Справочник автора/Радиоактивность и радиация

«	... 200 рентген - слабое недомогание, возможна смерть ...	»
— Из плаката ГО на физфаке

(link)

О радиации посредством Garry's Mod

Радиация (в переводе с латинского — излучение) — общий (и немного корявый) термин для различных видов ионизирующего излучения, т. е. излучения, способного выбивать электроны из атомов или взаимодействовать с атомными ядрами. Именно ионизация приводит к тем, полезным или вредным, химическим превращениями (образование свободных радикалов, разрушение или «сшивание» молекул), которые в итоге и считаются «эффектом радиации». Радиоактивность — способность изотопов химических элементов самопроизвольно распадаться и излучая ионизирующие частицы, один из видов ядерной реакции. Радиоактивные вещества являются наиболее известным, но не единственным источником радиации.

Виды радиации

Широко известные

• Альфа-радиация: поток ионов He²⁺ (оголённых ядер гелия), также называемых альфа-частицами. Из-за большого заряда и относительно малой скорости быстро теряют энергию в веществе, поэтому проникающей способностью практически не обладает: легко останавливается алюминиевой фольгой, бумагой и даже не слишком толстым слоем воздуха. Опасность для человека представляет только в том случае, если он что-нибудь альфа-радиоактивное съест, вдохнёт или вмажется. Но вот тогда ему по той же причине придётся худо: из-за большой потери энергии альфа-частицы нанесут немалую разруху клеткам, через которые смогли пролететь. Альфа-радиоактивность широко распространена среди изотопов самых разных элементов, обычно тяжёлых.
• Бета-радиация: поток электронов (электроны, вылетающие при радиоактивном распаде, также называются бета-частицами). Обладает средней проникающей способностью, в зависимости от энергии существенно поглощается толстой фольгой и полностью останавливается любой специальной преградой для радиации. Опасность для человека представляет на открытых участках тела, особенно на роговице глаз и слизистой - там, где живые клетки напрямую контактируют с окружающим воздухом. Поглощать бета-радиацию и преобразовать ее в безвредный свет могут специальные люминофоры: на этом основана технология т. н. тритиевой подсветки (тритий, то есть бета-активный изотоп водорода, помещается в колбочку, смазанную изнутри люминофором, которая светится). При торможении в веществе может генерировать заметно более проникающую гамму. Бета-радиоактивность также широко распространена среди различных изотопов: практически все радиоактивные изотопы делятся на испускающие альфа-частицы и бета-частицы. Электроны, разогнанные в ускорителях или прилетевшие из космоса, могут иметь намного большую энергию и проникающую способность.
• Гамма-радиация: поток очень высокоэнергетических фотонов. Имеет ту же природу, что и обычный свет, но очень малую длину волны, очень высокую частоту и энергию. Это самая стереотипная радиация: большинство из известных народу штампов про радиацию относится именно к гамме. Это от неё прячутся в ямах и подвалах в случае ядерной войны, это от неё спасаются слоями свинца. Обладает высокой проникающей способностью. Гамма-лучи различной интенсивности испускают многие радиоактивные изотопы вдобавок к альфе или бете; чисто гамма-активными изотопы не бывают. .
  • Рентгеновские лучи: то же, что и гамма, но труба пониже и дым пожиже. Те же фотоны, только несколько менее энергичные. Рентгеновские лучи не порождаются изотопами: для их получения используются специальные приборы — трубки. Но они обладают большинством свойств гамма-излучения. Именно поэтому врачи-рентгенологи нахватываются рентген, а на пациентов надевают свинцовые фартуки. В целом имеют заметно меньшую проникающую способность, но вот сама интенсивность излучения может быть намного выше, чем гамма от куска радиоактивного изотопа.
  • Ещё пониже и пожиже дальний ультрафиолет, граничащий с рентгеном и в норме задерживаемый озоновым слоем. Уже не радиация, но может вызывать ожоги и рак кожи. А вот ближний ультрафиолет, пропускаемый озоновым слоем и близкий к обычному свету, уже практически не опасен, если, конечно, у тебя не «синдром вампира» (альбиносам и представителям кельтского типа, чья кожа физически не способна загореть в дневное время, тоже нудизмом лучше не заниматься).

