мер, стронций-90, йод-131, цезий-137 и т.п. Под термином <<радио­

нуклид>> понимают также некоторое радиоактивное вещество, когда

говорят, например, что масса радионуклида составляет столько-то

граммов, килограммов и т.д. Термины <<радиоизотоП>> и <<радионук­

лид>> часто используются как синонимы.

Состояние атомов, при котором число обращающихся вокруг

ядра электронов равно числу протонов, называется основным (нор­ мальным). Атом в этом случ~f. электрически нейтрален.

Энергия связи электроноj~ атоме тем меньше, чем на более уда­

ленной от ядра оболочке он находится. Если один или несколько электронов оторвать от электронной оболочки, приложив соответ­

ствующую энергию, произойдет ионизация атома, в результате ко­ торой атом станет положительно заряженным ионом. Если атом, на­ оборот. присоединяет электрон, он превращается в отрицательно за­

ряженный ион.

Если энергия внешнего воздействия недостаточна для ионизации

атома, электрон может быть переведен на более удаленную от ядра

оболочку. Такой атом называется возбужденным. При переходе в

невозбужденное состояние, т.е. когда освободившееся вакантное место на электронной оболочке занимает другой электрон, избыток

энергии, равный энергии возбуждения, испускается в виде одного или нескольких квантов фотонного излучения.

ХИмические свойства атомов определяются внешними (валент­ ными) электронами. При химических превращениях происходит

перестройка внешних оболочек атома, обусловленная отдачей или присоединением валентных электронов. При ядерных превращениях

происходит переход одних ядер в другие в результате либо ядерных

реакций деления и синтеза, либо радиоактивного распада, вызван­ ного неустойчивостью атомных ядер.

9.3. Радиоактивность

Устойчивость атомного ядра обусловлена действующими между

нуклонами ядерными силами притяжения. Эти силы в пределах раз­

мера ядра во много раз превосходят кулонавекие силы отталкивания

одинаково заряженных частиц - протонов. Для ядер атомов начала и середины Периодической системы элеменtов Д.И. Менделеева их

устойчивость (за некоторым исключением) обеспечивается при ра­

венстве числа нейтронов и числа протонов в ядре, т.е. при N"" Z.

С увеличением числа протонов силы их кулонавекого отталкивания

растут примерно пропорционально Z2. Поэтому для компенсации

31 О Час т ь 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

этого отталкивания ядерным притяжением число нейтронов в ядре

растет быстрее числа протонов. В результате устойчивость таких

ядер обеспечивается при N > Z. Всего известно около 300 устойчи­

вых изотопов химических элементов.

Однако у некоторых элементов ядерные силы притяжения уже не способны обеспечить полную устойчивость ядер. Вследствие этого такие элементы становятся радиоактивными. Радиоактив­

ность [3, 6, 10] есть свойство неустойчивых атомных ядер данных

химических элементов самопроизвольно превращаться в ядра ато­

мов других химических элементов с испусканием одной или несколь­

ких ионизирующих частиц. Процесс такого спонтанного ядерного превращения называется радиоактивным распадом. При этом об­

разовавшееся новое (дочернее) ядро оказывается в более устойчи­ вом состоянии, чем исходное (материнское) ядро.

Радиоактивность может быть естественной и искусственной. Ес­

тественной называется радиоактивность, наблюдающаяся у суще­

ствующих в природе неустойчивых изотопов. К ним относятся тя­

желые ядра элементов, расположенных в Периодической системе за

свинцом (Z > 82), а также некоторые легкие и средние ядра (напри­

мер, ядро калия-40). Искусственной называется радиоактивность

изотопов, полученных в результате ядерных реакций в ядерных ре­

акторах, на ускорителях, при ядерных взрывах и др.

В настоящее время для всех элементов известны радиоактивные

изотопы. Всего их более 2000 (естественных и искусственных). По­

видимому, на заре образования Солнечной системы все химические

элементы имели свои радиоактивные аналоги, но с течением време­

ни короткоживущие радиоизотопы распались, а долгоживущие со­

хранились до наших дней.

Основными характеристиками радионуклидов (радиоизотопов)

являются: активность, тип (способ) распада, период полураспада,

вид и энергия излучения.

АктивнGсть радионуклида А в источнике (образце) есть отно­

шение числа dN спонтанных ядерных превращений, происходя­

щих в источнике (образце) за интервал времени dt, к этому интер­

валу:

Единица активности радионуклида в СИ - беккерель (Бк). Бек­

керель равен активности радионуклида в источнике (образце), в ко­

тором за lc происходит одно спонтанное ядерное превращение.

где А ( t), А0 - активность нуклида в источнике в текущий и на­ чальный (t =О) моменты времени соответственно; Л= ln 2/Т1;2 =

= 0,693/ Т1; 2 - постоянная распада, имеющая смысл вероятности

распада ядра за 1 с и равная доле ядер, распадающихся за единицу времени; Т1;2 - период полураспада -время, в течение которого

распадается половина первоначального количества ядер, при этом

активность радионуклида уменьшается в два раза.

