Глава 2.

РАДИОАКТИВНОСТЬ И ЕДИНИЦЫ ЕЁ ИЗМЕРЕНИЯ

2.1. Общие понятия о радиоактивности

2.2. Общие понятия о единицах измерения радиоактивности

2.1. Общие понятия о радиоактивности

        Радиоактивность как физическое явление - это способность самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа химического элемента в устойчивый изотоп (БСЭ, т.21, изд. 3,1975).

        Такое превращение сопровождается испусканием элементарных частиц (альфа-, бета -) и излучения (гамма - кванты).

        Существуют и другие формулировки термина радиоактивность:

        - совокупность излучений, испускаемых каким-либо препаратом, содержащим радиоактивные изотопы;

        - способность вещества давать излучение в виде α-, β-частиц, или γ-квантов.

        В природе установлено более 230 радиоактивных ядер естественного происхождения, и их количество существенно дополняется техногенными (искусственными) радионуклидами практически всех элементов таблицы Д.И. Менделеева.

        Все известные радиоактивные элементы следует разделить на две группы ( табл. 2.1): естественные и искусственные (техногенные).

        Среди естественных радиоактивных элементов выделяются долгоживущие (U, Th, К-40, Rb-87 и др.), короткоживущие продукты распада долгоживущих изотопов (радий, радон и т.д.) и нуклиды, постоянно образующиеся в природной среде за счет ядерных ре­акций (С-14, Н-3, Ве-7 и др.).

        Искусственные радиоактивные элементы могут быть подразделены на:

        - осколочные (продукт деления ядер урана-235 под воздействием тепловых нейтронов по схеме):

        - Радиоактивные элементы - продукты активации за счет взаимодействия нейтронов, гамма - квантов и т.д. с веществом (⁶⁰Со, ⁶⁵Zn, ⁵⁴Fe и т.д.).

        - Трансурановые радиоактивные элементы, образующиеся в результате поглоще­ния нейтронов по схеме:

²³⁸U + (n°) → ²³⁹U → β → ²³⁹Np → β → ²³⁹Pu

 ²³⁹Pu + (γ,n) → ²⁴⁰Pu + (у,n) → ²⁴¹Pu → β → ²⁴¹Am

        Наиболее широко распространенными естественными радиоактивными элементами в природе являются уран, торий и калий. Так, нуклид ⁴⁰К обуславливает 40-45% существующей мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в природе. На долю ²³²Th и продуктов его распада приходится около 35%, а на уран и продукты его распада - 20-25%

        Все радиоактивные элементы распадаются по закону радиоактивного распада

        N = No * е^-λt, где N₀- число радиоактивных атомов в начальный момент времени появления нуклида (t₀);

        е - основание натурального логарифма (2,718);

        λ- постоянная радиоактивного распада, характеризующая вероятность распада ядра атома какого-либо нуклида в единицу времени; она различна для разных радионуклидов;

        t - время, прошедшее от t₀.

        Постоянная радиоактивного распада определяет так называемый период полураспада (Т), промежуток времени, требующийся для уменьшения первоначального числа радиоактивных ядер в 2 раза:

        Т= ln2/λ = 0,693/λ.

        Период полураспада Т^½ является одной из основных характеристик радиоактивного вещества.

        Природные радиоактивные изотопы, не входящие в группу актинидов (Rb, Nd, Sm, Sn, In и др.) обладают периодом полураспада от n*10²¹ (¹³⁰Те) до n*10⁹ (⁴⁰K) лет. В природе они встречаются в ничтожно малых количествах, за исключением ⁴⁰K, доля которого в природной сумме изотопов составляет 0.0118 % (Баранов и др., 1973).

        Естественные радиоактивные элементы обладают периодом полураспада от n*10¹⁰ (²³²Тh) до n*10⁸ (²³⁵U) лет.

        Радиоактивный распад может представлять собой цепь последовательных радио­активных превращений. Элементы, входящие в такую цепь, образуют радиоактивные семейства. Наиболее длинные и хорошо изученные цепочки распада характерны для урана и тория.

        Известно три семейства (или ряда) распадов:

        1.Ряд ²³⁸U; 2. Ряд ²³⁵U (актиноурана); 3. Ряд ²³²Th.

        В каждом ряду образуются радионуклиды с разными периодами полураспада, в том числе короткоживущие (секунды, минуты, часы, дни) испускающими α, β- частицы и гамма - кванты различных энергий. Конечные продукты в цепи распада представлены нерадиоактивным химическим элементом - свинцом разного изотопного состава (²⁰⁶Pb, ²⁰⁷РЬ, ²⁰⁸РЬ). На долю этих радиогенных изотопов свинца приходится около 99% всего количества свинца в земной коре. Обобщенные схематические ряды распадов представлены на схеме.

