В.А. Барабой, Б.Р. Киричинский Ядерные излучения и жизнь

Академия наук СССР

Серия "Проблемы современной науки и технического прогресса"

Утверждено к печати редколлегией серии научно-популярных изданий Академии наук СССР

Редактор В. Н. Вяземцева

Художественный редактор В. Н. Тикунов

Художник В. Ф. Соболев

Технический редактор С. Г. Тихомирова

Предисловие

Около миллиарда лет тому назад на нашей планете начались сложные химические процессы, постепенно приведшие к образованию разнообразных, малых и гигантских, молекул, необходимых для возникновения жизни. Ядерная радиация являлась важным физическим фактором, способствовавшим этим процессам. В ту далекую эру существования нашей планеты количество радиоактивных веществ и уровень ядерной радиации на Земле были неизмеримо выше современных. Возникавшие под влиянием ядерной радиации активные свободные радикалы простейших углеродистых соединений давали начало все более сложным молекулам. Распад и синтез веществ шли тысячелетиями, подготавливая условия для зарождения жизни.

500 млн. лет отделяет нас от эры возникновения первых живых организмов. Первые миллионы лет существования простейших форм жизни протекали, по-видимому, в сильно радиоактивной среде. Первичные организмы значительно отличались от ныне существующих. Ядерная радиация изменяла структуру их макромолекул, хранящих в своем строении наследственную информацию, вызывала возникновение все новых и новых вариаций. Таким образом, ядерная радиация, являясь мощным мутагенным фактором, играла важную роль в эволюции жизни на Земле.

В процессе эволюции возникали и более или менее устойчивые к радиации разновидности. Проходили миллионы лет. Благодаря радиоактивному распаду, все более снижался уровень ядерной радиации на земле. В периоды эволюционного развития современных форм жизни радиоактивный фон нашей планеты стабилизировался. В последние сотни тысяч лет он был относительно постоянен. Это объясняет нам, почему у современных организмов в процессе эволюции не развились специальные органы восприятия ядерных излучений, как это произошло, например, с рецепторами на видимый свет, постоянно меняющийся в окружающей нас среде. Отсутствие таких рецепторов у человека привело к тому, что в течение своей тысячелетней истории человек и не подозревал о наличии ядерной радиации в окружающей его среде. Только около 70 лет назад радиация была открыта и началось ее интенсивное изучение.

Вновь открытый вид лучистой энергии (лучи Рентгена, лучи радия) усиленно исследовался. Изучение радиоактивности позволило проникнуть в тайны строения атома. Проблемы ядерной радиации и жизни стали привлекать внимание все большего круга ученых. В 40-х годах нашего столетия была открыта искусственная радиоактивность и найдены способы получения атомной энергии. Были созданы ядерный реактор и атомная бомба. Варварское применение американской военщиной первых атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки, гибель сотен тысяч людей от ядерных излучений привлекли к проблеме "ядерная радиация и жизнь" внимание всего человечества.

Начиная с 1954 г. в результате испытания ядерного оружия впервые за всю историю нашего существования радиоактивный фон окружающей нас среды стал неуклонно повышаться. Крупнейшие ученые Советского Союза обратились ко всем ученым мира с призывом, в котором указывали на серьезную опасность для жизни заражения нашей планеты радиоактивными осадками, на опасность, грозящую человечеству от военного использования ядерного оружия.

Но гонка ядерного вооружения не прекращается. Над человечеством висит угроза ядерной войны. Советский Союз, поддерживаемый передовыми силами мира, прилагает все усилия, чтобы предупредить возникновение ядерной войны с ее смертоносными ядерными излучениями.

С другой стороны, мирное использование атомной энергии, использование ядерных излучений в медицине, сельском хозяйстве, биопромышленности сулит богатые перспективы. Радиоактивные изотопы, новые источники ядерных излучений, вошли в нашу жизнь, стали доступны для использования в народном хозяйстве.

Последнее Десятилетие ознаменовалось новым Достижением человеческой мысли, науки и техники - прорывом в Космос. Здесь снова встала проблема космических излучений. Их действие на космонавтов и все живое в ракетах дальних космических полетов стало в центре внимания.

Из всего сказанного ясно, какой большой интерес и актуальность имеет тема этой книги. Авторы в популярной форме, но в то же время на достаточно высоком научном уровне увлекательно и интересно развертывают перед читателем проблему ядерной радиации и жизни в ее многообразии и сложности. Я уверен, книга будет с интересом встречена самым широким контингентом читателей.

Член-корреспондент АН СССР А. М. Кузин

Глава 1. Человек живет в радиоактивном мире

Открытие явления радиоактивности

В конце 1895 г. весь ученый мир был взволнован появившимися в печати сообщениями об открытии профессором Вюрцбургского университета Вильгельмом Конрадом Рентгеном лучей, обладавших необычными свойствами. Эти лучи, названные Рентгеном Х-лучами, свободно проходили через дерево, картон и другие предметы, не прозрачные для видимого света. Впоследствии они получили название рентгеновских лучей в честь открывшего их ученого.