Для смеси радионуклидов суммарная активность А определяется

из уравнения

(9.3)

где А01 - активность i-го нуклида в момент времени t = О; Л1 -

постоянная распада i-го нуклида.

Поскольку радиоактивные вещества могут находиться в различ­

ных физических состояниях, то наряду с основным понятием актив­ ности используются производные от нее величины. Отношение ак­

тивности радионуклида в источнике к массе т, объему V или к пло­

щади поверхности S источника называется удельной Am = А/ т,

Бк/кг, объемной Av = A/V, Бк/м3, и поверхностной As = A/S,

Бк/м2, активностью радионуклида соответственно.

физической величиной, определяющей степень радиационного воз­ действия, является поглощенная доза ионизирующего излучения D - отношение средней энергии dW, переданной ионизирующим

излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом объеме:

глощенной дозе ионизирующего излучения, при которой веществу

массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж,

т.е. 1 Гр = 1 Дж/ кг.

Внесистемной единицей поглощенной дозы ионизирующего из­

лучения является рад1 . Рад равен поглощенной дозе ионизирующе­

го излучения, при которой веществу массой 1 кг передается энер­

гия ионизирующего излучения 100 эрг. Таким образом, 1рад = = 0,01 Гр.

Поглощенная доза ионизирующего излучения является мерой

ожидаемых последствий облучения объектов как живой, так и не­ живой природы. Она не зависит от вида ионизирующего излучения

(а, (3, у, Х, n и др.) и его энергии, но для одного и того же вида и

энергии излучения зависит от вида вещества. Поэтому, когда гово­ рят о поглощенной дозе, необходимо указывать, к какой среде это

относится: к воздуху, воде или другой среде. Например, между по­

глощенной дозой в мягкой биологической ткани (мышцах) условного

человека2 - <<Тканевой дозоЙ•> Dт и поглощенной дозой J3 воздухе

D 8 существует следующее соотношение:

(9.6)

В повседневной жизщ1 человек подвергается хроническому об­

лучению естественными и искусственными источниками ионизиру­

ющих излучений в малых дозах. Установлено, что в этом случае био­

логический эффект облучения зависит от суммарной поглощенной

энергии и вида (качества) излучения. По этой причине для оценки

радиационной безопасности при хроническом облучении человека в малых дозах, т.е. дозах, не способных вызвать лучевую болезнь, ис­

пользуется эквивалентная доза ионизирующего излучения Нт -

1 Рад - аббревиатура С;ЮВ <<радиоабсорбироВdНIШЯ доза•>, наименование и обо­

значение одинаково.

2 Массовый состав условного человека, 9t: водород- 1О,1. углерод- 11,1, аза г-

2,6, кислород - 76,2

Разные органы или ткани человека могут облучаться неравно­ мерно, причем они имеют разную чувствительность к облучению

(радиочувствительность). Например, при одинаковой эквивалент­

ной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щито­

видной железе, а облучение гонад (половых желез) особенно опасно

из-за риска генетических повреждений. Для учета указанных обсто­

ятельств введена эффективная доза ионизирующего излучения

Е - величина, используемая как мера риска возникновения отда­

ленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его

органов с учетом их радиочувствительности. Она представляет

собой сумму произведений эквивалентной дозы Нт в органе или

т

ткани Т за время т на соответствующий взвешивающий коэффици­

Единицы эффективной дозы совпадают с единицами эквивалент­

ной дозы. Взвешивающий коэффициент Wт равен отношению сто­

хастического (вероятностного) риска смерти rт в результате облу-

чения Т-го органа или ткани к риску смерти L rт от равномерного

т

облучения тела при одинаковых эквивалентных дозах:.

Таким образом, w7определяет весовой вклад данного органа или

ткани в риск неблагаприятных последствий при равномерном облу­

Взвешивающие коэффициенты wтпозволяют выравнять риск об­

лучения независимо от того, облучается все тело ра.вномерно или

неравномерно. Следовательно, эффективная доза при неравномер­ ном по органам и тканям облучении равна такой эквивалентной дозе

при равномерном облучении организма, при которой риск неблаго­

приятных последствий будет таким же, как и при данном неравно­ мерном облучении.

316 Час т ь 1. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

Взвеи.tивающие коэффициенты Wт для тканей и органов при расчете эффективной дозы:

*Для каждого органа.

Врубрику <<остальное>> входят надпочечники, головной мозг,

верхний отдел толстого кишечника, тонкий кишечник, почки, мы­

шечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая желе­

за и матка.

Поглощенная, эквивалентная и эффективная дозы характеризу­

ют меру ожидаемого эффекта облучения для одного индивидуума. Эти величины являются индивидуальными дозами.

Для оценки меры ожидаемого эффекта при облучении больших групп людей, вплоть до целых популяций, используется коллектив­

ная эффективная доза S - величина, определяющая полное воз­ действие от всех источников на группу людей. Она представляет собой сумму произведений средней эффективной дозы Е, для i-й под­ группы большой группы людей на число людей N1 в подгруппе:

(9.14)

Единица коллективной эффективной дозы в СИ - человеко-зи­

верт (чел.· Зв), внесистемная единица- человеко-бэр (чел.· бэр).

