Основные источники радиоактивного излучения: виды и их свойства. Радиоактивный химический элемент

Радиоактивный источник - это определенное количество радионуклида, испускающего ионизирующее излучение. Последнее обычно включает гамма-лучи, альфа- и бета-частицы, нейтронное излучение.

Роль источников

Они могут применяться для облучения, когда излучение выполняет ионизирующую функцию, или в качестве источника метрологической радиации для калибровки радиометрического процесса и контрольно-измерительных приборов. Они также используются для мониторинга промышленных процессов, таких как измерение толщины в бумажной и сталелитейной промышленности. Источники могут быть запечатаны в контейнере (высокопроникающее излучение) или отложены на поверхности (слабопроникающее излучение), или находятся в жидкости.

Значение и применение

В качестве источника облучения они используются в медицине для лучевой терапии и в промышленности для рентгенографии, облучения пищевых продуктов, стерилизации, дезинсекции паразитов и сшивания облучением ПВХ.

Радионуклиды

Радионуклиды выбираются в соответствии с типом и характером излучения, его интенсивностью и периодом полураспада. Обычные источники радионуклидов включают кобальт-60, иридий-192 и стронций-90. Измерением количества SI активности источника является Беккерель, хотя историческая единица Кюри все еще находится в частичном использовании, например, в США, несмотря на то, что NIST США настоятельно рекомендует использовать единицу СИ. Для целей здравоохранения она является обязательной в ЕС.

Время существования

Источник облучения обычно живет от 5 до 15 лет, прежде чем его активность опускается до безопасного уровня. Однако при наличии радионуклидов с длительным периодом полураспада при применении в качестве средств калибровки они могут использоваться гораздо дольше.

Закрытые и скрытые

Многие радиоактивные источники закрыты. Это означает, что они постоянно либо полностью содержатся в капсуле, либо прочно связаны твердым веществом с поверхностью. Капсулы обычно изготавливаются из нержавеющей стали, титана, платины или другого инертного металла. Использование закрытых источников устраняет практически весь риск рассеивания радиоактивного материала в окружающую среду из-за неправильного обращения, но контейнер не предназначен для ослабления излучения, поэтому для радиационной защиты требуется дополнительное экранирование. Закрытые также используются практически во всех случаях, когда не требуется химического или физического включения в жидкость или газ.

Закрытые источники классифицируются МАГАТЭ в соответствии с их деятельностью в отношении минимально опасного радиоактивного объекта (который может нанести существенный вред людям). Используемое соотношение - A/ D, где A - активность источника, а D - минимальная опасная активность.

Обратите внимание, что источники с достаточно низким радиоактивным выходом (например, используемые в детекторах дыма), чтобы не причинять вреда людям, не классифицируются.

Капсульные

Капсульные источники, где излучение эффективно исходит из точки, используются для калибровки бета-, гамма- и рентгеновских приборов. В последнее время они непопулярны и как промышленные объекты, и как объекты для изучения.

Пластинчатые источники

Они широко используются для калибровки приборов радиоактивного загрязнения. То есть, по сути, выполняют роль своеобразных нерукотворных счетчиков.

В отличие от капсульного источника, фон, который излучает пластинчатый, должен находиться на поверхности, чтобы предотвратить затухание контейнера или самоэкранирование из-за специфики материала. Это особенно важно для альфа-частиц, которые легко останавливаются небольшой массой. Кривая Брэгга показывает эффект затухания в атмосферном воздухе.

Нераспечатанные

Нераспечатанные источники - это те, которые не находятся в постоянно запечатанном контейнере и широко используются в медицинских целях. Они применяются в тех случаях, когда источник необходимо растворить в жидкости для инъекции пациенту или приема внутрь. Они также используются в промышленности аналогичным образом для обнаружения утечек как радиоактивный индикатор.

Утилизация и экологический аспект

Утилизация радиоактивных источников с истекшим сроком годности создает аналогичные проблемы при утилизации других ядерных отходов, хотя и в меньшей степени. Отработанные источники низкого уровня иногда будут достаточно неактивными, чтобы их можно было утилизировать с помощью обычных методов удаления отходов, как правило, на свалках. Другие методы захоронения аналогичны тем, которые применяются для радиоактивных отходов более высокого уровня, с использованием различной глубины скважины в зависимости от активности отходов.

Известным случаем небрежного обращения с таковым объектом стала авария в Гоянии, которая привела к гибели нескольких человек.