Более экзотические

• Протонная радиация: поток протонов, или оголённых ядер водорода, или ионов H⁺. Довольно редко встречается в природе, по свойствам — среднее между альфой и бетой, более ничем не примечательна.
• Кластерная радиация: поток ядер тяжелее, чем гелиевые. Те самые Тяжёлые Заряженные Частицы, на которые удобно сваливать косяки строителям спутников. Очень редкий вид, в основном безвреден по причине своей редкости и ещё меньшей проникающей способности, чем у альфы. Кластерные частицы, скорее всего, вообще не сумеют вылететь за пределы куска делящегося материала, а те, что вылетят — будут остановлены воздухом и недобрым взглядом физика-ядерщика. Однако это при энергиях характерных для ядерного распада. Хорошо разогнанные в ускорителе или прилетевшие из космоса высокооэнергетические тяжелые частицы могут иметь огромную энергию, большую проникающую способность, при прохождении через вещество создавать целые ливни вторичных частиц. В таком виде по сравнению с простой гаммой они выглядят как снаряд главного калибра «Айовы» по сравнению с бронебойной пулей. Плюс, кластерная радиоактивность всегда встречается одновременно с каким-то другим видом радиоактивности.
• Нейтронная радиация: поток нейтронов — пожалуй, самый «неудобный» вид радиации. Если гамму можно сравнить с пулей с бронебойным сердечником, альфу — с картечиной из гладкоствольного ружья, то нейтрон будет гранатой с горящим фителём. По причина отсутствия заряда останавливается он заметно хуже беты с альфой, причём нашпигованный множеством электронов свинец тут не лучшая защита: для защиты от нейтронов нужны, наоборот, толстые слои чего-нибудь мелкоатомного, типа воды или органики (например, парафин). Более того, остановив нейтрон, от проблем вы ещё не избавились — он вполне может блуждать с низкой скоростью по веществу, пока прицепится к ядру, сделав его радиоактивным, или на худой конец распадётся сам на протон и бета-частицу. Не всё облучённое нейтронами обязательно станет радиоактивным, но список широк. Поэтому после замедления его желательно поймать чем-то специфическим вроде ядра бора или кадмия. Именно такое сочетание высокой проникающей способности, возможности активировать материалы и «неудобными» методами защиты делает нейтронное излучение чертовски неприятной штукой. При обычном радиоактивном распаде нейтронная радиация выделяется в редких случаях: чтобы её получить, нужды ядерные реакции деления, синтеза или специальные «бутерброды» из изотопов.
• Нейтрино: несмотря на похожее название с предыдущим видом, это его полная противоположность — поток маленьких, пофигистичных частиц. Нейтринное излучение крайне слабо поглощается веществом, поэтому практически никак не действует на живое или неживое, и, чтобы его обнаружить, нужны специальные громоздкие детекторы и большие потоки нейтрино. Поэтому обычно нейтринное излучение радиацией не считается (т. к. не порождает ионов и не влияет на ядра), несмотря на то, что всегда сопутствует бета-активности.
• Античастицы (позитроны aka бета-плюс, антиэлектроны). При радиоактивном распаде образуются довольно редко. Во всём подобны соответствующим частицам, кроме двух дополнительных свойств: во-первых, имеют противоположный электрический заряд, во-вторых, способны аннигилировать с соответствующими частицами и превращаться в довольно жёсткое гамма-излучение.

Что НЕ ЯВЛЯЕТСЯ радиацией?

• Микроволны и радиоволны. Невежественными людьми причисляются к лику радиации, отчего и можно порой услышать истерические возгласы о радиоактивности микроволновых печей или сотовых телефонов. На самом деле что те, что другие — суть фотоны с ещё более низкой энергией, чем видимый свет, они не могут ни ионизировать, ни участвовать в ядерных реакциях. Микроволны находятся посерёдке между инфракрасным, то есть тепловым, излучением, и радиоволнами, именно потому они так хороши для нагрева. Да и мощная военная РЛС тоже способна зажарить испечь не соблюдающего технику безопасности, однако делает это настолько медленно, что обычно все последствия для стоявшего слишком близко к мощной антенне ограничиваются «печёными яйцами», которые через некоторое несколько месяцев приходят в норму (правда, не всегда: например, могут испечься глаза). Впрочем, случаи, когда летящие птицы внезапно массово упали замертво, объясняют тем, что чересчур переборщили, подав избыточно большую мощность на радар раннего предупреждения об атаке баллистическими ракетами (рядом с такими радарами на много километров вокруг нет ни одного гражданского, потому что это стратегический, строго охраняемый объект, располагаемый в глуши и в отдалении от населённых пунктов).