На практике до настоящего времени применяется экспозицион­ ная доза Х фотонного излучения - это отношение суммарного за­ ряда dQ всех ионов одного знака, созданных в сухом атмосферном

воздухе при полном торможении электронов и позитронов, которые

были образованы фотонами в элементарном объеме воздуха с массой dm, к массе воздуха в указанном объеме:

X=dQ/dm. (9.15)

Единица экспозиционной дозы в СИ - кулон на килограмм

(Кл/ кг). Кулон на килограмм равен экспозиционной дозе, при ко­

торой все электроны и позитроны, освобожденные фотонами в воз­

духе массой 1 кг, производят в воздухе ионы, несущие электричес­ кий заряд 1 Кл каждого знака.

Внесистемная единица экспозиционной дозы - рентген (Р).

Рентген - это единица экспозиционной дозы фотонного излучения, которая в 1смЗ сухого воздуха при температуре оос и давлении

760 мм рт.ст. (1 О13 гПа) приводит к образованию 2,08 · 109 пар

ионов, несущих заряд в одну электростатическую единицу электри­

чества каждого знака.

Пр и м е '1а н и е. Такое коли<Jество пар ионов в 1 см3 воздуха создает то'!ечный

источник радия-226 массой 1 г на расстоянии 1м за время экс-позиции (выдержки)

1 '!. Активность 1 г радия-226 составляет 1 Ки.

Соотношение внесистемной единицы и единицы экспозиционной

дозы в СИ имеет вид: 1 Р = 2,58 · 10-4 Кл/кг.

Экспозиционная доза характеризует ионизационную способ­

ность рентгеновского и гамма-излучения в воздухе, т .е. является ха­

рактеристикой поля фотонного, а не всех видов ионизирующего

излучения, причем только в диапазоне энергий от нескольких кило­ электронвольт до 3~эВ и только для воздуха. По этим причинам

экспозицИонная доза и ее мощность (см. н'иже), а также все внесис­

темные единицы (кюри, рад, бэр, рентген и др.) с 1.01.1990 г. долж­

ны были быть изъяты из употребления. Однако в обращении нахо­ дится еще много приборов радиацион.ного контроля, шкалы которых

проградуированы во внесистемных единицах - рентгенах, радах,

рентгенах в час, а также в кратных или дольных единицах (напри­

мер, в миллирентгенах или в микрорентгенах в час). Чтобы оценить

при этом поглощенную дозу в биологической ткани, следует знать,

что в условиях электронного равновесия экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощенная доза 0,873 рад в воздухе или 0,95 рад в

биологической ткани. Поэтому с погрешностью до 5% экспозицио~­

ную дозу в рентгенах и поглощенную дозу в ткани в радах можно

считать совпадающими.

Пр и м с '1 а н и с. В связи с изложенным иногда записывают, '!То 1 Р "' 1 рад, но

это не совсем корректно, так как экспозиционная и ноглощенная дозы -разные фи­

зи<Jескис нсли'lины.

Таким образом, соотношение между внесистемными единицами экспозиционной, поглощенной и эквивалентной доз имеет вид

Здесь <<~•> - знак соответствия.

Человек подвергается внешнему и внутреннему облучению, од­

нако полученную Им дозу непосредственно измерить очень труд­

но - в человека ·не вставишь измеритель дозы. Поэтому для опре-

3\8 Час т ь 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и nрироде

деления дозы измеряют функционально связанные с ней величи­

ны - мощность дозы, объемную и удельную активности и др. Так, при внешнем облучении используют производную от дозы величи­

ну - мощность дозы (уровень радиации).

Мощность дозы - отношение приращения поглощенной dD, эквивалентной dH, эффективной dE и экспозиционной dX доз за

интервал времени dt к этому интервалу соответственно:

D=dD/dt, H=dH/dt, E=dE/dt, X=dX/dt. (9.17)

Единицы мощности дозы - частное от деления единицы дозы

на единицу времени. Например, единица мощности эффективной

дозы в СИ - зиверт в секунду (Зв /с) и т.п.

Из (9.17) следует, что ожидаемая эффективная доза внешнего облучения Евн за время 't (как и любая другая) находится с помощью

интегрирования по времени:

о

Мощность дозы, создаваемая отдельным нуклидом, изменяется

по закону радиоактивного распада; см. (9.2)

где E(t), Е0 - мощность дозы в текущий и начальный моменты вре­

мени соответственно; Л- постоянная распада.

Для долгоживущих радионуклидов или при небольшом промеж­

утке времени 1: мощностр дозы практически постоянна, т.е.

Е = const. Поэтому в этих СJ_Iучаях

Аналогичное.соотношение справедливо и при среднем значении мощности дозы Еср за время 't, например за год.

Внутреннее облучение обусловлено поступлением радионукли­

дов в организм человека с воздухом, водой и пищей. Ожидаемая

эффективная доза внутреннего облучения при этом определяется из

уравнения

(9.21)

оо

где Аи = AvV- активность радионуклида, поступившего в организм

с воздухом объемом V (ингаляционным путем) за время 1:, Бк;