Фоновое излучение

Фоновое излучение присутствует на Земле всегда. Большая часть фонового излучения происходит естественным путем от минералов, а небольшая часть - от искусственных элементов. Природные радиоактивные минералы в земле, почве и воде производят фоновое излучение. Человеческое тело даже содержит некоторые из этих естественных радиоактивных минералов. Космическое излучение также способствует возникновению радиационного фона вокруг нас. Могут быть большие различия в уровнях естественного фонового излучения от места к месту, а также изменения в одной и той же локации с течением времени. Природные радиоизотопы являются весьма сильными фоновыми излучателями.

Космическое излучение

Космическое излучение исходит от чрезвычайно энергетических частиц Солнца и звезд, которые попадают в атмосферу Земли. То есть указанные небесные тела можно назвать источниками радиоактивного излучения. Некоторые частицы попадают на землю, а другие взаимодействуют с атмосферой, создавая различные виды излучения. Уровни увеличиваются по мере приближения к радиоактивному объекту, поэтому количество космического излучения обычно увеличивается соразмерно набору высоты. Чем больше показатель высоты, тем выше доза. Вот почему те, кто живет в Денвере, штат Колорадо (высота 5 280 футов), получают более высокую годовую дозу радиации от космического излучения, чем кто-либо, обитающий на уровне моря (высота 0 футов).

Добыча урана в России остается спорной и "горячей" темой, ведь эта работа крайне опасна. Естественно, что уран и торий, найденные в земле, называются первичными радионуклидами и являются источником земного излучения. Следовые количества урана, тория и продуктов их распада можно найти повсюду. Узнайте больше о радиоактивном распаде. Уровни земной радиации варьируются в зависимости от местоположения, но в областях с более высокими концентрациями урана и тория в поверхностных почвах обычно наблюдаются более высокие уровни доз. Потому люди, занимающиеся добычей урана в России, подвержены большому риску.

Радиация и люди

Следы радиоактивных веществ могут быть найдены в человеческом организме (в основном это природный калий-40). Элемент содержится в пище, почве и воде, которую мы принимаем. Наши тела содержат небольшое количество радиации, потому что организм метаболизирует нерадиоактивные и радиоактивные формы калия и других элементов таким же образом.

Небольшая доля фонового излучения происходит от человеческой деятельности. Следовые количества радиоактивных элементов рассеялись в окружающей среде в результате испытаний ядерного оружия и аварий, подобных той, которая произошла на Чернобыльской АЭС в Украине. Ядерные реакторы выделяют небольшое количество радиоактивных элементов. Радиоактивные материалы, используемые в промышленности и даже в некоторых потребительских товарах, также являются источником небольших количеств фонового излучения.

Все мы подвергаемся воздействию радиации каждый день от природных источников, таких как минералы в земле, и искусственных, например, медицинское рентгеновское излучение. По данным Национального совета по радиационной защите и измерениям (NCRP), среднегодовая доза облучения на человека в США составляет 620 миллибэр (6,2 миллизиверта).

В природе

Радиоактивные вещества часто встречаются в природе. Некоторые их количества есть в почве, камнях, воде, воздухе и растительности, из которых они вдыхаются и попадают в организм. В дополнение к этому внутреннему облучению люди также получают внешнее - от радиоактивных материалов, которые остаются вне тела, и от космического излучения из космоса. Среднесуточная естественная доза для человека составляет около 2,4 мЗв (240 мбэр) в год.

Это в четыре раза превышает среднемировое воздействие искусственного излучения в мире, которое в 2008 году составило около 0,6 мбэр (60 Rem) в год. В некоторых богатых странах, таких как США и Япония, искусственное облучение в среднем превышает естественное из-за более широкого доступа к специфическим медицинским инструментальным исследованиям. В Европе среднее естественное фоновое воздействие по странам колеблется от 2 мЗв (200 мбэр) в год в Соединенном Королевстве до более, чем 7 мЗв (700 мбэр) для некоторых групп людей в Финляндии.

Повседневное облучение

Облучение от естественных источников является неотъемлемой частью повседневной жизни как на работе, так и в общественных местах. Такое облучение в большинстве случаев мало или совсем не беспокоит общество, но в определенных ситуациях необходимо учитывать меры по защите здоровья, например, при работе с урановыми и ториевыми рудами и другими радиоактивными материалами естественного происхождения (NORM). Эти ситуации стали объектом повышенного внимания Агентства в последние годы. И это, если не упоминать о примерах аварий с выбросом радиоактивных веществ, таких как катастрофа на Чернобыльской АЭС и на Фукусиме, которые заставили ученых и политиков всего мира пересмотреть свое отношение к "мирному атому".