Открытие Рентгена вызвало наряду с большим количеством новых серьезных исследований и появление своеобразной лучевой горячки. Одно за другим появлялись сообщения об открытии новых таинственных лучей, которые, впрочем, так же быстро и опровергались, (N-лучи профессора Греца в Мюнхене, N-лучи профессора Блондло в Нанси и другие) при попытках других ученых получить эти лучи.

По словам известного советского физика А. Ф. Иоффе, Рентген в то время говорил, что после его открытия появилось столько сенсаций, что они сделались "дурным тоном" у физиков: описания всяких излучений и их воздействий производили впечатление чего-то несолидного^[1]. Может быть, по этой причине многими учеными не было замечено другое крупнейшее открытие конца прошлого столетия - открытие французским ученым Анри Беккерелем явления радиоактивности.

А началось это с одной научной ошибки. Подобно ученым всего мира, открытием Рентгена заинтересовались и французские ученые. И вот в один из понедельников зимой 1895 - 1896 г. (по понедельникам в Париже происходили заседания французской Академии наук) академик Пуанкаре демонстрировал первые снимки, изготовленные во Франции с помощью новых лучей, а также установку, на которой эти снимки были получены.

В первых рентгеновских трубках не было анода, и рентгеновские лучи возникали в том месте стеклянной стенки трубки, на которое попадал поток электронов; оно ярко флуоресцировало. Это навело Пуанкаре на мысль, что флуоресценция, независимо от ее происхождения, всегда сопровождается испусканием рентгеновских лучей. Проверить такое предположение, как мы теперь знаем, неправильное, взялся А. Беккерель, занимавшийся подобно своему отцу изучением явления флуоресценции.

Первоначально эксперименты как будто бы подтвердили предположение Пуанкаре. И уже через месяц, 24 февраля 1896 г. на очередном заседании Академии наук Беккерель сделал сообщение об открытии им нового проникающего излучения, вызванного действием света. Продолжая свои опыты, вдумчивый и внимательный экспериментатор Беккерель вскоре понял ошибочность своих выводов. Обнаруженное им излучение вовсе не являлось результатом флуоресценции использованной им в опытах соли урана и в этом отношении проведенные опыты были неудачными. Но, как говорят ученые, открытие часто начинается там, где кончается неудачный эксперимент. Так было и в данном случае. Вскоре Беккерель сообщил на заседании Академии наук, что наблюдавшиеся им лучи, проникавшие подобно рентгеновским лучам через непрозрачные для света предметы и вызывавшие почернение фотопластинки, спонтанно, без всякого вмешательства извне, излучаются некоторыми веществами. Так как было установлено, что новые лучи присущи веществам, в состав которых входит уран, вновь открытые лучи Беккерель назвал урановыми.

Таким образом, человечество узнало о веществах, самопроизвольно испускающих лучи, по своим свойствам похожие на рентгеновские. Как мы уже говорили раньше, открытие Беккереля в противоположность открытию Рентгена прошло не замеченным ученым миром. Выступая с отчетом о деятельности Академии в 1896 г., ее президент Корню много внимания уделил работам Рентгена и только мимоходом упомянул об открытии Беккереля. Характерно, что в 1896 г. только по вопросу применения рентгеновских лучей в медицине было опубликовано 49 книг и более 1000 журнальных статей. Никто из физиков первое время серьезно не занимался изучением лучей, открытых Беккерелем.

Дальнейшая история новооткрытых лучей тесно связана с именами молодого польского физика Марии Складовской, приехавшей в Париж для завершения своего образования, и ее мужа - французского физика Пьера Кюри. Супругам Кюри наука обязана тщательным всесторонним изучением вновь открытого явления, которое, по предложению Марии Кюри-Складовской, было названо радиоактивностью.

Много лет упорно работали супруги Кюри. После смерти Пьера Кюри (1906 г.) Мария Кюри сама успешно изучала природу радиоактивности и свойства радиоактивных веществ.

Почти без средств, не имея оборудованной лаборатории, ученые работали в сарае, где зимой температура часто опускалась ниже 5 - 6°. Они провели здесь большое количество выдающихся исследований и обогатили науку рядом крупных открытий.

В июле 1896 г. они открыли новый элемент, испускавший радиоактивные лучи, подобно урану. В честь родины Марии Кюри он получил название полоний и занял пустовавшее до того времени 86-е место в периодической таблице элементов Менделеева. Конец 1896 г. ознаменовался открытием еще одного элемента, названного радием. Излучение нового элемента по своей интенсивности в миллион раз превышало интенсивность излучения урана и других известных радиоактивных элементов. Этот элемент разместился в 88-й клетке периодической системы элементов. По словам французского физика Ж. Перрена, открытие и получение чистого радия явились фундаментом, на котором выросла вся наука о радиоактивности.

Работы Кюри привлекли к явлению радиоактивности внимание ученых всего мира, в том числе таких выдающихся, как Э. Резерфорд, Ф. Содди и К. Фаянс. Количество работ в этой области стало быстро возрастать.

Огромное значение работ М. Кюри дважды отмечалось Нобелевскими премиями по физике. Она состояла членом большого числа заграничных академий наук (в том числе - почетным членом Академии наук СССР) и в 1922 г. явилась первой женщиной Франции, избранной в одну из ее академий (Парижскую академию медицинских наук)^[2].