        Искусственные радионуклиды, как правило, имеют незначительные периоды полураспада (от долей секунды до десятков лет, реже, например Т¹²⁹ – сотни и миллионы лет), и только элементы, образующиеся в результате ядерных реакций присоединения (нептуний, плутоний, америций), имеют периоды полураспада от нескольких минут до десятков тысяч лет (²³⁹Pu - 24065 лет).

        Радиоизотопы искусственных нуклидов обладают разными видами радиоактивности. Среди них могут преобладать гамма - излучатели (цезий-137, барий -137 и др.), бета - излучатели (стронпий-90 и др.) и альфа - излучатели (плутоний-239 и др.).

        Следует отметить, что в большинстве случаев, но не всегда, альфа - и бета-распад сопровождается испусканием гамма - квантов того или иного энергетического спектра. По этой причине контроль за радиационной обстановкой, в первую очередь, включает измерение мощности экспозиционной дозы гамма – излучения, хотя этого существенно недостаточно при контроле за альфа – излучающими нуклидами (Pu и др.).

        В процессе ядерного взрыва образуется значительное количество гамма - излучателей (рис. 2.1). Но их активность уже в первые минуты, часы и дни после взрыва существенно уменьшается (рис. 2.2).

2.2. Общие понятия о единицах измерения радиоактивности

        Следует отметить, что существуют определенные объективные трудности в восприятии и понимании единиц радиоактивности. Это связано, во-первых, с тем, что имеются единицы измерения, как самого явления, так и единицы по измерению воздействия этого явления на вещество, и зачастую необходимо переходить от одних к другим; во-вторых, с наличием нескольких единиц с различными исторически сложившимися названиями, не связанных меж собой кратными или дольными соотношениями.

        Исторически первой общепринятой единицей радиоактивности была принята радиоактивность 1 грамма химически чистого радия, которая была названа в честь супругов М. и П. Кюри.

        Радиоактивность 1 г Ra = 1 Кюри (Ки), англоязычное – Ci.

        Позднее за единицу радиоактивности (активности) было принято количество радиоактивных превращений (распадов) в единицу времени.

        Единица, характеризующая 1 распад радионуклида в 1 сек. была названа в честь французского физика А. Беккереля - Беккерелем (Бк), англоязычное – Bq.

        Так как 1 г Ra давал 3, 7* 10¹⁰ распадов в сек., то между Ки и Бк установлено соотношение: 1 Ки = 3,7*10¹⁰ Бк, или 1 Бк = 2,7*10^-11 Ки

        Радиоактивность некоторых других элементов относительно радия будет следующей: 1 г ²³⁵ U = 2,1*10^-6Kи,

        1 г ¹³⁷Cs = 87 Kи,

        1 г I¹³¹= 1,2*10⁵ Ки,

        1 г ²³²Th= l,l*10^-7 Kи,

        1 г ²³⁹Рu= 6,1*10^-2 Ки,

        1 г ⁶⁰Co = l,l*10^-3 Kи,

        1 г ¹⁴С = 4,6 Ки,

        l г ⁸⁷Rb = 8,5*10^-8 Kи,

        l г ⁹⁰Sr =145 Kи,

        1 г ⁴⁰К = 6,8*10^-6 Ки и т.п.

        Таким образом, радиоактивность 1 г, например, кобальта-60 в 1000 раз выше, чем радиоактивность 1 г радия-226, а плутония в 100 раз меньше.

        Активность радионуклида прямо пропорциональна его количеству, поэтому количество радиоактивного вещества можно измерить, определив его активность в Бк/кг, Ки/л и т.д.

        Единицы активности 1 Бк и 1 Ки имеют кратные и дольные значения (см. Десятичные приставки), например:

        1 мк Kи = 10^-6Kи,

        1 кБк = 10³ Бк,

        1 МКи = 10⁶ Ки,

        1 пКи = 10^-12 Ки и т.д.

        Существуют также понятия удельной активности, площадной активности и объемной концентрации.

        Удельная активность - это активность единицы массы вещества, т.е. Ки/г; Бк/кг;

        пКи/г и т.д.

        Площадная активность - это радиоактивность вещества, приходящаяся на 1 ед. площади, то есть:

        Ки/м²; Ки/км²; Бк/м² и т. д.

        Характеризуя радиоактивность какого-либо материала, необходимо конкретно указывать, о каком радионуклиде идет речь. Так, если мы говорим, что удельная активность почвы по цезию-137 100 Бк/кг, то это значит, что речь идет только об этом изотопе, другие (уран, торий, калий и т.д.), присутствующие в почве, не учитываются.