Как радиация получается

• От радиоактивных элементов или изотопов. Самое известное ее происхождение. Суть в том, что лишь ограниченное число конфигураций протонов и нейтронов в атомных ядрах стабильно. Все остальные неустойчивы и самопроизвольно распадаются, порождая радиацию. Это и называется радиоактивностью.
  • Интенсивность радиоактивного распада элементов имеет не постоянную, а экспоненциальную зависимость: у каждого радиоактивного ядра есть какая-то вероятность распасться, и чем больше атомов элемента, тем больше распадов в единицу времени. Поэтому не говорят о периоде полного распада какого-то элемента, а говорят о периоде полураспада. То есть о периоде, за который от исходного количества атомов остаётся ровно половина. Если подождать ещё один период полураспада, то от оставшейся половины тоже останется половина, то есть четверть от исходного. После трёх периодов полураспада — одна восьмая. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее излучаемая радиация.
    • Поправка. Радиоактивный распад ядра — понятие вероятностное, а не линейное, период полураспада — это такой промежуток времени, что вероятность распадения каждого ядра за него составляет 50 %. По прошествии этого периода «ровно половина» ядер останется нераспавшейся с такими же шансами, с какими из груды подброшенных монет ровно половина выпадет орлом. Однако когда атомов очень много, из большого количества радиоактивного вещества один за период полураспада распадётся количество ядер, очень близкое к 50%.
• От ядерных взрывов и реакторов. Основной источник нейтронного излучения.
• Из космоса. В космосе летает огромное количество разнообразных частиц. Тут полный зоопарк: и протоны, и электроны, и позитроны, и всякая вконец экзотическая шушера типа мюонов или мезонов. Правда, гаммы довольно мало, а нейтронов, к счастью, практически нет, потому что в свободном виде нейтрон неустойчив, имеет период полураспада в 10 минут и космические расстояния преодолевать просто не успевает. Образуется вся эта музыка в звёздных ядерных реакциях. Два основных вида: солнечный ветер (то есть лучи добра от ближайшей звезды — довольно низкоэнергетические, но их много) и собственно космические (долетающие из дальнего космоса, их мало, но они очень быстрые и проникающие). У планет, обладающих магнитным полем, например, Земли и Юпитера, есть радиационные пояса, в которых за счёт этого самого поля улавливаются и концентрируются частицы. Радиация там значительно сильнее, чем во всём остальном космосе.
  • А вот возле ярко-голубых звёзд радиация сильнее и жёстче, как и в двойных системах с нейтронной звездой, особенно если на нейтронную звезду падает вещество. Нейтронные звезды также интересны вот чем: они настолько горячи, что их тепловое излучение доходит до рентгеновского диапазона. Также до рентгена и гаммы накаляется вещество, падающее в чёрные дыры.

Что от неё бывает

Если кратко — ничего хорошего. От радиации нельзя стать супергероем, суперзлодеем или существом, превращающим людей в супергероев с помощью укуса. Также от неё не вырастает щупалец, третьих ног и шестых пальцев. А что же от нее можно схватить?