После радия было открыто еще несколько радиоактивных элементов и, в частности, установлено, что все элементы с атомными номерами от 84 до 92 радиоактивны.

Одним из первых ученых, оценивших всю важность открытия радиоактивности, был русский ученый академик В. И. Вернадский. Блестящим примером научного предвидения являются слова, написанные им в 1911 г.:

"Мы подходим к великому перевороту в жизни человечества, с которым не может сравниться все, когда-либо им пережитое. Недалеко то время, когда человек получит в свои руки атомную энергию - такой источник силы, который позволит ему строить свою жизнь так, как он захочет. Это может случиться через столетие, но ясно, что это обязательно случится. Сможет ли человек воспользоваться этой силой, направив ее на добро, а не на самоуничтожение?"^[3].

К первой половине 30-х годов нашего столетия уже был собран огромный материал, характеризующий радиоактивность различных элементов земной коры. Имелись данные о радиоактивности атмосферного воздуха, воды в океанах, морях, озерах и реках. Стало известно свойство растений и животных накапливать в себе радиоактивные вещества. Наконец, было обнаружено, что и сам человек радиоактивен. Присутствие радиоактивных элементов в метеоритах свидетельствовало о том, что явление радиоактивности не ограничивается нашей планетой, а встречается и в иных образованиях Вселенной.

Человек убедился окончательно, что со всех сторон его окружают радиоактивные элементы и излучения, что он живет в радиоактивном мире.

Загадки радиоактивности

Сразу же после открытия радиоактивности перед наукой встал ряд новых вопросов: что собой представляют открытые лучи, каковы их природа и свойства, насколько широко радиоактивные вещества распространены в природе, какое действие они оказывают на человека и окружающую природу. Понадобилось, однако, несколько десятков лет, чтобы получить ответ на поставленные вопросы.

Удивительно то, что оказались неудачными все попытки ученых хоть в какой-либо степени повлиять на радиоактивность: хотя бы незначительно изменить интенсивность излучения радиоактивных веществ. Оказались бессильными и нагрев до максимальных температур и охлаждение до сверхнизких температур, и огромные давления, достигнутые техникой того времени, и помещение радиоактивных веществ в вакуум, и, наконец, действие любых химических реактивов. Вместе с тем было замечено, что интенсивность излучения любого радиоактивного, вещества самопроизвольно уменьшается со временем по определенному закону. Для каждого радиоактивного вещества характерен период полураспада, т. е. время, в течение которого интенсивность излучения уменьшается вдвое. Период полураспада радия составляет 1620 лет, полония-138 дней, урана - 4,5 млрд. лет и т. д.

Загадкой было и то, откуда берется энергия, которая излучается радиоактивными веществами. Еще в 1903 г. Пьер Кюри обратил внимание на то, что недавно открытый элемент - радий всегда теплее окружающих предметов. Было подсчитано, что 1 г радия может самопроизвольно выделить количество тепла, которое в 400 тыс. раз превышает количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 г каменного угля.

Глубокое изучение свойств радиоактивных элементов оказало огромное влияние на существовавшие в то время представления о строении вещества и привело в 1911 г. английского физика Резерфорда к созданию так называемой планетарной модели строения атома. Этой моделью, усовершенствованной датским ученым Нильсом Бором, мы. пользуемся и до настоящего времени, поскольку она помогает понять целый ряд явлений, в частности, явление радиоактивности, хотя и известно, что в действительности строение атома значительно сложнее, чем это следует из модели атома Резерфорда - Бора. Познакомимся с этой теорией несколько подробнее.

Все тела окружающего нас мира представляют собой совокупность разнообразных химических соединений. Количество известных в настоящее время соединений превосходит 400 тысяч. Все они состоят из молекул и атомов. Молекула - наименьшая частица вещества, полностью сохраняющая его свойства, атом-частица химического элемента. Молекулы представляют собою более сложные образования, чем атомы. В состав молекул органических веществ входят иногда десятки тысяч атомов. Если количество видов молекул очень велико и равняется количеству химических соединений, то количество разновидностей атомов немногим больше ста.

Размеры атомов очень малы - поперечник атома составляет около 10^-8 см, следовательно, в 1 см можно уложить 100 млн. атомов. Масса самого легкого атома - атома водорода - составляет 1,67 · 10^-24 г; атома курчатовия, занимающего 104-е место в таблице Менделеева, в 260 раз больше. В качестве единицы измерения пользуются ¹/₁₆ массы атома кислорода. При этом масса атома водорода приблизительно считается равной единице.

Несмотря на свои незначительные размеры, атом имеет сложное строение и состоит из центрального положительно заряженного ядра и двигающихся вокруг него по орбитам электронов - отрицательно заряженных частиц, в 1840 раз меньших, чем атом водорода. Основная масса атома (99,95%) сконцентрирована в ядре, поперечник которого в несколько десятков тысяч раз меньше поперечника атома. Если бы мы могли увеличить атом до величины основного корпуса Московского университета, ядро атома имело бы размеры горошины.