        Оценивая общую радиоактивность почв в единицах СИ от естественных радионуклидов, мы должны указать, например, радиоактивность по урану - 238 Бк/кг, по торию - 35 Бк/кг, по калию - 296 Бк/кг, тогда как общая суммарная радиоактивность данной почвы от естественных радиоэлементов будет не простая сумма активностей, равная 369 Бк/кг, а будет несколько больше, так как она рассчитывается по формуле с учетом коэффициентов.

        При этом не учитывается присутствие дочерних радионуклидов этих элементов (радий, полоний, и т.д.)

        При оценке соответствия строительных и некоторых других материалов радиационно - гигиеническим нормативам (раздел 9), введено понятие суммарная эффективная удельная активность радионуклида (А_с).

         Ac=A_Ra + 1,31 А_Th + 0,085 А_k, где

        А_Ra, А_Th, А_k - удельная активность соответствующих радионуклидов.

        Если в материале определялась концентрация урана, а не радия, то вместо a_ra подставляется содержание равновесного урана, тогда расчётная формула будет иметь вид:

        А_c = А_u *3,4*10^-7 + 1,31 А_Th, + 0,085 А_k

        Если почва была загрязнена техногенными радиоизотопами, например, цезием, стронцием и кобальтом, то указывается их радиоактивность, допустим:

        по цезию-137 -100 Бк/кг,

        по стронцию-90 - 20 Бк/кг,

        по кобальту-60 - 80 Бк/кг

        И тогда общая радиоактивность почв составит (А_с +100+20+80) Бк/кг.

        Для перехода от удельной активности в Бк/кг, Бк/г и т.д. к площадной в Бк/м², в Ки/км² и т.д. необходимо знать плотность вещества.

        Расчёт может вестись по разным формулам. Так, В.М. Гавшин и др. (1994) предлагает следующий вариант:

        Р = A*d*h*10⁷, где

        Р - площадной запас радионуклидов в Бк/км²;

        А - активность почвы, Бк/кг;

        d - объёмный вес пробы, г/см³;

        h - глубина ячейки параллелепипеда отбираемой пробы, см,

        или по формуле Р = 0,27Adh мКи/км².

        Так, 34 Бк/кг активности почвы по цезию-137 будет соответствовать площадной активности 0,1 Ки/км² при плотности почвы 1100 кг/м³ и глубине отбора 0,1 м.

        Часто для ориентировочной оценки необходимо знать переход от мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в мкР/ч к площадной загрязненности почв (Ки/км²). Эта сугубо ориентировочная оценка должна учитывать весь энергетический спектр радионуклидов.

        Так, М. Эйзенбад (1967) указывает, что для продуктов деления, средняя энергия гамма - квантов которых равна 0,7 Мэв (цезий - 137 + барий – 137m) площадной активности 1 Ки/км² на высоте 0,9 м, будет соответствовать мощность экспозиционной дозы 10 мкР/ч.

        Соотношение между весовыми содержаниями естественных радионуклидов, находящихся в состоянии радиоактивного равновесия, и удельной активностью приведено на рис. 2.3.

        Ориентировочно, при условии радиоактивного равновесия, можно считать, что:

        1 мг/кг U = 12,6 Бк/кг;

        1 мг/кг Th = 4,07 Бк/кг;

        1 %К = 313 Бк/кг ⁴⁰К.

        Объемная концентрация радиоактивности - количество распадов в единицу времени, отнесенное к объему вещества, т.е. Kи/л, Ки/м³, Бк/л, Бк/м³ и т.п.

        Первоначально объемная концентрация радона измерялась в эманах и махе - единицах: 1 эман = 10^-10 Kи/л = 220 расп/мин.л;

        1 махе = 3,64 эман = 3,64* 10^-10 Kи/л = 780 расп/мин*л

        В процессе распада радиоактивных ядер образуются потоки γ - квантов, α и β -частиц, способных ионизировать вещественную среду (воздух, воду, биологические клетки и др.) и сообщать веществу дополнительную энергию.

        Количество поглощенной при этом энергии и образовавшихся пар ионов являются определенным интегрированным показателем величины радиоактивности вещества и измеряются различными физическими методами (по ионизации воздуха, например).

        Так, например, если при воздействии у - квантов (фотонное излучение) в см³ воз­духа при нормальных условиях (н.у.) происходит его ионизация с образованием 2,08*10⁹ пар ионов, что соответствует электрическому заряду в 1 Кулон (1 К), то говорят, что экспозиционная доза γ- излучения соответствует 1 Рентгену (1 Р). Отсюда появился широко распространённый термин - ионизирующее излучение.

        Экспозиционная доза, отнесенная ко времени, получила название мощности экспозиционной дозы (X) и измеряется в системе СИ в амперах на кг (а/кг), а во внесистемных единицах в Р/с, Р/ч и т.п.

        Существуют и кратные им единицы (мР, мкР, мР/ч, мкР/ч и т.д.).