• Лучевую болезнь. Её основные симптомы — это разрушение костного мозга, отравление радиотоксинами — продуктами расщепления тушки радиацией (обломками белков и жиров, раздолбанных частицами), расстройства пищеварения и нервной системы. Самое опасное в этом списке — первое: костный мозг является кроветворным органом, и при его разрушении производство новых кровяных клеток останавливается и кровь быстро превращается в водицу. Отчего и наступает смерть.
• Рак. Случайное и не гарантированное, но очень неприятное последствие облучения.
• Генные мутации и хромосомные аберрации. Вот они, добрались до самой мякотки. На самом облучённом человеке они в основном никак не проявляются (если проявляются, то всё тем же раком), зато встают в полный рост при рождении потомства. И в большинстве случаев приводят к тому, что ребёнок просто не рождается, а происходит выкидыш или мертворождение. Или рождается, но хронически больной.
  • Яички легко поражаются, но после поражения спустя время относительно восстанавливаются (разумеется, шансы на рождения дефектного ребёнка и после «восстановления» не возвращаются к уровню непострадавшего человека). Почему так? Яички находятся вне тела и защищены только тонким слоем кожи. Так природа захотела, ибо спермогенез лучше протекает при температуре ниже температуры тела на градус. Поэтому так популярна шутка о просвинцованных трусах. При этом сам спермогенез — процесс постоянно обновляющийся: в процессе митоза все новые и новые клетки делятся напополам и образуют сперматозоиды. Миллионами. И если яички не были поражены фатально, т. е. до полной неспособности производить сперматозоиды, то шансы произвести здоровое потомство ненамного ниже среднего.
  • Яичники трудно поразить, но если уж они поражены — значит, отхватили дозу, от которой не восстановиться. Почему так? Женщина уже рождается с полным набором яйцеклеток. В дальнейшем часть из них будет понемногу созревать и каждый месяц покидать организм по нескольку штук за раз, а часть просто отомрёт, не достигнув созревания. Яичники спрятаны глубоко внутри тела и хорошо защищены — плюс. Минус в том, что клетки тела сами по себе не защита от тяжёлых частиц, и если яйцеклетка разрушится, то новой взять негде, а если под бомбёжку радиацией попал весь орган целиком — то он пострадает невосстановимо. Впрочем, учитывая, что тяжёлое облучение обычно приходится на весь организм, «пострадает невосстановимо» означает ещё и физическую невозможность выносить вообще какого-либо ребёнка и большие-пребольшие проблемы с гормональной системой на всю оставшуюся недолгую жизнь.

В чём измеряется облучение?

Есть единицы для измерения экспозиционной, поглощённой дозы и эквивалентной дозы. Разница между ними заключается в способе измерения, вкратце так: эквивалентная доза измеряется по последствиям для организма, которые сравниваются с последствиями от некой эталонной дозы облучения. Поглощённая доза измеряется по замерам энергии излучения и массы вещества, которое его поглотило. Экспозиционная — по подсчёту ионов в сухом воздухе. Какие единицы чему соответствуют?

Рентген — единица экспозиционной дозы. В эквивалентной дозе рентгену соответствует бэр, в поглощённой дозе — рад. Для обывателя рентген, бэр и рад — примерно одно и то же. Зиверт — единица эквивалентной дозы. В поглощённой дозе зиверту соответствует грэй. Для обывателя между зивертом и грэем также разницы особой нет.

1 Зв = 100 бэр. 1 Гр = 100 рад.

В общем, вторые две единицы в сто раз больше первых трёх.

Какая доза чем грозит? Вот несколько примерных доз и их последствия:

• 5 рентген: предельно допустимая «безвредная» доза в год для людей, работающих с радиацией или рентгеновскими аппаратами.
• 25 рентген: предельно допустимая доза, которую можно однократно схватить как «оправданный риск» в особых обстоятельствах. Может вызвать лёгкую лучевую болезнь.
• 100 рентген: начало тяжёлой лучевой болезни, поражение костного мозга.
• 300—500 рентген: примерно каждого второго, схватившего такую дозу, спасти не удаётся. Основной фактор смертности — выход из строя костного мозга, болеть месяц-другой.
• 1000 рентген: гарантированная смерть, медленная и довольно мучительная. Основной фактор смертности — пищеварительные расстройства и отравление радиотоксинами, умирать около недели.
• 10000 рентген: достаточно быстрая смерть от выхода из строя нервной системы или разрушения миокарда, лежать без сознания не больше суток.
• 100000 рентген: похоронят в свинцовом гробу.
• 1000000 рентген: на могиле вместо цветов вырастут гигантские грибы.
• 10000000 рентген: на фотографиях покойного выпадут все волосы.

Пациенту, схватившему от 500 до 1000 рентген, плохо становится далеко не сразу. Он может ещё около недельки гулять, веселиться, радоваться, что его досрочно демобилизовали. А уже на вторую-третью недельку начинают проявляться последствия отказа костного мозга, и пациент начинает умирать от малокровия.