Количество электронов в атоме не случайно - оно соответствует атомному номеру данного элемента, который определяет его место в периодической таблице Менделеева, а суммарный отрицательный заряд всех электронов равен положительному заряду ядра. Двигаются электроны по орбитам, располагающимся отдельными группами, называемыми слоями, или оболочками. Количество слоев у тяжелых атомов с большим количеством электронов может доходить до семи. Электроны, расположенные на внешней, наиболее удаленной от ядра оболочке, слабее всего связаны с ядром, и поэтому легко могут вступать во взаимодействие с другими атомами. Количество этих электронов определяет химические свойства данного элемента, т. е. способность его образовывать соединения с другими элементами.

Ядро атома имеет сложное строение; в состав его входят частицы двух видов - протоны и нейтроны. Протоны - ядра атомов водорода - обладают положительным электрическим зарядом, равным заряду электрона, и массой, равной единице. Масса нейтрона, так же как и протона, равна единице. Но в отличие от протонов нейтроны не имеют электрического заряда, а потому они нейтральны.

Протон и нейтрон имеют сложное строение и могут превращаться друг в друга. В составе ядра протоны и нейтроны прочно удерживаются ядерными силами, природа которых еще окончательно не выяснена. Отличительная особенность ядерных сил - проявление только на очень близких расстояниях (не более 10 - 13 см), в то время как силы тяготения или электрического взаимодействия проявляются на любом расстоянии.

Количество протонов, входящих в состав ядра, равняется количеству электронов в оболочке атома. Это объясняется тем, что атом в целом нейтрален, а заряды электрона и протона равны по величине, но противоположны по знаку. Количество нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между атомной массой элемента и его атомным номером, определяющим количество протонов. Так, ядро атома железа (атомный номер 26, атомная масса 56) содержит 26 протонов и 30 нейтронов.

Атомы одного и того же элемента не одинаковы. Исследования показали, что большинство химических элементов имеют изотопы, атомы которых обладают одинаковыми химическими свойствами, но отличаются друг от друга по атомной массе. Изотопы одного и того же элемента имеют одинаковое количество протонов и электронов, но отличаются друг от друга количеством нейтронов, входящих в состав ядра.

В настоящее время известно более 1300 изотопов 104 элементов, входящих в таблицу Менделеева. Из общего числа изотопов только 250 стабильные, а остальные радиоактивные. Для удобства изотопы принято обозначать химическим символом элемента, к которому внизу добавлен атомный номер, а вверху - атомная масса. Например, изотопы водорода обозначаются H₁¹, Н₁² H₁³; изотопы хлора - Cl¹⁷₃₅ и Cl¹⁷₃₆ и т. д.

В связи с тем, что химические свойства изотопов одного и того же элемента одинаковы, разделить их химическим путем невозможно. Для этой цели пользуются некоторыми их физическими свойствами, зависящими от массы атома.

Выше мы уже отмечали, что в нормальном состоянии атом нейтрален. Однако при некоторых процессах, когда атому сообщается дополнительная энергия, один или несколько внешних, наиболее слабо связанных с ядром электронов, можно либо удалить за пределы атома, либо передвинуть с одной оболочки на другую (ближе к внешней). Атом, у которого удален один или несколько электронов, называется ионизированным, или ионом. Такой атом в целом будет иметь положительный заряд, так как заряд его ядра останется прежним, а отрицательный заряд оболочки уменьшится. Ионы, сохраняя в общем все свойства данного элемента, отличаются от атомов тем, что могут образовывать иные химические соединения. Атом, электрон которого перемещен на внешнюю орбиту, называется возбужденным; в отличие от ионизированного он остается нейтральным.

Возбужденное и ионизированное состояния неустойчивы, так как атом стремится при первой возможности вернуться в свое нормальное состояние. Это может осуществиться либо в результате притяжения электрона извне (ионизированный атом), либо за счет перехода электронов с внешней орбиты на свободные места на внутренней орбите (возбужденный атом). И тот и другой процесс сопровождается выделением энергии в виде светового излучения, ультрафиолетовых или инфракрасных лучей (при переходе электронов в периферийной части атома) и рентгеновских лучей (при переходе электронов на внутреннюю орбиту и освобождении большего количества энергии).

Лучи из недр атомов

В результате многих лет упорной работы физикам, наконец, удалось найти разгадку явления радиоактивности. Помогла им в этом планетарная теория атома.

Прежде всего удалось решить вопрос о природе лучей, испускаемых радиоактивными атомами. Было установлено, что это сложное излучение, в состав которого входят лучи трех видов, отличающиеся друг от друга проникающей способностью. Наименее проникающие лучи получили название альфа-лучей (α-лучей), более проникающие - бета-лучей (β-лучей), и, наконец, лучи, имеющие наибольшую проникающую способность - гамма-лучей (γ-лучей).

Альфа-лучи оказались потоком частиц с массой, равной четырем, и двойным положительным зарядом, т. е. потоком ядер атомов гелия. Эти частицы вылетают из ядра со скоростью 15 000 - 20 000 км/сек, имея энергию 2 - 9 Мэв^[4]. Альфа-частицы обладают очень малой проникающей способностью. В зависимости от энергии частиц в воздухе они могут пройти путь 2 - 9 см, в биологической ткани - 0,02 - 0,06 мм; они полностью поглощаются листом писчей бумаги.