Земное излучение

Земное излучение включает только источники, которые остаются внешними по отношению к телу. Но они при этом продолжают являться опасными радиоактивными источниками излучения. Основными радионуклидами, вызывающими озабоченность, являются калий, уран и торий, продукты их распада. Причем некоторые, такие как радий и радон, сильно радиоактивны, но встречаются в низких концентрациях. Количество этих объектов неумолимо сокращается с момента образования Земли. Нынешняя радиационная активность, связанная с наличием урана-238, вдвое меньше, чем в начале существования нашей планеты. Это происходит из-за его периода полураспада, составляющего 4,5 миллиарда лет, а для калия-40 (период полураспада 1,25 миллиарда лет) составляет лишь около 8 % от исходного. Но за время существования человечества количество радиации уменьшилось очень незначительно.

Многие изотопы с более коротким периодом полураспада (и, следовательно, высокой радиоактивностью) не распались из-за их постоянного естественного производства. Примерами этого являются радий-226 (продукт распада тория-230 в цепи распада урана-238) и радон-222 (продукт распада радия-226 в указанной цепи).

Торий и уран

Радиоактивные химические элементы торий и уран в основном подвергаются альфа- и бета-распаду, и их нелегко обнаружить. Это делает их очень опасными. Впрочем, то же самое можно сказать и о протонном излучении. Однако многие из их побочных производных этих элементов также являются сильными гамма-излучателями. Торий-232 обнаруживается с помощью пика 239 кэВ от свинца-212, 511, 583 и 2614 кэВ от таллия-208 и 911 и 969 кэВ от актиния-228. Радиоактивный химический элемент Уран-238 проявляется как пики висмута-214 в 609, 1120 и 1764 кэВ (см. Тот же пик для атмосферного радона). Калий-40 обнаруживается непосредственно через гамма-пик 1461 кэВ.

Уровень над морем и другими большими водоемами имеет тенденцию составлять около десятой части земного фона. И наоборот, прибрежные районы (и регионы возле пресной воды) могут иметь дополнительный вклад от рассеянного осадка.

Радон

Крупнейшим источником радиоактивного излучения в природе является находящийся в воздухе радон - радиоактивный газ, который выделяется из земли. Радон и его изотопы, исходные радионуклиды и продукты распада вносят вклад в среднюю вдыхаемую дозу 1,26 мЗв/ год (миллизиверт в год). Радон распределяется неравномерно и изменяется в зависимости от погоды, так что гораздо более высокие дозы применяются во многих районах мира, где он представляет значительную опасность для здоровья. Концентрации в 500 раз превышающие средние мировые, были обнаружены внутри зданий в Скандинавии, США, Иране и Чешской Республике. Радон является продуктом распада урана, который относительно распространен в земной коре, но более концентрирован в рудоносных породах, разбросанных по всему миру. Радон просачивается из этих руд в атмосферу или в грунтовые воды, а также проникает в здания. Он может вдыхаться в легкие вместе с продуктами распада, где они будут находиться в течение некоторого времени после воздействия. По этой причине радон относят к естественным источникам радиации.

Облучение от радона

Хотя радон встречается в природе, его воздействие может быть усилено или уменьшено в результате деятельности человека, в частности, строительства дома. Плохо запечатанный подвал в доме с хорошей изоляцией может привести к накоплению радона в жилом помещении, подвергая его жителей риску. Широко распространенное строительство хорошо изолированных и герметичных домов в промышленно развитых странах на севере привело к тому, что радон стал основным источником фонового излучения в некоторых населенных пунктах в северной части Северной Америки и Европы. Некоторые строительные материалы, например, легкий бетон с квасцами сланца, фосфогипсом и итальянским туфом, могут выделять радон, если они содержат радий и пористы для газа.

Радиационное облучение от радона является косвенным. Радон имеет короткий период полураспада (4 дня) и распадается на другие твердые частицы радиоактивных нуклидов серии радия. Эти радиоактивные элементы вдыхаются и остаются в легких, вызывая продолжительное облучение. Таким образом, считается, что радон является второй по значимости причиной рака легких после курения, и на него приходится от 15 000 до 22 000 случаев смерти от рака в год только в США. Однако дискуссия о противоположных экспериментальных результатах по-прежнему ведется.

Большая часть атмосферного фона вызвана радоном и продуктами его распада. Гамма-спектр показывает заметные пики при 609, 1 120 и 1 764 кэВ, принадлежащие висмуту-214, продукту распада радона. Атмосферный фон сильно зависит от направления ветра и метеорологических условий. Радон также может высвобождаться из земли всплесками и затем образовывать «радоновые облака», способные преодолевать десятки километров.