Был однажды случай, когда самоубийца, работавший в секретном пронумерованном институте, оставил записку «Прощай, жестокий мир», и пустил себе по вене соль радия. Самоубийца не знал матчасти и пустил себе по вене такую дозу, чтобы умереть очень медленно и мучительно. Где-то чуть больше года этого покемона держали в больнице, радуясь уникальному случаю исследовать последствия тяжёлого радиационного отравления. Ему постоянно переливали кровь, чтобы компенсировать последствия выхода из строя костного мозга. В конце концов подопытный умер от раков. Именно так. Во множественном числе. В его теле выросло сразу пять раков разных видов, соревновавшихся, кто быстрее угандошит несчастного самоубийцу.

Чем измеряется облучение

Наиболее известный прибор — дозиметр; он предназначен для измерения полученной человеком эквивалентной дозы, и проградуирован в зивертах или бэрах (устаревшие модели могут быть проградуированы в рентгенах). Дозиметров существует много и разных, в нашей стране широко известны маленькие дозиметры в виде ручки.

Более сложный прибор — дозиметр-радиометр, у него есть и ещё один режим — замерять активность образца в распадах в минуту или секунду.

Счётчик Гейгера — простой и давно известный детектор радиации, один щелчок которого — это пролёт через камеру счётчика одной частицы. Когда он делает вот так: тик-так! тик-так! — это значит, что пора уносить ноги и глотать антирадин на всякий случай. В случае превышения некоторого значения интенсивности зашкаливает, и в этом случае чиселке, которую он показывает, уже нельзя верить. Некоторые современные дозиметры представляют собой улучшенные счётчики Гейгера с прикрученной к ним электроникой для перевода попугаев в зиверты.

Плёночный значок — по принципу действия похож на старинную фотопластинку, но покрыт менее чувствительными солями, которым пофиг на свет. А на радиацию не пофиг, от неё они чернеют. Если значок из белого стал чёрным, значит, носитель значка схватил опасную дозу и ему пора лечиться.