Бета-лучи - это поток бета-частиц (электронов), вылетающих из ядер со скоростью, близкой к скорости света. Максимальная энергия бета-частиц радиоактивных изотопов может различаться в широких пределах - от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. В табл. 1 приведены значения максимальной энергии бета-частиц для некоторых изотопов, применяемых при биологических исследованиях. Проникающая способность этих частиц значительно больше, чем у альфа-частиц. Бета-частицы с энергией 3 Мэв (наибольшая энергия этих частиц изотопов, применяемых при биологических исследованиях) могут пройти в воздухе до 15 м, в воде и биологической ткани - до 12 мм и в алюминии до 5 мм.

Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны 10^-8- 10^-11см. Проникающая способность гамма-лучей очень велика - значительно больше, чем у альфа- и бета-частиц. Чтобы ослабить гамма-излучение радиоактивного кобальта вдвое, нужно взять слой свинца толщиной 1,6 см или слой бетона толщиной 10 см. Чем короче длина волны, тем большую проникающую способность имеют гамма-лучи.

Альфа- и бета-лучи относятся к корпускулярным излучениям, т. е. они представляют собой поток быстро летящих заряженных частиц (корпускул). Гамма-лучи - электромагнитное излучение (подобно рентгеновским лучам); они характеризуются длиной волны и частотой. К электромагнитным излучениям относятся также радиоволны, видимый свет, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, отличающиеся друг от друга только длиной волны. Все эти излучения распространяются со скоростью 300 000 км/сек,.

Деление ядерных излучений на корпускулярные и волновые хотя практически и удобно, но не совсем правильно, так как корпускулярные излучения имеют в определенной степени свойства волновых излучений, и наоборот. Так, электронные пучки, представляющие собой поток быстро летящих частиц - электронов, ведут себя подобно световым волнам. Они также могут преломляться и собираться с помощью электронных линз. На этом свойстве основано устройство одного из широко применяемых в научных исследованиях приборов - электронного микроскопа, с помощью которого можно получать огромные увеличения (в десятки и сотни тысяч раз), недоступные обычным световым микроскопам. Согласно квантовой теории, энергия, связанная с электромагнитными излучениями, в данном случае рентгеновскими и гамма-лучами, излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями - квантами (или фотонами). При этом величина квантов будет тем больше, чем больше частота и, следовательно, чем меньше длина волны излучения. Энергия квантов Е, выраженная в электрон-вольтах, связана с длиной волны λ соотношением

Е = 1230 / λ (эв),

где λ - выражена в нанометрах (1 нм = 10^-9м).

После того, как была выяснена природа радиоактивных излучений, установлено, что источником этих излучений являются ядра атомов, а возникают они в результате происходящих в них процессов, которые получили название радиоактивного распада.

В чем же причина распада ядер радиоактивных элементов? Между частицами, входящими в состав ядра, действуют, с одной стороны, ядерные силы, скрепляющие ядро, а с другой - электрические силы отталкивания, возникающие между одноименно заряженными частицами - протонами. Ядра атомов устойчивы только тогда, когда существуют определенные соотношения между числом протонов и нейтронов. Если эти соотношения нарушены, происходит перераспределение частиц. Этот процесс сопровождается вылетом частиц из ядра, в результате чего образуются ядра элементов, обладающих иными химическими и физическими свойствами.

Таблица 1. Радиоактивные изотопы, применяемые при биологических исследованиях

Известны два основных вида радиоактивного распада:

I. Альфа-распад, сопровождающийся вылетом из ядра альфа-частицы. Примером такого распада может служить распад ядра радия с образованием радона:

Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Следовательно, после вылета из ядра альфа-частицы образуется новое ядро, у которого атомный номер будет на два, а атомная масса на четыре меньше, чем у исходного ядра.

II. Бета-распад, при котором из ядра вылетает бета-частица, либо отрицательная, представляющая собой электрон, либо положительная, называемая позитроном. Масса позитрона равняется массе электрона, а заряд его по величине равен заряду электрона, но только имеет знак плюс. Позитрон - неустойчивая частица и при первой же возможности соединяется с электроном, в результате чего возникает гамма-излучение.

Примером бета-распада служит распад радиоактивных изотопов фосфора и бария:

В обоих случаях бета-распада, так же как при альфа-распаде, получаются новые элементы с отличными от исходного элемента свойствами.

При бета-распаде из ядра атома вылетает либо отрицательная, либо положительная бета-частица. Но в состав ядра входят только протоны и нейтроны. Откуда же берутся вылетающие из ядра бета-частицы? Дело в том, что и нейтрон и протон имеют сложное строение и могут превращаться друг в друга. Если один из нейтронов превращается в протон, при этом освобождается отрицательная бета-частица; если же протон превращается в нейтрон, освобождается положительная бета-частица. Этим объясняется и то, что в первом случае количество протонов, входящих в состав ядра, увеличивается, а во втором - уменьшается.

Гамма-лучи могут излучаться и при альфа-, и при бета-распаде. Если ядро, образовавшееся в результате радиоактивного распада, обладает избытком энергии, т. е. находится в возбужденном состоянии, оно излучает избыток энергии в виде кванта гамма-излучения. В этом случае альфа- или бета-излучение сопровождается гамма-излучением.