Космический фон

Земля и все живое на ней постоянно бомбардируется излучением из космоса. Это излучение в основном состоит из положительно заряженных ионов: от протонов до железа, и более крупных ядер, полученных вне нашей Солнечной системы. Это излучение взаимодействует с атомами в атмосфере, создавая вторичный воздушный поток, включая рентгеновские лучи, мюоны, протоны, альфа-частицы, пионы, электроны и нейтроны.

Непосредственная доза космического излучения в основном исходит от мюонов, нейтронов и электронов, и она варьируется в разных частях мира зависимости от геомагнитного поля и высоты. Например, город Денвер в Соединенных Штатах (на высоте 1 650 метров) получает дозу космических лучей примерно в два раза больше, чем в точке на уровне моря.

Это излучение намного интенсивнее в верхней тропосфере на высоте около 10 км и, таким образом, вызывает особую обеспокоенность у членов экипажа и постоянных пассажиров, которые проводят много часов в год в этой среде. Во время своих полетов экипажи авиакомпаний обычно получают дополнительную профессиональную дозу от 2,2 мЗв (220 мбэр) в год до 2,19 мЗв/ год, согласно различным исследованиям.

Радиация на орбите

Точно так же космические лучи вызывают более высокую фоновую экспозицию у астронавтов, чем у людей на поверхности Земли. Космонавты, работающие на низких орбитах, такие как сотрудники международных космических станций или челноков, частично защищены магнитным полем Земли, но также страдают от так называемого пояса Ван Аллена, который является результатом воздействия магнитного поля Земли. За пределами низкой околоземной орбиты, как испытали астронавты Аполлона, путешествовавшие на Луну, это фоновое излучение намного интенсивнее и представляет собой значительное препятствие для потенциального будущего долгосрочного исследования человеком Луны или Марса.

Космические воздействия также вызывают элементную трансмутацию в атмосфере, при которой вторичное излучение, генерируемое ими же, объединяется с атомными ядрами в атмосфере, образуя различные нуклиды. Можно получить много так называемых космогенных нуклидов, но, вероятно, наиболее заметным является углерод-14, который образуется при взаимодействии с атомами азота. Эти космогенные нуклиды в конечном итоге достигают поверхности Земли и могут быть включены в живые организмы. Производство этих нуклидов незначительно изменяется при кратковременных метаморфозах потока солнечных лучей, но считается практически постоянным на больших масштабах - от тысяч до миллионов лет. Постоянное производство, вхождение в состав организмов и относительно короткий период полураспада углерода-14 являются принципами, используемыми при радиоуглеродном датировании древних биологических материалов, таких как деревянные артефакты или человеческие останки.

Гамма-излучения

Космическое излучение на уровне моря обычно проявляется как гамма-излучение с энергией 511 кэВ в результате аннигиляции позитронов, созданной ядерными реакциями частиц высоких энергий и гамма-лучей. На больших высотах также есть вклад непрерывного спектра тормозного излучения. Потому среди ученых считается очень важным вопрос солнечной радиации и радиационного баланса.

Радиация внутри организма

Два важнейших элемента, из которых состоит организм человека, а именно калий и углерод, содержат изотопы, которые значительно увеличивают нашу фоновую дозу радиации. Это значит, что они также могут быть источниками радиоактивного излучения.

Опасные химические элементы и соединения имеют свойство накапливаться. В организме среднестатистического человека содержится около 17 миллиграммов калия-40 (40К) и около 24 нанограммов (10–8 г) углерода-14 (14С) (период полураспада - 5 730 лет). Исключая внутреннее загрязнение внешними радиоактивными материалами, эти два элемента являются крупнейшими компонентами внутреннего облучения биологически функциональных компонентов человеческого организма. Около 4 000 ядер с частотой 40K в секунду распадаются и такое же количество при 14C. Энергия бета-частиц, образующихся при 40К, примерно в 10 раз больше, чем у бета-частиц, образующихся при 14С.

14C присутствует в организме человека на уровне около 3 700 Бк (0,1 мкКи) с биологическим периодом полураспада 40 дней. Это означает, что в результате распада 14C образуется около 3 700 бета-частиц в секунду. Примерно половина человеческих клеток содержит атом 14C.

Средняя глобальная внутренняя доза радионуклидов, отличных от радона и продуктов его распада, составляет 0,29 мЗв/ год, из которых 0,17 мЗв/ год приходится на 40K, 0,12 мЗв/ год поступает из серии уран и торий, а 12 мкЗв/ год - от 14C. Стоит также отметить, что медицинские рентгеновские аппараты тоже зачастую радиоактивны, но их радиация не опасна для человека.