Известные радиоактивные элементы и изотопы

• Уран. Два распространённых изотопа: уран-235 и уран-238. Оба они альфа-радиоактивны. Разница между ними заключается в способности вступать в реакции деления: первый умеет и любит, а второй умеет, но очень не любит. Поэтому для атомных бомб и реакторов используется только уран-235. Вообще уран — довольно слаборадиоактивный элемент, особенно чистый 238-й (так называемый обеднённый уран), который можно хранить дома в обычном деревянном ящике и нимало от этого не страдать (автор этой статьи держала в руках слиточек обеднённого урана, который знакомые её матери хранили у себя в серванте как сувенир). Правда, он очень горюч, и токсичен.
  • А автор этого примечания видела редкий радиоактивный минерал, в состав которого входил уран. У него настолько слабенькое излучение, что у некоторых гранитов побольше. Камешки у него обычно зелёные, жёлто-зеленые, жёлтые. Ничего, жива-здорова. Проводить такие эксперименты самостоятельно не советую: руды урана нестойкие химически, токсичные, хрупкие и жутко горючие, поэтому их обычно держат в закрытых боксах.
  • Распадом собственно урана дело далеко не ограничивается, на пути до стабильных свинца или висмута должна пройти ещё целая цепочка распадов вторичных продуктов, поэтому концентрат урановой руды со всем накопившейся мачмалой "светит" заметно сильнее, чем старательно очищенный кусок урана.
• Радий. Один распространённый изотоп: радий-226. Весьма сильно радиоактивен (период полураспада 1600 лет), но делительными свойствами не обладает. Поэтому радий ценился в начале XX века, когда радиоактивность ещё только-только изучалась, а о делении никто понятия не имел. Испускает альфу и гамму.
• Плутоний. Два распространённых изотопа: плутоний-239 и 240. Получается искусственно из урана-238 путём облучения его нейтронами. Оба изотопа умеют и любят делиться, но практичен в этом отношении только 239-й, из которого делают атомные бомбы. 240-й считается вредной примесью. Сильно радиоактивный элемент, хотя и не настолько, насколько радий (период полураспада 239-го порядка 10 000 лет). Альфа- и гамма-активен, в результате распада превращается обратно в уран.
  • Помянем плутоний 238-й. Из-за относительно малого периода полураспада, его энерговыделение настолько высоко, что таблетка достаточных размеров может греться до вишнёвого каления. Вдобавок, распадается он с излучением слабо проникающих альфа-частиц, что в сумме даёт довольно удобный и относительно безопасный источник тепла.
• Тритий. Радиоактивный изотоп водорода, водород-3. Бета-активен, немного тяжелее обычного водорода, а в остальном такой же — бесцветный горючий лёгкий газ. В результате распада превращается в гелий, период полураспада 12 лет. Весьма и весьма радиоактивен, но испускает чистую бету, никакой гаммы, к тому же очень малоэнергетичную, практически рентген. Поэтому защититься от него легко — если только он не попадает в организм. Зато он может проникнуть через неповрежденную кожу. Из-за малой энергии частиц определить его наличие также довольно непросто.
• Радон. Тоже радиоактивный газ, но на этот раз тяжёлый и инертный (относится к группе благородных газов). Один распространённый изотоп, радон-222, зашибенно радиоактивен (период полураспада всего 4 суток), испускает альфа-частицу. Повышенная вредность из-за газообразности — попадает в легкие. Используют в медицине для приготовления радоновых ванн (при этом, как сообщает нам Вики, их эффективность научно не доказана).
  • Впрочем, близко познакомиться с радоном можно и без обращения к нетрадиционной медицине: он постоянно образуется в земной коре при распаде того же урана и имеет склонность накапливаться в подвалах, полуподвалах и на первых этажах зданий. В очень небольшом количестве, конечно, но все равно проветривать лучше почаще.
• Полоний. Полуметалл, в недавние годы получивший известность как самый страшный яд. Речь идёт об изотопе полонии-210, испускающем чистую альфу, без гаммы, зато со страшной силой (период полураспада 138 дней). Из-за этого «обычными» дозиметрами слабо определим. При попадании в организм вызывает ужасную разруху.
• Стронций-90, йод-131 и цезий-137. Наиболее опасные осколки от деления урана и плутония, образуются при ядерном взрыве, содержатся в радиоактивных отходах. Йод-131 среди них один из самых опасных — помимо обычных последствий попадания радионуклидов, он летуч, бьёт прицельно по щитовидке, в лучшем случае вызывая её полное рассасывание и обрекая подопытного на пожизненный гипотиреоз и кретинизм. Но уменьшить вред от него несложно — надо лишь принимать внутрь обычный йод в соединениях. В идеале — йодистый калий, но сойдёт и синий йодокрахмал. Внимание выживальщикам: пить чистый медицинский йод — нельзя! Заработаете ожоги пищевода и желудка, что будет хуже возможного облучения. Сделайте хотя бы синий йодокрахмал, смешав йод с мукой или хлебом. Пить, понятно, желательно до или в первый день экспозиции, а не в морге после госпитализации.
• Кобальт-60. Известен как основное действующее вещество оружия Судного дня — кобальтовой бомбы. Эта так называемая «солёная» бомба заражает огромные территории сильными радиоактивными осадками. Гамма-излучатель большой проникающей способности и интенсивности. Из страха перед последствиями эту бомбу так никто и не испытывал.
• Калифорний — известен не своей радиоактивностью или периодом полураспада, а прежде всего критической массой — особенно калифорний-252, критическая масса которого — около 5 килограмм, а в некоторых соединениях — аж до 10 грамм, что позволяет некоторым авторам фантазировать об атомных пулях. Вот только цена одной такой пули составляла бы не одну сотню миллионов долларов.
• Сверхтяжёлые металлы. Элементы с атомными номерами от 104 и выше. Самые радиоактивные элементы во Вселенной, периоды полураспада — от минут до миллисекунд (хотя астат и франций могут посоперничать). Поэтому их можно назвать «виртуальными» элементами — если они есть, то их сразу нет. Но существует теория так называемого «острова стабильности», согласно которой, у некоторых из этих металлов могут быть изотопы, существующие продолжительное время. Элериум-115 — один из них.