив такую избыточную энергию, тоже испустил нейтрон, а остальная энергия пошла на тепловое движение. Этот нейтрон далее попал в следующий атом и так далее, пока энергия не рассеялась на тепло и нейтроны не перестали выделяться. Это - докритическое состояние.

Но когда вещества становится много в одном месте (критическое состояние), плотность самооблучения нейтронами становится такой, что вещество начинает нагреваться все сильнее, распадаться и испускать нейтроны все сильнее, самооблучаться все сильнее, и это происходит со все нарастающей скоростью в виде самоподдерживающейся реакции. В очень, очень короткий промежуток времени. Это и есть ядерный взрыв. Основная часть энергии (99,9 %) при любой мощности уранового ядерного  заряда выделяется в последние 0,07 микросекунды на последних семи  поколениях нейтронов (0,04 мкс в случае плутония).

Что такое "много вещества"? Критическая масса для плутония-238 – меньше 10 кг. Это брусок размером приблизительно 5х10х10 см. Но для наработки в промышленных условиях это – очень и очень много.

В атомной бомбе такой брусок искусственно создают из меньших по массе фрагментов. Сначала взрыв обычной взрывчатки по разные стороны от центра будущей реакции искусственно слепляет вместе фрагменты радиоактивного вещества в сферу критической массы. Оно тут же взрывается само, уже взрывом ядерного деления, едва успев прореагировать на 1% от количества.

Но гораздо актуальнее в наше время – управляемое деление радиоактивных элементов на атомных электростанциях. Если поддерживать массу фрагментов радиоактивного вещества, расположенных рядом друг с другом, до критической (не давая развиться цепной неуправляемой реакции), то ими можно в течение долгого времени нагревать теплоноситель на генераторе электроэнергии. АЭС не требуют огромного количества непрерывно поставляемого и сжигаемого топлива. А отработанное радиоактивное вещество можно захоранивать в местах, откуда радиация не сможет вырваться.

Без паники?

Этот пост ставит перед собой целью сформировать понимание физических процессов ядерного распада и убрать мифически-истерическую боязнь перед всем "ядерным". 

Ядерный распад – такой же естественный природный процесс, как свечение солнца. Радиоактивное излучение – вещь вредная постольку, поскольку наносит чисто механический ущерб человеческому телу. Солнечные ожоги в этом плане имеют ту же природу, что и эритрема у попавших под радиоактивное облучение людей. Кожу как бы отпескоструивает потоком высокоэнергетических частиц. Однако солнечных ванн никто особо не боится, хотя и признают их вред, а вот радиоактивности все боятся панически, до конца не понимая природы явления.

На самом деле, самая большая опасность радиации – именно в том, что разлив нефти или кислоты человек может локализовать, а вот дым и пыль от радиоактивных аварий поймать уже не в состоянии. Второй сложностью является невозможность повлиять на процесс распада, то есть, нейтрализовать радиоактивное вещество. Можно только вывезти его, захоронить и подождать, пока оно распадется само. Вот эти две особенности и составляют потенциальную опасность нештатных ситуаций с радиоактивными элементами. Если же они находятся под контролем, то они не опаснее других токсичных химикатов.

Потенциальную опасность также несут в себе опыты с радиоактивными элементами по созданию околокритических сборок. Самым известным таким невольным экспериментом оказались испытания работы реактора на Чернобыльской АЭС в нештатной ситуации – из-за особенностей конструкции он в процессе остановки ушел на закритические режимы. Ну а про другие случаи я могу рассказать, начав серию статей о радиации, если это интересно.

Спасибо читателям, кураторам и комментаторам за внимание и ваши голоса.

Это – ссылка на полезную новинку: оглавление блога. Я буду вставлять ее в конец всех постов, чтобы от других моих статей вас отделяла всего пара кликов, а не нудный скроллинг.