Гамма-лучи принято характеризовать энергией квантов излучения. В таблице 1 приведены значения энергии гамма-квантов, возникающих при распаде некоторых радиоактивных веществ. Чем больше энергия кванта, тем больше проникающая способность гамма-лучей.

Гамма-лучи и рентгеновские лучи обладают одинаковыми свойствами, однако энергия квантов рентгеновских лучей меньше, чем у гамма-лучей. Рентгеновские лучи получают в специальных рентгеновских трубках при торможении быстро летящих электронов. Таким образом, в отличие от гамма-лучей, рентгеновские лучи возникают вне ядра. Благодаря одинаковым свойствам рентгеновские лучи часто используют вместо гамма-лучей для экспериментального облучения животных и семян растений. Рентгеновские установки, применяемые для этой цели, дают лучи с максимальной энергией - 0,2 Мэв.

Иногда ядро, образовавшееся в результате радиоактивного распада, само является радиоактивным и распадается, образуя новое ядро. Так, ядро радона, образовавшееся в результате распада радия, радиоактивно и в свою очередь распадается с выделением альфа-частицы. Таким образом возникают цепочки, или ряды атомных ядер, каждое из которых возникает из предыдущего в результате альфа- или бета-распада. Цепочка распада продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро. Такой ряд радиоактивных элементов носит название семейства. Например, в семействе урана родоначальником является уран-238, а в числе 16 продуктов распада имеются такие широко используемые в медицине радиоактивные элементы, как радий и радон. Заканчивается этот ряд стабильным изотопом свинца Pb ²⁰⁶₈₂

У радиоактивных элементов в результате непрерывно происходящего распада ядер количество радиоактивного вещества постоянно убывает. Это убывание происходит по определенному закону, называемому законом радиоактивного распада, который гласит, что количество атомов, распадающихся за 1 сек, пропорционально количеству имеющихся активных атомов. Число актов распада, происходящих за 1 сек., называется активностью данного препарата.

На практике для измерения активности пользуются единицей, называемой кюри. Это такое количество радиоактивного вещества, в котором за 1 сек. происходит 3,7 · 10¹⁰ распадов. Можно считать, что примерно такую активность имеет 1 г радия.

Часто пользуются единицами меньше кюри: мкгори - милликюри и мккюри - микрокюри (1 мкюри = 0,001 кюри; 1 мккюри = 0,001 мкюри = 0,000 001 кюри).

Для измерения гамма-активности часто пользуются единицей грамм-эквивалент. Под грамм-эквивалентом понимают количество радиоактивного вещества, которое дает такое же гамма-излучение, как и 1 г. радия.

Между кюри и грамм-эквивалентом существует определенная зависимость, различная для разных изотопов. Так, для кобальта - 60 имеем 1 кюри = 1,6 г-экв, для радия 1 кюри = 1 г-экв и т. д.

Скорость распада радиактивного вещества всегда постоянна и не зависит от внешних условий. Удобнее всего ее характеризовать периодом полураспада. Радиоактивные изотопы, применяемые в биологии и медицине, имеют периоды полураспада от нескольких минут до многих тысячелетий.

Радиоактивные элементы Земли

Данные точных измерений показывают, что и сам человек, и все окружающие его объекты живой и неживой природы радиоактивны. Познакомимся ближе с теми радиоактивными элементами, которые обусловливают радиоактивность окружающего нас мира. В настоящем разделе речь будет идти только о так называемой естественной радиоактивности, т. е. о тех радиоактивных веществах, которые уже давно существуют в природе. Их возникновение не связано ни с испытаниями ядерного и термоядерного оружия, ни с развитием атомной промышленности.

Естественнорадиоактивные вещества в небольших количествах содержатся во всех оболочках и в ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы, т. е. той части земной оболочки, где обитают животные, растения и человек. Радиоактивные элементы рассеяны во всей биосфере, хотя редко встречаются в сколько-нибудь значительных количествах. Возникновение их относится к периоду образования Земли. По-видимому, несколько миллиардов лет тому назад, накануне образования нашей планеты, вещество Земли находилось в таких условиях, которые благоприятствовали возникновению радиоактивных и нерадиоактивных элементов. В этот период времени возникает основная масса радиоактивных изотопов, как долгоживущих, сохранившихся до настоящего времени, так и короткоживущих, в настоящее время уже полностью распавшихся. В зависимости от их происхождения все естественнорадиоактивные элементы Земли можно разделить на три группы.

К первой группе относятся элементы, объединенные в три радиоактивных семейства. Кроме долгоживущих родоначальников этих семейств - урана, тория и актиноурана - сюда входят и продукты их распада, в том числе и относительно короткоживущие - радий, радон, мезоторий и др. Количество радиоактивных элементов этой группы постепенно уменьшается в соответствии с законом радиоактивного распада. Наиболее широко распространенными элементами этой группы являются уран, количество которого в земной коре больше, чем серебра или ртути, и торий. Природный уран является смесью трех изотопов - урана - 238 (99,28%), урана - 235 (0,71%) и урана - 234 (0,006%). Уран - 238 и уран - 235 (актино-уран) - родоначальники двух радиоактивных семейств.