        Переход от единиц активности вещества, выраженного, например, в мкКи к мощности экспозиционной дозы γ-излучения данного радионуклида в Р/ч, осуществляется при помощи гамма - постоянных (справочная величина), характерных для каждого радиоизотопа.

        Гамма - постоянная любого радионуклида равна мощности экспозиционной дозы гамма - излучения нуклида в рентгенах за час, которая создаётся точечным изотропным гамма - источником активностью 1 мКюри на расстоянии 1 см. Единица измерения гамма - постоянной Р*см²/ч*мКюри. Так, например, от источника Ra-226 активностью 1 мКи на расстоянии 1 см создаётся мощность экспозиционной дозы γ-излучения в 9,36 Р/ч («Справочник по дозиметрии», 1974). От аналогичного источника цезия-137 - 3,1 Р/ч, лантана-140-11,14 Р/ч и т.д.

        Кроме экспозиционной дозы, характеризующей степень ионизации воздуха, существует и другое понятие - поглощенная доза (D)- это энергия излучения, поглощенная единицей массы вещества. В СИ она измеряется единицей Грей (Гр):

        1 Гр = 1 Дж/кг. Ранее пользовались для оценки поглощенной дозы единицей рад.:

        1 рад = 0,01 Гр

        Поглощенная доза, отнесенная ко времени поглощения, носит название мощности поглощенной дозы и измеряется в Гр/ч, Гр/с, мГр/ч, рад/с, рад/год и т.д.

        Следует отметить, что 1P экспозиционной дозы (по всему спектру γ - излучения до энергии 3 МэВ) соответствует поглощенной дозе в биологической ткани в 0,93 рад, т.е. IP около 0,93 рад, или IP « 0,0093 Гр, тогда как в воздухе IP » 0,88 рад.

        Биологический эффект воздействия ионизирующего излучения зависит от вида излучения, энергии частиц и гамма - квантов. Так, альфа-частица с энергией 4 Мэв проходит 31 мкм биологической ткани, а с энергией 10 Мэв -130 мкм.

        Излучения, испускаемые радионуклидами, различаются по эффективности и по способности повреждать биологические системы. Существует понятие - относительная биологическая эффективность (ОБЭ) излучения. ОБЭ того, или иного вида излучения выражается по отношению к дозе условно принятого стандартного типа излучения.

Главный фактор влияющий на ОБЭ - распределение ионизации и возбуждений по следу (треку) движения заряженной частицы.

        Для интегрированной характеристики процессов ионизации и возбуждения вве­дён термин «линейная потеря энергии» (ЛПЭ).

        ЛПЭ выражается в среднем количестве переданной частицей энергии, измеренной в единицах кэВ на микрометр пробега в веществе (кэВ/мкм). Частицы с высокой ЛПЭ являются более повреждающими на единицу дозы (Гр), чем излучение с низкой ЛПЭ.

        Для учёта степени воздействия радиоактивного излучения на биологические ткани существует понятие коэффициента качества (КК) излучения или фактор качества (ФК) излучения.

        КК (ФК) находится в прямой зависимости от ЛПЭ излучения (табл. 2.2).

        Если ККИ γ- излучения принять за 1, то для β - излучения он будет составлять -10, для α - излучения с энергией < 10 Мэв - 20, для тепловых нейтронов - 3.

        Поглощенная доза излучения (D), рассчитанная с учётом КК, получила название эквивалентная доза (Н).

Н = D*KK.

        Так, ранее широко распространённый термин биологический эквивалент рентгена (бэр), является показателем того, что при дозе 1 бэр данного вида излучения возникает такой же биологический эффект, как и при поглощённой дозе в 1 рад образцового излучения.

        Для приближённых расчётов можно считать, что для γ-излучения 1 бэр ~ 1 раду ~ 0,93 Р.

        В настоящее время рекомендуется в качестве единицы измерения эквивалентной дозы использовать единицу Зиверт (Зв). 1 Зв = 0, 01 БЭР.

        Соответственно мощность эквивалентной дозы будет измеряться в Зв/ч, мкЗв/ч и т.д.

        Соотношение между применяемой единицей мощности дозы γ -излучения в мкР/ч и мкЗв/ч таково:

        1 мкР/ч = 0,01 мкЗв/ч или 100 мкР/ч = 1 мкЗв/ч, для излучения с КК = 1.

        Мощность поглощённой дозы 1Гр/ч соответствует мощности эквивалентной дозы 1 Зв/ч при КК = 1 (гамма или рентгеновское излучение), но 1 Гр/ч от альфа-излучения бу­дет соответствовать 20 Зв/ч от гамма - излучения.

        Связь понятий поля, дозы, радиобиологического эффекта и единиц их измерения может быть представлена в виде схемы (рис. 2.4).

        В таблице 2.3 показана доза облучения человека в зависимости от времени пребывания в поле гамма - излучения.