Один из продуктов распада урана - 238 - радий, о котором уже говорилось выше. Несмотря на сравнительно небольшой период полураспада, содержание радия в земной коре относительно стабильно, так как уменьшение его количества в результате распада компенсируется непрерывным образованием нового радия за счет распада урана.

Радий нашел себе широкое применение в медицине не только как источник гамма-лучей для облучения больных (в этой области его вытесняют значительно более дешевые искусственные радиоактивные вещества), но и как источник радона для радоновых ванн, часто применяемых физиотерапевтами.

Радон, период полураспада которого 3,8 дня, представляет собой радиоактивный газ, образующийся в результате распада радия. Ванны из воды, содержащей растворенный радон, применяются для лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы, суставов, периферической нервной системы, гинекологических и других заболеваний. Для таких ванн используют либо воду природных радиоактивных источников, либо обычную пресную воду, искусственно насыщенную радоном.

Торий, которого в природе значительно больше, чем урана, также нашел себе применение в ядерной энергетике. Из продуктов распада тория в медицине применяется радий-мезоторий (период полураспада 6,3 г). Применяется он для облучения вместо радия, так как стоимость его значительно ниже, чем радия. Мезоторий часто используется для изготовления светосоставов, наносимых на циферблаты часов и других приборов.

Вторую группу радиоактивных элементов Земли составляют радиоактивные изотопы элементов, не входящие в состав радиоактивных семейств. Они также возникли в период образования Земли, и количество их постепенно уменьшается за счет радиоактивного распада.

Из элементов этой группы наибольшее значение имеет калий, радиоактивность которого была открыта в 1906 г. Калий - один из наиболее распространенных элементов. Его доля составляет 1,1% общего числа атомов, образующих земную кору. Калий необходим для нормального развития растений, а также является неотъемлемой составной частью любого живого организма, в том числе и человека. Природный калий представляет собою смесь трех изотопов К³⁹, К⁴⁰ и К⁴¹, из которых радиоактивен только один - К⁴⁰. Количество этого изотопа в природной смеси невелико - всего 0,0119%; в 1 г природного калия происходит около 30 распадов в секунду. Несмотря на такую, казалось бы, незначительную по сравнению с радием и ураном активность, калий благодаря своей распространенности играет в природе большую роль.

Из других радиоактивных элементов второй группы заслуживает внимания рубидий Rb, обладающий свойством накапливаться в некоторых растениях (1 л виноградного сока содержит 1 мг рубидия). Однако вызванная им активность значительно меньше, чем К⁴⁰.

Третью группу естественнорадиоактивных веществ, входящих в состав биосферы, образуют радиоактивные изотопы, возникающие в атмосфере в результате действия космических лучей, о которых подробнее мы будем говорить ниже. К таким изотопам относятся радиоактивный углерод (С¹⁴), фосфор (Р³²) и некоторые другие. Количество этих изотопов в природе относительно невелико и обусловленная ими активность не имеет существенного значения.

Радиоактивность вокруг нас

Итак, мы уже знаем, какие радиоактивные элементы встречаются на Земле. Познакомимся теперь с круговоротом радиоактивных элементов в природе и с тем, как эти элементы распределяются в окружающей нас биосфере.

Основная масса радиоактивных элементов Земли содержится в горных породах, составляющих земную кору. Отсюда радиоактивные элементы переходят в грунт, затем в растения и, наконец, вместе с растениями попадают в организмы животных и человека. Этот круговорот радиоактивных элементов, непрерывно происходящий в природе, наглядно показан на рис. 1.

Большая роль в этом круговороте принадлежит подземным водам. Они вымывают радиоактивные элементы горных пород, переносят их из одних мест в другие и осуществляют обмен между живой и неживой природой. Другой процесс, приводящий к распространению радиоактивных веществ в биосфере, - выветривание горных пород. Мельчайшие частицы, образовавшиеся в результате разрушения горных пород под действием воды, льда, непрерывных колебаний температуры и других факторов, переносятся ветром на значительные расстояния.

Рис 1. Круговорот естественных радиоактивных изотопов в природе

Радиоактивные элементы распределены в толще Земли отнюдь не равномерно. Наибольшая концентрация их наблюдается в верхнем слое земной коры, толщина которого не превышает 15 км. С глубиной радиоактивность постепенно уменьшается, и в ядре Земли она приблизительно в 30 раз меньше, чем в магматических породах (гранитах, базальтах и др.).

Промежуточным этапом в процессе перехода радиоактивных элементов из неживой природы в живую являются грунты. Как правило, радиоактивность грунтов заметно выше, чем у материнских грунтообразующих пород. Объясняется это тем, что некоторые радиоактивные вещества, содержащиеся в атмосфере, поглощаются растениями (непосредственно и из осадков), а после смерти растения переходят в состав грунтов. Интересно, что в большинстве случаев более плодородным грунтам соответствует и более высокий уровень естественной радиоактивности.

В 1 кг грунта содержится 1,1 · 10^-9-1,9 · 10^-9 г радия, 1,10^-4-1,8 · 10^-3г урана и 1-30 г калия, гамма-излучение которых и обусловливает радиоактивное излучение земной поверхности (благодаря своей малой проникающей способности бета- и альфа-излучение практически не имеют значения).

Хорошо известно, какую огромную роль играет в жизни человека и в природе вода, которой покрыта большая часть нашей планеты. Поэтому, вполне естественно, нас интересует радиоактивность воды океанов, морей, озер, рек и других водоемов.

Радиоактивность воды морей и океанов обусловлена главным образом калием и составляет 3 - 5 · 10^-10кюри на 1 л. Воды рек и озер в большинстве случаев имеют значительно меньшую радиоактивность. Зато повышенной радиоактивностью, в сотни раз больше, чем вода морей и океанов, обладают воды некоторых радиоактивных источников (Цхалтубо, Белокуриха, Миргород, Мироновка и др.).

Питьевая вода в городских водопроводах подвергается очистке и фильтрации и потому содержит относительно небольшое количество радиоактивных веществ.

Воздух, которым мы дышим, также радиоактивен. Его радиоактивность обусловлена газообразными продуктами распада радиоактивных элементов земной коры (в первую очередь - радоном) и аэрозолями - мельчайшими частицами горных пород, образовавшимися в результате их выветривания. В зависимости от содержания радиоактивных элементов в почве может изменяться и радиоактивность находящегося над ней атмосферного воздуха.

В процессе своей жизнедеятельности растения усваивают, а некоторые растения и накапливают в себе радиоактивные вещества, содержащиеся в почве, воде и воздухе. Из всех радиоактивных веществ лучше всего усваивается растениями калий. В золе некоторых растений (бобовые, грибы, злаки, папоротники) содержание калия достигает 25 - 30%.

Количество радиоактивных веществ (радия, урана) в растениях может значительно изменяться в зависимости от содержания их в почве. Содержание урана и радия в золе растений обычно повышается там, где имеется большое количество этих элементов в почве.

Радиоактивность растений увеличивается от применения калийных удобрений, которые приводят одновременно к увеличению урожайности и улучшению качества различных сельскохозяйственных культур (повышение сахаристости сахарной свеклы, крахмалистости зерен озимой пшеницы и др.).

Радиоактивность животных организмов и растений в основном зависит от присутствия калия. У молодых животных радиоактивность тканей и органов больше, чем у старых.

Некоторые ткани животного организма обладают способностью накапливать в себе радиоактивные элементы. Так, например, радий концентрируется преимущественно в костной ткани. У некоторых животных и растений концентрация радиоактивных элементов может быть во много раз большей, чем в окружающей среде. Радиоактивный стронций (образующийся при ядерных взрывах) концентрируется в костях морского окуня в количестве, которое в 20 - 30 тысяч раз больше, чем в воде. В отдельных случаях, например, во время испытаний ядерного оружия в 1954 г., такую рыбу нельзя было употреблять в пищу.

В радиоактивности растений и животных - причина радиоактивности пищевых продуктов. Вместе с пищей радиоактивные вещества попадают в организм человека. В табл. 2 приведены приблизительные данные содержания калия в различных продуктах, потребляемых человеком.

Таблица 2. Количество калия, употребляемого человеком с пищей

Помимо калий, в организм человека попадают также радий и иные радиоактивные элементы. Так, в среднем активность радия, попадающего в организм человека, составляет 1 · 10^-12-1,5 · 10^-11кюри.

Интересно, что в процессе кулинарной обработки продуктов питания содержание радиоактивных элементов в них может существенно измениться. Так, масло, приготовленное из молока, содержащего радиоактивный стронций, практически не радиоактивно, так как весь стронций переходит в сыворотку. Если варить рыбу, содержащую радиоактивный стронций, в нейтральной или слабощелочной среде, то в бульон переходит около 10% стронция. Этот процент увеличивается до 40, если рыбу варить в кислой среде.

Вместе с пищей, водой и воздухом определенное количество радиоактивных элементов попадает в организм человека. Если бы все они оставались в организме, то радиоактивность человека была бы велика. Однако это не так - некоторая, притом довольно значительная их часть выделяется из организма вместе с мочой, калом, потом и др. Поэтому общая радиоактивность человека в значительной степени зависит от интенсивности обменных процессов.

Радиоактивные изотопы, поступившие в организм человека, взаимодействуя с веществами, входящими в состав тканей и плазмы, образуют ряд соединений, которые отлагаются в отдельных органах и тканях. Калий - основной элемент, определяющий радиоактивность человека, концентрируется преимущественно в нервной и мускульной ткани; уран, радий и стронций - в костной ткани и т. д.

Некоторые ученые заинтересовались тем, какие изменения в радиоактивности человека произошли за прошедшие тысячелетия и отличаются ли по радиоактивности современный человек и его предки. Для того чтобы получить ответ на эти вопросы, проделали следующий эксперимент. В музее взяли ребро египтянина, умершего 4 тыс. лет назад, и измерили его радиоактивность. Оказалось, что она близка к среднему значению радиоактивности костей человека нашего времени.

Как обнаружили и измерили радиоактивность

Как мы уже говорили раньше, большинство радиоактивных элементов возникло задолго до зарождения жизни на Земле. Следовательно, с самого своего появления человек жил в радиоактивном мире и на него действовали радиоактивные излучения. Чем же объяснить тот факт, что еще 100 лет тому назад человек не имел никакого понятия о радиоактивности и не подозревал, что он живет в радиоактивном мире? ...